【细胞生物学专业】赠书 | 为什么需要生物学思维
我们真正需要的是经过物理学思维锤炼的生物学思维。
封面:L Schlissel
17世纪中叶,一位名叫纳撒内尔·费尔法克斯(Nathanael Fairfax)的英国医生在科学杂志《哲学学报》(Philosophical Transactions)上连续发表了几篇论文。费尔法克斯观察到一些很有趣的现象,并决定通过这些论文把他的发现告诉同时代的科学家们。
其中一篇论文的标题是《人类自然特性潜移默化的实例:无论是在人身上还是在野蛮人身上》(Divers Instances of Peculiarities of Nature, Both in Men and Brutes)。
在这篇论文中,费尔法克斯讲述了一个 40 岁左右、习惯喝热啤酒的男人的故事。有一天,这个男人在喝了一杯冰镇啤酒后病倒了,并在几天内死去。费尔法克斯就此推测:人的胃很可能只能适应一定范围内的温度。
费尔法克斯还写了一个女人的故事:每次听到雷声,她都会觉得恶心。不过,费尔法克斯没有去推测为什么雷声会对这个女人产生这样的影响,只是指出:“这位女士从孩提时代起就一直如此。”
我们现在知道,尽管费尔法克斯没能实现他的目标——从记录下来的这些观察结果和事实中总结出某种理论,但是他的观察本身就极具价值,至少这是“理解”的第一步。
在同一时期,年轻的牛顿正在思考物体如何移动,以及光线如何传播。牛顿于剑桥大学三一学院求学期间,一场瘟疫席卷了整个英国。为了预防疫情,剑桥大学临时闭校。于是,牛顿回到了家乡,在伍尔斯索普(Woolsthorpe)的农村生活了几年。
也就是在那个时期,他对微积分、光学和行星运动规律等方面的研究取得了根本性的进展。他研究了数学推理和演算,还做了一些实验,比如为了分析颜色的性质而在自己的眼窝上插入一枚长针,以及观察苹果如何从树上掉下来,等等。
与费尔法克斯一样,牛顿对观察所得的材料进行了分类和编目;不同的是,牛顿还总结出了一套支配物理世界的定律,并用数学公式将它们描述了出来。
在某种意义上,我们可以说,费尔法克斯和牛顿在同一时期、同一个国度所进行的不同研究,代表了两种理解宇宙复杂性的方法,而这两种方法还存在着竞争关系。
生物学思维和物理学思维
牛顿试图将观察到的所有不同事物都统一起来,也就是通过一组优雅的解释来简化世界的多变性和多样性。通常,他所利用的只是几个公式或定律而已。关于这一点,我们可以在牛顿发现的万有引力定律中看得非常清楚。这个极简公式反映了从物体坠落、潮涨汐落到行星运行等诸多现象的普遍规律。
而在今天,物理学家之所以会孜孜不倦地探寻能够一统天下的万用理论(Theory of Everything),也是出于与牛顿相同的愿景,希望能够发现可以作为人类已知的、宇宙各方面基础的秩序;并让宇宙的每个组成部分都各归其位,将它们放在适当的位置上。
科学家托马斯·亨利·赫胥黎(Thomas Henry Huxley)有一句名言,“科学的巨大悲剧”是“一个丑陋的事实往往会杀死一个美丽的假说”。他的意思是,优雅的理论是科学的目标,当某个事物与优雅的理论相悖,或令理论复杂化时,科学便会遭遇最大的悲剧。
费尔法克斯则放弃了对理论优雅性的追求,转而拥抱了多样性和复杂性。即使世界在一定程度上是混乱的,他也愿意接受,并为“又了解到新的细节”而欢欣鼓舞,哪怕这些细节很难立即被融入某个单一的理论框架中。有些人把他的方法戏称为“蝴蝶收藏家”式的方法,即收集多种多样的“蝴蝶”并加以描述。
在这里,我们还能发现现代医生的影子,他们是费尔法克斯的智识后裔,为人体各个层级上的完美功能而啧啧惊叹,例如血液凝固过程中的复杂步骤、酶级联反应(enzyme cascades)的复杂性质,等等;还有那些天文学家们,会为强大的太空望远镜所揭示的诸多星系类型而深深倾倒。
