第五章 生命和知识

世事与人生浮沉漂流, 
  绵延的思维使之永驻。

——歌德:《浮士德》

    1.整体及其部分

  断言“整体大于其部分之总和”即整体与其组成部分相比较,它具有“新”的性质和活动方式,以及事物的高层次可否“还原”为低层次的问题,是每个“综合整体的”理论或“统一整体的概念”的实质。显然,这里所包括的两个陈述就其本身而言是正确的,但它们是对立的。 

  一方面,等级秩序中的每一个系统,从基本的物理单位到原子、分子、细胞和有机体,都显示出新的性质和活动方式,它们不能仅仅根据从属系统的性质和活动方式的累加来理解。例如,当金属钠和氯气化合形成氯化钠时,后者的性质就不同于这两个组分元素的性质;相似地,活细胞的性质完全不同于组分蛋白质的性质,等等。 

  另一方面,根据低层次解释高层次,这正是物理学的任务。因此,化合价是由原子而产生的,随后,化合物是由不同的原子的结合而产生的,同样地,不同的化学性质是由原子外层电子壳的有效电子数产生的。相似地,分子内部原子的空间排列解释了由化合物形成的晶体的构型。化学结构式在很大程度上解释了被认为是“非累加”的典型事物的真正性质,例如,碳氢化合物特有的颜色(化合物由本身无颜色的元素组成),它们的味道、药效作用,等等。由此而出现了被设想的高层次相对于低层次的“非累加性”真正意味着什么的问题,以及在多大程度上高层次可以根据低层次得以解释的问题。 

  对这些问题的回答是简单的。高层次的性质和活动方式是不能根据孤立所得的它们组分的性质和活动方式的累加作出解释的。可是,如果我们知道这些组分的集合和各个组分之间存在的关系,那么高层次是可以从这些组分中推导出来的。 

  当然,纯粹的累加,比如说许多C、H、O和N原子的累加,并不能提供有关化合物分子的足够知识。这是显而易见的,例如,同分异构现象,当化合物由相同的原子以不同的排列方式构成时,会产生不同的性质。相反地,如果我们知道了结构式,那么分子的性质是可以从它的部分即组成的原子得到理解的。这同样适用于每个“整体”。即使我们把电导体各个部分中的电荷加合起来,也并不能发现整个导体中的电荷分布,因为电荷分布依赖于整个系统的构型。如果我们已知各部分的参量和整个系统的边界条件,那么,电荷在整个系统中的分布状况就可以“从各部分”中推导出来。 

  这些陈述是浅显的。为了认识某个给定的系统,不仅必须了解它的各个“部分”,而且必须了解各个部分之间的“关系”,每个系统表现为一个“整体”或格式塔(p.192),这些自明之理,只是因为机械论假设在生物学中的滥用而成为问题和争论的触发点:机械论只考虑“部分”,忽略了“各部分之间的关系”(pp 10ff.)。 

  然而,这里仍有一个问题。这个问题最好用一些例子来说明。理想单原子气体的原子,起初被机械的热理论看作服从力学定律的物质微粒。后来,在卢瑟福(Rutherford)的模型中,原子仿佛是一个行星系统,在这个系统中,带着正电荷的原子核像太阳居于中央,负电子像行星围绕原子核旋转,这个系统受电力控制而存在,符合质子数等于电子数的定律。玻尔(Bohr)以后的原子模型表明,解释放射现象还需要引进量子条件。最后,当我们转到原子核时,电力就不够了。作为自由粒子的质子带有正电荷。然而,原子核由质子和中子结合而构成,虽然质子在原子核中由于它们带有(同种)电荷而相互排斥。因此,如果一个质子处于原子核中,会受到核力的作用,这种核力被解释为交换力,而为了要理解原子核,就必须考虑这些核力。另一个例子是:经典化学赋予每个原子以一个确定数目的化学价,用图示符号表示为H-,-O-,,等等。当一个原子与另一个原子化合时,化合价就达到饱和。实际上,这些基本的化合伙在传统意义上对有关化学的化合物已经足够了。然而,它们还不足以解释诸如结晶、大分子化合物、内聚性,等等;更确切地说,原子确实显示出另外一些力,人们称之为第二类化合价、晶格力或范德瓦耳斯力。随后,人们用现代电子理论和量子理论解释这些力。就所有这些事例而言,要把新的现象包括到物理学理论中去,就必须对原有的物理学图像进行修改和精炼,正是这些工作构成了物理学的进展。 

  物理学和生物学中所谓机械论概念的基本假定是,所有现象都可以用一套预先确立的定律加以解释。这是拉普拉斯(Laplace)精神的理想,按照这种理想,所有事件都可以还原为“原子的运动”,即还原为力学定律,而定律又被看作是终极的定律;因此,科学的演进只是在于将这些基本的定律应用到所有现象领域中去。但是,事实上物理学的进展却向人们讲述了不同于上述观念的、更加激动人心的故事。电动力学决不能还原为力学,量子物理学也决不能还原为经典物理学。要概括诸现象的新领域,尤其是组织化现象的新领域,就得运用综合的方法,这种方法能使原先分离的领域融合为一个整合的领域。但是,如果仅仅应用本段开始所说的原理和简单地从低层次推导出高层次,往往是做不到这点的。相反地,只有当这些原理和推导方式包括进普遍化的理论中时,它们才会获得新的面貌。 

  以上所说的可以在实在论或认识论意义上加以解释。按照实在论的解释,可以说,在每个系统中,更高层次的力是潜在地存在的,可是只有当该系统变成更高层次结构的组成部分时,例如,如果质子成为原子核的部分,如果共价键链靠“经典”的化合价结合在一起参入多糖类胶粒,如果一个蛋白质分子成为具有自我复制功能的基本生物单位的部分,等等,这种潜在的力才会显示出来。 

