人体组成学：历史、现况和未来
作者：王自勉
单位：哥伦比亚大学内外科学院 St. Luke's Roosevelt 医院
关键词：
生理科学进展000223 目录
一、人体组成学的早期研究
(一)尸体研究
(二)活体测定方法
(三)体内外因素对人体组成的影响
二、人体组成学研究的现况
(一)对人体组成规律的探索
(二)对影响人体组成的体内外因素的探讨
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(三)人体组成的活体测定方法
三、人体组成学研究的未来发展
人体组成学(human body composition studies)是人体生物学的分支之一，它主要研究人体内诸多组成成分之间的数量规律，体内外各种因素对组分间数量关系的影响，以及活体测定人体组分的方法[1]。
人体生物学包含了许多分支，如生物化学、细胞学、组织学、生理学等等。每个分支都从一个特定的角度(如化学过程、细胞结构、机能调控)来研究人体。然而所有上述分支都不探讨，或很少探讨人体内众多组分之间的数量关系。人体组成学恰恰填补了人体生物学中这个重要的空白。需要指出的是，Human Body Composition Studies 这个英语学科名称，迄今还没有正式的中文译名。笔者暂译为人体组成学或人体组成研究，以就教于国内同道。
, 百拇医药 在北美、欧洲和澳洲的一些国家，人体组成学研究已有长足的进展。而在中国大陆和台湾，这方面的研究虽已起步，但还只有零星的未成系统的报道。本文的目的是简要而全面地介绍人体组成学这门学科，藉此与国内同道交流，以期促进国内的相关研究。本文首先简略地回顾人体组成研究的历史，然后着重介绍当代人体组成学研究的三个领域，最后简要讨论人体组成学的未来发展。
一、人体组成学的早期研究
人类很早就开始探索自己身体组成的奥秘。公元前440年，被后人称为医学之父的古希腊学者Hippocrates就认为，人体由四种要素即血液、粘液质、黄胆质和黑胆汁所组成。古代中国学者则认为人体包含了金、木、水、火、土五种组分，并认为这五种组分的平衡维系着人体的健康，平衡破坏则会导致疾病。尽管古代学者的假说包含了朴素的辩证法，但是这些假说并没有建立在实验的基础上，因而还不能认为是现代意义上的人体组成学研究。
人体组成学作为现代科学的一个分支，一般认为始于德国化学家Justus von Liebig (1803～1873) 的工作。1850年，Liebig 以化学分析为手段，发现人体中许多成分在食物中也同样存在。他还发现人体组织含有高浓度的钾和低浓度的钠。反之，体液则含有低浓度的钾和高浓度的钠。从Liebig的工作开始，人体组成学研究在过去的一个半世纪中取得了重大进展。这段历史可以大致分为两个时期，即早期研究(1850～1950)和当代研究(1960年至今)。
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早期的人体组成学研究主要在三个方面展开，即尸体研究，建立活体测定人体组分的方法，以及探讨体内外因素对人体组成的影响。
(一)尸体研究 由于无法在活体上测定人体组分，早期的研究者们不得不主要依靠尸体研究，来探讨体内组分之间的数量关系。1843年，Schwann测定了尸体的器官重量。Bischoff (1863) 和 Fehling(1877)分别测定了成年人、胎儿和新生儿尸体的水含量。1900年，Camerer 和 Soldner进一步测定了胎儿尸体的多种化学成分，包括水、脂肪、氮和主要矿物质的含量。1938年，Lob 和 Swanson测定了胎儿和新生儿尸体的微量矿物质。通过尸体研究，积累了大量人体组成的基本数据，这对探索组分之间的数量关系和规律起了重大的作用。直到现在，尸体研究在人体组成学中仍是不可缺少的。例如，一个新的方法对活体动物的测定值是否准确，有赖于把该动物处死后进行化学分析来检验。迄今为止，最大规模的尸体研究是在1984年完成的，在组织和器官水平上定量研究了25具成年人尸体(12男13女)[2]。
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(二)活体测定方法 由于尸体研究难以普遍进行，更由于在尸体上发现的组分间数量规律不一定适用于活体，早期的研究者们开始探索人体组分的活体测定方法。早在1909年，Shaffer 和 Colemen 就提出了由尿肌酐日排出量来估测全身骨骼肌重量。1915年，Keith等依据稀释原理，以活性红(Vital Red)和刚果红(Congo Red)为标记物，测定了全身血容量。1934年，von Hevesy和Hofer以重水(2H2O)为标记物，测定了全身的水含量。1942年，Behnke等将物理学中著名的阿基米德原理应用于人体组成学，测定了人体中脂肪和去脂体重(fat-free body mass)之间的比例。这个方法由Keys和Brozek(1953)进一步发展，至今仍广泛地应用于测定全身的脂肪含量。另一方面，Sievert(1951)发现，人体内含有钾的放射性同位素(40K)，可以用放射学技术进行活体测定。据此，Forbes等(1961)发展出测定全身钾含量的方法。
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(三)体内外因素对人体组成的影响 在影响人体组成的诸多体内外因素中，年龄是最先被研究的一个。早在1857年，Albert von Bezold就发现，在动物生长过程中，体内的矿物质比例增加，而水的比例却减少。1914年，Benjamin又发现，新生儿的生长伴随着氮的积累。在此基础上，Moulton于1923年提出了“化学成熟(chemical maturity)”的概念。所谓化学成熟，即年幼动物身体的化学组成达到成年水平。Moulton发现，哺乳动物大约在其生命期的4%时达到化学成熟。另一个很早就被研究的因素是营养。1907年，Cathcart发现在禁食过程中身体内的氮含量减少。Benedict等(1919)进一步指出，即使中等程度的饥饿也会引起氮含量的减少。此后，人们研究了越来越多的因素如运动、种族、性别以及各种疾病对人体组成的影响。
人体组成学的早期研究延续了大约一百年。1963年，第一次人体组成学研讨会在纽约召开， J. Brozek总结了过去一百年间的研究成果。这次会议标志着人体组成学早期研究告一段落，也标志着更加快速发展的当代研究的开始。
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二、人体组成学研究的现况
从20世纪60年代开始，人体组成学研究进入了一个新阶段。参与人体组成学研究的学者越来越多，发表的学术论文的数量呈指数曲线快速增长[3]。60年代初，平均每年仅有25篇人体组成学论文发表，到70年代增长到77篇，到80年代进一步增长到110篇。进入20世纪90年代，平均每年发表的人体组成学论文增加到289篇(其中1997年为484篇)。自1985年以来，出版的人体组成学专著已达20部之多，最有代表性的是以下两部专著：
Forbes GB. Human Body Composition: Growth, Aging, Nutrition and Activity. New York: Springer-Verlag, 1987. 350 pages.
