论物理学对生物学的规范作用.doc

论物理学对生物学的规范作用【内容提要】还原论与反还原论是生物学与物理学关系的两个长期纷争的对立面，这种对立逐渐地趋向了一致性。本文阐述了两者的分歧，分析了它们共同的哲学基础，提出具有更大解释能力的“规范论”，并简述了它的特点、层次。【关键词】还原论/反还原论/规范【正文】据说，分子生物学是物理学为生物学提供确定性基础这一热情所导致的辉煌成果，而这一成果构成了生物学发展的还原主义的路线。执行这一路线，生物学将还原为物理学的一个具体分支学科，诚如伏肯斯坦所言：“毫无疑问，在过去几十年内，已开始向这样一个目标迈进，即把整个生物系统当作物理学研究的一个具体对象。生物物理学并不是作为一门特殊的独立的科学而存在，只有一种统一的物理学。”1还原论路线对于整个科学的统一或许令人欢欣鼓舞，但对生物学的独立却是灾难性的，因此，争论是旷日持久的。现在很少会有人持有伏肯斯坦的盲目乐观，还原论纲领在现代科学的研究中正在不断地被弱化。除了还原论路线，生物学中还有一条沿着复杂性方向将生物学数学化的路线，这就是生物学的整体主义路线，不过这一路线花明柳暗，曾经沧海难为水。不管是还原论路线还是整体论路线，它们都或多或少地受到了物理学的影响，这就是我们所称的物理学对生物学的规范作用。一、现代科学中的还原论还原论纲领在现代科学研究中的确立有着其深刻的哲学根源。在早期古希腊自然哲学中存在着两大传统：一是由泰勒斯开创的实体论构成主义研究纲领，另者是毕达哥拉斯开创的结构论形式主义研究纲领。2前者认为万物源于水，这实际上就是承诺万物从本体上可以还原为水，而后者则把数当作世界的本原。现代物理学是这两种思想的完美结合，不过后者的本体论意义已被掏空，被当作前者的方法和工具，现代物理学正是这样而把世界还原为几种基本粒子和自然力的。数学化是物理学还原赖以成功的方法基础，即首先将质还原为量，然后追寻量之间的逻辑联系，现代物理学正沿着这一路线朝终点冲刺，试图将粒子数学地还原为场。3内格尔给出了严格还原论两个充分的同时又是必要的条件，这就是可派生性条件和可联结性条件。可派生性条件要求被还原的科学分支的法则和理论可以作为逻辑的结果而从某种其他科学分支的法则和理论派生（推导）出来。可联结性条件要求用作为还原终极的那个科学分支的语言来重新定义被还原的科学的鉴别性术语。显然，在这两个条件中，第一个是原则性的，而第二个则是非原则性的，是为了分析这两个科学分支的理论之间的逻辑联结而重新定义时才需要的。不难看出，内格尔的两个条件只是从逻辑上和语词上说明还原论的，这种还原论并没有达到泰勒斯的本体还原思想，带有浓厚的方法论或认识论色彩，可称之为认识论还原论。但实际上，物理学中的还原有着深刻的本体论意味，将粒子这种实体还原为场这样一种实在，已不仅仅是数学上或逻辑上的还原，而是本体演化上的还原。由此，现代还原论有了两个基础即自然的外在化和自然的数学化4，认识论还原建立在自然的数学化层次之上， 而本体还原则须建立在自然的外在化层次之上。自然外在化是自然数学化的形而上基础，自然外在化将人与自然分离，自然本体独立于人的认知而存在，这样自然本体可以被宣称为客观地数学化并可研究它们之间数学的或逻辑的关系、或者更为深刻的本体演化上的关系，从而使逻辑还原和本体还原成为可能。本体还原在认识论领域的表现使还原论呈现出实在论的倾向。 EPR关联中的两条著名的判据集中地体现了还原论的意味。这两条判据是实在性判据：仅录物理理论中的每一个量值才是实在的；完备性判据：仅当物理实在的每一个要素在物理学理论中均有对应量时，这个理论才是完备的。