  但是,这种实在论的或形而上学的解释弄错了科学的含义。“力”并不是某些物理结构中固有的形而上学的属性,物理学引进“力”的概念是出于说明和计算现象的需要。“力”的含义具有直观模型的性质。真正重要的事情,是形式关系,是自然定律的系统。然而,自然定律系统是趋向统一的,即从尽可能最少的基本假设出发推导出许多特殊的定律。为了达到这个目标,必须在科学演进的历程中不断地改变和重新形成基本的假定。 

  当我们思考有关物理学定律与生物学定律之间关系的许多有争论的问题时,必须记住以上这些论述。 
    
    2.生物学定律和物理学定律

  因机械论这个术语可作多种解释,生物学中有关“机械论”的讨论,受到很大妨碍。本作者例举了(1932年)七种不同含意的机械论,可能这些例举并不是详尽无遗的。“机械论”这个术语的明确含意是“非活力论”,即排斥那些不能作科学研究而只能通过拟人化的移情方式加以想象的因素。在这个意义上,“机械论”与自然科学是同义的,因而科学的生物学必需是“机械论的”。可是,就比较狭窄的定义而言,就有许多分歧的意见。某些“机械论者”,诸如比宁(Bunning)(1932年)同意把特殊的生物学定律看作一种过程的事件。其他的机械论者(格罗斯[Gross」,1930年)认为机械论本质上排斥特殊的生物学定律,或者以同样的口气断言:承认特殊的生物学定律,则是与机械论相对立的“活力论”的观点(文茨尔「Wenzl],1937年)。 

  显然,这里有三种不同的可能性和问题需要加以区分。它们是:(1)生物学是否只是物理学和化学中已知定律的应用领域;(2)如果不是这样的话,生物学定律是否可以最终还原为物理学定律和从物理学定律中推导出来;(3)生物学定律是否具有像物理学定律一样的逻辑结构。 

  生物学,就其是一门描述性科学而言,与物理学的明显差别是自主性问题,这种差别总是存在的,因为生物学的研究对象有其独特性。分类学、解剖学、形态学、胚胎学、生物地理学、古生物学、生理解剖学、生态学、系统发育,不会成为物理学的分枝,即使在遥远的将来也是如此。这不是因为生物学定律是否反映自主性的问题——这个问题与这些领域无关——而是出于这样一个简单的理由:生命世界中的形态和现象的数量之多是非生命世界中的形态和现象无可比较的。例如,描述性的矿物学已成为物理学和化学的附属学科,因为几乎所有的矿物学问题可以由矿物的化学(矿物化学)的、矿物的形态学(结晶学)的和矿物的物理学(晶体物理学)的性质得到说明,而纯粹的描述,例如整理各种不同的玛瑙或长石,已逐渐淡化。但是,区分恶性疟疾蚊子与无害的蚊子,区分蛙的与人的血液循环系统,蜥蜴类动物的系统发育——这样的事只能对之描述。康德(Kant)梦想未来生物学领域中出现的牛顿,也许有一个公式,运用这个公式,各种蝴蝶双翼的图案就可以通过遗传学分析和发育分析的方法,从一个基本的模型中推导出来。但即使如此,他也不愿去描绘几万种蝴蝶双翼带有细小花点的图案,因为要做这种工作,他就必须至少拥有与几万种蝴蝶同等数量的助手,这样做毕竟是不值得的。甚至,这样一位未来的动物学家会默认像在今天分类学文献中发现的以动植物俗名语言所下的定义。必须强调,生物学中这种非物理程序是无论如何不限于词的狭义的单调描述的。实际上,确定一系列生物类型(比如脊椎动物颅骨类型)的形态学比较,详尽揭示脊髓中的通路和反射的解剖生理学研究,对人的系统发育的研究,以及大量的类似问题,都是以特定的生物概念,诸如“类型”、“器官”、“系统发育系列”等等概念为基础的;它们包含了一个有序系统,我们把这个有序系统带进扑朔迷离、多种多样的现象世界,正像理论物理家用数学计算处理多种多样的物理现象那样。 

  正因为我们提倡精确的、理论的和定量的生物学,我们不得不指出在“精确”科学中表述为“定律”的东西,只代表了实在的一小部分。甚至最伟大的物理学家当他的帽子被疾风吹跑在街上时,他会跟在后面追赶,这时,他不关心热的理论,也不能计算变化无常的风的旋涡,虽然他确信旋风是服从分子运动论的。他理学家和气象学家并不怀疑地壳和大气现象的形成是以物理学定律为基础的,而肯定不是由隐得来希幽灵造成的。然而,这些领域中的无数事物,是不能一古脑儿挤压进一个公式的,而只能加以描述,这里单凭经验的方法必定代替物理学的演绎法。像数学生物学家那样,我们尽最大努力使有机形态服从于精确的定律。比如说,我们感到极为高兴的是,发现了系统发育中脊椎动物颅骨的变化遵循异速生长定律(pp.99f,138)。但是,正因为我们知道的太充分了,以致于只有一小部分现象才可能用“精确”的方法理解。两个颅骨不仅可以根据测量和计算所得的它们大略的比例不同而加以区分,而且可以根据它们大量的特征加以区分,这些特征只能用口头语言进行描述,甚或只能被形态学家受过训练的眼光注意到,但他几乎不能用词表达。 

  从这个意义上说,生物学决不会“同化为”物理学,它显然处于与物理学相对的“自主性科学”的地位。这种看法超出了“生物学机械论”的问题,而且完全与这个问题的任何结论无关。生物学机械论问题只与有序的一般特征有关,对这些有序的一般特征,我们可以用“定律”的形式作出陈述。 

  生物学负有确立生命界所有层次的系统定律或组织定律的任务。这些定律似乎在两个方面超出了无生命界的定律: 

  1.有机界存在着比无机界更高的有序和组织层次。就大分子有机物质的构型而言,甚至就诸如病毒和基因那样的基本生物单位的领域而言,我们提出了远远超出无机化合物的结构定律的问题。 

