生物学理论基础的语义分析，本文主要内容关键词为：语义论文,生物学论文,理论基础论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
达尔文创立进化论之后的一百多年里，以生物进化论为框架的现代生物学体系逐步建立。早期生物学研究中存在的理论性质与假说性质过重的问题始终是生物学作为一门现代科学学科无法回避的问题，尤其是相较于主流的科学说明方式即数学化方式，漏洞很多。之后，随着DNA模型以及中心法则的提出，基因概念开始进入我们的视野。生物学研究走向分子领域，基因成为了现代生物学的代名词。通过基因概念的引入，一些哲学家开始尝试论证，原有的生物学核心理论即经典遗传学是否可以还原为分子生物学的研究。由于分子层面上的结构单元(例如嘌呤、嘧啶等)可被抽象为说明模型中的一个表述单元，从而使得新的研究纲领的说明模型更加符合形式化的要求。然而，这仍然没有摆脱哲学家们对于如何确保意义陈述可靠性的问题的质疑。如何保证这些被填充了意义的符号所表述的遗传过程是可靠的，不存在断章取义之嫌？在此基础上引入的数学方法是否会将新的理论变成盲目的决定论？这些质疑似乎又一次将生物学拖入了争议的漩涡。而要探讨这一系列的问题，就必须对生物学理论基础及其语义构造进行深入的分析。
一、生物学理论的基础
20世纪50年代，贝克纳(Morton Beckner)在其《生物学模式的思考》(1959)中提出，生物学模式即将多种解释形式纳入同一意义结构中。汤姆森(Paul Thompson)认为贝克纳的书是有关生物学基础的哲学研究的分水岭。从那以后，有关生物科学的逻辑检验以及认识论的、形而上学方面的问题成为对生物学进行哲学讨论的焦点。①也正是从那时起，对生物学的哲学讨论开始与有关物理学的哲学讨论并驾齐驱，一个新的有趣话题被提了出来：生物学是否是一种不同于物理学的另一类科学？生物学是否同物理学一样遵循逻辑经验主义者的科学观念？对于这两个问题，目前多数科学哲学研究者的看法是，生物学与物理学最根本的不同在于其功能的、目的论的分析与解释。显然，研究者有关生物学与物理学的比较以及生物学是否可以称为严格意义上的科学的不同意见，已经成为科学哲学研究的一个争论焦点。包括内格尔(Ernest Nagel)、亨普尔(C.G.Hempel)在内的许多学者都曾尝试证明功能的解释和目的论与逻辑经验主义者的观念是相容的，②而另一部分学者则认为生物学是完全不同于物理学模式的科学，例如阿亚拉(Francisco J.Ayala)就支持这一观点，并在其论文中指出，在生物进化论的语境中，生物学作为一门科学是自洽的。③由此不难看出，在整个20世纪六、七十年代，生物学的哲学研究主要集中在其相对于逻辑经验主义以及传统科学哲学观点的另类性上，可以说，无论是正面的观点还是反面观点，都是生物学哲学研究的主流，争论至今依然在延续。这些争论的实质是生物学理论体系不同于以往科学哲学的分析方法与表述体系，比如逻辑经验主义所推崇的模式，当然这也反过来成为之后许多人用以抨击逻辑经验主义的例证。所以在20世纪70年代前后，哲学家们开始认为逻辑经验主义科学观及其有关理论结构的语法观念对于生物学以及进化论、进化的解释在结构上都是相符合的，生物学并不是另类的科学，与逻辑经验主义的观点也并非不相容，至少在生物学的基础特征上是这样的。
鲁斯(Michael Ruse)在其《生物学哲学》(1973)中就对这一议题作了重要的澄清并例举了生物学中表述体系形式化的效用。鲁斯运用逻辑经验主义的形式化特征来解释许多关于逻辑的以及概念的特征等等这些生物学理论的基础工作。他在之后的论文中敏锐地指出，生物学理论的概念与解释的形式化方法实际上都来自于逻辑经验主义。虽然逻辑经验主义理论结构的语法观点之后饱受抨击，但事实上现代生物学理论体系的建立的确或多或少得益于此。④赫尔(David Hull)的《生物科学的哲学》(1974)恰好也在同一时期出版。尽管赫尔也采用了分析以及形式化途径来考察生物科学的许多方面，但是他并没有像鲁斯那样完全站在逻辑经验主义的科学立场之上，而将考察主要集中在还原论即传统的孟德尔遗传学到分子遗传学的还原上。由于赫尔将整个生物学的理论结构建立在有限的还原之上，他的观点似乎比逻辑经验主义的观点更具优势。鲁斯和赫尔的研究开创了整个生物学哲学研究的新局面，使生物学哲学研究上升为科学哲学中的主流，而研究的趋向也更多地聚焦于生物学解释以及生物学理论的基础上。
从生物学哲学对于生物学理论的研究历程来看，无论其着眼点是什么，所有议题围绕的核心都是生物学理论及其结构体系。现代生物学的理论源头来自于进化论这一观点已得到绝大多数人的赞同。进化论作为一个宏观理论，虽然其解释机制是有价值的，但是它自身远没有上升为公理，直至今天我们也只能将其视为一个松散的理论纲领，而这也一直是生物学被看作另类科学的根源。20世纪中叶的生物学革命主要得益于物理化学的方法革命，在50年代之前，许多科学家都认为生物学可以纳入到物理学、化学的研究范式中来。此时，以数学逻辑作为研究基础的物理学、化学，其理论表述体系已经十分完备，而生物学则始终存在着边缘化的风险。事实上，由于研究路径始终无法很好地兼容孟德尔的遗传理论，人们便逐渐放弃了单纯依靠物理、化学表述形式来建构整个生物学理论体系的想法，而DNA模型以及相关分子遗传机制的提出加速了这种转变。
