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ISSN:1004-0374
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《生命科学》 2007, 19(2): 109-
系统生物学与还原论刍议
赵寿元
复旦大学遗传学研究所,上海200433
     生命是什么?这是自古以来人们孜孜以求希冀回答的问题。在认识和探索生命现象及其本质的过程中,在自然科学界和哲学界一直存在两种针锋相对的观点:整体论(holism)和还原论(reductionism)。
      1993年,我曾就遗传学中的这两种观点谈了一些看法[1]。十多年过去了,遗传学取得了长足的进展,特别是在基因组学形成后,衍生出了一系列的“组学”,诸如转录物组学、蛋白质组学、代谢物组学、表观基因组学、甲基化组学(methylomics)和混杂基因组学(metagenomics,也有人译为元基因组学、宏基因组学、超基因组学)等。这些“组学”连同在生命体不同发育阶段、不同生理状态、不同类型细胞中的基因表达谱,以及各种信号转导途径的路线图及彼此交织连接形成的网络,在分子层面上产生了有关生命活动过程中动态互作的海量信息,使探索生命本质的基础研究从假设驱动(hypothesis driven)模式转变成数据驱动(data driven)模式[2],并由此孕育出系统生物学。这门被称为“后基因组学时代”的学科的特点是面对海量信息,在生命体的不同结构层面上进行计算机建模,并逐级整合模型,设计出相应的生物学实验进行验证[3]。系统生物学需要数、理、化、生、医、工和信息等多学科的交叉参与,而且称其主导思想是摒弃还原论,倡导整体论。因此,我想就系统生物学与还原论谈一些看法。
      现在先简单说说还原论。这可以从三方面来论述。一是从本体论(ontology)意义上说,还原论认为世界的本原是物质的,运动是物质的根本属性。生命体也是一种物质实体,生命活动正是这种物质实体运动方式的反映。因此,生命物质同非生命物质一样都遵循着物理学、化学规律。二是从方法论(methodology)的意义上说,实体是唯一的起源于物质世界的最小组成成分,并能生成复杂程度不等的结构。生命体就是一个高度复杂的分等级的生命物质结构,因而在研究工作中可从复杂程度较低的结构层面上探究生命活动的机制,进而综合这些认识去了解高一级物质结构层面的属性和功能。三是从认识论(epistemology)意义上说,一个科学领域中的物质运动规律,如果是从另一个科学领域中得出的理论和实验定律的特例,则前一科学领域可被还原为后一学科领域;也就是说,生命体的生命现象可被还原成物理学和化学的过程,因而可用物理学、化学的定律和原理来阐明,毋需“乞灵于只适用于生命系统本身的原理”[4]。
      整体论的观点则截然相反。整体论的核心论点是“整体大于部分之和”。一个整体确是由各个组成部分构成的,但各个组成成分只有在作为整体的一部分时才有意义。因此,即使把各个组成成分高纯度地分离出来,在可控条件下运用高精度的理化仪器和技术弄清其属性和功能,也无法阐明由这些成分构成的整体的属性和功能。整体论认为,单靠生物的分子结构无法解释生物的所有的属性和行为[5],因为在一个整体内,各种组分间的相互作用会“涌现”出组分本身所不具有的新的属性和功能,出现了整体本身所独有的运动规律。因此,基础结构层面上的理论和定律不适用于高一级结构层面,生命活动不可能还原成物理学、化学过程。生命世界果真存在着不同于物质运动基本规律的另一类原理吗?这正是20世纪初叶一批物理学家和化学家转入生物学界的原因之一。结果非但没有发现什么“新”的物理学和化学规律,反倒是使物理学和化学的概念、理论和技术渗入了生物学,并由此诞生了分子生物学。