  2.生命过程如此复杂,以致于我们运用与作为一个整体的有机系统有关的定律时,不能考虑个别的物理-化学反应,而必须使用某个生物学序列的单位和参数。例如,如果我们要研究动物完整的新陈代谢,就不能顾及中间代谢过程中数量惊人和极为复杂的反应步骤;相反地,我们应当计算平衡值,确定所有这些通过氧的消耗、二氧化碳的产生或热量的产生而进行反应的全部产物。这是临床上确定基本代谢惯用的诊断方法。当我们想要确立新陈代谢或生长的定律时,这种方法也同样适用;这里,我们也必须使用表示无数物理-化学过程的大量结果的常数。用这种方法,我们有可能阐明若干精确的并可在一个理论中作演绎的总定律(p137)。相似地,遗传学不计算物理过程,而计算生物单位,例如基因,载有基因的染色体,植物和动物的群体,在这些群体中可以观察到易于辨认的性状在连续世代中的分布,等等。以这种方式,遗传学形成了一个具有令人赞叹的精巧和严格的统计定律系统。而且,群体动力学理论,就其生态学方面(福尔特拉、德安康纳及其他人)和其遗传学方面(哈迪[Hardy]、赖特等)而言,是数量生物学中最先进的领域之一。当然,这个理论个能以物理-化学单位的术语加以陈述,而只能以生物个体的术语作出陈述。这类定律很大程度上已在生物学的若干分支学科中确立起来了,并且表明统计定律的未来发展,将使生物学成为一门精确科学。这些定律不是“物理的”,因为它们涉及的是那些只存在于生物学领域内的单位有关;但在充分发展的生物学领域中,由这些统计定律形成的理论系统具有与物理学的任何领域相同的逻辑结构。 

  定量定律的效果是明显的。理解定量定律对于控制自然确实具有最重要的意义。正是由于人们确立了精确的定律并能预测未来事件,现代技术才有可能取得发展,人们才有可能控制非生命界。相似地,生物学定律的确立将能使我们越来越多地控制生命界。 

  人们通常断言,数量生物学定律的陈述包含着把生物学还原为物理学和化学。这种看法几乎不值一驳,因为数学是能普遍应用的工具,因而它能应用于任何领域,比如可应用于社会学或心理学,也可应用于物理学或化学。 

  对生物系统作分析处理和综合处理之间存在着一种互补性。或者我们能够从有机体中挑选出个别过程,从物理-化学方面作分析,这样我们将会忽略极其复杂的整体;或者我们能够陈述作为一个整体的生物系统的若干总定律。但这样做,我们就不得不放弃从物理-化学上确定个别过程。 

  第一程序是生物化学、生物物理学和生理学所通常使用的方法。然而,经验表明,这种研究方法并不能揭示“有生命”的基本特征。生物学文献不断重唱这样一种老调:尽管人们对有机体中有关的物理-化学因素作了广泛的分析研究,但并没有把握生物学特有的问题,这些问题有待于“将来研究”。例如,对渗透性的物理-比学因素的研究导出了这样的结论:这些因素并不能充分解释活细胞中物质的输入和输出,除了“物理渗透性”之外,还假设有一种调节的“生理渗透性”(赫口)或细胞的“腺样”活动(科兰德[Col-larder」),;这显然是一种把调节因素加到物理-化学过程中去的半活力论概念。正确的解释可能是一种渗透性的系统理论(冯.贝培朗菲,1932年):在活的、进行新陈代谢的细胞内所发现的物质,有序地和有规则的变换,似乎受存在于作为一个整体的有机体环境中的诸因素的集成所支配。——根据胶体化学对原生质的解样,无法说明原生质为什么是“活的”问题,即为什么它不像无生命的胶体系统那样达到平衡态,而是保持自身于连续的变化、不断的分解、合成和再生的状态之中的问题。——甚至有关细胞和有机体中发生的个别化学反应的最详细的知识,也不能解答刚才提到的有机体新陈代谢的基本问题,即有机体在其组分变化中保存这种过程的自我调节和协调的问题。但是,有机体作为稳态反应系统的理论,可以说明这个问题(cf下卷)。——现代科学研究已揭示了组织者作用和基因依赖物质(gene-dependent substances)的化学性质。可是,发育和遗传问题自然转向反应复合物的另一方面问题,即对这些因素作出反应的底物的组织问题。人们在对实验的单性生殖作了大量研究之后,卵的活化作用这一实际问题,即除了在渗透性、胶体状态。呼吸等中的物理-化学变化之外,各种物理-化学因素在形成新的有机体的令人惊异的过程中实际上怎么起作用的问题,还未解决。这种思考并不怀疑分析研究的必要性,分析研究是从理论上洞察控制生物现象的因素的基础,同样也是具有最大实际效果的领域(诸如酶、激素和维生素、化学疗法等领域)的基础。但是,这些思考确实表明,分析程序需要对于作为一个整体的有机体及其总定律的研究作为一种互补。 

  于是,我们可以用下述方式解答前面提出的第一个问题(p.151):生物定律不只是物理-化学定律的应用,相反地,我们在生物学中拥有一个特殊定律的领域,这并不意味着在活力意义上的二元论进入生命活动领域。而是表明生物学定律与物理学定律相比,是一种更高层次的定律(cf.pp172ff)。第三个层次由社会学领域构成。 

