现代生命科学研究的认识论和方法论思考（原创非首发）

growlywolf

按：本文是本人博士公共课程论文。虽然这类课程论文大多数都是东拼西凑，不过本文内容确实是自己的读书笔记和对本专业的一些思考。

摘 要
　　本文从生命的本质定义出发，讨论了生命体与非生命体之间的区别，进而从生命和生命科学的特殊性质阐明了生命科学相对于其他自然科学，尤其是物理科学的自主性。另外，还讨论了由于生命的高度复杂和特异性，以及相关研究技术的落后，导致现代分子生物学研究中出现的形而上学思想。从而在认识论和方法论两个方面，对现代生命科学进行了思考。


　　从20世纪中叶开始，随着第三次科技革命的发展深入以及二战后社会的变革，传统的逻辑实证主义科学哲学受到了严重的冲击。尤其是现代生命科学的爆炸性发展，打破了建立在物理科学基础上的科学范式，同时也开创了新的科学哲学领域。

一、生命的本质

　　生命是什么？对于绝大多数生物学家而言，生命就是个直觉上的概念，并不是个值得好好讨论的问题，这种基础的问题应该是哲学家的事情。历史上，很多哲学家确实曾经非常关心这个问题。不过在20世纪50年代分子生物学革命后很长一段时间内，新的生命形式不断被发现，哲学家似乎也故意避而不谈这个“专业性”问题。然而对于生物学和哲学而言，如果要讨论生命科学哲学的基本问题，即如何看待生物学与其他自然科学尤其是物理学之间的关系，首先不能回避的，也就是生命的概念。
　　如果要给“生命”下一个确切的定义，确实是一件非常困难的事情。首先，这个定义要包含所有的生命现象，而生命体的形式是千差万别的。尤其随着生物学的发展，病毒、类病毒、阮病毒等等特殊生命形式不断被发现，用一个简单的定义来概括所有的生命，包括未知的生命形式非常困难。其次，不同学科的研究者在定义生命时，往往从本学科的视角出发，把生命的某一方面特征加以强调，导致很难给出一个统一的概念。第三，由于生物体和非生物体的基本物质组成没有本质的区别，生命现象和非生命现象之间也很难有一条截然分明的界限，这也导致要给出一个确切划分生命和非生命的定义非常困难。
　　要给出生命的定义，首先还是要回顾一下已知地球生命的共有特征：
　　从物质组成看，生命体都具有相似的物质基础，由碳、氢、氧、氮、磷、硫等等与无机界并无两样的化学元素组成。这些元素原子相互结合形成氨基酸、核苷酸、单糖等等有机分子，再通过化学和物理作用形成蛋白质、核酸、多糖、脂类等等生物大分子，成为构建生物体的基本模块。
　　从结构看，地球上直接表现出生命活性的生物体都是由细胞构成，或者是原核细胞，或者是真核单细胞，或者是由细胞进一步组成组织-器官-系统这样多级有序的结构层次。但是病毒、类病毒和阮病毒则游离在生命的边缘，它们只有在进入宿主细胞后才能表现出生命的活性。同时，生物和生物之间，生物和环境之间，还要相互作用形成复杂、动态和相对稳定的生态系统。
　　从规律上看，所有的生命几乎都遵循相同的基本规则：所有生物使用几乎一样的遗传密码，遵循基本相同的“复制—转录—翻译”的中心法则，新陈代谢过程中中各主要物质的合成，能量的利用，也基本一致。
从性质上看，所有生命都存在：一、自我复制、繁殖和变异；二、新陈代谢；三、生长、发育、衰老的过程；四、应激反应；五、进化的能力。
　　从上述特征和性质着手，对生命的定义存在着很多种观点：
　　生物大分子说。恩格斯在《反杜林论》中就明确提出了：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新”。恩格斯特别重视从无机界到有机界的辩证发展过程，因此选择蛋白体作为生命活动的物质承担者。当然，恩格斯自己也指出，这里的蛋白体是个广义的泛称，并不是有机化学中所说的蛋白质。随着分子生物学的进展，研究者发现核酸才是遗传物质，因此生物大分子说就演变成了“生命-核酸同一说”。从这个角度看，仅有生物大分子构成，非细胞结构的病毒、类病毒和阮病毒，都能被包括在生物范畴内。但是，随着RNA的催化和调控功能被大量发现，甚至合成蛋白质的工厂——核糖体内，肽链合成这个关键反应都被证明是由RNA催化的，DNA、RNA和蛋白质，究竟谁是最早出现的具有生物活性的生物大分子呢？仍然有很大的争论。而且，单个的生物大分子是没有生物活性的，但是最少要多少个大分子才能组成生命？这些大分子要怎么组织？大分子说很难给出确定的回答。
　　集合定义说。这类观点强调生命是多种性质的集合。比如DNA双螺旋结构的发现者之一克里克就根据自我繁殖、遗传、进化和新陈代谢来定义生命。而著名生物学家和哲学家迈尔更是列举了8条性质来定义生命。这些集合定义通过各种性质的相互补充来区分生命和非生命，然而哪些性质可以作为定义特征却仿佛并没有一致的标准，到底是什么使得这些性质集合在一起形成生命这样的独特实体呢？这使得集合定义总显得相当随意而难以确认。
　　根本性质定义说。这类定义力图避免集合定义的缺陷，强调少数几种或者一种性质作为生命的本质特征。常见的又可分为：(1)新陈代谢说，这是物理化学在生物学上应用的产物，认为有活性的生命，其基本表现就是不断进行物质代谢和能量代谢，从热力学第二定律的角度就是依靠新陈代谢不断摄入负熵。(2)自创生说，这是新陈代谢和自组织理论相结合的产物，认为生命就是自我维持和自我创造的生产组织，这个组织在空间上是相独立的，内部整体而不可分，在时间上又是连续运作的。然而新陈代谢说和自创生说，也很难把病毒等包括到生命中去。(3)灵活适应说。这个学说强调生命的过程而不是单个个体，认为生命的本质就是生命群体能够无限度不断适应新环境。但是这个学说把群体看作生命的基本形式，反直觉色彩过于浓重，而且对群体层次和适应关系的界定也相当模糊。(4)信息说。该学说认为，一个能够具备冯·诺依曼式自我复制或繁殖能力的实体，就是一个生命体。信息说强调的是生命在生长和繁殖过程中的信息传递作用，不过这个定义的外延似乎过于宽广，甚至可以包括计算机病毒之类的虚拟事物。
　　各种对于生命定义的学说，都有自己的优点和缺点。对生命本质的探索，还将是个漫长而艰难的过程。