Roche AF, Heymsfield SB, Lohman TG (eds.). Human Body Composition: Methods and Findings. Champaign, IL，USA: Human Kinetics, 1996. 366 pages.
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人体组成学研究快速发展的另一个重要标志是1985年召开的国际人体组成学研讨会(The International Symposia on In Vivo Body Composition Studies)，为全世界的该领域学者们提供了交流的论坛。这个系列研讨会迄今已召开五次，分别在美国纽约(1986)，加拿大多伦多(1989)，美国休士敦(1992)，瑞典Malmo(1996)，和美国纽约(1999)举行，每次研讨会均有一百多位各国学者参加。
近40年来，人体组成学研究主要围绕着三个方面进行，即探索人体组成规律，探讨各种体内外因素对人体组成的影响，以及发展人体组成活体测定方法。这三方面的研究互相联系，互相促进，现分述于下。
(一)对人体组成规律的探索 这方面的研究是基于一个认识，即人体决不是由各种成分杂乱无章地堆砌而成的。诸多组成成分之间必然存在着数量规律，以维持人体的正常组成和功能。1992年，Wang等提出了人体组成的五层次模型(The Five-Level Model of Human Body Composition)[1]。这个模型把已知的大约四十种人体组分归纳到五个渐趋复杂的层次中，即原子层次，分子层次，细胞层次，组织器官层次，和整体层次(附图)。
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附图 人体组成的五层次模型
图中：ECG-细胞外液体(extracellular fluid)，ECS-细胞外固体(extracellular solids)
在原子层次上，人体由五十多种元素所组成。含量最丰富的元素是氧，约占体重的60%。而含量最丰富的六种元素(氧、碳、氢、氮、钙、磷)共占了体重的约98%。身体的质量(BM)等于所有元素质量的总和。
BM = O + C + H + N + Ca + P + S + K + Na + Cl + Mg + others
在分子层次上，人体由超过100 000种化合物所组成。这些化合物的复杂性与分子量有着极大的差异，最简单者如水，最复杂者如核糖核酸。人体组成学将这些化合物分类为若干组分，主要有水、蛋白质、脂、矿物质，以及糖类。身体的质量等于所有这些组分的总和。
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BM = 水 + 蛋白质 + 脂 + 矿物质 + 糖类 + 其他
在细胞层次上，人体大约含有1018个细胞，依照大小、形状、组成、代谢、分布和功能的不同，可以分为若干类别。身体的质量等于细胞、细胞外液体和细胞外固体的总和。
BM = 细胞 + 细胞外液体 + 细胞外固体
在组织-器官层次上，人体由四类主要组织，即肌肉组织，结缔组织，上皮组织，及神经组织所构成。
BM = 肌肉组织 + 结缔组织 + 上皮组织 + 神经组织
人体的质量也可以表达为全身所有器官质量之和。
在整体层次上，人体由头、颈、躯干、上肢和下肢组成，人体的质量可以表达为所有这些部分的质量之和。
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BM = 头 + 颈 + 躯干 + 上肢 + 下肢
各个层次之间，各个组分之间既是不同的，又是相互联系的，由此构成了完整的人体组成的图象。根据这个模型，研究者得以清晰地定义人体组成的概念，并据以建立正确的人体组成方程。上述的五层次模型已成为人体组成学的重要理论基础，在世界各国的人体组成学研究和教学中被广泛应用。
探索身体组分间存在的比较恒定的数量规律，是人体组成学的重要课题之一。下面简述某些业已阐明的人体组成规律。
1. TBW/FFM = 0.73。去脂肪体重(fat-free body mass，FFM)是人体组成学的一个重要概念，等于去除了全部脂肪之后的体重(BW)，FFM = BW-fat。尸体研究和活体测定都发现，在FFM之中水分占了约73%。这个比例不论对小鼠、大鼠、猫、狗等小型哺乳动物，还是对人、猪、牛、马等大型哺乳动物都是适用的[4]。这个规律已被广泛应用于测定哺乳动物的全身脂肪含量。最近，Wang等提出了数学模型，从理论上解释了为什么哺乳动物的全身水含量(total body water, TBW)与FFM的比值比较恒定地等于0.73[5]。
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2. TBK/FFM = 68 mmol/kg。这是与FFM有关的另一个人体组成规律。对尸体的研究和活体测定发现，全身钾含量(total body potassium, TBK)与FFM的比值大约是68 mmol/kg。根据这个规律，如果能够测得全身的钾含量，就可以计算出FFM，从而计算出全身的脂肪含量。然而，近年来的研究表明，TBK/FFM的值应较低，在男性为59～62，在女性为54～59 mmol/kg[6]。
3. TBK/BCM = 0.00833。这是与全身的钾含量有关的另一个人体组成规律。体细胞质量(body cell mass, BCM)是指全身细胞的质量，但不包括细胞内的脂肪量。BCM是人体组成学的重要概念之一，它与能量代谢密切相关。在BCM中，钾的比例约为0.00833[7]。根据这个规律，如果我们能够测得全身的钾含量，就可以计算出BCM。
4. TBH/BW = 0.10。对于正常人体，全身的氢元素含量(total body hydrogen, TBH)约占体重的10%。人体内的含氢化合物主要是水(含氢11.1%)，脂肪(含氢12.0%)，蛋白质(含氢7.0%)和糖类(含氢6.2%)；而在正常人体中，水、脂肪、蛋白质和糖类的比例是在一定范围内变化的。依据上述数据计算，可知在正常人体中，全身的氢元素约占体重的10%。也就是说，由体重就可以方便地估算出体内含有多少氢元素。
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5. TBO/CFM = 0.80。另一个类似的人体规律揭示，全身的氧含量(total body oxygen, TBO)约占去碳体重的80%[8]。去碳体重(carbon-free body mass, CFM)是指去除了碳元素之后的体重。依据这个规律，如果我们能够测定全身的碳元素含量，就可以计算出全身氧元素的重量。
