论述生物学与物理科学互相促进作用

1、论述生物学与物理科学互相促进作用困扰笔者的一个问题是生命现象或生物学陈述是否会对物理学定律发生证伪事件，引起物理学理论的修正？无论是证实，还是证伪，理论陈述与观察陈述之间必须存在着可能的演绎关系，而生物学陈述中的一些成分与物理学陈述在演绎关系上的不相关，似乎是当前对生物学自主性认识的根本所在。这种认识基本是这样的：生命科学具有独立于物理科学（包括化学）的规律或定律；生命科学的解释框架不同物理科学的演绎解释框架。本文试图对生物学自主性提出一个新的理解，它与物理科学的理论构建密切相关，并由此解决演绎逻辑上相关与否的问题。生物学自主性在以往理论结构上的表现（）生物学理论的公理化尝试生物学具有独特的内

2、容，可建立一个与物理科学并行的演绎体系，这种观念导致了对生物学进行公理化处理的尝试。伍德格尔（）早在年就试图对孟德尔遗传学定律进行公理化处理，但未引起人们的注意、到七十年代，在生物哲学界发生了达尔文进化论是否属于科学理论的争论。在这种背景下，威廉斯（）在年给出了关于达尔文进化论的完整公理化模型理论，它包括两个初始概念、进化的两个公理、有关适应和选择的五个公理、适应度的操作定义，由这些可推导出达尔文理论的一切概念和关系或定理。威廉斯的体系只是直接从宏观上对进化的原始概念和公理的认定，脱离了微观的遗传学机制。还原论者认为，仅仅将进化论改造为演绎体系是不够的，还应当在物理科学与这个演绎体系之间建立起

3、逻辑演绎关系。因此，鲁斯（）建议，群体遗传学应是进化论的演绎基础，首先应阐明从群体遗传学到进化论的演绎关系，而公理化处理后的群体遗传学体系，其逻辑公理则是孟德尔遗传定律。然后，再将孟德尔定律作为演绎结果从分子生物学中导出。在下文的分析中将会看到，分子生物学本身就不是一个纯粹的演绎体系，并且它与经典遗传学之间存在着逻辑蕴涵上的脱节。这是生物学自主性的一种表现，其根源来之于演绎体系的构建之始，即演绎的公理和原始概念直接来之于生命界，从而独立于或自主于以无机界为研究对象和直观经验来源的物理科学。这种构建过程的合理性在于，人类的直观经验有两大类或两个来源，除了无机界之外，还有生命世界的生命现象。人们无

4、法漠视生命这一独立于无机界的现象或实体的存在，因而它们也成为人类直观经验的基础。（）分子生物学中的功能性解释事实上，在诸如分子遗传对经典遗传学的还原，那一部分不能还原的独特内容，以功能预设或目的性预设的形式出现。对孟德尔遗传学稍加考察，便可发现，它首先直接从遗传现象和数据中设定了一个生命实体即遗传因子（后来称为“基因”），接着给予了这一实体两个承诺：第一，它们既可以彼此分离，又可以再组合；第二，它们自身带有某种生物学性质，这种性质是使生物体显示某种性状的原因。在孟德尔遗传学或以此为基础的公理化体系中，不必给予这两个承诺以解释，因为遗传因子在此是最基本的实体。但是，当分子遗传学从实体上将基因与片

5、段相对应，或者说将前者还原为后者，随之而来的则必须从分子行为上给予这两个承诺以解释，并且只有演绎的解释，才能达到理论还原的要求。然而，分子生物学对经典遗传学的所谓还原，只达到了对第一个承诺的还原，可以从分子的性质和行为来解释遗传因子或基因的分离与组合。而关键是第二个承诺，无法对此给予从分子到遗传性状的上行演绎解释，例如，在将性性状与蛋白质相对应的解释中，碱基顺序代表了基因即遗传信息，而遗传信息是从生物学功能角度来定义（而不是从分子的性质及行为来定义），涉及到与细胞器和其他生物学成分的关系，涉及到与细胞器和其他生物学成分的关系，涉及到转录、合成、生长、发育等一系列过程，即它是从生命整体角度来定义