二、生命科学的自主性

　　如果暂时把生命本质这个定义放在一边，那么至少有一点还是可以肯定的，那就是生命与非生命相比，确实有自己独特的性质。那么，生命科学跟其他自然学科相比，是否也有自身独特的性质呢？
　　在生命科学哲学家中，一直都存在两个派别：分支论和自主论。前者认为生命科学在原理和方法上就是物理科学的一个分支，完全可以用物理科学的思维模式和解释模型来解释生命科学。后者则坚持认为生命科学是自主的科学，其研究对象、概念结构和方法论与物理科学都根本不同。两派理论在多个层次上都展开了激烈的争论。在我看来，自主论似乎更加站得住脚一些。

1.   生命的特殊组织性
　　目前已知的地球生命，都是由蛋白质、核酸、糖类、脂类等等生物大分子和无机物组成，其基本元素组成与非生命并无不同，并且分子原子之间的相互作用，也遵循物理化学的规律。随着现代分子生物学的迅速发展，越来越多的生命现象被分子水平上的物理化学作用所阐明。遗传可以用DNA分子携带的遗传信息表达来解释，变异和进化也可以用DNA碱基的突变来解释，细胞组织器官的功能可以用蛋白质及其衍生物（后来还包括核酸）的相互作用来解释……因此，包括DNA双螺旋结构的发现者沃森和克里克在内的一大批还原论者认为，在自然界，高层次事物是由低层次事物构成的，可以根据较低水平上事物的性质来解释和预言较高层次事物的性质。虽然不同学科分支描述的是不同水平的存在，但最终都可还原建立在关于存在的最基本水平的科学——物理科学之上。
　　但是生命之所以成为生命，其组织形式却是非常奇妙的，自然界中有许多这样的例子：
　　例如，热力学上一般有一条最低自由能定律，那就是物质在自由能最低的条件下最稳定。但是在生物体中，生物大分子往往并不取自由能最低的结构作为活性结构，尽管它们在体外无其他条件的情况下确实还是能够形成最低自由能结构。这说明生命的组织形式，与非生命确实有很大的不同。
　　另一类例子，单个的生物大分子，一般并不能表现出生物活性；简单地把一些大分子放在一起，也不能形成生命。但是如果将烟草脆裂病毒(Tobacco rattle virus)的基因组RNA，根据其基因结构分成三段单纯的RNA分子导入到宿主植物中，这三段RNA竟然可以自我组装起来并表达产生病毒活性，哪怕是还带有人工合成的非病毒来源外源短片段。这种大分子自我组织的特性，很难用一般的物理化学规律来解释。
　　再比如，蚂蚁、蜜蜂等等昆虫，单个或者少量个体在一起，表现出的就是一个混沌群体。但是一旦数量达到一定程度，就可以自己形成严密的“社会性”分工，成为一个有序的群体。这种典型的量变引起质变的社会组织性，也是物理科学无法解释的。
　　因此，又有一大批突现论者认为，由较低层次的食物组成较高层次事物时，产生了不能用较低层次事物的性质解释的新特性；这种新特性的不可解释性，不仅仅是现象上的，也是理论上的。然而，严格的突现论者往往过分地强调高层次系统的复杂性，忽视了不同层次的概念和规律之间的联系。
　　恩格斯认为，自然界中存在五种形式的运动：机械运动、物理运动、化学运动、生物运动和社会运动。每种运动形式，都有自己的物质承担者和运动规律，都是在前面的运动形式下演化而来的，并且包含前面的运动形式。尽管在恩格斯的年代，生物学整体还处在幼年阶段，但恩格斯已经以他天才的眼光认识到，自然界既是紧密联系的，也是有层次的。生命从非生命体中演化产生，必然包含了非生物界的物理化学规律，但是也存在着自己独特的组织规律。
　　这就告诉我们，对于属于不同层次的规律和属性，应该使用各自适合于他们的概念来加以分析和概括。在认识和研究生命现象的时候，首先应该从生物学的基本要素出发。哪怕是将生命现象还原为物理和化学的范畴，也不应当是为了用物理和化学的概念来代替更为复杂和高级的生物学概念，而是应该与生物学概念并存，而且服从于它们。

