吳家睿

人類基因組計(jì)劃是人類文明史在世紀(jì)之交的一個(gè)重要里程碑，被譽(yù)為生命科學(xué)的“登月計(jì)劃”，據(jù)此，21世紀(jì)被稱為后基因組時(shí)代。在這樣一個(gè)新時(shí)代，我們顯然應(yīng)該并且可以從一種新的哲學(xué)高度去思考生命，思考與之相關(guān)的科學(xué)。關(guān)于生命的哲學(xué)思考，始終貫穿著兩個(gè)永恒的主題，一個(gè)是本體論主題，即生命是什么；另一個(gè)則是方法論主題，即怎樣認(rèn)識(shí)生命。

生命是質(zhì)料、形式和環(huán)境之間的高度統(tǒng)一

縱觀整個(gè)人類對(duì)生命的認(rèn)識(shí)過(guò)程，關(guān)于生命是什么的問(wèn)題主要有兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)稱為“還原論”（reductionism），認(rèn)為生物體與非生物體沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，可以從簡(jiǎn)單的非生命物質(zhì)中形成生命；與之相對(duì)立的觀點(diǎn)則是“活力論”（vitalism）：生命世界與非生命的無(wú)機(jī)世界存在著截然不同的界線，生命具有非生物體所沒(méi)有的特殊性質(zhì)——“活力”（vital force）。

從質(zhì)料與形式的辯證統(tǒng)一關(guān)系看生命

生命有一個(gè)別名——有機(jī)體（organism），這個(gè)術(shù)語(yǔ)始于古希臘哲學(xué)家亞里士多德，即生命是從具有活力的“種子”或“胚胎”中生長(zhǎng)出來(lái)的。亞里士多德把在生物體中存在的“活力”用希臘語(yǔ)“隱德來(lái)希”來(lái)表示 ，意思是“實(shí)現(xiàn)”，即這種特殊性質(zhì)能夠讓生命形式實(shí)現(xiàn)其自我完善之目的。“隱德來(lái)?！焙髞?lái)成了活力論的代名詞。

19世紀(jì)初期的化學(xué)家就認(rèn)識(shí)到，含碳化合物是組成有機(jī)體的基本物質(zhì)，他們把研究含碳化合物的化學(xué)稱為“有機(jī)化學(xué)”。在早期的有機(jī)化學(xué)家眼里，有機(jī)化合物與非生命來(lái)源的無(wú)機(jī)化合物有著不可逾越的界限，只有擁有“活力”的生物體才能夠合成有機(jī)化合物；研究者只能從動(dòng)植物等有機(jī)體中提取出有機(jī)化合物，而不能在實(shí)驗(yàn)室里用無(wú)機(jī)化合物合成出有機(jī)化合物。1828年，德國(guó)化學(xué)家維勒（F. Wohler）在實(shí)驗(yàn)室中首次將無(wú)機(jī)化合物“氰酸銨”轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物“尿素”。這一實(shí)驗(yàn)打破了有機(jī)化合物與無(wú)機(jī)化合物之間的人造“隔墻”，有機(jī)化學(xué)的原意從此成為歷史的傳說(shuō)，而“活力論”也逐漸式微。

20世紀(jì)中葉的人工合成胰島素工作進(jìn)一步表明，具有生物活性的蛋白質(zhì)也可以從實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生，因此，復(fù)雜的生命物質(zhì)也不過(guò)就是一些簡(jiǎn)單的小分子化合物按照一定的物理和化學(xué)的方式聚集在一起。在后基因組時(shí)代，科學(xué)家在合成生命方面取得了更多更大的成果。2010年5月20日，美國(guó)生物學(xué)家文特爾（C. Venter）宣布首個(gè)人工生命誕生——研究者采用化學(xué)合成方式，人工全合成了一個(gè)具有108萬(wàn)個(gè)堿基的完整的細(xì)菌基因組，進(jìn)而構(gòu)成一種只含有這一人造基因組的人工細(xì)菌，并通過(guò)這個(gè)人造基因組控制和實(shí)現(xiàn)了自我復(fù)制等生命活動(dòng)[1]；研究者特別強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“這個(gè)被人造基因組控制的細(xì)胞，其性質(zhì)表現(xiàn)得如同整個(gè)細(xì)胞都是人工合成的（即該DNA軟件制造了它自身的硬件）”[1]。這項(xiàng)具有里程碑意義的實(shí)驗(yàn)使得人們認(rèn)為，生命可以在實(shí)驗(yàn)室里被人工合成出來(lái)。美國(guó)《新聞周刊》（Newsweek）在報(bào)道該項(xiàng)工作的同時(shí)，在其封面刊登了文特爾的頭像，并冠以“扮演上帝”（Playing God）的標(biāo)題。