5在这两条原则性的判据指引下，EPR试图将量子论的统计解释还原为因果解释，玻尔通过拒绝实在性判据而拒绝这种还原。这两条判据是内格尔第一条件的更为精致的表述。EPR判据可以替换为生物学还原为物理学的两个条件， 可还原性条件：仅当生物学理论的要素对应了物理实在的要素时，生物学才是可还原的；完全性条件：仅当生物实在的每一要素在物理学理论中均有对应要素时，生物学还原才是完全的。这样，一个生物学理论的要素与物理实在达到了一一对应，生物学被彻底地还原为物理学，据说分子生物学正是通过发现DNA 这种物理实在的结构而将遗传的“中心法则”还原为物理学的。基因为DNA上特定的片段所取代， “中心法则”中的信息学术语如复制、转录、转译可以用物理化学的语言如DNA 解旋酶、拓扑异构酶、聚合酶、连接酶、RNA聚合酶、 转肽酶和催化等术语重新表述。还原论在生物学中的“全面胜利”历经了沧桑，由近代到现代经历了机械还原、力学还原和物理化学还原。在近代早期，将人体与机械的类比极为盛行，达芬奇用静力学观点解释了骨骼的杠杆作用，这就是机械还原论；当塞尔维特用流体力学的观点解释血液循环时，力学还原论已经萌芽，但仍然混合着机械还原论，因为哈维正是用了水泵比喻心脏才在塞尔维特的基础上创立血液循环理论。物理化学的还原才真正是生物学中还原论兴盛的时代，它肇始于19世纪末的生理学和化学胚胎学，而成果于20世纪中叶的分子生物学。还原论在生物学强化的过程中，数学化却被削弱了，虽然生物学还局部地使用数学，但整体上已经放弃了物理学中的一般化公式和方程，泰勒斯和毕达哥拉斯的世界重新对立于生物学中。然而数学化的企图从未被放弃过，而是沿着十分不同的路线发展着，贝塔朗菲创立了系统论，试图以数学化来说明生命现象的复杂性，而另一些生物学家则运用控制论和信息论来解释生命现象。这种整体性数学化最富于成效的是正在兴起的分形和混沌理论。6生物学中的整体数学化削弱了还原论的气焰，质的差别在量的演化中得到了体现。由于混沌是不可预测性和决定性的统一，它就调和了还原论和整体论的分歧，从而可以将这种自理称为非线性还原或整体还原，生物学似乎可称为混沌的物理学。7生物学哲学家迈尔把还原论区分为三种情形：组成还原论、解释性还原论和理论还原论。8组成还原论认为，有机体的物质组成与在无机世界的物质是一模一样的。这些看法是任何科学家都能接受的，它是本体还原的一部分；本体还原的另一部分是，这些物质运动所表现的规律在生物学中与在物理学中是一致的，这一部分是具有争议性的。解释性还原论以分析的眼光看待整体的功能，它主张要理解整体只有分解到它的组成部分才是可能的。理论还原论的主张即是内格尔所建议的两个条件。二、生物学中的反还原论还原论观念明确地遭到了来自新活力论的反对。新活力论认为，生命系统显示出显然是有目的的或目的论的各种令人惊异的特征，例如生物的部分器官在受到损伤后仍能再生出一个完整的整体，在发育的过程中许多机能异常地协调，仿佛遵循着一个共同的规划来导致一个成熟的个体的形成。新活力论认为这种现象在非生命系统中不会发生，它们不能单用物理学的概念和规律来加以解释。9于是新活力论假定存在类似于生长原则的东西支配这一切，或者存在某种非物质的目的论的动因，这种动因被冠以各种各样的名称。来自新活力论的反驳并不构成对还原论的致命冲击，还原论与活力论几乎找不到共同语言，活力论的设定不过是自然哲学“莫须有”的玄想，是科学的倒退，或者是不可检验的伪科学。新活力论既为还原论所不屑，也遭到了另一些反还原论者的反对。