理论还原问题——生物学还原的分析研究，本文主要内容关键词为：分析研究论文,生物学论文,理论论文，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。
科学从哲学中分离出来之前，人类可以分别按宗教或类似宗教的方式、按原始艺术的方式或按自然哲学的方式看世界。无论按哪种方式，都是从总体上把握整个世界。科学独立出来以后，并未改变从事科学的人要从自身的研究视角看待世界“全体”的这一渴望。无论具体的科学采用什么方法、遵循什么原则、借用何种途径、以什么为直接对象，都旨在寻求关于世界的知识。由于科学从对象入手进行探求的手段是特定的和有局限的，它在方法上是“化整为零”的，因此，科学关于世界整体的求解不可避免地要落入偏重某些对象的学科领域。
从某种意义上讲，科学哲学的局限性有很大一部分正是从事不同科学研究的科学哲学家的局限性，一种从某一学科领域出发、多少有些学科偏执的局限性。
随着科学的发展，不同的学科领域之间会是一种什么样的关系？现有的学科之间会存在取代或还原吗？针对象生物学这样综合性很强的学科与其它相关基础学科的关系问题，意见分歧较为明显。以生物学为例，这一类问题就将是：未来的生物学研究将为物理－化学的研究所取代吗？或者说，生物学会被还原为物理－化学吗？
1 生物学是一门独特的学科
科学的兴起是在从哲学分立以后。由于同样的分化，不同的学科领域之间必然也是相对独立的。生物学的独立尽管是稍晚一些的事，但它也是基于科学发展的一定时期与历史局限性相关的多元性的。生物学从生物的形态、解剖、系统分类、进化开始自己的研究，这与数学从算术关系、物理学从物理运动形式入手有着同等的合法性。人类在认识能力有限，认识水平尚低的阶段就已经开始从不同的角度认识这个世界，这是合情合理的，甚至是非如此不可的。在我们认识到世界的统一性时，清醒地知道我们的学科领域尚不统一，并力求通过某种“还原”使不同的学科统一起来，从而构成更接近于能够反映宏阔的宇宙的整体世界观，这是建设性的。但任何时机尚不成熟的情况下的操之过急的努力都无益于科学的统一，有时甚至会是有害的。比如，在努力用现有物理学和化学原理解释生物学时，将生物学斥之为“集邮”、“劣等科学”、“偏离科学正道”、大有取消生物学之势便是有害的。
生物学的研究对象决定了它的独特性：①其学科领域涉及了自然科学知识中最广泛的范围。它不仅涉及适用于非生命的物质过程和解释原则，还涉及仅适用于生命的物质过程和解释原则。生物的物理化学过程具有仅属于生命的独特性。对活体的这些特有过程的整体研究不同于个别研究或非生命体的研究；②由于生物是高度复杂、由相互适应的部分有机地组织成的整体，由于突现的存在，生物学的研究具有明显的层次性。它不能简单地由低层次的规律直接予以解释；③生物都有遗传程序，都经自然选择，这不仅使得自进化历程、支配生命过程的信息成为生物学的内容，还使生物学在研究中不仅仅只凭现存的特征对其门类进行区分，还要依据这种得自历史的特征来作这种区分；④由于生物种群是由独特且可变易的个体组成的，对种群的研究就有别于物理、化学中的“本质”研究。换言之，生物学的对象常是异质性的和可变化的，即使它象物理、化学和其它学科一样划分出一定的实体；⑤生命现象的多样性和复杂性、层次性使得生物学更注重“关系”和“性质”而不是以“定量”为主要特点。在生物学中定则更多于定律。生物学中的定则和预测都是概然性的；⑥生物学比其它自然学科更接近于人类学研究和社会、伦理、政治意识研究，更能为这些研究提供方法论和概念。由此可见，生物学以生命现象为对象使得它在方法、概念框架、理论结构上具有特别不同的地方。这也恰恰构成了生物学作为完全独立的学科的基础。