  现在来谈第二个问题:生物学定律是否能最终“还原”为物理学定律。物理学的演进趋向于更加广泛的统一,虽然还没有完成这种统一,但在原则上使我们期望整个物理世界可能是由少数几种终极元素和基本定律构成的。根据少数的物理常数,例如普朗克量子,质子和电子的质量,光速,等等,再加上有关的基本定律,首先可以推导出原子结构和元素周期系。从这些原子结构和化学元素周期系中又可以推导出多种多样的化合物,晶体,刚体等等,直到行星系和星系。几乎毋庸置疑,物理学定律和生物学定律两大领域的融合最终是会实现的。因为,从科学的逻辑观点看,以前分离的领域的综合是科学发展的总趋势。另一方面,从经验的观点看,业显微形态学、病毒等领域,在无生命界和生命界之间形成了连结的环节。可是,这种基本假设并不排除首先确立生物层次上的定律的必要性。同时还有可能,甚至在某种程度上已得到证明:生物学问题和生物学领域的确切内涵,将导致物理学概念和定律系统的扩展。回想一下开放系统理论中的热力学概括吧,它好像与迄今被人们认为是基本的物理世界的原理(诸如趋向于最大无序的原理)相矛盾的。由于热力学似乎是经典物理学中的达到完美的一个领域,所以这一点就更加引人注意。因此,唯有科学自身的演进将表明,以何种方式能够达到综合。 

  数字和量度支配着数学物理学领域,指读数则是数学物理学的最终基础。在生物学中,定量定律的陈述也是一项重要的工作,而且我们看到,甚至可以在有机形态这样的诸领域中发现这些定量定律。然而,看来有一系列特殊的生物学问题,对之进行处理的数学工具还有待于人们创造。许多最基本的生物学问题不是量的问题,而是“模式”、“位置”、“形状”的问题。 

  例如,在有机体的等级秩序中(pp.37ff.),重要的不是量的问题,而是低层次与高层次的关系、集中化等等问题。在形态发生活动中(pp.62f),重要的问题既不是细胞数目,也不是形成物的数量与质量的关系,而是它们相对位置的变化;例如,当器官形成时,原肠胚表面扩展的各个器官部位或“区域”,在以一定的方式开始收缩的过程中,在胚胎中获得一定的位置和形状,等等。我们可以测量形态发生中按一定空间方位发生的变化。就形态发生的变化基于相对生长而言,我们发现它们受简单的异速生长规律(p.138)的支配。这样,系统发育和个体发育的变化,例如马科的颅骨的增大,可以用简单的公式表达。可是,形状的变化当然不是单维的,而是按照多维空间中的许多矢量发生变化的、如果我们运用德阿尔西·汤普森(d’Arcy Thompson)的变形方法,这种变化能再次得以表达。比如说,始祖马的颅骨投影成矩形的笛卡儿坐标系,通过这个坐标系的变形,它可以变形为现代马的颅骨;在这变形过程中,出现的诸中间形态相当于马科进化的系统发言诸阶段。可是,这仅仅是一种描述的方法,它并没有告诉我们有关决定变形的定律。我们想要知道的,并不是有关几个可测矢量的方程,而是一种整合定律,该定律会向我们表明,为什么从始祖马到现代马的转变,相对于其他的、数学上可能是无数的转变而言,是唯一在这进化系列中实际发生的转变。 

  就我们所能考察的范围而言,这些问题与拓扑学和解析部位(analysis situs)有一定关系;这就是说,它们涉及到流形(mani-fold)内的关系问题。它们好像是群论的部分问题,因为在方程系统的变换中出现了下变量问题。我们也可以考虑到数理逻辑的发展,正像伍杰将数理逻辑应用于生物概念的定义。最后,一般系统论(pp.199ff)在未来发展中具有重要的地位。这些问题有共同性,但它们的共同性不在于数量的性质,而是涉及到有序与位置的关系。 

  人们通常把“数学”等同于“关于量的科学”。就数学演进及其在物理学中的应用的一般历程而言,这种看法是正确的。可是,从广义上说,数学包括了所有的有序的演绎系统,而且像刚才指出的,还存在“非定量”数学的某些萌芽阶段。在这个意义上,几位作者(冯·贝塔朗菲,1928年,1930年;伍杰,1929年,1930-1931年;贝文克,1944年),以及其他后继者加尼达姆和沃丁顿(Wadding-ton),已考虑到这种可能性:非定量的或格式塔的数学可能对于生物学理论具有重要的意义。正如贝文克所指出的,这种非定量的或格式塔的数学可能是这样一种数学系统,在这个系统中,正像在极好地适合物理学需要的普通数量数学中那样,并非量的概念,而是形式或有序的概念才是基本的。 

  物理学的例子暗示,在新领域中,往往必须发展与之相适应的数学,而这种数学通常是新的和前所未闻的,例如,波动力学的矩阵理论就是这样的事例。 

  “当我们想到,处理物理学中的最基本系统必须要有数学的全新发展,发展要求数学物理学家作出最大的努力,看来仅仅应用常规的物理学和物理化学要想充分处理自然界中最复杂的系统——有机体,那是不可能的。只有通过生物学家、理论物理学家、数学家和逻辑学家的紧密合作,生物学的数学化才能实现”(冯·贝塔朗菲,1932年。) 

  当然,这是“未来的音乐”,只是想要指出有待于未来几代生物学去完成的任务。总之,科学史证明,科学的进步在很大程度上取决于适当的理论抽象和符号体系的发展、正是解析几何和微积分进展,使经典物理学有可能取得进步。相对论和量子理论是与非欧儿里德几例学、傅立叶(Fourier)分析,矩阵演算等等的发展相联系的。化学是随着化学分子式语言的发明而取得发展的。相似地,遗传学是靠孟德尔巧妙的抽象观念和他创造的符号体系而成为一门精确的学科。另一方面,在像发育生理学那样一些领域中,还缺乏严格的理论,是因为它们还没有发现必要的抽象概念和符号体系。 