另一些反还原论者持有一种非活力论但又不是机械论的主张，这种主张甚至并不是原则地反对还原，但它却对还原的彻底性构成了威胁。这样一些反还原论者并不假定超越物理学规律的新东西，他们关注的是生命复杂性和组织性所表现出来的功能特征。波普尔在还原论问题上持多元论的立场，他甚至以激动人心的口吻来展望还原论的美妙前程：“一旦还原成功，这将是一个伟大的成果”10。他并不反对那些实在地谈论问题的实在还原论， 而只是反对以语词为借口拒绝问题的语义还原论，他分别称之为好的还原论和坏的还原论。波普尔对还原彻底性提出的难题仍然是他的知识论难题即我们不可能预测我们知识成长的明天的翻版。他为此提出了事件的突现机制。他认为，我们无法彻底弄明白事物演化的过程，这种过程可以处于事物的因果关联中，却无法处于我们的逻辑关联中；但我们可以弄清演化的结果，这种结果与先前的原因相比，在逻辑关联中是突现的，分别构成逻辑关联中的结论和前提，从这样的前提是不能推出这样的结论的，其中缺失的环节就是突现。虽然波普尔乐于谈论真正的问题而不喜欢谈论纯粹的语词问题，尽管阿亚拉与波普尔的观点基本一致，但阿亚拉还是把突现问题当作语词问题给清除了。阿亚拉举例设问道：普通食盐是按分子式NaCI而结合的氯和钠的特征吗？如果我们把氯和钠结合形成食盐的特征也包括在氯和钠的特征之内，则回答“是”，否则回答“不是”。这样一来，问题的解决是通过定义的灵活性而解决的。阿亚拉认为关于突现问题的提法不妥，问题应该转换为：复杂系统的特征是否能由已知其组成成分在孤立状态下的特征来推导？阿亚拉认为，“关于突现问题的争论不可能通过事物性质或其特征来解决，但由于我们对这些事物的了解认识，这个问题是可以解决的。”这里的“了解认识”指的是波普尔关于事物演化的不可知的细节。当波普尔把这种本体上的因果关联转化为认识上的逻辑关联时，阿亚拉认为突现问题是不合逻辑的伪问题。阿亚拉的观点是，生命现象是以物理现象为基础的，可以和物理学相容，但就认识而言，生物学需要自主性假说和模式的阐述，这些假说和模式必须用生物学证据来检验。11反还原论是一个复杂的联盟，不同的形态有不同的主张，但它们都主张生物学是自主的。迈尔把自主论者们堂皇的理由概括为如下四点：生物学和物理学研究的问题不同，生物学的表述提到生命现象的明显特征，并得出包含它们的规律，这些特征和规律在物理学中不存在，并且不能用这些学科的概念来定义或从这些学科的规律中推导出来；生物学和物理学的观察和实验方法存在很大的差别；在生物学和物理学的研究战略中，它们的解释框架是不同的，物理学的解释框架是机制论的或因果性的，生物学的框架则是目的性的或功能性的；生物学物理学因解释方式不同而它们的规律之间存在着根本差别。12最近，作为唯一一名哲学家而被邀请参加“生物学中的还原论的局限”会议的T.内格尔为反还原论作了一个哲学的总结，他把反还原论区分为本体论的反还原论和认识论反还原论。13本体论的反还原论认为，一定的较高级的序现象原则上不能完全为物理学所解释，而要求不为关于基本结构的规则所限定的更进一步的原则，生物学要求独立于物理学的序原则；认识论的反还原论则主张，因为我们的认识能力有限，即便我们知道了控制复杂现象终极结构的原则，我们也不能掌握其终极的物理解释，因此我们总是需要特殊性学科，这些学科使用着操作性更强的描述。内格尔认为认识论还原论是可以接受的，而本体论还原论则存在着较大的争议。 三、物理学对生物学的规范作用在还原论和反还原论旷日持久的论争中，几乎涉及了所有可能的分歧，当喧嚣的尘埃渐渐地降落的时候，还原论和反还原论正在趋于一致，还原论放弃了彻底性要求，而反还原论也放弃了本体论主张。