第67篇 贝塔朗菲谈生物学定律和物理学定律

作者：
中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智
说明：
这里转贴贝塔朗菲的书《生命问题》中第五章第2小节：
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。
　　　
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若题名不妥，您自己可修改。中国需要这样积极的思考。
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星光灿烂：如此执著，不支持也不行！
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沙漠甘泉（版主）：能否简单一些？

昨天中午见一哥们脑袋上戴一帽子，上写俩字母“ZY”，我草，感情是一矮人牧师…