  这样,有可能按以下思路对第二个问题(p.151)作出解答。正像前面说明的(pp.149f),新领域向物理学合并,往往不是通过一定原理的单纯外推而实现的,而是以这样的方式达到的:起初是新开拓的领域的自主发展,通过最后的综合,使原先的领域也拓宽了。化学不是通过牛顿力学应用于原子而发展起来的。最初,创造出大量新的和特殊的构造概念和定律,最后达到统一,在此期间,原子从质点转变成复杂的组织。生物学“机械论”预先假定一系列关于自然界的物理学定律,这些物理学定律只有正确地被应用于生命现象,才能对生命问题作出解释。但是,并不存在这样的定律系列,因而,在物理学与生物学两个领域进行最后的综合之前,我们不能预言物理学的概念系统将需要何种扩展。 

  对第三个问题(p.151)的解答是明确的。所有科学的任务都是要作出“解释”。通过解释,我们理解到特殊对于一般的从属性,反之,又从一般推寻出特殊。因此,科学的确定形态是假说-演绎系统,即这样一种理论构造:在这个理论构造中,可以通过引进特定的条件,从一般陈述中推导出能够得到经验检验的结论。在一定程度上,使用本国语言就能做到这一点。可是,由于词的歧义性,以及这些词按照句法结合起来并不严格遵循逻辑演绎的规则,因而会给假设-演绎系统的精确性带来一定的限制。因此,只有当具有明确的和固定意义的符号按照同样明确的游戏规则连接起来时,才能达到科学的要求。数学可称得上是这样的系统。在这个意义上,康德关于每一自然学说只有达到像数学那样的程度,才能称得上是真正的科学的看法,是正确的。因为数学正是人们可获得的关于实在的最高理性化形式。正是由于这个原因,现代物理学的数学形式主义,经常受到人们责难,并导致它的构造物的非直观比特征,其实,它既不是任意性的,也不是规避窘境,而是科学进步的必然伴随物。可是,数学理论形式用符号反映实在是否恰当,我们不能先验地告知,而只能由经验来断定。确实,就这方面而言,现代物理学不是没有发生令人惊异的事情。如果牛顿被告知物理学基本定律不采取含有严格因果意义的微分方程形式,而采取矩阵和概率功能的形式,他可能会昏厥的。但是,未来生物学定律系统无论采取什么形式,甚至它包括目前我们只能模糊地猜测的结构定律,它将具备逻辑演绎的特征,具备“数学”的特征,也将具备像物理学一样的形式特征。 
    
    3.微观物理学和生物学

  世界是受严格的物理学定律支配的,这些物理学定律遵循无情的因果法则;科学的最终目标是将所有现象,包括生命和精神的现象,分解成原子的盲目活动,而不给任何有目的性的东西留下余地:这是构思世界的基础。这种观念在19世纪发展到了顶点,人们称之为“机械论”。它的突出象征是拉普拉斯精神的理想;拉普拉斯设想,只要掌握了所有的物理学定律,就能够从某一瞬间原子的位置和速度,推测出整个宇宙在过去和未来的任何时间中的状态。 

  新近科学的世界图景发生的根本变化之一,是人们揭示了物理学不能阐明绝对精确的自然定律,而被迫默认统计定律。 

  这种知识是经由两个阶段而获得的。经典物理学早已发现了热力学第二定律的统计性质,与无序的分子热运动相比,所有有方向性的能量处于不可几的状态。因此,更高的、有方向性的能量转变为无方向性的热运动并建立起热平衡,这是一种向更可几的状态的转变,在这过程中,具有不同动能的分子均匀分布的程度逐渐增加。就这个由波尔兹曼(Boltzmann)提出的第二定律的推论而言,每个分子的活动路线是由力学定律严格决定的,这一点至今仍是无可置疑的。可是,事实上,由于大量分子及其相互作用,我们必须掌握表明大量分子平均活动状态的统计定律。这个定律便是热力学第二定律,它表明尽管分子运动是复杂多样的,但它们的总趋势是朝着热平衡方向的。可是,在非常小的范围内确实出现了对第二定律所要求的或然分布的背离。出了这个原因,胶体中微小的粒子和细微的悬浮体处于在显微镜和超显微镜下可以观察到的布朗运动,这是由于周围分子的涨落造成的,它们处于无规则的热运动中。它们由于受到分子的碰撞而无规则地撞击,因而呈现为不停的曲折运动。这可以说是一种放大的分子运动图像。正如纳斯特(Nernst)、F.埃克斯纳(Exner)以及其他人最早提出的,第二定律不是一种例外的情况,所有物理学定律都是具有统计性质的定律。 

  物理学决定论在量子理论中受到了根本的限制。如果我们谈到基本的物理事件,我们会遇到两个基本的和相互关联的事实,第一个事实是,虽然宏观物理过程好像是连续的,即机械能、光、电等能够以任意选取的量进行传递,但这在基本的物理事件中受到了限制。例如,如果一个原子发射或吸收光,那么这并不是以任何小量的方式发生的,而是以基本的单位发生的;要么放射和吸收光量子的整数的能量,要么就完全不进行放射和吸收。第二个事实是,原则上不可能用决定论的方式表示基本物理事件。简单的例子是放射性衰变。在这放射性衰变的过程中,镭原子核通过一种爆炸性的过程,放射出一个a-粒子,并由此变成氡。比如说,如果我们有一毫克镭,那么我们可以肯定地说,在大约1590年内,这个大量原子的聚集体将有一半衰变掉了。但是,我们不能说,某个原子是否过一会儿就会衰变或许要到几千年后才会衰变。即使我们能够确定原子核在任何一个瞬间的状态,也根本不可能预言它什么时候会发生衰变。因为,如果这里还有深一层的因果决定关系,那么,衰变将取决于时间,取决于外部因素诸如温度等。但情况并不是如此。我们只能说,一定数量的原子经过一定的单位时间会以同样的百分比发生衰变。 

  因此,依据现代物理学的证明,我们能对宏观物理事件作出单义的预言,即宏观物理事件涉及实际上无数基本的物理单位,因为在这样的事件中,统计性的涨落被拉平了。由于这个原因,经典物理学的定律,例如力学定律,好像具有严格的因果关系或决定论的特征。但是,就微观物理事件而言,它涉及个别的基本物理单位,不能作出单义的预言,而只能得出统计性的概率。这里有效的定律,只能够确定大量基本粒子的平均行为;只要指出一定的几率,就能够预言某一个别单位的行为。 

  这是以粗略的轮廓,将决定论即经典物理学的严格因果律,与非决定论即现代物理学的统计定律作了对照。那么,物理学的这种根本变化对生物学有什么意义呢? 