由上可知，探索人体的组成的数量规律，不仅有助于发现人类自身的奥秘，也为活体测定身体组分提供了新的方法。
(二)对影响人体组成的体内外因素的探讨 人体内组分之间的数量规律并不是一成不变的。在人体内部和外部种种因素的作用下，这些数量关系会在一定范围内波动，人体组成因而呈现出生理变化或病理改变。这个领域里的研究极多，而且直接关系到人体组成学研究在临床医学、营养学、运动医学中的应用。本文作者对近十年来的文献分析表明，至少有三十种因素可能影响人体组成成分之间的数量关系。这些因素可以大致归纳为五类。
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1. 天体因素：地球的自转和围绕太阳的公转可能影响人体的组成，这类因素包括了昼夜节律和季节交替。不过这方面的研究很少，约占文献总数的1%。
2. 物理因素：人体生活在复杂的外环境中。有大约1%的文献报道了物理因素对人体组成的影响，包括了磁场，环境温度(高温或低温)，辐射，以及重力变化(超重或失重状态)。
3. 化学因素：人体处于与外界不断的物质交换和能量交换之中。大约11%的文献报道了各种非营养素和营养素对人体组成具有重要影响。非营养素包括了酒精、烟草和各种毒品。营养素则包括了人体赖以维持生存的蛋白质、脂肪、糖类、矿物质，以及各种维生素。学者们不仅研究了完全缺乏某种营养素对人体组成的影响，而且研究不同程度的缺乏或过量的影响。
4. 生物因素：人类身体组成主要由自身的生物学因素决定。约73%的文献报道了各种生物因素的影响。与年龄有关的因素包括了生长、发育和老化，在这些方面已有大量的研究[9]。不同种族的人群在人体组成上存在明显的差别。美国是一个多种族国家，这方面的研究受到特别的重视。女性与男性之间在人体组成方面的差别是显而易见的，女性特有的生理因素(如月经、妊娠、哺乳、绝经)对人体组成也存在明显的影响。所有上述年龄、种族和性别因素可以归结为基因及其表达。也就是说，基因及其表达是影响人体组成的最重要的因素[10]。
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另一方面，许多疾病，例如AIDS病，肥胖病，糖尿病，癌症和骨质疏松会显著地改变人体的正常组成，在这些方面已有大量的报道。某些激素(如生长激素和胰岛素)的分泌失常也对人体组成有着明显的影响。
5. 行为因素：约14%的文献报道了某些行为因素对人体组成的影响。运动包括健美运动对人体组成的影响是为人们熟知的，人们并经常通过运动来有意识地改变自己的身体组成[11]。高速飞行对飞行员身体组成的影响早就有报道，近年来，短期乃至中长期宇宙航行对人体组成的影响越来越受到重视。社会时尚也可能影响人体组成，汉代女子崇尚清瘦，而唐代女子却以丰满为荣，时尚的变化促使人们改变食物摄取量及生活习惯，从而影响了人体组成。
在上述的五类因素中，最重要的也是研究得最多的影响因素是年龄、营养、疾病和运动。
(三)人体组成的活体测定方法 人体组成学的一个重要课题是准确、快速、廉价和无损伤地测定活体内的各种成分。这是人体组成学研究的特点和难点。通过几十年的努力，科学家们运用多种物理学、化学和生物学手段，发展出许多人体组成的活体测定方法。这些方法的原理、应用和优缺点简述于下。
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1. 形态学方法(Anthropometric method)：这是一类最先发展起来的人体组成学方法，由体重、身高、皮褶厚度、臂长、腿长、腰围等形态学指标来估测身体组分。这类方法主要用于测定全身的脂肪及骨骼肌重量。其优点是简便、廉价和无损伤，适用于临床测定和大规模研究。缺点是对个体测定的准确性较差。
2. 稀释方法(Dilution method)[12]：将一定剂量的放射性同位素标记物(如3H2O)或稳定同位素标记物(如2H2O)通过静脉注射或口服导入受试者体内。经过一段时间的平衡，标记的水分子均匀地稀释到全身的水中。抽取受试者的血液样品，测定血浆中的标记水和总水含量，由此可以计算出全身的水含量。而由全身的水含量，可以进一步计算出全身的脂肪含量。
fat = BW-FFM = BW-TBW/0.73
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式中，BW和TBW分别为体重和全身水含量，0.73为水占去脂体重(FFM)的比例。稀释方法的优点是准确性较高，缺点是不够快速，需要抽取血液样品。以类似的稀释方法还可以用Br-为标记物，来测定全身细胞外液的含量。
3. 代谢产物方法(Metabolites method)[13]：常用的是由尿肌酐(urinary creatinine)日排出量来测定全身骨骼肌的方法。肌酸(creatine)和磷酸肌酸主要存在于骨骼肌中，每天以较恒定的比例脱水生成肌酐。肌酐不参加体内生化过程，几乎全部由尿排出。因此，由尿肌酐的日排出量可以推测全身的骨骼肌重量。优点是无损伤，无需昂贵的设备。缺点是准确性较差，测试期间不能摄取瘦肉等高肌酸食物，还需要收集完全的24小时尿液。类似的方法还有三甲基组氨酸法，由尿三甲基组氨酸(urinary 3-methylhistidine)日排出量来测定全身骨骼肌重量。
4. 生物电阻法(Bioimpedance analysis method, BIA)[14]：体液是电解质的水溶液，具有良好的导电性，脂肪和不溶的矿物质则是电的不良导体。受试者生物电阻的大小，与身体的组成成分存在着密切的联系，由此可以用于身体成分的测定。生物电阻的大小还与身体的形状，体内细胞与细胞外液的比例等因素有关。这是一个有希望的方法，值得进一步研究。目前，这一方法已广泛地用于测定身体的水含量和脂肪含量。该方法的优点是设备简单，测试快捷，适用于临床和大规模测试。其缺点是理论基础还比较薄弱，因而对个体测定的准确性尚较差。
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5. 全身钾测定法(Whole body 40 K counting)[6]：钾有三种同位素，39K、 40 K和41K。其中40K是放射性同位素，辐射出极强的1.46 MeV的γ射线。受试者被置于一个能屏蔽外来γ射线的容器中，由容器内的传感器来测定发自人体的γ粒子数量，由此可以计算全身40K的含量。40K占钾总量的比例是固定的(0.0118%)，因而又可以计算全身的钾含量。这个方法的优点是完全无损伤，缺点是需要特殊的装置。由钾的测定，可以进一步计算全身的水含量。