      那么,“涌现”又是什么?涌现是一种概念,即使是完全弄清楚了一个整体的各个组成成分的行为以及它们在整体中所占的比例和排列等,也不可能由此推论出该整体的行为,整体具有各个组成成分不具有的新的属性[6]。问题是“涌现”这个概念迄今只被用来描述一些自然现象,却从来没有得到试验验证,甚至也提不出如何着手研究“涌现”机制的试验方案。这里举一个非常简单的例子:一个水分子是由一个氧原子和二个氢原子生成的一个整体。水是无色、无味、无臭的液体,可以作为溶剂。水的这种属性显然是无法从氧原子和氢原子的属性推论出来的。于是整体论可得出结论:这就是“涌现”的生动事例,但仅止于斯而已。还原论则不是如此,它主张仍可着眼于从原子的结构层面上去探究分子结构层面上的属性。发现二个氢原子一定要与氧原子呈120夹角相连接才会形成水分子。这显然比还原论的结论前进了一步。当然,这还没有最终阐明水分子生成的机制,但这毕竟使人们的认识不再是停留在现象描述的概念上,而是去寻找进一步研究的切入点。同样地,碱基分子和氨基酸分子的甲基化和乙酰化的修饰,则是从构成分子的化学基团的结构层面上来阐明DNA和蛋白质分子的空间构象的改变及其与生物学活性及遗传功能间的关系,从而使人们得以从表观遗传的角度丰富了对遗传规律的认识。无疑地,在生命科学领域中尚有无法用还原论的观点和方法解决的许多重大问题,但诚如薛定谔在1943年2月的讲演中指出:“当前的物理学和化学在解释这些事件时明显的无能为力,决不能成为怀疑这些事件可以用物理学和化学来解释的理由”[7]。在他讲演后的六十多年间,在物质分子结构层面上阐明生命现象的本质所取得的累累硕果,正是这一论断的科学性的有力佐证。
      在生命科学发展的历史进程中,由于无法阐明“涌现”的本质和机制,所以有人只能强调生命过程中至少有一部分不是物质的实体,不遵循物质运动的规律,他们称之为“活力”、“生命力”和“隐得来希”等。在当代,这些已被学术界摒弃的陈腐观念实际上并未绝迹,而是以新的形式出现,“意向性”(intentionality)就是一例[8]。这种观点承认物质的原子学说和化学的元素周期表使我们理解了包括生命体在内的物质实体的物理本性,量子学说阐明了周期表的物理基础和化学键的本性,分子生物学则表明复杂的分子是生命体发育和生命活动的基础,神经物理学(neurophysics)则揭示了脑的功能;这种观点也承认复杂的等级结构中每一结构层面同高一级结构层面相联接,化学是生物化学、细胞生物学、生理学、心理学、社会学乃至经济学和政治学的基础,而物理学则是一切的基础。可是,在作出上述还原论式的陈述后,话锋一转,这种观点强调指出决不能忽视“世界的另一个重要方面”,即当今的物理学丝毫未涉及“意向性”,没有一门物理学理论可解释哪怕是一只茶杯和一架喷气式飞机的存在和本性,也没有那一条物理学基本定律可以预测人的思想所控制的行为,尽管人的思想是以物质为基础的,这是因为所有的一切都是“意向设计的产物”,或是在复杂结构系统的高一级层面上“涌现”出来的。这里我们又遇到了“涌现”和“意向”,不觉得似曾相识十分耳熟吗?