循着这种一致性，我们可望找到对物理学与生物学关系的统一的解释，但我们首先还得找到这种一致性的精致形式。亨普尔给出了这种一致性的精致形式。亨普尔主张，对待还原论不应该先验地肯定或否定，而应根据经验的研究来决定生物学规律能借助物理学规律解释到什么程度。“很清楚，从完全物理学或化学术语表达的陈述中进行逻辑演绎不会引出特征性的生物学特有规律，因为这些生物学规律必须也含有生物学特有的术语。”他由此给出了“从物理化学规律推导出生物学规律的一个非常简单的公式”：令P,1、P,2为只含物理学术语的表达式，并令B,1、B,2为含有一个或多个生物学特有术语的表达式；令陈述“所有的P,1是P,2”为一物理学规律（L,P），并令“所有的B,1是P,1”和“所有的P,2是B,2” 为连结规律（L,PB）。 第一个规律说明物理学条件P,1对于生物学术状态或条件B,1是必要的，而第二个规律说明物理学条件P,2对于生物学特征B,2是充分的。14这样， 在一个生物学现象的物理学解释中，生物学和物理学术语都是必需的。那么，什么样的术语能保持生物学的独立性，克里克举出了一个，那就是“自然选择”，他说：“正是这一基本机制使得生物学与所有其他学科区别开来，它所产生的生物的特性出人意料生物学与物理学之间有很大的差别，物理学中的基本定律通常能够用精确的数学公式表达出来，而且它们很可能在宇宙中任何地方都是正确的。相比之下，生物学中的定律只是大致概括，因为它们描述的是自然选择经过亿万年所形成的精密的化学机制。”15自然选择是生物学的形而上学，犹如功能和结构相适应的观点，即便所有的理论都得到了物理学解释，形而上学的论断也会依然保留，并因此而保持生物学的独立性。这样，我们可以将亨普尔的公式简化为：生物学理论生物学形而上学物理学解释。当今生物学发展的主流就是在生物学的形而上框架中填充物理学理论。这一公式说明了其两个方面：一方面生物学的形而上学规范着生物理论及其规律的生物学特性；另方面物理学规范着生物学的解释基础，达到统一科学的目标。这一简化的公式就是我们所主张的“规范论”公式，然而它并不是规范论的全部。要确立规范论，我们还必须考察还原论和反还原论共同的哲学基础，并转换这一框架。还原论和反还原论共同的哲学基础就是我们前述的自然外在化，自然外在化演绎出了事物外在关系说，主张事物之间的关系与人的认识无关。与此针锋相对的是内在关系说，它主张事物之间的关系与人的认识有关，尤其受到认识的目标、价值的影响。16还原论和反还原论趋于一致性的表现在于都承诺了这样一个假定：生命现象中不存在独立于物理规律的特有的规律，它们本体上是相容的。这就是它们从外在关系出发而履行的共同的本体论承诺，但此承诺并未得到充分论证，于是，它具有强烈的价值色彩。本体论承诺的价值色彩使我们想到，应用内在关系说的价值论承诺替换外在说的本体论承诺。我们的公式是：科学应该是统一的；物理学发展史表明目前各经验科学中最为完善最为成功的学科是物理学；生物学应该接受物理学的成功而受其规范以保证科学的统一，物理学也应该为其他学科提供确定性基础，这种确定性来自共同体对科学严格化公理化的信赖感，科学共同体的依赖不仅仅满足于科学结论被观察所证实的感性确定性，同时要求这种结论必须被纳入已有解释框架的理性确定性。规范论表明，比起为生物学提供确定性的热情来，物理学对生物学的方法论觊觎要强烈得多。