20世纪末，遗传信息概念成为生物学新的关注焦点，以梅纳德·史密斯(Maynard Smith)、格弗列·史密斯(Godfrey Smith)为代表的研究者都对生物学中信息因素产生了极大兴趣，进行了具有启发性的讨论。⑤从这些讨论我们可以看出，分子生物学的迅速崛起使得原有的生物学理论结构面临着巨大的调整压力，而以DNA信息为意义基础所缔造的遗传代码在多大程度上左右着生物学理论的表述还存在着相当大的疑问。首先，在生物学理论中，遗传代码是否可以作为一种充分的依据进行解释，这是目前争论最集中的部分。因为，作为生物学语境中最基础的意义单元，其作用就相当于汉字之于中文的意义。因而在这个基础上，整个生物学理论以遗传代码的模式来解释似乎是合理的，不过这仅限于基因层面，在个体发生以及种群层面，其解释效力处于递减状态；其次，如何在基因理论自身框架内对遗传信息的意义进行有效限定，也是争议较大的问题。遗传代码本身的意义是在理论规则的架构内被赋予的，其中代码组合的变化对应于相应现象，同时，这种变化规则又遵循相应的遗传规则。但是，这一点目前还不完善。例如某些同素异构体所表现出的在生物功能层面上的差异就是很好的例子。因此，这些表达单元必须进行有效的意义限定才能在整个解释中作精确表述；最后是关于基因决定论的争论。争论的核心问题是可否通过遗传信息代码系统来进行有效预测以及具体的实验操作。
可见，目前的生物学哲学研究已经越来越关注生物学理论的基础问题。本文尝试把生物学理论基础研究转化为生物学理论的语义研究，通过语义分析方法的应用，找到生物学理论的最小意义单元，同时关注其意义单元在整个解释语境中的结构问题，以便把握诸多问题的关键所在。首先，语义分析方法本身作为语义学方法论，在科学哲学中的运用是“中性”的，这个方法本身并不必然地导向实在论或反实在论，而是为某种合理的科学哲学的立场提供有效的方法论的论证。⑥语义分析方法在例如科学实在论等传统问题的研究上具有超越性，在一个整体语境范围内其方法更具基础性；其次，作为科学表述形式的规则与其理论自身架构是息息相关的，这种关联充分体现在理论表述的语义结构之上，对其逻辑合理性的分析就是对理论真理性的最佳验证；第三，生物学理论表述的多元化特征使得语义分析应用更加具有灵活性，易于对生物学语境内各解释元进行横向比较分析，从而获得横向理论间的逻辑关联。
二、生物学理论形式化特征的语义分析
(一)生物学理论的语义表达困境
汤姆森认为一个通常的形式化语言体系包括一组能精确表达的形式化公式、一组符号以及一系列在形式化体系中的符号应用规则。应注意的是，体系中所使用的符号在意义上必须是独立的，尽管这些符号可能有多个意义来源。同时，符号分为简单符号与复杂符号，其中复杂符号由简单符号所组成的形式所定义，当同级形式变化种类不能满足定义需求的情况下，这些复杂形式可以进一步组成其他更复杂形式。公式是被形式化语言所表述的，只包含有语言符号并且满足相应的语言构成规则。这种公式被称为“well-formed formulas”，英文缩写为“wffs”。⑦在一般的科学理论表述中，通常使用公式来表述整个理论体系的逻辑关系，这种逻辑关系包括平行的客体间关系以及相关联的上下层级间的构成关系，抑或是超出这两种关联的其他关系。通过这种直观逻辑体系的表述，我们可以利用被证实的逻辑关系来演绎出其他未知的逻辑关系，从而使直观的符号演绎成为研究的重要手段。但是这必须具备一个前提，那就是数学逻辑的支持，即可运算。这不但是科学精确演绎的需要，更重要的是，使任何以数学逻辑作为表述基础的科学解释体系具有了一个可通约的层面，这是学科研究交叉的最基本条件。当然，之前所说的形式体系很大程度上源自于逻辑经验主义的科学语言方案，但是在历史主义的科学哲学兴起之后，大多数科学哲学家都认同了在科学解释中形式化体系与解释性陈述并存的局面。
再回到生物学理论的讨论。进入分子水平的遗传研究以来，生物学似乎具有了可用以整合所有子类研究的逻辑基础，期望通过这种微观的解释来延伸到宏观的进化理论体系中。问题是，仅仅依靠中心法则所建立起来的这一体系是否就具备了形式化语言体系的条件呢？通常讲的科学法则是指运用形式体系规则所建立的公理体系，用以解释理论中的规律。目前的问题是，单一的中心法则虽然符合了形式化的需求，但远没有达到形成公理体系的要求。在传统的科学理论解释体系中，法则用以描述现象和行为并能够解释与预测特殊的现象和行为(法则的可检验性)。(见图1)
表示事件中的相关状态，E代表被解释的事件。通过关于E的法则的演绎，我们可以预测出可能发生的状态，也就是说，一个法则对于事件的解释必须是启发性演绎的。因此，以这一标准来看，对于生物学理论的公理化看法引起了很大的争议，以传统逻辑实证主义观点影响下的科学观来看，生物学理论的确是缺乏公理性的。例如贝蒂(John Beatty)在他的论文中对此表达了很强的观点，他认为整个进化理论都是或然性的，生物学中只存在暂时性公理。⑨仅就这一观点而论，我们就有必要对生物学的理论构成进行一些说明。第一，生物学的理论源自于对生物体特征、种群以及生理现象的描述与概括，而作为研究对象的这些生物体在漫长的进化历程中有的消亡，有的发生重大变化，并不存在永恒不变的物种，因此，也就不存在长期稳定的描述与概括(较之于物理法则)；第二，生物体的生理活动可以用物理、化学的解释范畴来加以解释，但是在生物机能方面则远远超出了物理化学范畴可解释的范围，我们可以将其称之为“真正的生物学范畴”。虽然物理定律可以解释生命运行的基础，但其与生物学现象并不属于同一个解释范畴。就好像我们不能用物理定律去解释物种进化一样；第三，生物学理论解释与对应的生物学现象之间存在着各种变量，而且多数情况下是非线性的关系，例如在一些重金属污染的区域，当地的一些生物会发生一系列的畸变，而这些变化形式又是随机的；第四，进化理论强调时间与环境的共同作用机制是进化发生的根本原因，这种作用机制类似于一个灰色系统，从而形成了无法测定的系统变量。因此，对于生物学理论来说，时间变量与环境变量成为了其构成法则的最大障碍。基于图1，我们可进一步得出图2。\