2.   生命的目的性和生命科学的历史特异性
　　在传统自然科学中，以数学和物理科学为基础建立的解释的演绎模型，是阐释科学解释的特征性结构中各种陈述之间关系的形式模型。其基本思想是，对于某一特殊事件的陈述，如果能够被证明是某种普遍规律和某些初始条件的演绎结果，那就是对这一特殊事件的科学解释。
　　然而在生命科学的研究中，生物学家却大量使用目的论的功能解释，而不是因果的演绎解释。生命体为了实现某种功能而拥有某种结构，为了维持物质和能量的动态平衡而采取某种调节机制，为了达成特定目的如趋利避害而产生趋向行为，甚至还有人类的高等意识行为……这些都是在生命科学中采用目的论解释的行为。生物学家使用目的论来回答“为什么”的问题，对生命科学的发展产生了重大的方法论意义。而这在非生物界中是无法想像的。
　　不过也有很多反对意见，认为目的论的解释颠倒了因果律。实际上，生物在长期的进化过程中，为了适应环境，演变出了一系列的结构、功能和行为。对这些问题的功能解释，表现出来就是目的论的形式。这种解释模式，表面上看是由果释因，与非生命客体行为的直接因果关系有很大区别，但实际上并不违背基本的因果律，因为这里的因果，其实是历史的远期因果。一些自主论者认为，这样的功能规律，是可以被检验的，但不能被纳入物理规律的理论体系。
　　还有更为激烈的观点，认为在生命科学中，不存在所谓的“规律”。
　　传统科学哲学中，规律或定律观念是科学理论结构的核心，这就是“演绎—规律论”解释模型。一个陈述如果符合普遍性、可检验性和连贯性三个标准，那就是一个规律或定律。科学的本质，就是发现现象后面不变的联系，并把它们建立成规律体系。对单个事物的解释，就是要把它从这些规律和初始条件中演绎出来。这个“演绎—规律论”的解释模型是在物理学和数学的基础上建立的，有深厚的理论基础。
　　但是物理学（包括化学）研究的客体是相对简单和均一的系统，并且没有时空的局限性，其概念具有普遍性。因此物理学一开始就关心物质本身所内涵的性质（即柏拉图所谓“本质主义”），必须借助大量的抽象符号来描述，很容易接受数学的逻辑洗炼，形成严密的演绎归纳模型。而生命科学研究的是相对复杂和特异的生物体，是历史进化的产物，是有时空限制的。生物学的重心一开始就落在生物体的结构上，并一直致力于将各种生命现象在实体结构上求得解释。生物学上的解释，基本都是有时空限制的，历史性的描述，往往落脚到“适应进化压力的结果”、“特殊环境胁迫的产物”。
　　确实，除了遗传三定律等等极少数规律之外，生命科学中很少有“定律”的存在。进化生物学和哲学大师迈尔甚至直率地指出：“生物学中只有一条规律，那就是所有的概括都有例外。”这种说法固然有极端之嫌，但是至少说明一点：在目前的生命科学研究中，一个“理论”或者说解释成功与否，基本依赖于是否能将观察到的现象嵌附到已知的结构上去，而不是物理科学中那种从规律（一般用数学公式表示）出发，经过严格推理得到结论的解释方式。
　　不过如果换到辩证唯物主义的角度来思考，永恒的绝对真理是几乎不存在的，或者说很难被认识的。人们发现的规律，都是相对真理，都只是历史的规律。从这个意义上说，生命科学中规律的缺乏，并不妨碍生命科学作为一门科学进行发展。