2 还原生物学的构想
还原，若是涉及科学理论与认识对象间的关系称作认识论还原。它要解决的主要是理论名词的意义问题，其重要目标之一，是要消除科学理论中对任何实体的指涉，而使其在仅仅对知识对象的指涉中得以重新表述。对科学陈述的改述或用描述客观可见的物理对象的术语（物理主义），或用直接“所予”的感觉材料（现象主义）。来源于经验的认识应该能还原成感觉经验；涉及各种科学理论所设定的基本实体之间关系的还原称作物理学还原。高层次系统（或实体）可以还原到低层次系统。由初级层次的性质、行为及组织的术语可以说明次级层次的行为和性质；涉及科学理论之间关系的还原称作理论还原。与统一科学相关的正是这种认为一些科学理论可以向另一些科学理论还原的还原论。
如果能找到一个内涵更大的理论，从中逻辑推演出另一理论，则后者被“还原”为前者。热力学向统计力学的还原；开普勒行星运动定律向牛顿力学的还原；牛顿力学向相对论力学的还原等等都支持这种还原论。在“同质”还原中，次级科学定律的描述术语也以近似相同的意义存在于初级科学中。而在“异质”还原中，则需要引入足以联系初级科学和次级科学中（后者有而前者没有的）术语的假设。借助附加假设，初级科学的全部定律必须由次级科学合逻辑地推导出来。
按逻辑经验主义的意见，科学进步大部分照这样发展：或者一个理论在原有范围内继续享有较高的确证度并继续寻求扩展，以包容各种更大的系统或现象范围；或者相互分离的理论各自享有较高确证度，被包容或还原到某一个内涵更大的理论中。（Suppe ）这里似乎是给出了科学发展的横向动态。而库恩的科学革命则给出了科学发展纵的动态：反常无法消化时，原有范式将经科学革命为新的范式所取代。新的常规科学开始。大致说来，科学这样向前发展总会导致更新的范式和内涵更丰富的理论。科学也将统一在各学科领域不断扩展、相互趋同的未来。当这种还原开始用于物理—化学对生物学的还原时，那些似乎很成功的案例确实很令人鼓舞。
尽管生物学是一门独特的科学，也许它的某些特征性概念、术语及理论构架完全连贯地被还原成物理—化学语言是难以严格实现的，但这丝毫不影响从主要环节上将其予以还原。
A
根据逻辑经验主义对经典遗传学向分子遗传学的还原（这里不讨论详细的生化机制）
孟德尔遗传学的显隐性关系、分离规律、自由组合规律以及基因概念和摩尔根的连锁—互换规律都可以按分子遗传学机制很好地加以说明。换言之，经典遗传学可以很好地为分子遗传学所还原。
基因是DNA分子的片段，DNA分子与蛋白质结合成染色体。姊妹染色体是在细胞分裂间期由单个染色体复制产生的两个相同染色体（又叫染色单体），由着丝点连接；同源染色体是合子（以及正常体细胞）中分别得自父方和母方的一一对应的（两套）染色体。同源染色体的对应位置上的DNA片段具有同类的性状决定功能。DNA的信息储存与表达（即性状的决定机制）遵循中心法则。即：
选定两对相对性状：豌豆种皮黄色（显性）—绿色（隐性）（纯合体基因型分别为AA和aa）和圆形（显性）—皱形（隐性）（纯合体基因型分别为BB和bb）则基因型AA、Aa表现显性性状：黄色；基因型aa表现隐性性状：绿色。相应地，BB、Bb表现显性性状：圆形；bb表现隐性性状：皱形。于是，根据上述内容，对有关遗传现象可做如下解释：显隐性关系可以解释成一个基因的存在对另一个基因表达的阻抑；分离规律是由于同源染色体在形成配子时分离，共存于杂合体中的等位基因（根本没有相互沾染，而是）相互分开，进入不同配子。子一代杂合体含显性或隐性基因的两种配子融合则随机地产生三种基因型（AA、Aa、aa），比率为1∶2∶1；两种表现型（显性或隐性）的比率则为：3∶1。 即，分离规律揭示了等位基因在遗传中的分离行为。自由组合规律则是由于配子形成时，子一代杂合体中两对等位基因分别分离开以后，非等位基因随机地经减数分裂进入同一配子。结果形成四种不同的配子（基因型为AB、Ab、aB、ab）他们随机地在受精过程中融合成九种不同的合子：