fat = BW-FFM = BW-TBK/68.1
式中，BW和TBK分别为体重(kg)和全身钾含量(mmol)，68.1为去脂体重(FFM)中钾的浓度(mmol/kg)。
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6. 水下称重法(Underwater weighing method, UWW)[15]：基本设备是一个盛有温水的大钢槽。受试者潜没于水下，并尽量呼尽肺中的气体。由受试者在空气中和水下称得的体重之差，可以计算出受试者的身体体积。已知脂肪与去脂体重的密度分别为0.90 g/cm3与1.10 g/cm3，可以导出下面的方程来计算受试者的全身脂肪含量。
fat = 4.95 × BV - 4.50 × BW
式中BV是由水下称重法测得的身体体积，BW是在空气中测定的体重。此方法的优点是准确度较高，经常用作标准来校验形态学，生物电阻法等其他方法。缺点是需要专门的设备，肥胖者和某些女性受试者难以完成潜水动作。
7. 影象学方法(Imaging method)[16]：这是一类在近二十年发展起来的人体组成学方法，包括了电脑断层扫描(Computerized tomography, CT)和核磁共振法(Magnetic resonance imaging, MRI)。使用临床上常用的CT和MRI设备，取得受试者在特定解剖位置的横断面影象。全身共取得20至50个横断面，相邻的两个横断面之间的距离是已知的。测定每个横断面上的脂肪组织及骨骼肌的面积，从而计算出全身脂肪组织和骨骼肌的体积。
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volume = ∑ [(A1 + A2) × B]
式中A1与A2为相邻的两个横断面中脂肪组织或骨骼肌的面积，B为相邻的两个横断面之间的距离。已知脂肪组织和骨骼肌的密度分别是0.92 g/cm3和1.04 g/cm3，由此可以计算出全身的脂肪组织和骨骼肌的重量。该方法的优点是准确性高，可以用作标准来检验形态学等其他方法。其缺点是需要昂贵的设备，测定费时费钱，而且CT测试具有较强的放射性。
8. 双能量X射线吸收法(Dual-energy X-ray absorptiometry, DXA)[17]：这是近十年发展起来的新方法。已知体内的脂肪，矿物质和其余的瘦组分对同一能量的X射线的吸收率有很大差别，同一身体组分对不同能量的X射线的吸收率也有很大差别。因此，当以两束不同能量(例如40keV和70keV)的X射线来照射受试者时，就能够分别测得体内的脂肪，矿物质和其余的瘦组分含量。这是一种极具潜力的人体组成学方法，它不但能够同时测定多种身体成分的全身含量，而且能够测定这些组分在上肢和下肢的局部含量。
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9. 中子活化分析法(Neutron activation analysis)[6]：在中子光束的照射下，体内某些元素(如N、C、Ca、P、Na、Cl)的原子会放出γ粒子，不同元素放出的γ粒子的能量各不相同。测定某元素特定能量的γ粒子的强度，就可以计算体内该元素的含量。依其原理的差别，主要有三种中子活化分析方法。Delayed-gamma activation analysis用于测定Ca、P、Na和Cl含量。Prompt-gamma activation analysis用于测定氮含量。Neutron inelastic scattering则可以测定碳和氧的含量。中子活化分析法是迄今为止唯一的活体测定体内元素含量的方法。其缺点是设备昂贵，世界上只有极少实验室同时拥有上述三种中子活化分析装置。对Ca、P、Na和Cl等元素的测定需要受试者接受较强的中子照射，不适用于育龄期女性和儿童。
由于方法学的发展，某一种组分已经可以用多种方法来加以测定。例如全身的脂肪含量，现在可以用形态学方法，稀释方法，生物电阻法，水下称重法，以及双能量X射线吸收法来测定。这些方法的优缺点已如上述，各个实验室可以根据各自的要求来建立相应的方法。
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三、人体组成学研究的未来发展
如上所述，人体组成学已有150年的历史，至今仍在快速地发展中。可以预期，作为人类生物学的一个分支，人体组成学的研究在新的世纪里会有更多的成果。未来的研究仍将在三个领域里进行。在人体组成规律领域里，可能出现三个认识上的飞跃，即由目前常用的经验模型发展为数学模型；由静态模型发展为动态模型；由着重解释结构的改变发展为解释功能的改变。在探讨体内外因素对人体组成影响的领域里，将继续发现未知的影响因素。对已知的影响因素，将更加重视观察其对人体组成的长期作用。在人体组成活体测定的领域里，将继续致力于发展新的测定方法，实现对活体的准确、快速、廉价和无损伤测定，以及用一台仪器测定多种人体组分。
在实际应用方面，人体组成学研究将建立人体组分及其比例的参考范围，以为临床医学服务。未来的临床医生不仅能够得到血液分析报告，而且能够得到病人身体组成的报告。这将有助于临床医生对病人作出正确的诊断，也有助于判断施加治疗之后疾病的转归。在肥胖病，AIDS病和糖尿病等疾病的诊治上，对病人身体组成的跟踪测定更有着不可替代的重要作用。此外，人体组成学对体质调查，营养学，老年医学和运动医学的发展都将起重要作用。
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参考文献
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一、人体组成学的早期研究
(一)尸体研究
(二)活体测定方法
(三)体内外因素对人体组成的影响
二、人体组成学研究的现况
(一)对人体组成规律的探索
(二)对影响人体组成的体内外因素的探讨
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(三)人体组成的活体测定方法
三、人体组成学研究的未来发展
人体组成学(human body composition studies)是人体生物学的分支之一，它主要研究人体内诸多组成成分之间的数量规律，体内外各种因素对组分间数量关系的影响，以及活体测定人体组分的方法[1]。
