生物学的异质性特征分析

杨晓坡

（1.赤峰学院 生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000；2.山西大学 科学技术哲学研究中心，山西 太原 030006）

生物学的异质性特征分析

杨晓坡1，2

（1.赤峰学院 生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000；2.山西大学 科学技术哲学研究中心，山西 太原 030006）

异质性是生物学的本质特征之一.本文首先分析了异质性的概念结构，进而在生物学哲学视域下讨论了相关的异质性问题，主要包括生物系统的复杂性、物理主义、还原论以及多元论，最后阐明了生物学的发展趋势.

异质性；复杂性；还原论；多元论

异质性（heterogeneity）是生物学的本质特征之一，也是建构生物学理论的重要基础.恩斯特·迈尔（Ernst Mayr）指出，生物学并非是一种同质的科学（homogenous science），实际上可以按照不同的方式分成几类，从而表现出异质性的结构特征[1].阐明生物学异质性的相关问题将会对理解生物学的解释框架、研究纲领以及观念流变有所助益.

1 生物学异质性的概念结构

在具体的生物学科研实践中，异质性通常被用于解释研究对象的不同来源、阶段、形态或功能[2,3].例如溶酶体（lysosome）被称为异质性的细胞器，指的是溶酶体在具有单层膜围绕、行使细胞内消化作用等共性特征基础上，在不同的生理功能阶段又呈现出不同的形态大小和不同的水解酶类等特征[4].自亚里士多德以来，生物学通常被分为医学（生理学）和博物学两大类，前者涉及的主题是近期原因（proximate causes），即广义的生理科学；后者研究的内容是终极（进化）原因（ultimate causes），即博物学的相关领域.为了方便起见，近现代的生物学又被划分为动物学、植物学、真菌学、细胞学、遗传学等门类.目前，我国的生物学一级学科包括12个二级学科，即植物学、动物学、生理学、水生生物学、微生物学、神经生物学、遗传学、发育生物学、细胞生物学、生物化学与分子生物学、生物物理学和生态学.这并非是迈尔所乐见的，似乎生物学的细枝末节（研究近期原因的内容）占据了大量的篇幅，而生物学的主干（研究终极原因的内容）只在生态学、植物学和动物学中才有所体现.生物学异质性的内涵并不是简单地分门别类，也不等同于多样性，而是在不同的认识阶段各自提升和抽象出的理论.本文所讨论的异质性问题主要关注理论层面，即生物学内部各领域在主要问题、基本原理、研究路径和发展趋势等方面均具有一定差异，几乎无法找到和谐、统一的规律和研究策略，甚至相去甚远.

2 生物学哲学视域下的异质性分析

2.1 复杂性理论和系统科学

生物学理论的演进植根于人类科学研究的宏大图景.20世纪中叶以来，复杂性（complexity）理论和系统科学相伴而生，共同发展，理论体系不断深化，这些都可以为生物学异质性问题的探讨提供途径.生物系统的复杂性无处不在，例如细胞分子水平发生的生物学事件就包括DNA自身进行复制，DNA转录形成RNA，RNA翻译为蛋白质以及RNA逆转录重新生成DNA等.从DNA到细胞核，进而到细胞、器官、个体、生态系统或社会，每个层次都有其本身的复杂性.复杂性可以定义为系统表明自身的方式数目的对数，或是系统可能状态数目的对数：K=logN，式中K是复杂性，N是不同的可能状态数.系统越复杂，它所携带的信息越多.如果将上述问题拓展到系统之间的关系层面，假设两个系统各自有M和N个可能状态，那么组合系统的状态数目是两者之积M×N=logM+logN，这将可能需要用难以计数的方式来表征[5].除此之外，生物系统具有精巧的反馈机制，其精确性和复杂性是在任何非生物系统中都未见到的.这些生物系统对外界刺激有反应能力，能进行代谢（能量的聚集与释放），并具有生长、分化的能力[1].生物学研究的对象是生物系统及其相互关系，生物学理论是建构在这个客体之上的.复杂性是生物系统的基本属性，正是这种属性决定了形而上的生物学理论具有异质性的特征.

2.2 物理主义与还原论

物理学主导了科学革命，在培根、笛卡尔、莱布尼茨和康德关于科学及其方法的著述里面很少涉及到生物学，直到20世纪中叶以后，才有一些哲学家关注生物学的思想.在科学哲学的视域下，生物学与物理学的关系是核心问题之一，物理主义（physicalism）也深刻地影响了生物学思想的发展.阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEintein）认为追求世界的统一性是科学创造的基本信念和动力.由于世界的统一与和谐，科学应该是简单的，要用尽可能少的基本概念和原理来概括尽可能多的经验内容.物理学上真实的东西一定是逻辑上简单的东西[6].物理学可以通过对理想状态（如真空条件下）的研究发现规律，而生物学上真实的东西不一定是逻辑上简单的东西，却很有可能是逻辑上复杂的东西.生物学理论是建构在复杂生物系统基础上，具有鲜明的异质性特征，因此很难找到合理的方式将生物学统一在物理学的定律中.生态学研究的主题是生物的内在依赖性，不同模式的研究表明没有一个理论确切地符合所选的生态学实例.争论和多样性的方法比在严格范式（paradigm）之下的研究更有可能促进科学推理.不同策略的研究更适合于建立理论的细节[7].物理学并未触及生物学的本质，不应是衡量生物学的终极尺度.