以上分离规律适用于每对相对性状的遗传行为；自由组合规律则适合于不同对的同源染色体上的非等位基因决定的多对相对性状的遗传。简言之，自由组合规律适用于所研究的多对相对性状的对应基因对分别位居多对同源染色体的情况。倘若选定的多对相对性状的对应基因对位于同一对同源染色体上，此时的遗传将符合摩尔根的连锁—互换规律：
果蝇的颜色与翅形、玉米种子糊粉层颜色与种子形状由于都是由同一对同源染色体上的非等位基因分别决定的，故而它们的遗传机制与同源染色体上的非等位基因的行为有关。 以果蝇为例， 亲本为CCSS和ccss，如果同源染色体之间不发生任何变化，则减数分裂形成两种配子：CS和cs，子一代（F[,1]）为杂合体：CcSs，子一代测交结果将是：
F[,1] CcSs × ccss
CS │CS
配子：cs ↓
1CcSs : 1ccss
1双显性 1双隐性
但实际情况是在减数分裂前期I的双线期， 同源染色体之间单体发生交叉，互换一个染色体片断。如果此种交叉恰恰发生在染色体上选定的两对等位基因之间的部位，则产生出两种新型的配子。这种新型配子的比率大小取决于互换发生的频率。于是，子一代杂合体配子形成过程中会有四种不同的配子：两种新型配子比率一致， 且数量较少（设为m）；原有的另两种配子比率也一致，数量较多（设为k）。 表型比将为：k∶k∶m∶m。对F[,1]测交的结果将是：
F[,1] CcSs × ccss
kCS kcs │cs
配子：
mCs mcS ↓
kCcSs:kccss:mCc ss:mccSs
在这里，经典遗传学的基本概念和规律可以很好地还原为分子遗传学。但至此就认为还原论的理想可以轻易实现却为时尚早。照逻辑经验主义的见解，还原一个理论就是由初生理论加上连通性的附加假设，在初始条件下推导出次生理论。这里就产生了一些问题：
经典遗传学（尤其是孟德尔遗传学）的研究方法可以算是黑箱方法，它并不知道遗传物质的运作，只能依靠表型上的“不混杂”和“独立分配”假设内在机制。这种方法在从系统的输出行为推出其功能和机制方面是成功的，尤其当它选择的“性状”是完全任意的、人为划定的，碰巧的是：豌豆的那几个被选定的相对性状恰恰是由非等位基因决定的。而分子生物学的研究则是从分子机制自身直接入手的。要想由后者推演出前者的结论存在这样的困难：分子水平的基因研究是基于化学过程（中心法则）追索DNA片断对表型的影响。 这些片断有的一个决定几个外显的性状，有的多个决定一个性状，有的并不决定任何外显性状（如片断A—T—T、A—T—C、A—C—T转录成mRNA的UAA、UAG、UGA三个无义密码），有的基因对（别的）等位基因不是简单显性（有不完全显性、镶嵌显性、并显性等等）。这样一来，孟德尔方法选定的一个直观上十分显然、简单的性状要通过其结构、功能机制、分子合成过程……非常繁复地追索到也许多得难以尽述或者难于定位的DNA片断上， 这几乎是难以完成的复杂工作。至少，这样的硬性还原使得在两种原有理论中都简单的问题高度复杂化了。当然，如果一定坚持要这样去努力，凭着足够的连通性假设或者按逻辑经验主义者的说法，对经典遗传学进行适当“修正”而后加以“还原”，就算多一点困难，从理论上讲，这种还原也还是可行的。问题是：“修正”到什么程度经典遗传学不至于面目全非。简言之，用什么标准区别“还原”与“代替”？