  活机体是由难以想像的大量的分子和原子构成的,这些分子和原子的排列顺序大约有一百万的四次幂(10[24])。因此,对于大多数生物现象,诸如新陈代谢、生长、形态发生、多数的应激性,等等,显然必须应用经典物理学定律样式的决定论定律。 

  但是,有某些生物现象可能属于例外。本作者早在ig27年,甚至在海森堡(Heisenberg)关系式表述(这形成了物理学的现代非决定论的基础)之前,就提出了“物理学革命对生物学的影响”的问题。1932年他论证应当重视可能性问题,“有机体内的微观物理事件可以传递到该系统更广的范围,因而被导入物理统计概率的领域。”物理学家帕斯考尔·约尔丹(Pascual Jordan)把这种观念发展成“有机体的放大器理论”,按照这种理论,控制中心的微观物理事件,例如基因,在有机体系统内被放大成宏观效应。玻尔、薛定谔等物理学家发展了相似的观念。这里,可以等虑两类物理学的不确定性,即分子运动论的“经典”涨落和量子物理学的不确定性研究表明,在某些生物过程中,微观物理事件实际上是起决定作用的。 

  这方面的第一个和最重要的领域,是由蒂莫菲夫-雷索弗斯基及其同事精心研究的放射遗传学,即用波长很短的射线(如X射线、镭射线或中子射线)诱发突变。这些研究产生了有关突变的“击中理论”(“hit theory”)辐射对生物客体的作用,可以与轰击感光物质相比。辐射是由作为不连续的能量单位的量子构成的。正像对实验的数学分析所表明的,单个量子击中基因的敏感区域足以引起一个突变。因此,突变的诱发服从于微观物理学的统计规律;然而,这些微观物理事件由生命系统的组织放大成宏观效应,因而,由辐射诱发的突变会在宏观物理水平上显现出来,比如,经过辐射处理的果蝇,它们后代的翅形或眼色发生了变化。 

  生物学受微观物理事件控制似乎已被确认的第二个领域是微生物遭破坏的领域。例如,如果培养的细菌经受辐射或被消毒,细胞便会先后被杀死。最简单的解释可能是各单个细胞对毒剂具有不同的敏感性。如果是这样的话,细胞的敏感性,从而细胞死亡的时间,就会遵循为一条变化的曲线,绝大多数个体显示出中间程度的敏感性和幸存时间,而少数个体显现出非常高或非常低的敏感性和相应的较短或较长的幸存时间。可是,实际上细菌的死亡曲线是可与镭原子衰变(p.164)的曲线相比的指数曲线,即每单位时间内被杀死的细胞数,与现存的细胞数成简单比。这表明,细胞的破坏是作为一种偶然事件发生的,它是由“击中”敏感中心而引起的。 

  应当把微观物理现象考虑进去的第三个生物学领域,也许是由冯·贝塔朗菲提出的(1937年)。例如,如果动物在定向刺激(例如光源的影响)下产生定向的活动,那么结果是动物会根据它对刺激作出向性反应还是拒性反应,决定趋向于光源还是离开光源。可是,动物在均一的环境中,例如,在黑暗的环境中或充满光亮的环境中,通常表现出“自发”的活动,在无可辨认的外界刺激的情况下这种自发活动的方向与速度都发生不规则的变化。假设在没有定向的光标志的情况下,动物不能把相等强度的脉冲传递给两侧的运动器官,以此来解释动物的上述行为,看来是颇为诱人的。在某一瞬间传入躯体右半部和左半部的脉冲之间的差异越大,脉冲传递的通路就越是转向不太活动的一边。同一动物在奔跑中出现的无规则的方向变化,表明不能把动物对直线的偏离归因于存留的形态条件(诸如侧面不对称);这些偏离必定依赖于神经系统中变化着的生理状况。而且,我们知道,甚至在未受刺激的神经中枢里,也出现象征自发兴奋的活动电流的无规则的连连发射。因此,可以设想中枢神经系统中发生的自发放电,是由持续不断的新陈代谢过程造成的。由于这些放电量是微小的,它们不等地分布在躯体两侧,因此引起跑动中的不规则变化。另一方面,如果施加一种外界刺激,比如光源的刺激,就会在一侧造成一种确定的较强的兴奋,从而导致动物直线的运动。但是,即使在这种情况中,仍可看到运动方向和速度的变化,这种变化不能被认为是由外界刺激引起的,而可能是由神经中枢兴奋过程中的自发波动造成的。 

  因此,在某些生物学领域内很有必要把微观物理事件考虑进去。然而,我们并不确信能以这种方式或从任何其他单一特征中找出关于“生命问题”的解决办法。首先,我们必须谨防有人常常鼓吹物理学的不确定性和自由意志之间有类似性的观点,其实,这是两个处于绝对不同层次上的问题。物理学的非决定论表明,能够用物理规律说明的,只是集合体的统计行为,而不是个别的事件。另一方面,伦理学中的自由意志概念,并不意味着事件在统计学意义上是随机的,而恰恰意味着事件服从于一定的规范;它的真实含意是:在一定境况中发生的行为,不是偶然的,而是由某种道德准则决定的。如果假定自由意志可以在物理学因果性留下的缺口起干预作用,这就等于活力论假定物质活动是受隐得来希控制的。我们还不能通过严格地论证生物界不存在隐得来希活动来驳倒活力论的假设。由于我们不能对有机体作出拉普拉斯式的预言,我们也不能完全通现有机体的物理构造,因而,总有可能用假设的活力论因素的“干预”来填补我们知识的空隙,甚至传统的决定论也确认这点。相似地,我们根据科学资料也不能驳倒这样的观念,微观物理学事件,是由自由意志决定的,而不是由物理学的统计规律决定的。然而,这两种假设都是混淆概念(metabasis eisallo genos),因为物理事件和精神感受处于实在的两个不同的层次。物理学只涉及客观现象及其规律;精神因素对物理事件的干预——不管这是指传统解释中精神因素干预物质原子的方向,还是指现代解释中精神因素介入微观事件——都超出了物理学理论的范围。关于物理学和心理学、自然与精神的关系,将在下文(下一卷)从机体论观点加以表述。 
    