6、的。分子的行为与性质并没有蕴涵遗传信息的概念，因此，决不等于基因。在这里，体现了功能性解释的特点；基因的含义有一部分是从这一实体或分子在生命整体中所具有的功能这一方面来定义的。人类直观经验之一的生命现象在此以功能预设的方式参预了理论的构建，所以，生物学在理论上的自主性，并没有由于分子生物学所谓的还原而消失。内格尔（）、罗森伯格（）等人把功能（或目的性）解释看成生物学自主性的依据和根源。功能性（目的性）、演绎性和理论构建由于功能预设的存在，使得生物学解释框架不同于物理科学。那么，在生物学理论中，是否能实现一种从功能解释模式框架向演绎解释框架的模式转换，在消除功能预设的同时，又不破坏分子与生命之间

7、的联系呢？模式的建立与科学理论的构建过程相关，通过其构建过程的分析，对于模式转换问题有着莫大的启示。演绎性解释框架模式如下：（），解释性陈述或前提（），（）解释对象其中，是规律般的全称陈述，是关于初始条件的特称陈述，是描述单个事件的特称陈述，也就是对要给予解释的现象的陈述。如果能够作（）中的全称陈述和（）中的初始条件的特称陈述的演绎结果，则它就得到了解释。这种解释框架实际上就是要对自然现象寻求一种因果性解释：如果条件、存在，则必有现象出现。一个严密的、完美的科学理论体系必须使用这种解释框架，这已成为一种模式。从物理学到化学，基本上已达到了这种要求。而生命现象的特殊性，如趋目的性，使我们在传统的

8、生物学理论中仍到处采用目的性或功能性解释，特征是以未来的一种既定状态作为当下行为的依据，或以生命现象为整体背景，以组成部分（如分子）对整体所具有的功能作为组成部分的行为依据，因而我们常采用这样的语句：“为了达到某种目的而如何”，或“具有使达到某种目的功能或作用”。功能的依据不能仅仅从组成部分本身的性质给出，必须依据整体的状态才能得以解释。因此，这一框架与人们寻求自然界因果关系的精神不相吻合。演绎体系的建立，主要在于规律性全称陈述的建立，即定律、原理建立。在这个过程中，解释的对象先是作为经验基础参预了定律的构建，例如，对无机界实体及其性质的认定，依据于宏观的经验现象和数据，然后，回过头来演绎解释

9、其他现象。既使遇到新的观察事实，它与规律性的全称陈述的演绎结果不符甚至相反，也可以通过修正或证伪的途径，或修改、或重建规律性的全称陈述。证伪，也是“解释对象”参预构建“解释前提”的途径之一。由此保证了演绎性解释框架在物理科学中的有效性。解释对象，将其看成一个集合，其中某些“元素”作为经验基础参预了理论构建，从而内化于解释的前提。这样的解释前提，再去解释其他“元素”时，可能会发生以下三种情况。第一，演绎的结果与新的解释对象相符，从而得以证实和支持；第二，演绎结果与新的解释对象不符，发生证伪，因而要对理论进行修正，新的解释对象就此参预了理论构建；第三，解释前提的演绎结果，与新的解释对象无关，既不证

10、伪，也不证实。第三种情况对于我们非常重要。在这种情况下，我们需要以此为经验基础，构建新的解释前提。这是物理科学体系中并非存在唯一的解释前提的原因。重要的是，生命现象对于物理科学中的解释前提来说，也正是处于既不证实、也不证伪的境遇。但，第一，它没有参预构建新的解释前提，第二，它也没有作为解释对象：生物大分子行为的结果，只局限于物理、化学领域内，生命的特性似乎游离于分子行为之外。作为解释对象和参预解释前提的构建，二方面具有潜在的统一性，而生命现象以另一种形式出现，即在解释之先作为一个其作用类似于解释前提的目的性或功能性预设。当然，它并不与解释前提等同。事实上，正是由于它的存在，才代表了与演绎框架不