三、现代分子生物学研究中的形而上学思想

　　对于大多数生命科学的研究者而言，科学哲学上对生命本质和生命科学特性的认识论分歧，并不妨碍日常的实际研究工作。从现代生命科学的发展来看，几乎所有的分支学科都有向分子生物学靠拢的趋势，我一直从事的也是分子生物学相关的研究。就我个人认为，当前的分子生物学研究中，自觉不自觉地弥漫着形而上学的方法论。具体表现在以下几个方面：
　　忽视事物的联系。分子生物学一个主要的工作，就是鉴定基因的功能。目前通行的一个思路，是将目标基因从宿主基因组中沉默（敲除）或者过量表达，或者将这个基因转入其他不含该基因的个体内，观察表现型的变化，这个变化就是目标基因的功能。然而，生物体内的基因表达有一个极其复杂的网络调控系统，一个功能的最终实现，可能有多个基因的产物偶联形成一个级联途径，可能有其他调控基因在表达的各个阶段进行调控，对于一些重要的功能，生物体甚至可能还有冗余备份机制来预防单个基因功能的缺失。如此简单地针对某一个或者某几个基因进行简单的分析，而无视其可能的上下游级联或调控机制，往往容易导致错误或者不完全的结果。
　　忽视事物的外因。目前的分子生物学实验，很多是在生物体外的试管内进行的，并且固定多种条件，只变化个别条件。虽然说事物在本质上由其内因决定——在这里就是生物大分子或者基因自身的结构组成，但外因——生物体内的环境也是非常重要的。生物体内，在一个小小细胞中存在着成百上千种蛋白质和其他生物大分子，细胞内复杂的相互作用和大分子拥挤环境，都是体外试管内很难模拟，事实上也基本不考虑的。这样在体外得出的生物大分子行为，是否就是体内真实的行为，颇为值得商榷。比如很多蛋白质和RNA大分子，在体外折叠时，由于没有分子伴侣等等体内辅助因子的作用，往往会陷入动力学或者热力学陷阱，无法形成正确的活性结构，进而无法表现出生物活性。
　　忽视事物的运动。对于生物大分子的结构，尤其是三维立体精细结构，一个主要的分析方法是晶体X射线衍射。我们知道，生物体是一个动态平衡的实体，生物大分子在体内往往是具有柔性的，会在结构上有所运动变化，来适应功能的需求。而结晶要求大分子纯度极高，在体内往往是不可能达到这个浓度的，并且分子一旦被结晶，就处于一个固定的晶体状态。这个状态是否就是在生物内环境下的真实状态，还很难说。
　　忽视事物的区别。目前不少物种的基因组测序已经完成或正在进行。对于这些已经测序的物种来说，被测序的只是该物种一个基因型的一个个体。这个个体的基因组，显然不能代表该物种的所有情况。但是目前在实际工作中，往往有工作者如果在这个基因组序列中找不到某个基因，就认为该物种中不存在这个基因。
　　当然，这些形而上学思想的形成，有其重要的客观原因。由于生物体的高度复杂和特异性，人类现有的技术认知手段，还无法全面精细和快速地去把握生物体的每一个细节，尤其进化尺度上的历史事件更是无法重现。因此生物学不得不暂时大量采取高度简化近似甚至形而上学的思维方式来进行研究。类似技术限制或者促进理论发展的情况，在物理学和化学史上也出现过。无论如何生命科学工作者必须在思想上有所警醒，时刻意识到这种形而上学的方法论只是权宜之计，不可作为根本的方法论。
　　最近已有很多新的技术手段被应用到生物学上，例如用微阵列(microarray)技术来高通量鉴定多个基因在不同条件下的表达情况，用荧光标记、原位杂交等技术来观察细胞内的大分子状况，用新一代测序技术来对大量类似个体进行快速测序等等。系统生物学的概念也已经提出并得到广泛认可，强调从整体来研究生物学。


结语

　　随着整个科技革命的继续深入，更新的技术手段不断出现，也促进着生命科学的继续发展。同时伴随着新近出现的人工智能乃至人工生命研究，人类对生命以及生命科学特性和本质的探索还将继续。


参考文献：

1.   恩格斯，《反杜林论》，《马克思恩格斯全集》第20卷，人民出版社1971年第1版
2.   恩格斯，《自然辩证法》，《马克思恩格斯全集》第20卷，人民出版社1971年第1版
3.   库恩，《科学革命的结构》，傅大为等译，允晨文化实业股份有限公司1985年第1版
4.   李建会，《与真理为友——现代科学的哲学追思》，上海科技教育出版社2002年第1版
5.   列宁，《哲学笔记》，《列宁全集》第55卷，人民出版社1990年第2版
6.   迈尔，《生物学思想发展的历史》，涂长晟等译，四川教育出版社1990年第1版
7.   梯利，《西方哲学史》（增订修订版），葛力译，商务印书馆1995年第1版