博物学家不可能赞同赫胥黎的抱怨,因为在他们看来,根本不存在所谓的“丑陋的事实”。所有的事实和知识都为我们提供了与这个奇妙世界有关的新信息,向我们展示着世界的复杂性和多样性。当事实不符合我们的心智模式时,完全不必为此而感到沮丧;相反,还应该为这种“意外” 而感到由衷的高兴,然后去寻找能够解释这些“意外”的新方法。
物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)将牛顿的方法描述为古雅典时期的科学思维方式,并认为这种思维方式“强调思想和理论……试图找到可以将宇宙万物联系在一起的统一理论”。至于关注多样性的方法,戴森则认为,可以将它描述为工业革命时代的科学思维方式,“强调事实和事物,试图探索和拓展人类对自然多样性的认知”。例如,起源于曼彻斯特的英国工业革命。
戴森还进一步指出:这两种方法还有另一个不同之处,即生物学是多样性理论者的“领地”,而物理学则是统一理论者的“主场”。我在这里把这两种方法分别称为生物学思维和物理学思维。
在物理学中,人们通过统一和简化去观察各种现象的明显趋势,无论是在爱因斯坦、牛顿,还是麦克斯韦身上,都能看到这一点。众所周知,麦克斯韦给出了能解释电磁原理的公式。简化,甚至极简化,是物理学领域内广受尊崇的方法之一。
生物学家通常更愿意接受多样性,并倾向于陈列大量事实,而不在意这些事实是否能用某个统一理论来解释。事实上,他们只需要有一个合适的小模型就可以了。当然,生物学理论也并非总是如此。例如达尔文的进化论,显然就是生物学中的一股统一力量;许多分子生物学家、以数理生物学为专业方向的应用数学家,以及许多研究其他领域的生物学家都倾心于此。
说到底,上述两种方法都是在探求具有普遍性的、有预测能力的理论。但是,这两种思维方式的推进方向是不同的,这种不同主要反映在它们对抽象化的相对容忍度上,而相对容忍度又取决于所研究系统的特性和复杂性。例如,利用数学公式抽象掉宏观层面上的细节,这种做法在物理学中几乎无处不在,但在生物学中却难觅踪影。
从下面这个古老的科学笑话中,我们可以清楚地看出这种区别。一位奶农为了提高产奶量雇用了两个顾问,一位是生物学家,另一位是物理学家。生物学家在考察了一周后,提交了一份详细的长达300多页的报告,写明了每头奶牛的产奶量具体取决于什么,例如天气情况、奶牛的大小和品种等。而且这位生物学家还向奶农保证,只要严格按照建议执行,奶牛的平均产奶量可增加3%至5%。
而物理学家只考察了3个小时就回来了,然后宣称自己已经找到了一个能够适用所有奶牛的高效解决方案,并且可以将产奶量提高50%以上。奶农问:“那么,你说应该怎么做呢?”“好吧,”那个物理学家回答道,“首先,假设你有一头身体为球形的奶牛……”
抽象化方法当然是有用的,但我们不能做出存在“球形奶牛”这种假设。当你把生物学层面上的细节都抽象掉之后,你不仅会丢失大量信息,而且最终还会对某些重要组成部分,比如边界情况,感到束手无策。
生物学思维和物理学思维是解释世界的两种不同方法,适用于不同的系统,而且通常是互补的。
复杂的技术系统更接近生物学系统,因此,用生物学思维思考复杂技术是个不错的选择。为了从整体上理解系统,我们也会忽略掉一些细节,这时,物理学思维才是首选。我们真正需要的是经过物理学思维锤炼的生物学思维。
为什么需要生物学思维
作者:[美] 塞缪尔·阿贝斯曼
出品方:湛庐文化
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