诚如Hull在他的《生物学哲学》第一章末节（原文第44页）所说：“在遗传学中逻辑经验主义的还原分析是没有多大教益的。”“这两个理论之间的形式关系如此复杂，任何精细的推演必须的重构工作是如此巨大，因而把孟德尔遗传学还原为分子遗传学这件事似乎就根本不值得进行。”这种激烈的观点至少就实际的科学研究而言是有道理的。没有必要放弃可能直接吸引科学家兴趣的课题不做，硬要事倍功半且成败难卜地执着于这种暂时还显得十分笨拙的还原论。尤其是以现有物理学—化学发展水平，要还原生物学显然是难以令人信服的。出于近似的理由，将还原成功的希望寄托在语义学的研究上也只能是不切实际的希望。
B 自组织理论所做的还原生物学尝试
前面讨论的还原还未涉及物理—化学所面临的巨大障碍：生命现象的分子解释。如果物理—化学的研究不从无机水平跨进生命特有现象与规律特征的层次，则其所能谈论的只是前生命或非生命、甚至有时是过分简化的“机械”过程。
可以解释生命的“物理—化学”理论只能是基于对生命现象研究获得的跨层次的全新理论。这到底是生物学给物理—化学指出研究方向、提升层次呢？还是生物学还原到物理—化学呢？也许都不完全是。
自从普利高津的耗散结构论问世以来，远离平衡态热力学的自组织理论通过对不可逆时间箭头、有序结构的形成与进化的研究，逐渐使得物理—化学有了新的探索取向。新的研究成果使生物特有的机制得到物理—化学解释的设想从理论和实践上变得自然而然、合乎现实。有序结构的产生和进化是沟通化学、物理学与生物学的关键问题。这有点象细胞学说打破植物学与动物学之间的悬隔一样。
普利高津的研究表明：当系统由孤立到封闭直到开放（即系统的热力学特点由孤立平衡到近平衡、直到远离平衡状态）时，热力学第二定律就逐渐不能作出解释了。远离平衡的开放系统，在一定条件下，由于系统内部非线性的相互作用通过涨落可以自发地形成稳定的有序结构。这种过程就是自组织。形成的有序结构更有利于系统耗散能量，故而称作耗散结构。
自组织现象可以见诸化学振荡、激光现象、远离平衡的流体系统之中，亦广泛地存在于生命系统、社会系统。它完全可能成为自然科学家和社会科学家共同研究的重大课题。
耗散结构理论使得生命系统（以及社会系统）与非生命（尤其是无序）系统既有了区别又有了联系。耗散结构系统是①开放系统；②远离热力学平衡态系统；③有突变现象的系统（即，在临界点附近，控制参数的微小改变可以从根本上改变系统的性质）；④正反馈系统；⑤存在涨落且能由之导致有序结构产生的系统。
复杂系统的形成与演化过程能否用自组织理论完满地解释，很重要的一点是在研究中能否找出一组能定量描述该系统的有关变量。
西德科学家M.艾根等人创立的超循环论大大推进了自组织理论的研究。艾根从最简单的反应循环入手，阐发了整个生命信息起源、大分子自复制中的主要自组织规律，为揭开生命之谜开辟了全新的前景。考虑如下催化反应：
E
S─→P
实际的中间过程是：催化剂E和反应物S首先结合成中间产物ES，ES逐渐转化为EP，EP最后释放出产物P和催化剂E，继而催化剂又参加下一轮的循环。可表示为：
这就构成一个反应循环。最简单的反应循环其形式机制是一个三元循环，简单情况下其产物的增长是线性的。反应循环在整体上相当于一个催化剂，催化剂在循环中再生出自己称作自再生或自创生。光合作用循环、三羧酸循环等在整体上都相当于一个自创生的催化剂，都是反应循环。
如果以反应循环作为子系统，这些子系统循环地联系起来，构成反应循环的循环系统，这样的循环系统称作催化循环。催化循环在整体上是一个自催化系统，在整个循环过程中不断产生出或复制出自催化剂。因此，催化循环已是一种自复制系统，具有自复制能力。即相当于：
I
X─→I
