例谈生物学科学史上的类比方法

俞丽萍

(江苏省泰州学院 225300)

类比是一种极具启发性、灵活性和创造性的推理方法，在生物学科学发展史上起过十分重要的作用，生物学科学史上很多重大发现、发明，往往开始于类比。在生物学研究“山穷水尽疑无路”时,往往通过类比的方法“柳暗花明又一村”。类比在生物学科学发展过程中的作用主要表现在以下几个方面：

1启发探索思路

类比的启发作用是把新生事物与已知事物类比，从中得到启发或解决问题的线索、途径，并将类比推理的结论作为起点，探索新生事物的特殊本质规律。科学假说的提出中类比发挥了重要的启发作用。当旧理论不能解释新的事实、现象时，根据已知的科学原理和事实，对未知的自然现象与规律提出试探性理论即假说，当然假说成为科学理论还需要实验验证。类比能展开联想，开拓思路，在百思不得其解的情况下提出可能的途径。所以，类比方法适合运用于探索性、预测性的科学探究活动。

例如，法国细菌学家卡尔美和介林研制成功了结核病菌疫苗即卡介苗，就是通过类比得到的启发。有一次，卡尔美和介林来到巴黎郊区的农场，两人边散步边讨论“琴纳在牛身上取得了牛痘疫苗的成功，为什么我们把结核病菌在羊身上做试验却失败了呢？”两人百思不得其解，不知不觉走到一片玉米地旁，看到那里生长的玉米植株叶子枯黄、穗粒很小，土地却并不贫瘠，于是就问农场主是什么原因？农场主告诉他们：“这种玉米引种到这里十几代了，退化了，所以一代不如一代。”“什么？退化！”两人几乎异口同声地重复“退化”这个词，便联想到：如果把毒性强的结核病菌一代一代地培育下去，许多代后结核病菌的毒性是否也会退化呢？如果结核病菌的毒性退化了，把它注射到人体内，不就可以使人体产生抗体而获得对结核病菌的免疫力吗？两人匆匆赶回实验室，埋头于结核病菌的定向培育研究。终于经过230次的移种，得到了完全失去毒性的结核病菌，终于找到了控制结核病菌的有效方法。

又如，达尔文通过种养植物、动物的科学试验研究，并查阅了大量国内外研究资料,发现了人工选择原理。然后达尔文根据人工选择的原理,运用类比方法推演至自然界，从而发现了自然选择原理。他通过比较，发现了人工养殖的生物与自然环境下的生物具有以下相似性：生物都存在程度不等的变异, 且这些变异都是可遗传的；变异都是生物自发产生的,人类不能创造和阻止变异；人工养殖的生物产生的变异对人类有益,自然环境下生物产生的变异有利于该物种的生存。有益于人类的变异是人工选择的结果，通过类比可以得出—有利于物种生存的变异是自然选择的结果[3]。

2解释新生事物

当人们遇到一个新的事物或现象时，总想探究这个新事物的本质，弄清新现象产生的机制，也就是说，力图用一个熟悉事物的原理知识，去解释与其有着某些相似特征的未知事物或现象，这就是类比的解释作用。

例如，早期人们用熟悉的机器类比生命过程。达·芬奇证明动物的骨骼如同杠杆一样发生作用。博雷里认为心脏像气筒里的活塞一样起作用，把肺当作一对鼓风箱，而胃就像一种研磨器，但这些机械运动却无法解释发育、神经活动等生命现象。炼金术为生命功能提供了化学类比。巴拉塞尔苏斯认为，人体所有的生理过程都是基于化学的转变，这些转变由人体内部的炼金术所控制。他主张应该通过化学分析的方法来分析疾病过程，如类比酒桶沉淀出的物质，把痛风和痛风性关节炎划分为含酒石酸的疾病，因为痛风涉及一种被称为尿酸的消化性产物在局部的沉淀，可见类比得出的结论不一定正确。

再如，1969年获诺贝尔医学奖的卢里亚因为“对于细菌自发变异的证实”的实验而闻名遐迩。当时多数生物学家认为抗噬菌体细菌的产生是在噬菌体诱导下产生的。卢里亚凭直觉认为是基因的随机突变，却没有实验证据支持，最终实验的灵感来自于老虎机。在一次教师舞会间隙，卢里亚看到一位同事在给老虎机喂铜板，这是一种赌博工具，多数情况不会中奖，少数情况会得一些小奖，极少可能会有大奖，但不料这位同事竟意外得了一个大奖。这使得卢里亚很尴尬，但他却得到了一个重要的启迪：细菌的突变机会与这个中奖机会具有相似的特征：两者都是随机事件，而且是不均匀分布的。卢里亚这样推理：①假如细菌的抗性是受噬菌体的诱导而产生的，当噬菌体与细菌接触时，少数幸运的细菌就会同时产生抗性，后代分布是均匀的，即不会有大奖产生；②假如细菌突变的产生是随机的、不同时的，则突变与噬菌体加入的时间无关，后代分布是不均匀的，突变越早菌落越大即大奖，突变越晚菌落越小即小奖。后来卢里亚根据这个类比推理设计实验，证明了细菌突变是自发的、随机的，与环境无关。