11、同的目的性或功能性解释框架。下图表示出分子生物学理论中同时采用的两种框架之间的关系： 解生解 释 物 释 前演绎或因果关系大演绎或因果关系对 提分象 子 行 为 赋予生物学意义整体的生命现象（目的性或功能预设）方框内是演绎解释的框架，解释前提是指以微观实体为起点构成的物理科学解释前提，它来之于物理科学的理论构建过程；解释对象是指用物理和化学手段将生物体进行处理后，形成的无机环境背景下所显示出的现象，如晶体的射线衍射图、试管中的化学现象；生物大分子行为是指诸如、蛋白质等行为过程；目的性或功能性预设来之于对宏观生命现象的认定，它不是作为解释的对象，而是赋予生物大分子行为以生物学意义，赋予碱基变化以

12、“变异”的意义，赋予血红蛋白与、的结合与分离以“呼吸”的意义，即生物大分子的活动或行为都必须指向生命整体，以其为最终目标。12下一页 在这种框架中，生物大分子的行为只是一种形式或“载体”，负载着生命现象所赋予的意义，这是分子本身并不逻辑地蕴涵着有关生命特征的概念的原因。人类对于生命现象的直观经验，在此以目的性或功能性预设的形式出现，这提示我们，生命现象要融于物理科学的演绎体系，其本身要参预物理科学的解释前提的构建，从而使其从这种预设的形式转换为某种内化于解释前提中的成分。我们从化学还原为物理学的历程中受到一种虚幻的鼓舞，从而忙于将生命还原为已有的物理科学定律，这是一种狭隘的还原主义。化学现象之

13、所以可以成为物理学解释前提的演绎结果，是因为物理学的解释前提不仅仅属于物理学，而是二门学科共同享有。量子化学的诞生与发展，是化学从理论上成为物理学演绎体系的一部分的标志。这一度使人相信在生物学中也可以发生类似事件。但是，从理论构建历史中可以发现，生物学与化学，二者在同物理学的“亲缘”关系上存在着巨大差异。用来作为化学现象的解释前提的微观物理学同化学本身有着极深的渊源关系。只要罗列一下原子结构、量子力学的形成历史就足以说明这一点。早期化学 原子论 元素论 量子化学 元素周期律电子运动理论 原子结构论 量子力学 道尔顿所创立的原子论，首先是化学理论，为近代化学奠定了理论基础，其动机则是期望用经典力

14、学的观念来解释化学；元素及原子一开始是化学研究的对象，也是一个化学概念，以后成为物理学研究的对象；元素周期律是化学体系中举足轻重的理论；原子论、元素周期律导致了原子结构理论的诞生，以及成为电子运动理论诞生的契机；玻尔创立量子理论的基础是原子结构模型、氢光谱及巴尔末公式；而量子力学首先对分子最成功的解释正是对氢分子的说明，因而诞生了最子化学；量子力学、电子运动理论是量子化学的理论基础。因此，用来演绎解释化学的那部分物理学理论，首先是从化学走出来的，微观物理学便“天生”具有了解释化学的胎记。这种历史性的构建过程，保证了它们的概念、命题、现象之间存在着天然的逻辑蕴涵关系和证伪、修正关系。对于生物学来

15、说，只需指出下面一点就足够了；物理学、化学的理论构没有采纳生命界的任何生命现象的特征，或者说生命现象没有参预物理学、化学的理论构建。至少在系统理论、耗散结构理论或自组织理论建立之前是这样的。广义还原与生物学自主性的新含义在狭隘的还原主义看来，仅从无机界现象中构建起来的理论诸如实体的性质、行为、运动规律等，相对于生命世界来说，无可怀疑地有着先天的真理性，是永恒的基石，对它的证伪、修正或完备性的补充，只能在对无机界的研究中进行，而生物学、生命现象只能动地等待着解释和还原。针对于此，我们应持有一种广义的还原主义，将物理学理论或演绎的解释前提体系看成一个对生物学、生命现象开放的理论体系。系统理论的奠基