(二)生物学理论的构成原则
关于生物学理论的认识，西方学界明显分为两个派别。以鲁斯、威廉姆斯(Williams)、罗森伯格(Rosenberg)⑩为代表的一派认为可以运用演绎主义和语义方法来描述进化理论的因果机制。而以汤姆森为代表的一派则认为，生物学理论是一个复杂的解释框架，应该从整体上来概括进化论的因果机制。如果从整个生物学语境的视角来考察的话，后者的观点更为现实。从一开始，生物学理论就是以各种模型的方式而存在的，而造成这一切的原因是物理主义的真理观在生物学研究中不具有解释力。从实用的角度出发，通过构建解释模型来满足整个理论体系的逻辑自洽性成为确立生物学基础的最好手段。生物学中的解释模型具有如下原则。
首先，模型是一个可控体系，可以对模型中各种变量进行必要的限定，通常是通过对一些变量进行限定甚至将其转化为对应常量，从而使整个模型在数学上的演绎变得可行。这一原则是从实用的角度来确保数学方法以及设备手段对于研究介入的可行性，通过对相关变量的语义调控，尽可能地对复杂理论的语义结构进行简化，同时又不破坏语义结构的完整性。
其次，在适度的范围内，放宽模型的严密性，通常运用统计学的方法进行合理论证，对于模型解释产生的“异常”，根据其出现的频率来确定其是否属于可忽略对象。因为进化理论本身就规定了生物异常所带来的两个后果：一种是正方向的异常，属于进化的进程，之后会纳入理论体系。另一种是负方向的异常，不会存在很久，属于可忽略对象，不需对模型进行调整。通过灵活的语义关联确保模型解释的合理性，也不会对原有的模型结构造成冲击。这一点在经典遗传学研究中尤为重要。
第三，理论中运用互补性解释模型。在由T、t两组变量构成的模型中，如果将一组变量T限定，而只考虑另一组变量t的因素，形成模型A；反之，限定t而只考虑T，形成模型B。那么对于被解释事件E来说，A和B为关于E的互补性解释。互补性模型是为了在限定理论自身以及严密性放宽的条件下，尽可能地保证对象描述的全面性，将原有的解释层次进行分化，使之尽可能地向形式化的要求靠拢。
在这些原则下，理论的可靠性更多地建立在模型的选择上，这种选择考虑更多的是宏观上的判断，依赖于对整个解释语境的分析。而作为模型本身在满足限定变量的前提下成为一个有限的法则。因此，无论对于生物学理论有什么样的认识，都不能忽视一个问题，那就是单一的理论描述必须纳入整个进化论的体系中来考察，作为体系中的一个构成单元，它本身处于逻辑关联的框架内。这种整体与组成单元间的互动共同确保整个解释体系的逻辑自洽。当然，这些原则同时也带来了一个更大的问题，那就是理论中解释模型的选择如何来进行。由于时间与环境因素的不可再现，许多理论本身都存在着验证难题。
(三)现象与理论的关联问题
如果说所建构的语义结构确保了理论在逻辑上是可检验的，那么另一个问题也必须考虑，那就是现象与功能在整个理论语义结构中的关联。我们把进化理论作为一个宏观的解释原则，但是它与“范式”有着根本的不同。范式体系规定了学科的表述形式以及在研究中的具体运用方法，而进化理论却是一个相当宽泛、自由的框架，在这个框架内，实用性往往是第一位的。如果说经典的遗传学是站在个体以及种群的视角上，以统计的方法来对遗传规律进行表征，从而创立了性状分离等经典学说，那么分子遗传学则完全是建立在化学、物理学等基础上的。二者的共同点是对应着相对固定的性状或功能，而不同点则在于一个以染色体片段为理论中的最小语义单元，另一个则以组成染色体片段的碱基物质以及其他调控单元作为理论的最小语义单元。虽然通常认为，分子遗传学可以取代经典的遗传学作为生物学中最基础的理论。但是至少在目前，经典遗传学还无法被取代，这是因为某些碱基序列在共同构成染色体时出现了某些新的性状和功能，这样的状况类似于突现。
这一问题的存在，使得作为理论基础的可还原性受到了严重干扰，生物个体层面的功能和性状很难被简单还原到分子水平之上。反之，分子遗传学在横向研究方面的优势却又是经典遗传学无法比拟的。由于具有严格组合规则以及相对稳定最小语义单元，分子遗传机制十分接近语言的机制，通过遗传代码构建的形式化体系在运用数学手段以及计算机辅助分析方面，其条件可谓得天独厚。因此，经典遗传学在理论纵向层面上的运用要强于分子遗传学，而分子遗传学在横向层面的分析与比较上的优势则较为显著。这两种遗传学研究的差异给整个生物学理论的统一造成了很大困扰，虽然它们作为生物学理论都很好地解释了进化学说，但在具体的进化路线与分类上存在着明显分歧。对此，我们认为可以尝试通过对二者各自表述的意义单元以及规则与个体的性状、功能在语义关联上的差异进行比较，来对这个问题加以分析。
首先，我们需要明确一个问题，那就是在整个生物学理论中是否存在着稳定的意义单元。迈尔(Enst Mayr)在《种群、物种与进化》一书中就曾认为物种是进化学说的基本单元。(11)物种同时作为分类学研究的最小单元，在整个生物学体系中处于至关重要的地位，起着连接个体生物学的理论与整个宏观进化理论框架的作用。但关键的问题在于，经典遗传学与分子遗传学在对待物种的分类上是存在明显分歧的，也就是说，作为进化理论的意义单元定义本身还存在着争议。所以从宏观角度上说，整个生物学理论的上层意义框架并不明确。例如基于基因亲缘划分原则的修正系统分类学与传统分类学在物种分类上的分歧。
