生命科學的特質

 

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (12)

我們熟悉的宇宙是一個由物理律所「掌控」的宇宙。從中世紀以來,伽利略,牛頓優美地使用了簡單的數學,精確地描述了天體運行的規律,愛因斯坦 告訴我們宇宙時空的結構。在巨觀的世界中,因果律嚴格地控制了一切事務的 表現,在微觀的世界中則呈現出一幅波動與粒子交互跳躍的量子景象。物理學 家信心十足地試圖把一切複雜的宇宙萬物化約成簡單的方程式。在這個方程式 的世界中,時空的限制大多不被考慮,而「機會」扮演的角色微不足道。未來 雖然並非全然可知,但總是八九不離十,自然科學家理直氣壯地把世界代入方 程式中去求一個固定的解答!

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Bohr Atomic Solar System

但當我們把向外遙視星際的眼光拉回到自身時,有幾個人不會再陷入另一 層困惑和迷思;生命從何而來?該往何處去?科學家面對謎一樣的生命,是把 它當作一個複雜的機械?還是應該採取一些不同於對待山川星空的觀點?許多 物理科學家執著前一種觀點,認為科學就是科學,它應該具備普遍性,縱然面 對複雜的生命也不例外。徹底了解這個複雜機械的每一個組成,組成的性質和 它們彼此相互的關連,加在一起,生命就產生了!但是另一些傳統的生物學家 則有不同的看法,認為部份的性質加起來不見得會等同於全體。就像是我們把 電視機拆散,檢視其中每一零件:電阻、電容、影像等等。但是我們終究無法 知曉,電視中的綜藝節目從何而來!所以他們堅持某些生命現象是不能化約 的,物理化學家對生命的機械式看法是天真幼稚的。

科學家對生物世界有系統的探討,起始自 19 世紀初。從 20 世紀 50年代 迄今,生物學中的分子生物學與遺傳工程技術的進步,使我們對生命現象有一 個全新的認識,我們不僅知道遺傳的秘密,為什麼龍生龍,鳳生鳳,我們也開 始知道從一個受精卵怎麼開始它的發育程式,細胞如何不斷地分裂、分化,

長出五官手足俱全的個體。我們使用相同的物理,化學,數學的語言工具來了 解細胞內分子的結構,分子與分子間的作用。對生命現象的解釋,物理化學的 取向似乎已經得到壓倒性的勝利,然而生命的運作與岩石的墜落,山嶽的形成 是完全一樣的嗎?生命已經向物理、化學 、數學完全傾訴了它的秘密了嗎?

以下從四個不同的角度來談談自然科學與生命科學間一些異同。首先;自 然科學與生命科學的研究有一些基本的差異。自然科學所處理的問題沒有時空 的限制,牛頓定律在地球或在月球,在今天或是六千萬年前一律適用。但生命 的起源與發展則受到嚴格的時空限制。我們所認識的生命,是在地球上發生。 到目前為止,我們還沒有在宇宙任何其他地方,發現有適合生命產生的環境。 雖然許多人仍然堅持在浩瀚的宇宙中,應該不難找到類似地球的行星存在。但 是目前我們所認知繁複多樣的生命世界,仍然僅侷限於地球。宇宙中可能存在 什麼樣的生命形式是個沒有意義的問題。另一方面,地球上的生命存在了三十 多億年,它有一個從簡到繁的演化過程。所以當我們試圖去了解一些特有的生 命現象時,這樣一個時空的背景,是必須要納入考量的!

其次,正因為生命個體的演化有時空的限制,所以生命的展現必然蘊含了 一些歷史經驗的累積。這個歷史經驗可以回溯至三十多億年前生命起源之際! 這種能累積經驗的機制,是生物世界所特有的性質。生物個體透過遺傳系統, 可以把建構個體的資訊完整地傳給後代。但是由於資訊的保存與傳遞的過程 中,不斷會有錯誤發生,這樣就造成每一個體間的差異,這些差異在某種特殊 時空的環境選擇下,或被淘汰或被保存下來。這一套遺傳機制是無機世界中所 沒有的。山川河流雖然也可以呈現歷史歲月的痕跡,但是這種經歷不能複製, 也無法保存。

更明確地說,就是每一個生物個體身上都攜帶一套獨一無二的遺傳程式。 這套程式由四個字母的遺傳密碼所組成。以人為例,人的遺傳程式是由三十億 個密碼寫成,我們身上絕大多數的細胞都保存了這一套程式。更重要的是,從 這三十億個字母的排列順序,處處都可看出過去三十億年間生物演化的「痕 跡」與「智慧」。每個人身上的遺傳程式,迄今仍然不斷地在發生改變,所以 從遺傳程式的觀點看來,每個人都是獨一無二的。這種生命的獨特性在物理世 界中是看不到的:宇宙中每個氫原子、水分子都是完全一樣的!

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Prophetic inspiration: Isaiah’s Lips Anointed with Fire, by Benjamin West

第三,所有生命現象的背後,都隱含著一些特殊的意義。探究這些生命現 象背後的意義,是我們瞭解生物世界一個非常重要的面向。而在物理、化學的世界裡,基本上是不討論意義的。譬如說:我們只會探究河床中的卵石為什麼 會如此平滑:從粗糙到平滑的歷程。但決不會去討論河床中平滑卵石的出現有 什麼意義:讓它能安適地躺在河床上?。譬如面對老化的現象,我們不僅要瞭 解細胞中什麼樣的生化機制讓我們變老。還必須追溯不同物種老化機制演化的 歷史因緣。我們沒有辦法在實驗室中直接重複演化的經歷,因此比較各種生物 在解剖、形態和基因序列上的差異,都成了重要的工具。因此對生命的現象的 認識,必須包含它過去的歷史。換句話說,我們只有同時了解當今生命現象的 運作原理及其在歷史演化中的意義,才算真正掌握了生命的全貌。

最後,生命演化的過程,另外還有一個與自然科學大不相同的特點,就是 對未來的不可預測性。自然科學的重要理論,一般都擁有很強的解釋與預測能 力。譬如說從太空物理的理論,可以讓我們預測很多不曾想像過的現象:星球 的生老死亡,重力透鏡等等。但是當觀測工具愈來愈精進之後,這些預測往往 會得到印證。或是利用觀測到的現象來加強或是修正現有的理論。因此對物理 科學的理論來說,解釋與預測具有同等的重要性。但是,我們幾乎完全沒有辦 法利用解釋生命演化的理論來預測生物演化未來的方向,因為我們完全無法預 先知道未來的環境會發生怎麼樣的變化,而這些變化對生物又會有什麼樣的影 響。

生命的探索的確會呈現出一些物理、化學所沒有的特性,同時也解釋了把 生命現象完全化約成物理律的運作是件不可能的任務。因此生物學家、物理學 家甚而科學哲學家應該一起來建構一個新的涵括生命與無機世界的科學觀,這 樣的努力不僅可以擴大我們對科學的視野,同時也許讓科學家在從事科學活動 時,因為對生命的特質有了一些新的體認,而更容易得到一些人文的關懷!

 

參考讀物

1.  生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32713

2. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (2)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32717

3. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (3)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32719

4. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (4)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32731

5. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (5)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32737

6. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (6)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32772

7. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (7)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32758

8. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (8)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32804

9. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (9)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32763

10. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (10)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32773

11. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (11)  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32853

12. The autonomy of biology: the position of biology among the sciences The Quarterly Review of Biology 71: 91-106; 1996.

 

 

 

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