人体生物学包含了许多分支，如生物化学、细胞学、组织学、生理学等等。每个分支都从一个特定的角度(如化学过程、细胞结构、机能调控)来研究人体。然而所有上述分支都不探讨，或很少探讨人体内众多组分之间的数量关系。人体组成学恰恰填补了人体生物学中这个重要的空白。需要指出的是，Human Body Composition Studies 这个英语学科名称，迄今还没有正式的中文译名。笔者暂译为人体组成学或人体组成研究，以就教于国内同道。
, 百拇医药 在北美、欧洲和澳洲的一些国家，人体组成学研究已有长足的进展。而在中国大陆和台湾，这方面的研究虽已起步，但还只有零星的未成系统的报道。本文的目的是简要而全面地介绍人体组成学这门学科，藉此与国内同道交流，以期促进国内的相关研究。本文首先简略地回顾人体组成研究的历史，然后着重介绍当代人体组成学研究的三个领域，最后简要讨论人体组成学的未来发展。
一、人体组成学的早期研究
人类很早就开始探索自己身体组成的奥秘。公元前440年，被后人称为医学之父的古希腊学者Hippocrates就认为，人体由四种要素即血液、粘液质、黄胆质和黑胆汁所组成。古代中国学者则认为人体包含了金、木、水、火、土五种组分，并认为这五种组分的平衡维系着人体的健康，平衡破坏则会导致疾病。尽管古代学者的假说包含了朴素的辩证法，但是这些假说并没有建立在实验的基础上，因而还不能认为是现代意义上的人体组成学研究。
人体组成学作为现代科学的一个分支，一般认为始于德国化学家Justus von Liebig (1803～1873) 的工作。1850年，Liebig 以化学分析为手段，发现人体中许多成分在食物中也同样存在。他还发现人体组织含有高浓度的钾和低浓度的钠。反之，体液则含有低浓度的钾和高浓度的钠。从Liebig的工作开始，人体组成学研究在过去的一个半世纪中取得了重大进展。这段历史可以大致分为两个时期，即早期研究(1850～1950)和当代研究(1960年至今)。
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早期的人体组成学研究主要在三个方面展开，即尸体研究，建立活体测定人体组分的方法，以及探讨体内外因素对人体组成的影响。
(一)尸体研究 由于无法在活体上测定人体组分，早期的研究者们不得不主要依靠尸体研究，来探讨体内组分之间的数量关系。1843年，Schwann测定了尸体的器官重量。Bischoff (1863) 和 Fehling(1877)分别测定了成年人、胎儿和新生儿尸体的水含量。1900年，Camerer 和 Soldner进一步测定了胎儿尸体的多种化学成分，包括水、脂肪、氮和主要矿物质的含量。1938年，Lob 和 Swanson测定了胎儿和新生儿尸体的微量矿物质。通过尸体研究，积累了大量人体组成的基本数据，这对探索组分之间的数量关系和规律起了重大的作用。直到现在，尸体研究在人体组成学中仍是不可缺少的。例如，一个新的方法对活体动物的测定值是否准确，有赖于把该动物处死后进行化学分析来检验。迄今为止，最大规模的尸体研究是在1984年完成的，在组织和器官水平上定量研究了25具成年人尸体(12男13女)[2]。
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(二)活体测定方法 由于尸体研究难以普遍进行，更由于在尸体上发现的组分间数量规律不一定适用于活体，早期的研究者们开始探索人体组分的活体测定方法。早在1909年，Shaffer 和 Colemen 就提出了由尿肌酐日排出量来估测全身骨骼肌重量。1915年，Keith等依据稀释原理，以活性红(Vital Red)和刚果红(Congo Red)为标记物，测定了全身血容量。1934年，von Hevesy和Hofer以重水(2H2O)为标记物，测定了全身的水含量。1942年，Behnke等将物理学中著名的阿基米德原理应用于人体组成学，测定了人体中脂肪和去脂体重(fat-free body mass)之间的比例。这个方法由Keys和Brozek(1953)进一步发展，至今仍广泛地应用于测定全身的脂肪含量。另一方面，Sievert(1951)发现，人体内含有钾的放射性同位素(40K)，可以用放射学技术进行活体测定。据此，Forbes等(1961)发展出测定全身钾含量的方法。
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(三)体内外因素对人体组成的影响 在影响人体组成的诸多体内外因素中，年龄是最先被研究的一个。早在1857年，Albert von Bezold就发现，在动物生长过程中，体内的矿物质比例增加，而水的比例却减少。1914年，Benjamin又发现，新生儿的生长伴随着氮的积累。在此基础上，Moulton于1923年提出了“化学成熟(chemical maturity)”的概念。所谓化学成熟，即年幼动物身体的化学组成达到成年水平。Moulton发现，哺乳动物大约在其生命期的4%时达到化学成熟。另一个很早就被研究的因素是营养。1907年，Cathcart发现在禁食过程中身体内的氮含量减少。Benedict等(1919)进一步指出，即使中等程度的饥饿也会引起氮含量的减少。此后，人们研究了越来越多的因素如运动、种族、性别以及各种疾病对人体组成的影响。
人体组成学的早期研究延续了大约一百年。1963年，第一次人体组成学研讨会在纽约召开， J. Brozek总结了过去一百年间的研究成果。这次会议标志着人体组成学早期研究告一段落，也标志着更加快速发展的当代研究的开始。
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二、人体组成学研究的现况
从20世纪60年代开始，人体组成学研究进入了一个新阶段。参与人体组成学研究的学者越来越多，发表的学术论文的数量呈指数曲线快速增长[3]。60年代初，平均每年仅有25篇人体组成学论文发表，到70年代增长到77篇，到80年代进一步增长到110篇。进入20世纪90年代，平均每年发表的人体组成学论文增加到289篇(其中1997年为484篇)。自1985年以来，出版的人体组成学专著已达20部之多，最有代表性的是以下两部专著：
Forbes GB. Human Body Composition: Growth, Aging, Nutrition and Activity. New York: Springer-Verlag, 1987. 350 pages.