此外，分子遗传学家雅各布和莫诺类比了控制论中负反馈的原理，合理解释了大肠杆菌利用乳糖的遗传调控机理，因此获得诺贝尔生理奖。而达尔文用生存竞争来解释自然选择的原因，也是运用的类比方法。偶然的机会达尔文阅读了马尔萨斯的《人口论》, 马尔萨斯认为：人口是按几何级数增加的,而人生存所需要的食物却按算术级数增加,过多的人口为了获得有限的食物,必然会出现生存竞争[4]。达尔文由此推理：人类是生物的一种 ,生物的数量也是按几何级数增加,生物生存所需条件也按算术级数增加，人类会出现生存竞争现象，那么生物也会出现生存竞争现象，自然选择是通过生存竞争来实现的。

3模拟实验基础

自然界的有些事物和现象是无法通过直接实验去再现和认识的。如生物的进化在时间上极为古老，延续时间太长难以等待，射线对人体的影响危及人身或有损道德等。这就需要用模拟实验的方法来进行研究。模拟实验是以模型与原型之间的相似性为依据，只有相似，才能将模拟实验的结论推移到真实的原型上去。因此，模拟实验的逻辑基础正是类比。

例如，20世纪50年代，苏联科学家奥巴林和美国科学家尤里提出了生命起源的化学演化过程假说，认为生命是在地球的原始大气中产生的。这个假说是否正确，则要通过科学实验加以验证。但是，进行直接的科学实验受到客观条件的限制：无法直接观察几十亿年前发生的变化(化学分子很难形成化石，即使偶尔有形成，也因分子化石太微小，人类很难发掘与发现)，现代地球与原始地球上的大气成分、周围环境变化显著，所以无法进行直接的验证。1953年，尤里的学生米勒模拟原始大气，用6万伏的电压连续进行火花放电模拟闪电，终于在8昼夜后得到了氨基酸等有机物，证明了原始大气中的无机物在当时的条件下能够自然合成有机物。其逻辑依据是：实验室的大气成分和环境条件与原始地球相似，在实验室进行化学合成得出的结论，可以推论出生命起源的化学演化过程。

4获得重要发现

类比在生物学研究中能启迪思维，提供线索，有时能获得重要的科学发现。

例如，细胞学说的建立者施莱登通过观察实验得出植物体的基本组成单位是细胞，施旺知道这个信息后，意识到动物很可能与植物一样。于是，他对各种动物的结构组成进行观察研究，最终发现动物的基本组成单位也是细胞。DNA模型建立的过程中，沃森和克里克根据“蛋白质的空间结构呈螺旋型”类比推理到“DNA的空间形状可能也呈螺旋型”。于是，他们修改了原来构建的DNA模型，并将新的模型与DNA分子的X射线照片比较，最终证实了DNA呈螺旋型是正确的。

又如，美国科学家甘特·布洛贝尔，因发现蛋白质 “定位地址签”,荣获了1999年诺贝尔生理学或医学奖。布洛贝尔类比了人们日常生活中遇到过的尴尬经历：因为将邮政编码或地址写错了，导致信件无法准确地送到目的地。他由此联想到各种蛋白质分子，是否也会有类似的情况发生：在运输过程中如何准确地定位找到自己的位置从而承担其应有的功能？正是在这样的类比想象的启发下, 布洛贝尔通过不断实验终于发现不同蛋白质分子的特定氨基酸链构成了定位地址信号，具有类似人类邮政编码的定位作用，保证了蛋白质分子的准确传输。不同的蛋白质分子具有不同的“定位地址签”,运输到不同的位置，承担不同的任务。

5发展科学方法

系统生物学是将系统科学方法引入生物学的研究, 利用系统论的方法，从整体的高度分析研究生命的复杂特征，这是对传统生物学科学方法的一种挑战。系统生物学产生的思想根源在于类比综合思维。当然，生物学科学的研究也为其他学科的发展提供了类比推理的依据。

例如，人们模仿苍蝇的楫翅制成了“振动陀螺仪” 实现了火箭和高速飞机的自动驾驶；蝙蝠的回声定位导致了声纳的发明；计算机对于脑的模拟；维纳把生物体内维持稳态的反馈调控过程类比为自动控制机器,据此创建了控制论，它揭示了人的神经、感觉机能与机器的通信和控制机能的相似之处，促进了现代科学思维方式的变革，提供了崭新的科学方法。