其次，对于面向生物个体的经典遗传学来说，性状与功能的遗传才是显在的。换句话说，不可再分的单一性状或功能的描述成为了基本的意义单元。对于决定同一性状或功能的遗传单元，通常我们称之为等位基因。正是在这一层面上，鲁斯在其《生物学哲学》中尝试证明生物学与物理学具有相同的解释模式与逻辑规则。在以孟德尔遗传学理论为蓝本的解释模式中，单一的性状或功能成为最小逻辑单元，在整个遗传理论体系中表现出了令人满意的逻辑严密性，并通过实验的检验证明了其合理性。在鲁斯看来，群体遗传学在整个进化理论中处于核心地位，整合了几乎所有关于进化的研究，例如胚胎学、分类学、形态学以及古生物学等，并以它们为理论支撑。同时，其表述形式也符合逻辑经验主义的要求。例如，哈迪—温伯格定律(遗传平衡定律)就是从孟德尔定律推导得出的。在限定条件下，假设一对等位基因，
通过对整个推导过程的分析，就能明白为何鲁斯认为至少在孟德尔遗传学这一部分，生物学理论已经符合了公理化的要求。从这个角度来讲，单独讨论生物学理论是否可以具有完备形式化表述已变得毫无意义，尽管这种证明本身对于整个生物学语境来说还很脆弱。不过，从经典遗传学层面看，以性状或功能为语义单元的表述是生物学理论中比较成功的典范。
第三，对于分子遗传学的最小语义单元来说，其所针对的表述对象以及过程十分庞大。一般认为，在由碱基到达各种超分子复合物的过程中，从蛋白质以后，这些大分子才具有了生物功能性。而由碱基序列所表达的遗传符号串仅仅只是蛋白质的一级结构而已，对于二、三、四级结构却是一种空间构造上的说明。从这个角度讲，碱基序列对于最基本的生物学功能并不存在直接对应的关联关系，对于它的语义判读无法通过现象或功能的描述来进行。事实上，单一碱基符号的语义判读是在整个的语义结构中进行的。因为碱基符号所对应的不过是一种物理、化学的语义描述，在生物学语境中并不具有理论层面的意义。在由碱基→氨基酸→蛋白质的这个过程中，每一次结构的上升，其代码的语义都伴随着结构的调整。碱基位于一个基础的层面，作为连接物理学、化学的解释范畴的核心纽带而存在，是与生物学解释范畴的交集地带，成为生物学解释的边界区域。例如，GAA是氨基戊二酸的代码，但在化学中同样可以将其作为氨基乙酸的代码。(12)因此，可以认为碱基序列在生物学语境中的语义表达是在理论的语义结构中体现的。它对于经典遗传学的性状功能学说的语义关联是通过一步步语义构成规则来完成的，这也说明了简单地将性状以及功能描述还原为碱基序列表达的基因代码是十分困难的。
通过以上三点说明，一些基本的问题已经清晰了。进化论体系作为整个生物学理论的框架，用以维系各个子学科理论的最终解释层面，通过语义结构的划分形成不同角度、层面的解释元。语义的结构规则是各解释元之间相互语义关联的方法。对于整个生物学语境来说，不存在最基础的同一解释元，它们都是作为有限的理论解释而存在的，各种解释机制都在其解释元内体现着特殊的实用性取向。凯切尔(Philip Kitcher)曾就经典遗传学与分子遗传学，阐述了基于它们所涉及内容的理论概念的变化。他通过常规的术语学来分析经典遗传学与分子遗传学两种研究中对于“遗传因子”概念引用的不同理解。他的基本立场是：“遗传因子”在不同的时间、不同的语境下可能指向不同的所指，但“遗传因子”的意义在它们各自不同形式的变化中并不会给科学的关联带来明显的破坏。凯切尔进一步认为这种策略可以超越关于经典遗传学与分子遗传学的还原问题的争论，即在讨论两种研究时，还原方法作为一种表述策略可以被忽略。(13)因此，最终的观点是生物学解释是一个多元解释的框架，在以实用性为导向的前提下，各解释元有着独自的基本语义单元。这些基本语义单元之间的语义关联在依据理论规则所制定的语义结构中体现。
三、构建以基因信息为基础的生物学理论结构的可行性
(一)基因调控解释的不足
基于前面探讨的生物学语境内部的不同解释元，我们应明确一点，通过物理、化学对生物学研究的介入只局限于生理学基础领域。而在之上的遗传学领域，它们的助益就非常之少了。对于基因代码来说，作为符号性的信息载体其意义是完备的，但是关于其中的意义如何选择的问题，仅仅依靠符号本身是无法解释的。进而可以认为，物理、化学的解释范畴仅仅局限于说明符号本身的存在合理性。格弗列·史密斯曾撰文认为，我们往往专注于基因所导致的末端的结果(distal effects)，这些结果依赖于一系列其他的因果因素。但是，另一方面，对于非基因的原因，我们却关注最接近的结果(proximal effects)，认为DNA所导致的最接近的结果全部是物理、化学法则所决定的。(14)而梅纳德·史密斯则认为DNA所导致的最接近的结果并非全然是物理、化学法则所决定的，假如一个具有任意性的分子信号通过一个“进化的接收器”产生了相应的结果，那么，这个信号的含义便是这个结果而非化学的过程，因此，这个信号是语义性的(semiotic)或符号性的(symbolic)。(15)梅纳德·史密斯曾举例指出，我们通常将分子生物学中“诱导物”分子以及“抑制物”分子这些调节分子看作是符号性的，实质上承认了它们的化学构成形式与它们在遗传学的意义上所展现的功能两者之间没有必然的联系。化学规则意义上的说明并不能决定遗传层面上的调控与表达。(16)这个问题也是生物发生场假说试图说明的。按照生物发生场假说，有一套潜在的规则规范着整个基因的调控。比如，分子遗传学很好地说明了DNA、RNA、起始子、终止子等这些大分子在基因调控中的化学机理，这可以说是一种有效解释，说明了它们是如何工作的。另一个问题是，这些大分子元件为何会在一个特定的场合遵循着一套固定的规则进行一系列的化学过程？这个问题显然超出了物理和化学解释范围。因此，可以设想存在一个发生场，对这些调控元件起着特定的规范作用。接下来的问题是，这个发生场在分子遗传解释模型中如何体现呢？旧有的分子遗传解释是一个严格的分解说明机制，最终原因的解释关联到化学、物理学的层次上。因此，至少在生物学意义上，这种解释机制是不完整的。