Roche AF, Heymsfield SB, Lohman TG (eds.). Human Body Composition: Methods and Findings. Champaign, IL，USA: Human Kinetics, 1996. 366 pages.
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人体组成学研究快速发展的另一个重要标志是1985年召开的国际人体组成学研讨会(The International Symposia on In Vivo Body Composition Studies)，为全世界的该领域学者们提供了交流的论坛。这个系列研讨会迄今已召开五次，分别在美国纽约(1986)，加拿大多伦多(1989)，美国休士敦(1992)，瑞典Malmo(1996)，和美国纽约(1999)举行，每次研讨会均有一百多位各国学者参加。
近40年来，人体组成学研究主要围绕着三个方面进行，即探索人体组成规律，探讨各种体内外因素对人体组成的影响，以及发展人体组成活体测定方法。这三方面的研究互相联系，互相促进，现分述于下。
(一)对人体组成规律的探索 这方面的研究是基于一个认识，即人体决不是由各种成分杂乱无章地堆砌而成的。诸多组成成分之间必然存在着数量规律，以维持人体的正常组成和功能。1992年，Wang等提出了人体组成的五层次模型(The Five-Level Model of Human Body Composition)[1]。这个模型把已知的大约四十种人体组分归纳到五个渐趋复杂的层次中，即原子层次，分子层次，细胞层次，组织器官层次，和整体层次(附图)。
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附图 人体组成的五层次模型
图中：ECG-细胞外液体(extracellular fluid)，ECS-细胞外固体(extracellular solids)
在原子层次上，人体由五十多种元素所组成。含量最丰富的元素是氧，约占体重的60%。而含量最丰富的六种元素(氧、碳、氢、氮、钙、磷)共占了体重的约98%。身体的质量(BM)等于所有元素质量的总和。
BM = O + C + H + N + Ca + P + S + K + Na + Cl + Mg + others
在分子层次上，人体由超过100 000种化合物所组成。这些化合物的复杂性与分子量有着极大的差异，最简单者如水，最复杂者如核糖核酸。人体组成学将这些化合物分类为若干组分，主要有水、蛋白质、脂、矿物质，以及糖类。身体的质量等于所有这些组分的总和。
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BM = 水 + 蛋白质 + 脂 + 矿物质 + 糖类 + 其他
在细胞层次上，人体大约含有1018个细胞，依照大小、形状、组成、代谢、分布和功能的不同，可以分为若干类别。身体的质量等于细胞、细胞外液体和细胞外固体的总和。
BM = 细胞 + 细胞外液体 + 细胞外固体
在组织-器官层次上，人体由四类主要组织，即肌肉组织，结缔组织，上皮组织，及神经组织所构成。
BM = 肌肉组织 + 结缔组织 + 上皮组织 + 神经组织
人体的质量也可以表达为全身所有器官质量之和。
在整体层次上，人体由头、颈、躯干、上肢和下肢组成，人体的质量可以表达为所有这些部分的质量之和。
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BM = 头 + 颈 + 躯干 + 上肢 + 下肢
各个层次之间，各个组分之间既是不同的，又是相互联系的，由此构成了完整的人体组成的图象。根据这个模型，研究者得以清晰地定义人体组成的概念，并据以建立正确的人体组成方程。上述的五层次模型已成为人体组成学的重要理论基础，在世界各国的人体组成学研究和教学中被广泛应用。
探索身体组分间存在的比较恒定的数量规律，是人体组成学的重要课题之一。下面简述某些业已阐明的人体组成规律。
1. TBW/FFM = 0.73。去脂肪体重(fat-free body mass，FFM)是人体组成学的一个重要概念，等于去除了全部脂肪之后的体重(BW)，FFM = BW-fat。尸体研究和活体测定都发现，在FFM之中水分占了约73%。这个比例不论对小鼠、大鼠、猫、狗等小型哺乳动物，还是对人、猪、牛、马等大型哺乳动物都是适用的[4]。这个规律已被广泛应用于测定哺乳动物的全身脂肪含量。最近，Wang等提出了数学模型，从理论上解释了为什么哺乳动物的全身水含量(total body water, TBW)与FFM的比值比较恒定地等于0.73[5]。
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2. TBK/FFM = 68 mmol/kg。这是与FFM有关的另一个人体组成规律。对尸体的研究和活体测定发现，全身钾含量(total body potassium, TBK)与FFM的比值大约是68 mmol/kg。根据这个规律，如果能够测得全身的钾含量，就可以计算出FFM，从而计算出全身的脂肪含量。然而，近年来的研究表明，TBK/FFM的值应较低，在男性为59～62，在女性为54～59 mmol/kg[6]。
3. TBK/BCM = 0.00833。这是与全身的钾含量有关的另一个人体组成规律。体细胞质量(body cell mass, BCM)是指全身细胞的质量，但不包括细胞内的脂肪量。BCM是人体组成学的重要概念之一，它与能量代谢密切相关。在BCM中，钾的比例约为0.00833[7]。根据这个规律，如果我们能够测得全身的钾含量，就可以计算出BCM。
4. TBH/BW = 0.10。对于正常人体，全身的氢元素含量(total body hydrogen, TBH)约占体重的10%。人体内的含氢化合物主要是水(含氢11.1%)，脂肪(含氢12.0%)，蛋白质(含氢7.0%)和糖类(含氢6.2%)；而在正常人体中，水、脂肪、蛋白质和糖类的比例是在一定范围内变化的。依据上述数据计算，可知在正常人体中，全身的氢元素约占体重的10%。也就是说，由体重就可以方便地估算出体内含有多少氢元素。