      综上所述,生命科学领域中的整体论和还原论之争,并不是研究工作中对待数据信息是强调分析还是着重综合;这两种论点的分野是生命活动能否被还原成物理学和化学过程,物理学和化学的定律能否解释和阐明生命的本质,生命体是否存在着只适用于自身的特殊规律。
      系统生物学又被称为整合生物学(Integrative Biology)[9]。系统生物学是如何看待还原论和整体论的?Nature编辑部提出了一个非常巧妙的命题。编辑部的文章说:面对一只死猫和一只活猫有什么区别的问题,系统生物学的回答是,死猫是其各种组成成分的一个集合体,活猫则是由整合了这些组成成分的一个系统所涌现出的行为[10]。这里强调了“系统”和“涌现”。
      系统生物学凸显了“系统”,其立意是区别于传统的分子生物学以单个基因和蛋白质分子为研究对象,强调系统生物学旨在“系统的层面上了解生物学的系统[11-12],以及旨在“对生命有一个根本性的了解和系统的认识”[13]。话是这么说,可是2006年Science的记者采访于2000年在美国西雅图建立的世界上第一个以系统生物学命名的研究所后撰文指出:“六年来,系统生物学还没有一个清晰确切的定义。”[14]
      这里有两个关键问题有待讨论。
      其一,什么是系统?科学家习惯于把自身研究的物质运动过程中所发生的一系列相互关联的事物看作是一个系统。生物体有分子、细胞、组织、器官、个体、群体和社会等不同结构层面,每个层面都可作为研究的一个系统;每个系统又可因时空和环境的差别分成若干个亚系统乃至小系统;各个系统包含的基本单元也可以参与其他系统而形成新的系统等。因而,不同的科学家虽然各有不同的系统,但事物都是处在相互联系的互动之中,系统不可能是彼此隔离各自孤立的,一定是你中有我,我中有你,最后形成了具有复杂网络的浑然一体。科学家最后面对的并不是有明确界定的系统,而仍是一个整体。那么,系统同整体是什么关系?系统就等于整体,还是系统构成了整体?
      其二,随之而来的是怎么去研究整体或系统?系统生物学强调的是:“系统生物学中的系统应作为一个系统来研究,而不是作为构成该系统的各个组成部分的集合体来研究”,“一个系统的功能和属性超越了各组成成分单独的及彼此相互作用的功能和属性”,“这样方能认识涌现出的属性”。按照这样的思维逻辑,遵循系统生物学倡导的方法论和认识论,恐怕又将落入历史上的整体论的窠臼,陷入既要求助于“涌现”,又无法加以验证的进退维谷的两难境地。
      尽管如此,系统生物学这门学科仍步履蹒跚地谋求前进。究其原因,人们不难发现系统生物学正在发生变化,至少是出现了务实的系统生物学(pragmatic systems biology)和务虚的系统生物学(theoretic systems biology)[15],而且前者占主导地位,正是这批科学家们给系统生物学注入了新的活力,推动学科的发展。
      务实的系统生物学虽然没有放下倡导整体论的旗帜,力图摆脱还原论的传统,但在实际工作中却是从量化的角度来看待系统的复杂性,承认一个复杂的系统也是一个等级结构,若干个小尺寸的系统整合成一个大尺寸的系统,从分别研究小尺寸系统的属性和性能入手,经过分析和综合后,推论和阐明大尺寸系统的属性和功能。这就是承认不同尺寸的系统遵循着相同的定律和原理,因而不涉及而且也无法涉及“涌现”的问题。同时,在研究过程中又特别强调运用数、理、化、生、医、工和信息等学科的理论和技术来解决生命科学研究中的难点。试问:如果尺寸不同、复杂性不等的生命系统的活动不能还原成物理学化学过程,不遵循物理学化学的规律,那么引入这些理化学科又能起什么作用呢?如果不同结构层面果真“涌现”出了自身特有的属性和功能,那么把系统分成亚系统、小系统进行研究对认识生命本质又有什么用呢?
      所以,如果一定要说务实的系统生物学同现行的分子生物学有什么区别,那只是前者用基本的、尺寸最小的、复杂程度最低的“系统”来取代后者的单个基因或单个蛋白质分子,仅此而已,岂有他哉。
      因此,就本体论、方法论和认识论而言,务实的系统生物学家就是后基因组时代在系统生物学旗帜下自觉或不自觉的还原论者;还原论仍是生命科学研究领域中的主流。哲学可以引导和影响科学的发展和方向,但哲学概念决不可能代替科学规律。这在遗传学发展的历史上是教训多多。坚持用“涌现”来解释系统或整体具有的属性和功能,坚持生命活动不是以物质的物理学化学过程为基础的务虚的系统生物学,至少在目前拿不出足以令人信服的科学证据。所以说,一些关键的哲学问题严重地阻碍了系统生物学的发展[15],这是值得人们深思的。
 
 
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