还原论（reductionism）的研究纲领是物理主义在生物学中的一个极端表现形式，即将不同层次的生物系统都还原到分子水平进行分析.在这个纲领的指导下，现代生物学的大量研究掠过了异质性这个关涉本质面貌的迫切内容，试图形成统一的生物学理论，然而科研实践证明这种尝试往往是徒劳的.例如在生物分类的研究中，以形态特征为主的经典分类方法与分子分类方法在原理和结论上均存在较大差异.引入分子数据并不能简化分类法的数量，而只会增加它们的数量并带来更深层次的生物分类学不统一[8].生物学是一门自主的学科，它与物理学具有不同的解释框架.异质性决定了生物学不能简单地进行还原，如果一味按照还原论的策略走下去，生物学研究终将囿于分子水平自身的难题而无法解决.

2.3 多元论

基于进化理论考量的多元论（pluralism）观点契合了生物学异质性的特征.多元论认为有机世界是多面的，甚至这个星球上的生命可能不是来自于共同的祖先，而是一个纠缠的进化树[9].从这个角度来分析，现有的很多生物学理论都需要进行修正.例如在线粒体和叶绿体起源的研究中，长期存在两种假说，即内共生起源学说（endosymbiosis theory）与非共生起源学说（non-endosymbiosis theory）.近年来，内共生起源学说得到了越来越多的研究证据支持，使得非共生起源学说逐渐淡出了人们的视野，但是前者的不足之处是无法解释核被膜（nuclear envelope）的来源[4].如果按照多元论的策略将两者进行整合，新的假说可以描述为真核细胞的祖先是一种体积较大、不需氧且具有吞噬能力的细胞；线粒体起源于一种细胞内共生革兰氏阴性细菌，叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻，线粒体、叶绿体的内膜和外膜存在着明显的差异；细胞核是由细胞质膜内陷并包裹DNA演化而来，内质网参与了双层核被膜的形成，那么整合后的假说无疑是更加合理的.

3 异质性与生物学的发展趋势

生物学家通常认为，生物学发展的总体趋势是由分离性走向整体性.这里需要强调的是整体性的内涵是指理论的整合而非统一.生物学各分支学科在辩证综合的同时，也会沿着固有的方向独立发展，甚至产生了深刻的裂痕.异质性并不影响将现有的学科进行整合，相反还可以为整合提供条件.在细胞学和生物化学之间建构方法论和理论的关联，最终形成了细胞生物学[10].然而我们也应该清醒地注意到生物学本身缺乏自省的动力与机制，甚至无法估量其对社会历史产生的影响.生物学是如此具有革命性的科学，其研究内容愈来愈带有根本性，由针对外部对象世界的研究转向生命本身的研究，并且越来越多关注人与环境的关系.自然科学研究方法不能解决所有的生物学问题，生物学的困惑随着研究方法的进步而增多，进而产生出来新的生物学问题，诸如抗生素滥用与生态延时效应、转基因与生物安全问题.生物学研究应摒弃成见与偏好，整合不同层次、不同范围，同时借鉴生物学哲学、社会生物学和生物伦理学等学科的理论与方法，逐渐发展成为广义的生物学理论.

〔1〕恩斯特·迈尔.生物学思想发展的历史[M].涂长晟译,成都:四川教育出版社,1990.

〔2〕刘艳,胡婧,黄原.线粒体DNA的异质性与检测方法[J].动物学杂志,2006,41(5):120～126.

〔3〕颜亮,周广胜,张峰,隋兴华,平晓燕.内蒙古荒漠草原植被盖度的空间异质性动态分析 [J].生态学报,2012,32(13): 4017～4024.

〔4〕翟中和,王喜忠,丁明孝.细胞生物学[M].北京:高等教育出版社,2011.

〔5〕弗里德里希·克拉默.混沌与秩序——生物系统的复杂结构[M].柯志阳等译,上海:上海科技教育出版社,2010:274.

〔6〕林超然.现代科学哲学教程[M].杭州:浙江大学出版社, 1988:384～385.

〔7〕大卫·福特.生态学研究的科学方法[M].肖显静等译,北京:中国环境科学出版社,2012：275～276.

〔8〕莫汉·马修,克里斯托弗·斯蒂芬斯.爱思唯尔科学哲学手册·生物学哲学[M].赵斌译,北京:北京师范大学出版社, 2016.

〔9〕W.F.Doolittle.Phylogenetic classification and the universal tree.Science,1999,284(5423):2124～2128.

〔10〕西奥·A.F.库珀斯.爱思唯尔科学哲学手册·一般科学哲学:焦点主题[M].郭贵春译,北京:北京师范大学出版社, 2016:446～448.

Q-O

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1673-260X（2016）12-0015-02

2016-09-22