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5. TBO/CFM = 0.80。另一个类似的人体规律揭示，全身的氧含量(total body oxygen, TBO)约占去碳体重的80%[8]。去碳体重(carbon-free body mass, CFM)是指去除了碳元素之后的体重。依据这个规律，如果我们能够测定全身的碳元素含量，就可以计算出全身氧元素的重量。
由上可知，探索人体的组成的数量规律，不仅有助于发现人类自身的奥秘，也为活体测定身体组分提供了新的方法。
(二)对影响人体组成的体内外因素的探讨 人体内组分之间的数量规律并不是一成不变的。在人体内部和外部种种因素的作用下，这些数量关系会在一定范围内波动，人体组成因而呈现出生理变化或病理改变。这个领域里的研究极多，而且直接关系到人体组成学研究在临床医学、营养学、运动医学中的应用。本文作者对近十年来的文献分析表明，至少有三十种因素可能影响人体组成成分之间的数量关系。这些因素可以大致归纳为五类。
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1. 天体因素：地球的自转和围绕太阳的公转可能影响人体的组成，这类因素包括了昼夜节律和季节交替。不过这方面的研究很少，约占文献总数的1%。
2. 物理因素：人体生活在复杂的外环境中。有大约1%的文献报道了物理因素对人体组成的影响，包括了磁场，环境温度(高温或低温)，辐射，以及重力变化(超重或失重状态)。
3. 化学因素：人体处于与外界不断的物质交换和能量交换之中。大约11%的文献报道了各种非营养素和营养素对人体组成具有重要影响。非营养素包括了酒精、烟草和各种毒品。营养素则包括了人体赖以维持生存的蛋白质、脂肪、糖类、矿物质，以及各种维生素。学者们不仅研究了完全缺乏某种营养素对人体组成的影响，而且研究不同程度的缺乏或过量的影响。
4. 生物因素：人类身体组成主要由自身的生物学因素决定。约73%的文献报道了各种生物因素的影响。与年龄有关的因素包括了生长、发育和老化，在这些方面已有大量的研究[9]。不同种族的人群在人体组成上存在明显的差别。美国是一个多种族国家，这方面的研究受到特别的重视。女性与男性之间在人体组成方面的差别是显而易见的，女性特有的生理因素(如月经、妊娠、哺乳、绝经)对人体组成也存在明显的影响。所有上述年龄、种族和性别因素可以归结为基因及其表达。也就是说，基因及其表达是影响人体组成的最重要的因素[10]。
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另一方面，许多疾病，例如AIDS病，肥胖病，糖尿病，癌症和骨质疏松会显著地改变人体的正常组成，在这些方面已有大量的报道。某些激素(如生长激素和胰岛素)的分泌失常也对人体组成有着明显的影响。
5. 行为因素：约14%的文献报道了某些行为因素对人体组成的影响。运动包括健美运动对人体组成的影响是为人们熟知的，人们并经常通过运动来有意识地改变自己的身体组成[11]。高速飞行对飞行员身体组成的影响早就有报道，近年来，短期乃至中长期宇宙航行对人体组成的影响越来越受到重视。社会时尚也可能影响人体组成，汉代女子崇尚清瘦，而唐代女子却以丰满为荣，时尚的变化促使人们改变食物摄取量及生活习惯，从而影响了人体组成。
在上述的五类因素中，最重要的也是研究得最多的影响因素是年龄、营养、疾病和运动。
(三)人体组成的活体测定方法 人体组成学的一个重要课题是准确、快速、廉价和无损伤地测定活体内的各种成分。这是人体组成学研究的特点和难点。通过几十年的努力，科学家们运用多种物理学、化学和生物学手段，发展出许多人体组成的活体测定方法。这些方法的原理、应用和优缺点简述于下。
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1. 形态学方法(Anthropometric method)：这是一类最先发展起来的人体组成学方法，由体重、身高、皮褶厚度、臂长、腿长、腰围等形态学指标来估测身体组分。这类方法主要用于测定全身的脂肪及骨骼肌重量。其优点是简便、廉价和无损伤，适用于临床测定和大规模研究。缺点是对个体测定的准确性较差。
2. 稀释方法(Dilution method)[12]：将一定剂量的放射性同位素标记物(如3H2O)或稳定同位素标记物(如2H2O)通过静脉注射或口服导入受试者体内。经过一段时间的平衡，标记的水分子均匀地稀释到全身的水中。抽取受试者的血液样品，测定血浆中的标记水和总水含量，由此可以计算出全身的水含量。而由全身的水含量，可以进一步计算出全身的脂肪含量。
fat = BW-FFM = BW-TBW/0.73
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式中，BW和TBW分别为体重和全身水含量，0.73为水占去脂体重(FFM)的比例。稀释方法的优点是准确性较高，缺点是不够快速，需要抽取血液样品。以类似的稀释方法还可以用Br-为标记物，来测定全身细胞外液的含量。
3. 代谢产物方法(Metabolites method)[13]：常用的是由尿肌酐(urinary creatinine)日排出量来测定全身骨骼肌的方法。肌酸(creatine)和磷酸肌酸主要存在于骨骼肌中，每天以较恒定的比例脱水生成肌酐。肌酐不参加体内生化过程，几乎全部由尿排出。因此，由尿肌酐的日排出量可以推测全身的骨骼肌重量。优点是无损伤，无需昂贵的设备。缺点是准确性较差，测试期间不能摄取瘦肉等高肌酸食物，还需要收集完全的24小时尿液。类似的方法还有三甲基组氨酸法，由尿三甲基组氨酸(urinary 3-methylhistidine)日排出量来测定全身骨骼肌重量。
4. 生物电阻法(Bioimpedance analysis method, BIA)[14]：体液是电解质的水溶液，具有良好的导电性，脂肪和不溶的矿物质则是电的不良导体。受试者生物电阻的大小，与身体的组成成分存在着密切的联系，由此可以用于身体成分的测定。生物电阻的大小还与身体的形状，体内细胞与细胞外液的比例等因素有关。这是一个有希望的方法，值得进一步研究。目前，这一方法已广泛地用于测定身体的水含量和脂肪含量。该方法的优点是设备简单，测试快捷，适用于临床和大规模测试。其缺点是理论基础还比较薄弱，因而对个体测定的准确性尚较差。