    4.方法论问题与形而上学问题

  生物学机械论和活力论之间的对立是有两重根源的。它既是方法论问题,又是形而上学问题。 

  方法论问题涉及这样的问题:解释生物现象,要应用什么原理和定律?这个问题在上几节中作了详细讨论。这方面的讨论不是没有必要的。因为物理学和生物学、无生命界与生命界之间的关系,属于科学思想的基本问题,每个时代的人们都必须以自己的方式对这些基本问题作出解答。然而,看来宜重提曾在别处发出的警告(冯·贝塔朗菲,1932年): 

  “关于生物定律经过最后的分析是否成为物理定律的一争论——这种争论构成了理论生物学的主要部分——看来是相当无成果的。因为,俗话说得好:‘未能逮住他,休想处置他。’机体论概念实际上所力求的是比对未来所作的无把握的、消极的预言更为实质的东西,即目前积极研究的万案。它指明这样的事实:对有机体中孤立过程的物理-化学解释,实际上几乎是迄今人们唯一使用的研究方法,这无助于人们洞见使这些孤立过程转变为生物现象的有序规律,而发现有机体的系统规律正是生物学的基本任务,但这个任务迄今难以引起‘机械论’生物学的关注。” 

  另一人面是形而上学问题,即世界上每一算件,包括生物事件在内,是否单义地由最终的物理单位和它们之间遵循自然规律发生作用的力决定的,或者在生命领域中是否有其他实在的要素,最终是心理性质的要素起作用,以指导这些粒子的活动。这个问题是无意义的、因为这两种概念都以经典物理学的机械论概念为基础,而且从现代物理学和认识论来看,这两种概念使用时没有一个是一致的。关于世界的过程是否“单义地”由最终的物理单位决定的问题变成无效了,因为这是一个既不能证明也不能反驳的陈述,即使原则上说也不能把最终物理事件看作是完全决定性的事件。“自然定律”更不表示任何力(不管这些力被认为是因果力还是终极力)的表现形式是拟人化的:因果力是模仿我对某个东西作出的推力的映象,终极力则是模仿我们自己有目的的活动。在现代物理学中,自然定律体现为现象之间形式关系的符号表述。自然定律终究是关于某些集合体的统计陈述,而不是关于引起事件过程的因素的陈述。最后,最终的物理单位不是作为形而上学实在的“物质原子”,它们只能用数学表达式从形式上加以描述,物理学并不能说出它们的“内部性质”。因此,形而上学机械论和活力论之间的对立变成一个假问题,因为它的前提即作为形而上学实在的惰性物质与起指导作用的心理动因之间的形而上学的二元论,是以不复存在的物理学世界观为基础的。 

  有时人们说,机体论概念不能真正解决机械论与活力论的争论。实际上,机体论概念不适合通常的二者择一。“机械论者”想要把生命现象分解成物理学和化学,发现某种扰动规律和模式的指称物,这种指称物超越了物理学和化学,因而在他看来是属于活力论的。另一方面,“活力论者”把这些特殊的生物学规律看作是机械论的,因为这些规律是从物理-化学规律中突现出来的,就它们的逻辑结构而言,生物学定律与物理-化学定律并没有什么不同。可是,实际上在更高水平上克服机械论与活力论的二者择一,正是机体论概念的核心。对于生命形态的特殊规律,机械论者持否认态度。活力论者认为这种特殊规律是超出科学范围之外的。而在机体论概念中,生命形态的特殊规律成为可以进行科学研究的问题。 

  由此提出了一种新的方法观。机体论方法是要发现精确表述关于作为一个整体的有机体系统的诸定律。“精确”这个词是严格采用的,而且是指它在物理学中使用的意义。但是,与孤立现象的研究(虽然这种研究总是心要的,是应当尽可能提出的)相比较,机体论方法是一种新的研究准则,这种准则已在许多领域被证明是行之有效的。 

  就有关哲学问题而论,对机体论慨念说明的每件事科学家都有权发表意见。机体论者不对事物的“本质”作出陈述,因而也不对生命与非生命之间“本质”区别的问题作出陈述。实际上,机械论与活力论的二者择一不是两种科学解释之间的争论,其中一个试图用物理-化学定律解释生命现象,另一个企图用其他某种特殊类型的定律说明生命现象。真正的区别,在于科学的解释和拟人化的“理解”之间的区别。科学只限于对客观现象的描述和解释,“解释”意味着使这些现象符合某种理论体系(p.161)。活力论者的任务是不同的:他想要做的是理解事物的“内在本质”,按照我们自己内心体验的映像去作解释。在形而上学范围内,对实在的心理解释,可能会发现科学不容许的地方。那么,这就不再是科学的解释,而是神话情趣的生动表达,是无法言传的隐喻和比喻。这是科学与诗之间奇异混合的见解,活力论正因持有这种见解而衰弱。活力论不是在客观自然界中,而是在超自然的中命原理中寻求有机整体性,它不能为生物学理论提供基础。另一方面,活力论通过将活力合理化而作出了肤浅的形而上学直觉,并试图把活力作为因果引入科学。这种神话的和形而上学的实在观,可能是真的,也可能是虚幻的——这不是一个科学问题。 
    