简单情况下，催化循环产物按指数增长。正是这种自复制机制存在于构成生命特征的许多重要的生物化学过程中。 RNA 单链的自复制、DNA双链的自复制都是催化循环。
如果进一步以催化循环为子系统，这些子系统通过功能的循环联系而联接起来，就会聚成更高一级的循环组织，这就是超循环。在超循环中，每一个子系统既能指导自己的复制，又能对下一个中间物（子系统）的产生提供催化支持。超循环的显著特性是有整合性，允许相互竞争的子系统之间形成协同作用。超循环产物理论上按双曲线增长。这使得超循环形成初期能产生大量复制品，迅速取得环境支配地位。
所有开放系统的自组织都必须采取一定的超循环形式。远离平衡的开放系统能够产生出耗散结构的必要前提之一是反应体系中必须存在催化循环。而且进一步的分析表明，即使是最简单的耗散结构（如被称作“布鲁塞尔器”的“三分子模型”）也必定采取某种超循环形式。研究显示，极简单的生命现象也是跟超循环相联系的。例如：Qβ噬菌体，它是迄今所知的一种最简单的细菌病毒，它有一个含约4000个核苷酸的单链RNA分子。它感染细菌细胞时的生化过程就是一个简单的超循环。首先， RNA “正”链进入宿主细胞， 靠宿主现成的翻译机制和原料合成RNA复制酶。然后，在酶的帮助下，复制出RNA“负”链，以RNA 负链为模板再复制出RNA正链。
生态层次上也普遍采取了超循环形式，从植物、草食动物、以草食动物为食的肉食动物、捕杀其它肉食动物的肉食动物、直到食物链顶层自然死亡的动物，其尸体为微生物和自然过程所分解，通过植物的吸收利用重新进入这一系统。考虑一下太阳能对整个生物界物质与能量循环的作用，由太阳能的高能光子转变为低能光子。这一系统催化了一种新陈代谢，其中有机体的繁殖正是这一系统中的自催化环节。显然这里采取的是超循环形式。在社会系统中也存在着形形色色的超循环组织，它们共同构成了社会循环联系之网。拉兹洛更尝试刻划“社会文化系统中的自催化和交叉催化循环”。〔1〕
由此不难看出，寻求理论的还原不是个可以操之过急的工作，处于同一发展水平上的不同学科之间根本无需硬性的还原。这就象我们不可以说现今的“人”是由现今的“猴子”变来的，但却可以说：我们能够追索到人和猴子的共同祖先。生物学与物理—化学之间如果一定要有某种合理的“还原”的话，那肯定就是在象超循环论这样全新的形式下的还原。而把这说成是生物学还原为物理—化学显然有些牵强附会。
3 统一科学的可能前景
综上所述，在不同学科领域之间作某种还原或交叉说明是完全必要的，它并不影响学科相对的独立性和重要性，但固执于要在某个特殊的时期和发展水平上，将一种现有的理论还原为另一现有理论是不切实际和没有必要的。学科之间的融合或归并，不仅取决于一方对另一方在起点上的更基本性，更取决于学科中研究的实际进展。就生物学向物理—化学还原的努力而言，亨普尔的观点较为合理：“……在未来的假定过程中，生物学和物理学、化学的界限可能变得模糊不清，一如今天的物理学和化学之间一样。将来的理论很可能采用新型的术语来表述，这种术语在既为现在称为生物学现象也为今天称为物理学或化学现象提供解释和综合性理论中起着作用。对于这类综合统一的理论，物理—化学术语和生物学术语的划分也许不再适用了，并且，将生物学最后还原为物理和化学这个概念本身也将失去意义。”〔2〕
早期新康德主义者、生理学派的主要代表朗格的社会达尔文主义已经反映出一种联系生物学与社会科学的兴趣；皮亚杰从生物学出发对智力和一般意义上的认识问题的研究显示了生物学与认识科学的结合；普利高津创立耗散结构论、继之哈肯的协同学，尤其是艾根的超循环理论，不断打通了生物学与物理—化学的直接内在联系，也显示了打通自然科学与社会科学之间某些重要的内在联系的全新可能性。