现有的分子遗传理论在解释的逻辑架构上是完整的，但是在解释的全面性、有效性上的确存在着弱点。这可以解释为什么物理主义的观点在生物学中始终找不到验证。基于这些考虑，可以将分子水平的生物学理论划分为两大框架：一是关于生物遗传的框架，在这个部分中，生物学理论更多的是试图解释生物的形态、功能、性状等特征是通过何种机制传给下一代的，以及在这种传递过程中表现出的规律性的东西；而另一个则是关于生物发生的框架，这个部分更关注的是生物何以按照一定的形式发生并如何发生的问题。例如神经发育、细胞发育等等。前一个部分的研究内容决定了信息的概念是一个无法回避的因素，因为生物性特征的传递很难让人不将其与信息传递联系起来；而后一部分是信息概念所难以清晰表述的，因为它更多的表现的是信息确定之后执行信息的过程，属于信息选择以及意义选择的问题，由于存在大量的不确定机制，目前还很难简单地用信息系统的概念从整体上加以解释。
(二)分子遗传中信息概念基础的合理性与局限性
一直以来，许多学者都认为碱基序列并不等同于遗传信息。他们认为在一个真正的信息系统中，应包括编码器、传送器以及两者之间的信息通道。由于不具备这些组成部分，碱基序列更明显地体现出属于化学体系的特征。(17)在分子生物学解释中，运用了大量的科学隐喻手段使得复杂的运行机制变得清晰易懂。但是，这种手段的大量应用也产生了许多的误导，例如形成核糖核酸的过程称之为“转录”(transcription)，而其后所要进行的工作便是“翻译”(translation)。这些术语很自然地将这些遗传过程类比为一个抄写员做的工作。但事实上，这些过程完全是化学过程，作为一个化学体系中的物质，它不可能同时扮演信息载体的角色。反过来说，分子遗传学毕竟是关于生物大分子在生物遗传过程中功能及作用的研究，每一个大分子元件都扮演了相应的功能角色，表现出稳定的对应性，从这个语境讲，这些隐喻手段的运用似乎是情有可原的，也是可以接受的。梅纳德·史密斯就认为将遗传过程比作信息传递是恰当的。他写到“有哪种观点说化学过程不是运载信息的符号？为什么不呢？如果信息可以通过声波来传递，抑或是电线中的波动电流，那么为什么不可以是化学分子呢？”(18)的确，化学分子在遗传活动中通过一系列的规律性地组合，最终指向具体的蛋白质。这一过程构成了“意义”的传送通道，十分接近于一个信息系统。因此，由化学分子在生物层面构成的信息体系是可行的，而这种从化学体系中抽象出来，用以在生物学解释层面生成信息概念的方法也是合理的。
尽管如此，信息概念的引入仍然存在一些障碍。
首先，在整个信息过程中，有多少生物现象源自于原始信息所提供的“意义”？就微观层面而言，就像前面提到过的蛋白质多级结构，其中原始信息的成分只能占到一级，这决定了初始的遗传信息对于最终的蛋白质表述并不具有完整性和决定性。而在宏观层面，环境因素对生物个体乃至群体的影响与先天的获得性遗传因素的区分很难界定，尤其是在一些生物行为上的描述，这也是为什么分子生物学在解释进化时总是存在证据不足的原因。如果将进化划分为基因的、选择的以及形态学的三个层次，那么，第一个层次积聚大量的符号表述，而选择的层次则明显变得复杂化，伴随着无意义的信息只有很少的符号序列从这个符号库中被选出，这一套机制的量化往往只能以随机来解释。而在形态学的层次，几乎所有的数学量化难度都叠加在一起，面对庞大的“意义”库，跨越前两个层次对形态学层次进行符号的准确表述可以作为一种尝试，但目前可能还不是一个好办法。
其次，语言学的局限。通常在提到基因的信息化时，人们会很自然地想到可以通过语言学方法对这个体系加以规范和整理。但在将基因作为信息描述的时候，有一个事实，那就是在这个系统中最小符号单元的数量十分有限，而要描述海量的“意义”必然会造成符号体系的过分膨胀，而单纯的符号化手段又并不足以解释哪些“意义”被采用，哪些“意义”是不表达的。因此，整个基因信息成为了庞大的字符库，里面的信息杂乱无章，就好像是没有空格和标点的字母文字，这些“空格”和“标点”就是控制符，是“意义”的起点或终点，是形成“意义”的关键。但是，在基因信息符号体系内，很难对那些“空格”与“标点”进行有效界定，许多生物学中的机制很难被还原为语言的机制，这也就是说，单纯语言学方法的应用是不现实的。
第三，过程中变与不变的解释困境。作为决定蛋白质功能的氨基酸序列除了固定的碱基序列外，还需要依靠化学的键位以及物理的构象。物理、化学的解释对于生物层面的解释具有最终的支撑作用吗？我们应看到，如果在整个翻译、转录、表达过程中发生了某些变化，最终表达的产物也会发生相应的变化，但是物理、化学的解释中所依据的法则是恒定的。也就是说，在生物过程的解释中，物理、化学的解释是必要但不是决定性的。举例来说，在遗传信息的框架内，突变的原因可以解释为符号序列的错配，但也有可能是某些物理、化学原因引起的结构变化。我们可以用物理、化学法则来说明这些变化过程，但是并不能说明其原因以及最终导致的后果。对这种变化说明的不对称致使基因信息的概念无法对遗传的变化过程提供有效的解释。