物理学正规范着生物学的每一个细节，从而向物理学“还原”已成为生物学理论深入发展的形而上动力；这种规范的成功使人们忘记了生物学曾有过的令人汗颜的东施效颦以及物理学方法论企图的种种失败，比如用量子跃迁解释基因突变，用化学平衡解释细菌的遗传行为。曾几何时，物理学之于生物学犹如明星之于狂热的追星少年，其一颦一媚都是少年仿效的目标，然而成功的少年毕竟只是少数，物理学对生物学的规范作用只是近几十年来才取得较大的成功。物理学对生物学的规范正如数学对物理学的规范，但后者显然较易理解，因为数或公式是一种空灵的形式，可以替换为任何经验的东西。如果我们从认识论的角度出发，物理学对生物学的规范就好理解了：一个数、公式或物理事实，都是具有认识属性的实在，我们的理论所关注的正是这种实在的性质，而不是实在本体，规范正是由于属性的同构而确立；这样数既可以对事件进行规范，则事件的属性也可以对另一类事件作出规范。我们既可以用一张照片去规范一个人，也可用一个或几个人的特点去规范另一个人的某一方面，仅仅是说法不同而已。诚然，后一类规范要困难得多，这正是生物学与物理学关系被旷日持久地争论的原因。规范论显然不是一种积极的主张，它不承诺对生物学的发展指手划脚，它只是根据科学史客观地作出评价。正因为如此，规范论是多元的、宽容的，它不排除生物学有朝一日规范物理学的逻辑可能性。因为规范的宽容性，规范论承认生物学的自主性，也不否定规范失败的历史规范只是一种尝试。比起还原论来，规范论扩大了解释力，它解释了生物学为什么需要物理学基础而又不必担心还原论过强的要求。规范论调和了还原论和反还原论，而不必介入生物学与物理学的优劣比较。扩大了解释力的规范作用可以分为三个层次：解释性规范；方法性规范；形而上规范。三个层次的规范力度渐次减弱。解释性规范是物理学规范作用最深的表现，也最令还原论者心旌摇荡，其最为经常谈论的例子就是DNA双螺旋结构的确立。 如果对史实作出详尽的了解，我们就会发现，在DNA结构确立的竞争中， 获得胜利的不是物理学家，而是生物学家，这一成功正是在“结构与功能相适应”的生物学形而上学的指导下获得的，所以对这一胜利的最初评价并没有洋溢着还原论的喜气，而恰恰是生物学自主的意味：“生物遗传主导化学结构”17。时光的流逝冲淡了还原论方法失败的丧气，当还原论者重新以胜利者的姿态谈论这一问题时，他们成功地让人们相信，研究基因的化学基础一开始就是还原论的想法，因此这一胜利仍然是属于他们的然而我对这一马后炮式的欢呼颇不以为然，我已经表明DNA 化学结构的阐明对分子生物学的发展并不是头等重要的（还原论马后炮式的评价违背了其积极介入生物学发展的初衷）。18物理学对生物学的方法性规范在生物学发展中也曾起过很重要的作用，现在它已经被解释性规范的光辉所掩盖。玻尔的学生德尔布吕克把玻尔的简单化思想运用于生物学，选取最简单的生物噬菌体作实验材料，从而对分子生物学的发生奠定了基础。19薛定谔遗传密码概念的提出正是方法性地借用了摩尔斯密码的形式20；而现在正在兴起的数学化运动正是受了物理学数学化的影响，不过这种方法性规范收效不大，这也正是生物学自主论反复提出的理由。物理学对生物学的形而上规范遥远得让人遗忘、微弱得让人难以察觉。宇宙论对进化论的规范是通过哲学的中介而起作用的，在古代，物种关系理论是宇宙论的一部分，在地心说的时代，生物学的物种关系是特创论的。康德于18世纪末提出宇宙演化的“星云假说”，这种演化观念通过哲学和科学而深入人心，拉马克正是在这种情形下写出其动物哲学，明确提出了生命科学的形而上命题：环境机能形态构造，并以此为基础提出生物进化论。规范论是统一科学之价值承诺的产物，它并