未名·自然科学是什么丛书生物学是什么

导 论 “生物学是什么”这个问题既有简单的答案，也有复杂的答案。我们不妨从这样一件事来看一下：民国时期的中央研究院在1948 年4月1日公布了首届院士名单，共3组81人；其中数理组28人，生物组25人，人文组28人。由此可以得到这样一个简单的答案: 生物学是一个 很大的学科群，相当于“数理化”或者“人文科学”。 从当前的学科现状来看，生物学涵盖了数十门分支学科，大致可以分为四大类。**类属于宏观生物学，如系统分类学和进化论；第二类属于微观生物学，如分子生物学和细胞生物学；第三类是专门学科，如免疫学和神经生物学；第四类则是交叉学科，如生物物理学和化学生物学。当然，这些学科还可以再进一步细分，如系统分类学可以按照不同生物类型划分为植物系统分类学、动物系统分类学，等等。显然，在这本小书里要去描述或解释这么多的生物学 分支学科是不可能的，也没有必要。 “生物学是什么”的复杂答案在于要回答“生命是什么”这个根本性问题。本书试图将笔者在生物学领域数十年的学习和研究过程中逐渐领悟到的“生命观”总结出来，作为一份独特的个人答案，供广大生物学研究人员和爱好者参考。 全书共5章，分别从生命的构成本质和生命的运行规律两个层面来进行讨论。就生命的本质而言，主要有两种观点：一种观点为 “还原论”(Reductionism )，认为生物体与非生物体没有本质区别 ; 与之相对立的观点是 “活力论 ”(Vitalism )：生命世界与非生命的无机世界存在着截然不同的界线，生命具有非生物体所没有的特殊性质—— “活力 ”(VitalForce)。 这两种观点的产生可以追溯到古希腊时期。当时的还原论代表是哲学家德谟克利特 (Demokritos)；在他看来 ,世间万物都是由原子构成的，生命同样也是由原子所构成。而同时期的哲学家亚里士多德 (Aristotle)则持相反的观点 ,认为在生物体中存在着一种特有的要素—— “隐德来希”(希腊语Ente??le??chie)，意思是完成，即该要素能够让生命形式实现其自我完善之目的。“隐德来希”后来成了活力论的代名词。 从一定的意义上说，生物学的发展史就是由还原论和活力论之间的争论和相互替代推动而形成的。20世纪中叶，随着物理学和化学等物质科学的介入以及分子生物学的诞生，还原论成为生物学的主流，核酸和蛋白质等生物大分子被确认为生命的物质基础。本书的**章正是围绕着生物大分子而展开:首先从生物大分子的核心元素“碳”的手性特征出发，讨论了生命的有序性；然后进一步分析了生物大分子的构成规则，并在此基础上阐释了生物大分子的结构与功能的关系。 随着研究的深入，尤其是人类基因组计划的实施和系统生物学的诞生，人们逐渐认识到，生物体并非仅仅是一个装载了各种生物大分子的简单容器，而是一个由这些数量巨大且种类繁多的生物大分子间相互作用构成的复杂系统。在新千年到来之际，美国生物学家克尔斯勒 (Kirschner M )等人从系统生物学的角度提出了 “分子活力论 ”(Molecular Vitalism )，认为由生 物大分子构建而成的生物体具有特殊的性质。本书的第五章正是从系统生物学的角度对生命复杂系统的特点进行探讨：生物大分子之间通过复杂的相互作用形成了执行各种生物学功能的动态网络；此外，这些生物大分子间的相互作用极易变化且受环境的影响，从而导致了生命复杂系统的不确定性。 从对生命的运行规律的解释来看，依然是这两种相互对立的观点唱主角。还原论认为生命活动遵循着基本的物理学和化学规律; 例如发现DNA双螺旋结构的著名科学家克里克 (CrickF)就这样认为:“现代生物学研究的*终目标是用物理学和化学解释全部生物学现象”。活力论则认为，生命具有其独特的活动规律。奥地利心理学家赖希(Reich W)曾经这样说过:“生命的特征看起来是一种独特的合理而有目的的本能及下意识的活动。”美国进化论学者迈尔 (M ayr E )也 持同样的观点 :生殖、自然选择和遗传学等过程在物理学中没有等价性，也不能简化为物理定律，生物学应该被视为一门独立自主的科学。值得注意的是，这两种观点在奥地利物理学家薛 定谔(Schro??dinger E )的名著«生命是什么»中都有所反映。作为还原论的倡导者，薛定谔在书中明确指出，对生物体来说，“在它内部发生的事件必须遵循严格的物理学定律”，但是，他同时也承认，“根据已知的关于生命物质的结构，我们一定会发现，它的工作方式是无法归结为物理学的普通定律的”。当然，薛定谔依然把解决这一困境的希望寄托于还原论：“我们必须准备去发现在生命活体中占支配地位的新的物理学定律”。不过这句话也可以理解为薛定谔为活力论留了一扇后门。 在笔者看来，今天的活力论和还原论不再像过去那样互相对立、互相隔离，而是相互补充、相互依赖。一方面人们已经意识到, 生命活动规律的复杂性不是基于还原论的经典生物学能够完全解释得了的。另一方面则像“分子活力论”所倡导的那样，生命所特有的规律是可以被认识的，尽管这种认识需要全新的理论和全新的视角。本书的第二章对生物体在其遗传信息传递和利用方面的基本规律进行了介绍；第三章试图通过对物种的命名规则、相互关系和演化特征来阐述生命的进化规律；第四章则从生命特有的区域化 (Compartmentation)现象出发来解 释生命为什么要从原核细胞发展到真核细胞，并进一步发展到多细胞个体。 本书不是生物学教科书，也不是生物学历史教材，而是意在表达一种带有个人色彩的生命观。笔者希望通过该书尽可能反映出生命的本质特性和*主要的运行规律，尽可能去揭示生物学的核心任务。书中的一些分析和观点属于非主流，不过同时也打开了一个视角独特的“窗口”,不仅能够帮助外行窥探生物学的主要特征，而且也有可能引发内行对生物学的再认识。