第四，符号间的相互规则。在碱基序列中，有时存在一串序列作为开关来调控其他序列段的复制、转录等过程，我们将其称为调节基因。这是一个奇特的机制，比如基因A控制基因B、C、D…，而B、C、D…又控制其他的基因，这无异于在固有的“意义”之外增加了相应的对其他“意义”的选择功能，也就是说，除了表达层次的“意义”，这些符号还要体现调节层级的含义。这种特殊的机制无疑将意义表达的结构复杂化，基因信息符号已不仅仅是信息的载体，其本身也有可能成为信号的发送者。鉴于这种特性，符号体系的语义结构的复杂化不可避免。
由于以上原因，最终的关联机制存在不确定性。德特斯克(Dretske)曾经提出一个“信道条件”(channel conditions)的概念，如果一个变量A与另一个变量B发生关系，那么，我们可以说B载有关于A的信息。(19)例如，出现了相应的云会导致下雨，那么这种云便载有了雨的信息，它同下雨相关联。可以说“信道条件”的存在是形成有效解释的语义关联枢纽。但现实是，在基因信息与最终现象的关联机制中，由于不同层次存在的关联变量，使得基因信息的“信道条件”无法达成简单的线性对应。因此，虽然说基因能够作为信息载体，但是将其作为有效的解释依据却有些勉为其难。我们应当看到，基因文库作为一个庞大的信息库，包含了所有的意义，我们可以将其视为一个语义源。而对于语义的选择与判读却是由另一套信息输入机制所控制的，不同层次的信息调节共同决定了最终的语义表达。从这个角度来看，基因信息的意义不言自明，事实上它作为生物学的基础是可行的，真正的问题在于基因信息是如何被编码的。无论是自然选择、种群隔离等宏观机制，抑或是诱发变异这种微观的机制，这些学说无疑都是对基因信息进行编码的一种机制，不过是水平与程度上的不同罢了。
(三)基因解释的意向性
根据细胞学说，每一个细胞都包含完整的基因文库信息，并且，干细胞还有随时分化成为具有不同功能的细胞的能力。那么这里就存在“意向性”(intentional)的问题，即在不同情况下，细胞的生产会做出不同的调整。进一步讲，由氨基酸序列以及一定的结构所构成的蛋白质已经不再作为信息的载体，它既可能是一种酶，也可能是一种功能纤维，它所表现出的功能成为其自身的唯一解释。所以说，碱基序列是唯一具有意义传递功能的信息载体。作为一个信息载体，其最终的表达调节是“任意的”(arbitrary)，并可以根据一定的外部反馈对自身的发生过程在一定范围内做出相应调整。这种观点与克里克(Francis Crick)在1968年提出的冻结机遇理论(Frozen Accident Theory)有关。根据这一理论，遗传密码随意发展，直到当前密码的配置(密码序列)趋于稳定，自此之后，密码停止发展，因为其“选择有利性”已经达到最佳，任何密码的变动都有可能造成这种有利性的丧失或减少。也就是说，在环境稳定的情况下，子代的密码序列会直接继承祖先已经确立的配置，而环境一旦发生变化，密码的自由发展又开始启动，直到重新达到选择有利型。这种解释与达尔文关于稳定者生存的论断不谋而合，但整个过程的发起者变成具有遗传功能的连续分子结构，或者简单将其统归为基因。自然的选择转化为基因的自我尝试与适应，于是，基因本身具有了意向性。畅销书《自私的基因》的作者理查德·道金斯(Richard Dawkins)就倾向于这样的观点。如果说经典遗传学的核心理论是自然如何在成千上万的多样性物种中选择最后的生存者的话，那么，在分子遗传学的基因解释中，基因本身成为主动应对变化并做出改变的决策者，这一活动本身是意向性的。当然，这种观点也面临着挑战。例如贝蒂(John Beatty)的偶然性进化假说就认为，新改变的基因与“规范”的基因在进化过程中的机遇是同等的，遗传密码的变化是高度随机的，并进一步认为，整个生物学的规律都是随机的。(20)萨卡尔(Sahotra Sarkar)也提出具有相似挑战的观点：如果一个关于s如何导致σ的理论不能排除不同的s'导致σ，那么s只能被当作σ的“征兆”(sign)。在这个观点看来，几乎所有的生物化学关联都是任意性的。生物化学理论只与特定的反应有关而与进化中的选择无关，可以说其理论构架是排斥选择的。(21)不过，最近也有观点认为，在化学上表现出的任意性并不影响作为表达遗传代码的语义信息对于生物过程预期的确定性，化学的任意性对于分子遗传理论的语义关联并不是必要的条件，遗传密码在化学上的任意性对于基因序列所蕴含意义的影响既不充分也不必要。(22)
由以上可知，化学过程的任意性对于遗传信息的影响微乎其微。尽管化学上的反应有多种可能，但是在真正的生物过程中，它只能按照确定的方向进行。由此，我们可做出这样的判断：在化学规律的基础上，基因本身具有意向性。当然，这里说的意向性并不代表确定性，正如遗传密码的意义关联是动态平衡的。意向性的信息过程就像从基因所携带的各种可能表达的信息中选择一个更好的竞争者，更进一步说，一个独特的意向性尝试或语义信息实质上是基因信息在表达错误或是误读的情况下获得的新意义。(23)生物体经过亿万年的演变所获得的基因结构可以说是目前最佳型的基因结构。因此，在确定状况下，遗传信息的意义是稳定的，这为利用遗传信息预测生物发生创造了条件。同时，当环境的反馈发生改变时，信息表达的调整也会表现出相应的意向性。当然，意向性并不意味基因的决定论，它本身是一个十分弱化的概念，不能将其纳入信息控制论的范畴来讨论。这也是为什么之前一再强调分子遗传信息体系只是一个类信息系统，不能将两种概念混淆。