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5. 全身钾测定法(Whole body 40 K counting)[6]：钾有三种同位素，39K、 40 K和41K。其中40K是放射性同位素，辐射出极强的1.46 MeV的γ射线。受试者被置于一个能屏蔽外来γ射线的容器中，由容器内的传感器来测定发自人体的γ粒子数量，由此可以计算全身40K的含量。40K占钾总量的比例是固定的(0.0118%)，因而又可以计算全身的钾含量。这个方法的优点是完全无损伤，缺点是需要特殊的装置。由钾的测定，可以进一步计算全身的水含量。
fat = BW-FFM = BW-TBK/68.1
式中，BW和TBK分别为体重(kg)和全身钾含量(mmol)，68.1为去脂体重(FFM)中钾的浓度(mmol/kg)。
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6. 水下称重法(Underwater weighing method, UWW)[15]：基本设备是一个盛有温水的大钢槽。受试者潜没于水下，并尽量呼尽肺中的气体。由受试者在空气中和水下称得的体重之差，可以计算出受试者的身体体积。已知脂肪与去脂体重的密度分别为0.90 g/cm3与1.10 g/cm3，可以导出下面的方程来计算受试者的全身脂肪含量。
fat = 4.95 × BV - 4.50 × BW
式中BV是由水下称重法测得的身体体积，BW是在空气中测定的体重。此方法的优点是准确度较高，经常用作标准来校验形态学，生物电阻法等其他方法。缺点是需要专门的设备，肥胖者和某些女性受试者难以完成潜水动作。
7. 影象学方法(Imaging method)[16]：这是一类在近二十年发展起来的人体组成学方法，包括了电脑断层扫描(Computerized tomography, CT)和核磁共振法(Magnetic resonance imaging, MRI)。使用临床上常用的CT和MRI设备，取得受试者在特定解剖位置的横断面影象。全身共取得20至50个横断面，相邻的两个横断面之间的距离是已知的。测定每个横断面上的脂肪组织及骨骼肌的面积，从而计算出全身脂肪组织和骨骼肌的体积。
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volume = ∑ [(A1 + A2) × B]
式中A1与A2为相邻的两个横断面中脂肪组织或骨骼肌的面积，B为相邻的两个横断面之间的距离。已知脂肪组织和骨骼肌的密度分别是0.92 g/cm3和1.04 g/cm3，由此可以计算出全身的脂肪组织和骨骼肌的重量。该方法的优点是准确性高，可以用作标准来检验形态学等其他方法。其缺点是需要昂贵的设备，测定费时费钱，而且CT测试具有较强的放射性。
8. 双能量X射线吸收法(Dual-energy X-ray absorptiometry, DXA)[17]：这是近十年发展起来的新方法。已知体内的脂肪，矿物质和其余的瘦组分对同一能量的X射线的吸收率有很大差别，同一身体组分对不同能量的X射线的吸收率也有很大差别。因此，当以两束不同能量(例如40keV和70keV)的X射线来照射受试者时，就能够分别测得体内的脂肪，矿物质和其余的瘦组分含量。这是一种极具潜力的人体组成学方法，它不但能够同时测定多种身体成分的全身含量，而且能够测定这些组分在上肢和下肢的局部含量。
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9. 中子活化分析法(Neutron activation analysis)[6]：在中子光束的照射下，体内某些元素(如N、C、Ca、P、Na、Cl)的原子会放出γ粒子，不同元素放出的γ粒子的能量各不相同。测定某元素特定能量的γ粒子的强度，就可以计算体内该元素的含量。依其原理的差别，主要有三种中子活化分析方法。Delayed-gamma activation analysis用于测定Ca、P、Na和Cl含量。Prompt-gamma activation analysis用于测定氮含量。Neutron inelastic scattering则可以测定碳和氧的含量。中子活化分析法是迄今为止唯一的活体测定体内元素含量的方法。其缺点是设备昂贵，世界上只有极少实验室同时拥有上述三种中子活化分析装置。对Ca、P、Na和Cl等元素的测定需要受试者接受较强的中子照射，不适用于育龄期女性和儿童。
由于方法学的发展，某一种组分已经可以用多种方法来加以测定。例如全身的脂肪含量，现在可以用形态学方法，稀释方法，生物电阻法，水下称重法，以及双能量X射线吸收法来测定。这些方法的优缺点已如上述，各个实验室可以根据各自的要求来建立相应的方法。
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三、人体组成学研究的未来发展
如上所述，人体组成学已有150年的历史，至今仍在快速地发展中。可以预期，作为人类生物学的一个分支，人体组成学的研究在新的世纪里会有更多的成果。未来的研究仍将在三个领域里进行。在人体组成规律领域里，可能出现三个认识上的飞跃，即由目前常用的经验模型发展为数学模型；由静态模型发展为动态模型；由着重解释结构的改变发展为解释功能的改变。在探讨体内外因素对人体组成影响的领域里，将继续发现未知的影响因素。对已知的影响因素，将更加重视观察其对人体组成的长期作用。在人体组成活体测定的领域里，将继续致力于发展新的测定方法，实现对活体的准确、快速、廉价和无损伤测定，以及用一台仪器测定多种人体组分。
在实际应用方面，人体组成学研究将建立人体组分及其比例的参考范围，以为临床医学服务。未来的临床医生不仅能够得到血液分析报告，而且能够得到病人身体组成的报告。这将有助于临床医生对病人作出正确的诊断，也有助于判断施加治疗之后疾病的转归。在肥胖病，AIDS病和糖尿病等疾病的诊治上，对病人身体组成的跟踪测定更有着不可替代的重要作用。此外，人体组成学对体质调查，营养学，老年医学和运动医学的发展都将起重要作用。
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