    5.科学——统计的等级体系

  所有自然定律都是统计性定律。它们是关于集合体的平均行为的陈述。整个科学表现为一个统计的等级体系。 

  在这个等级体系的第一层次是微观物理学的统计学。在基本物理事件的领域中,决定论的处理在原则上是不可能的。如上所述,微观物理事件也介入某些生物现象。 

  第二层次由宏观物理学定律即其中涉及到大量基本物理单位的宏观物理现象的定律构成。这些定律本质上也是统计的。可是,由于统计涨落因大数定律而被拉平,所以宏观物理定律具有明显的决定论特征。与基本物理事件的统计学相比,宏观物理学定律处于更高的层次。例如,宏观力学定律或流体力学定律不再考虑基本物理事件,原因很简单:我们不能,也不需要追踪每一个分子,而只需要对该系统作总的统计处理。 

  更高的一个层次是生物学领域。如前所述(p.155),一方面我们能分离单个过程,并用物理学和化学的术语对之下定义。另一方面,我们能在确定生物系统所包含的个别的物理-化学过程之前,陈述作为一个整体的生物系统的总定律。 

  最后,存在着适用于超个体生命单位的定律。例如,我们可以陈述某个生物群落中各个种群的生长定律(p.52),或某个人类种群中死亡发生率的定律。这种定律是保险统计学的基础,因而它具有重要的实用价值和商业性价值。这里考虑的单位是个别的有机体,而这些定律不可能,也不必要考虑有关生理的或物理-化学的过程。 

  这样,在不同的生物层次上可以建立起精确的、定量的定律,并构成一个假说-演绎系统。就这方面而言,生物学定律可以与物理学定律相比,但与后者相比,生物学定律涉及更高层次的单位。 

  在这统计的等级体系中,我们发现了一个值得注意的现象,我们可以把它描述为自由度增加的现象。 

  例如,普通化学的化合物是用结构式来表示的,这种结构式单义地确定化合的原子数或基团数。这甚至适用于复杂的有机分子。可是,进入大分子化合物(p 26),统计值取代了刻板的结构式。例如,人们只能说,按平均数计算,三百个糖残基通过一个共价键链而化合,在植物纤维素的一个分子团中,平均大约有六十个共价键链。 

  空间排列也是如此。矿物晶体是三维晶格。相反地,在有机领域,“中介形态”即仅有二维或一维的大分子排列,起了决定性的作用。例如,它们形成大量的小纤维结构,这些小纤维结构在细胞构造和有机体中是至关重要的,它们支撑着组织、肌肉、神经等等;在这些小纤维中,线状分子是平行于轴线有序地排列的,而不是无序地朝其他方向排列的。 

  对化学过程也可以作相应的考虑这里,我们发现自由度随着复杂性的增加而增加。有机体内的化学过程是靠催化作用进行的,反应要么慢慢加速,要么就不发生加速。简单的催化作用,诸如,用多孔的铂使氢和氧化合成水,只能以一种方式发生。可是,化学工业中应用的比较复杂的催化活动,尤其是活机体内发生的催化活动,有几种可能的反应方式。例如,在适当的温度和压力下,一氧化碳和氢可以化合成甲烷,或甲醇,也可以化合成(分子式)较高的乙醇,或液态的碳氧化合物。用镍催化剂只能产生甲烷,氧化锌-氧化铬催化剂几乎只能产生纯甲醇,等等(米塔施)。在这类系统中有几种在热力学上是可能的反应方式,其中会发生哪一种反应,取决于所用的催化剂。工业化学家的技术就在于选择适合于一定目的的催化剂系统。相似地,有机体内通过多种可能的万式得以进行的化学反应,是生理过程的重要基础。 

  晶体的外部形态是由晶格决定的分子排列的表现。例如,氯化钠的晶格表现为微型的立方体,宏观晶体也具有立方体形状。有机形态是极其多种多样的、它们作为一个整体是由其组分排列的非常多样的变化决定的。例如,我们可以回想菌盖的形状,这种形状是预先确定的,是该物种的特征,它是由菌丝构成的。菌丝是朝各个方间生长的,它们的排列是无规律的。我们可以从以下方面说明无机形状与有机形状的区别。前者的结构即内部排列的规律是不变的,它的形态或外部形状是结构的表现,并且是可变的。在这个意义上,例如,晶体结构是由晶格决定的,我们在大多数晶体中看到的变形早非本质的。与此相对照,在生命系统中,结构是可变的,而形状则是确定的。好比说,后者表现为一个模子,期中塞满了在很大程度上可以改变数量和排列的细胞。值得注意的是,高分子化合物在这方面也是中间体。就蛋白质而言,这个共同的“模子”可以塞满不同的氨基酸。例如,毛发的角蛋白,肌肉纤维的有收缩力的肌浆球蛋白。血液凝结的血纤维蛋白原,虽然它们的化学和物理的性质不同,但都具有同样的分子构型(阿斯特伯里[Astbury])。磺胺类药的化学治疗作用很可能由磺胺分子和细菌生长物质的分了之间结构的相似性造成的;因此。前者可以取代后者,从而抑制了细菌的生长和繁殖。 

  自由度以不同的方式增加还表现在等终局性上。有鉴于封闭系统向终态的发展是由初始条件决定的,开放系统能够以不同的方式达到相同的终态。 

  最后,我们发现了系统发育和历史发展的可比现象、某些总规律看来是确定不移的;但是,它们在特定条件下的实现取决于偶然性:在系统发育中,取决于适当的突变出现,在历史发展中,取决于具有统治能力的人物的出现。 

  这样,在统计的等级体系中,自由度好像随着我们进入更高的层次而逐步增加;这不是基本物理事件的非决定性意义上的自由度增加,而是作为一个整体的过程遵循确定的规律意义上的自由度增加。但是,对个别事件来说,仍留有个同的可能性。