总之，基因信息作为语义的载体，对于进化机制的说明以及对于经典遗传学说的支持有着不可估量的作用。在分子语境与经典遗传学语境下，理论的语义结构截然不同。分子语境下基因解释的概念主体始终是有具体生物功能的蛋白质和功能纤维等大分子。在这种语义结构中，意义被限定于具体的功能语境中，化学与物理上的可能性在这样的语义结构中受到限制而仅仅提供最基本的合理性解释，在此基础上的理论语义结构的构成规则才是形成有效解释的核心所在。尽管作为基因信息的意义指向并不是恒定的，但是由于非稳定环境下的基因信息表达在固定规则的规定下始终是趋于稳定的，因此，基因理论的语义结构是稳定的。我们可以将分子生物学理论的语义结构理解为被建构出的用以表示一定关系的规则，并在限定条件下推测可能导致的结果。虽然基因信息是抽象化的概念，但在以其关联规则为基础的语义结构中，意义的指向根据相关环境反馈体现出带有一定意向性的调整。因此，可以认为基因信息理论稳定的语义结构是分子生物学理论的基石，是一种通过抽象概念构建的稳定语义结构，用以形成倾向性解释的说明机制。
四、结语
对于饱受诟病的生物学理论来说，它所面临的往往是传统的理化科学范式的责难。对于理论范式相对滞后的生物学，宽容显得尤为重要。从形式化的角度讲，生物学理论中的某些部分确实在尽力模仿这种表述传统，如经典遗传学已经做得很成功。但从另一个角度讲，生物学只是一种藉进化理论维系的相对松散的知识结构，将其统一于某种规范的表述框架中的必要性与可能性几乎不存在。制约这种必要性和可能性的因素有：
1.假说语境的不可通约。每种学说的语义关联只有在其学说语境中才具有语义指向的合理性，具体表现为不同语境间，最小语义单元在语义内涵上的显著区别。
2.理论解释的层次性与上下层级的依赖性。生物学理论的层次性决定了其解释是多元化的，并且表现出很强的相互解释依赖性，这种交互影响的多元体系的说明机制，最终从整体上保证了生物学理论体系的逻辑自洽。
3.语义结构的复杂性。单一解释元中的意义结构虽具有相对的稳定性，但各自复杂的变量机制使得在解释元的语义关联网络中，其意义的关联难度指数性增加，从微观变化到宏观表象的语义关联机制很难被准确把握。
4.功能性解释本身的局限。功能性解释是通过外在表象与内在变化来建立的语义表达关联。将化学中的功能解释方法引入生物学具有一定的合理性，但生物学中的功能性解释由于建立在不明确机制(各种功能假说)之上，语境之间的干扰使得意义通道的指向性并不稳定，解释是或然性的。
引入基因信息概念，可以帮助我们尝试突破以上这些限制。当然，这一概念的引入也将会与经典遗传学的研究范式造成某种程度的冲突。一个无法回避的根本问题是：目前越来越多的生物学家都赞同进化理论中的选择机制并不是建立在性状选择上，而是建立在分子遗传水平上。在这一平台上，作为语义载体的分子结构脱离了化学语境，成为一个专属生物学语境的语义群，自然选择过程转而成为信息语义的选择。原本排斥在外的行为、心理、思维也被纳入到新的解释机制中来，这一机制甚至被用于社会学研究。这样就极大拓宽了生物学解释的范畴。不过，目前对于这些理论的验证还不完善，并且理论结构中的语义关联不具稳定性，所以其解释仍然是意向性的。而且，作为开放的类信息系统，外界环境信息的输入也是必须要考虑的问题，这为建立准确、有效的意义表达机制增加了难度。尽管如此，基因信息概念对于解释进化理论机制的作用还是不可估量的。
正如汤姆森所认为的那样，达尔文的进化理论框架由许多交互影响的理论所构成，框架内任何形式化的逻辑说明都必须把握这一交互性特征。理论结构的语义概念必须与其保持一致，而具体句法概念却并没这个必要。(24)在这个观点的基础上，应进一步明确，生物学的进化理论框架是一个多元解释体系，直观性和实用性是其首先要考虑的要素，根据解释范畴来严格限定理论的运用代表了这种取向。因此，生物学理论框架是一个多元语境，不同语境的语义结构决定了不同的解释机制与解释取向，并且，这一特点并不会削弱生物学理论在整体说明机制上的逻辑有效性。
注释：
①Paul Thompson,The Structure of Biological Theories,New York:State University of New York Press,1989,p.23.
②亨普尔在《自然科学的哲学》(1966)一书中表现出了对于归纳的宽容，倾向于认为生物学规律性解释可以部分地还原为物理、化学的解释；内格尔在《科学的结构》(1979)中分析了物理现象与生物现象的不同，认为从系统论的角度来衡量，物理学与生物学是可以相容的。
③F.J.Ayala,"Biology as an Autonomous Science," American Scientist,no.56,1968,pp.207-221.
④Michael Ruse,"Charles Darwin's Theory of Evolution:An Analysis," Journal of History of Biology,no.8,1975,pp.219-241.