16、人贝塔朗菲、控制论的创立者维纳无不受到生命现象的启迪。正如贝塔朗菲所建议：考虑到有机体具有整体性，会发育、变异、生长，为了描述它们，我们必须运用调节、控制、竞争这些传统自然科学（主要指物理学、化学）没有的新概念。另一个著名事例是耗散结构理论诞生于热力学理论对于生命自组织性的不完备性。生命界的各种现象中，是否存在着对现有物理学、化学定律证伪的事件，是否能象黑体辐射现象对经典物理学进行证伪从而赋予基本粒子以一种全新的行为和性质，到现在为止还不得而知。现在的情况是生命现象对正统的物理学既不证实也不证伪，而系统理论、耗散结构论、超循环论等新兴学科，正在吸收生命现象的特征，并与正统物理学相联系。对于这个

17、问题，如果认为“生物学能否还原为物理科学与能否用物质的原因阐释生命现象”是两个问题，那是不妥的。将两个问题截然分开的根源在于把物理科学所研究的物质运动规律封闭于无机界，同时认为生物界中的物质运动规律独立于物理、化学规律，也就是独立于无机界。但是，只要承认生命来之于无机界，就无法把无机界的运动规律与生命界运动规律绝对地划界，因而也就不应在物理、化学与生物学理论之间人为地划出一条不可通约的鸿沟。物理学的还原地位是先天的，这是它所研究的对象决定的。即使生命界存在许多现有物理学所不能解释的现象，甚至出现与现有物理学规律相悖的现象，也不应成为生命运动规律独立于物理规律、生物学独立于物理学的理由。生命界存

18、在物理学不能解释的现象（或与物理学定律无关），说明物理学的内容还不完备，有待于充实、丰富和发展；如果相悖，说明二者至少有一方是错误的，要么修正物理学，要么修正生物学规律，要么二都有待于修正，以达到逻辑上的统一。辩证唯物主义认为，物理学和化学规律在生命体中的作用的“范围被限制”了，物理和化学规律在生命体中并不具备发挥作用的充分条件。我们必须深化这一观念，对此做出更清晰的解释和理解，而不能在此止步不前，更不能将这种“范围被限制”作为生物学规律与物理学规律之间存在一条天然的逻辑鸿沟的理由。只要我们追究这种“限制”（即生命的有序性、组织性）是如何从无机界产生的，并将封闭于无机界领域的物理科学解放出来，

19、那么生物学就可以广义地还原为物理科学。耗散结构论、协同学、超循环论等都是在这种背景下产生的新物理科学，所取得的成果使我们看到将生命现象纳入演绎框架体系的希望。这虽然只是初步，但科学的生命力在于不断引进新概念来解释不曾解释的现象。在此，可以提出生物学自主性的新含义，这种自主性并非表现为生物学必须具有独立于物理学和化学、并且不能从后者获昨解释的规律，而是表现为生物学及生命现象作为物理科学的构建基础之一，参预物理科学的理论构建；物理科学自身也不应拘泥于无机界之中，只有如此，才能构建一个对于整个自然界是完备的物理科学体系。反过来说，仅将无机界作为理论构建的经验来源的物理学，其对于生命现象的不完备性，体

20、现了生物学对这种物理学理论的那种过去所理解的自主性。非线性还原将物理科学与生命科学统一于一个演绎解释的框架之中，是还原的需要，因而也是广义还原的需要，以反映从分子到生命的逻辑过程。不过，这是一个非线性的逻辑过程。辩证唯物主义所认为的“不能把高级运动形式归结为低级运动形式”中的“归结”一词，其意义是模糊的，含有“演绎解释、还原、简单地组合或机械地相加”等诸多含义。我们认为，“不能归结”的提出，有着历史背景，是针对十八、十九世纪机械的、线性的还原论进行的批判。机械自然观认为，生命运动是低级运动形式的机械组合，相应地，生命体是一种机械装置，用今天的术语说，生命是生物大分子及其行为的线性迭加，二者之间是一个线性的逻辑关系。现代自组织理论已揭示出，生命的自组织过程是一个从分子到生命的非线性动力过程。与理论之间的广义还原相应，本文提出实体上或本体论上的非线性还原。现代物理学发现，自然界普遍存在的是非线性关系，而线性关系极为少见。无机界同样存在着非线性的自组织过程，这说明自组织性并非为生命界所独有，而是生命界与无机