⑤从格弗列·史密斯的《基因代码的理论角色》(2000)和梅纳德·史密斯的《生物学的信息概念》(2000)两篇论文中都可以看出对于遗传信息的关注。前者主张信息概念的使用应限于从基因到蛋白质的生物过程，而后者倾向于从一个更广的生物学视野来看待信息可能造成的影响。
⑥郭贵春：《语义分析方法与科学实在论的进步》，《中国社会科学》2008年第5期。
⑦Paul Thompson,The Structure of Biological Theories,New York:State University of New York Press,1989,p.27.
⑧Paul Thompson,The Structure of Biological Theories,p.37.
⑨J.Beatty,"The Evolutionary Contingency Thesis," in G.Wolters and J.Lennox,eds.,Concepts,Theories,and Rationality in the Biological Sciences,Pittsburgh:University of Pittsburgh Press,1993,pp.45-81.
⑩从威廉姆斯的《进化的演绎推理》(1970)，鲁斯的《遗传学中的还原》(1976)，罗森伯格的《生物科学的结构》(1985)这些代表性著作、论文中都可看到这种倾向。
(11)Enst Mayr,Populations,Species,and Evolution:An Abridgment of Animal Species and Evolution,MA:Harvard University Press,1970,p.12.
(12)Maynard Smith J.,"The Concept of Information in Biology," Philosophy of Science,vol.67,no.2,2000,pp.177-194.
(13)P.Kitcher,"Genes," The British Journal for the Philosophy of Science,no.33,1982,pp.337-359.
(14)Godfrey-Smith P.,"On the Theoretical Role of Genetic Coding," Philosophy of Science,vol.67,no.1,2000,pp.26-44.
(15)Maynard Smith J.,"Reply to Commentaries," Philosophy of Science,vol.67,no.2,2000,pp.214-218.
(16)Maynard Smith J.,"The Concept of Information in Biology," Philosophy of Science,vol.67,no.2,2000,pp.177-194.
(17)M.J.Apter and L.Wolpert,"Cybernetics and Development I.Information Theory," Journal of Theoretical Biology,no.8,1965,pp.244-257.
(18)Maynard Smith J.,"The Concept of Information in Biology," pp.177-194.
(19)F.Dretske,Knowledge and the Flow of Information,Cambridge:MIT Press,1981,p.111.
(20)J.Beatty,"The Evolutionary Contingency Thesis," in G.Wolters and J.Lennox,eds.,Concepts,Theories,and Rationality in the Biological Sciences,Pittsburgh:University of Pittsburgh Press,1993,pp.45-81.
(21)S.Sarkar,"Information in Genetics and Developmental Biology:Comments on Maynard Smith," Philosophy of Science,vol.67,2000,pp.208-213.
(22)Ulriche Stegmann,"The Arbitrariness of the Genetic Code," Biology and Philosophy,vol.19,2004,p.219.
(23)K.Sterelny and P.E.Griffiths,Sex and Death:An Introduction to the Philosophy of Biology,Chicago:University of Chicago Press,1999,p.104.
(24)Paul Thompson,The Structure of Biological Theories,New York:State University of New York Press,1989,p.97.
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