這些研究工作很清楚地反映了還原論者關(guān)注生命本質(zhì)的一個(gè)特定角度：生命可以還原為其組成物質(zhì)或構(gòu)成材料，而且與非生命的材料沒(méi)有根本上的區(qū)別。然而，如果僅僅從構(gòu)成材料的角度來(lái)定義生命，那么活力論的鼻祖亞里士多德也可以被歸于還原論者。亞里士多德把當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道的520多種動(dòng)物，根據(jù)它們的生殖方式進(jìn)行了分類，按照從低等到高等的順序構(gòu)建了動(dòng)物的6個(gè)等級(jí)，并聲稱最低等的動(dòng)物是從泥土中自然產(chǎn)生的[2]。

問(wèn)題的關(guān)鍵是，生命的構(gòu)成材料并不等于生命。在亞里士多德看來(lái)，包括生命在內(nèi)的所有物體都是由“形式”和“質(zhì)料”二者組成的，“形式是被構(gòu)成的東西，質(zhì)料是構(gòu)成成分。形式?jīng)Q定了該物體的本質(zhì)所在”[2]。換句話說(shuō)，生命之所以被視為生命，不僅要考慮到其構(gòu)成質(zhì)料，還要看到生命擁有了無(wú)機(jī)體所不具備的特定形式。顯然，這種對(duì)生命本質(zhì)的理解超越了還原論和活力論之間的簡(jiǎn)單爭(zhēng)論。過(guò)去這二者的爭(zhēng)論建立在傳統(tǒng)哲學(xué)的唯物主義或唯心主義二分法之上，生命的質(zhì)料和形式之間的關(guān)系被割裂：還原論者往往把生命視為構(gòu)成它們的材料，而活力論者則認(rèn)為生命擁有獨(dú)立于構(gòu)成材料之上非物質(zhì)性的“活力”。但是，生命實(shí)際上應(yīng)該是由其質(zhì)料和形式共同構(gòu)成的，二者相互依存，缺一不可；質(zhì)料是生命的“潛能”，形式則是潛能的實(shí)現(xiàn)；亞里士多德提出的“隱德來(lái)?！钡谋疽?，正是指生物體中質(zhì)料和形式之間這種對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系。從這個(gè)意義上說(shuō)，生命是不可分割的一個(gè)完整呈現(xiàn)。因此，“活力論”往往又可等同于另一個(gè)概念：“整體論”（holism）。

人類基因組計(jì)劃的完成給研究者從“整體論”角度認(rèn)識(shí)生命提供了強(qiáng)有力的支持。在人類基因組中，編碼蛋白質(zhì)的基因有2萬(wàn)多個(gè)，它們之間存在著廣泛的相互作用；每一種生命活動(dòng)不僅依賴于相應(yīng)的基因或蛋白質(zhì)等構(gòu)成元件，而且還取決于這些元件之間形成的相互作用網(wǎng)絡(luò)。在多細(xì)胞生物中，這些生物分子的相互作用網(wǎng)絡(luò)不僅存在于細(xì)胞層面，而且跨越到組織和器官等各種層面。不久前，美國(guó)科學(xué)家通過(guò)系統(tǒng)生物學(xué)理論和大數(shù)據(jù)分析，提出了一個(gè)新的模型——“全基因模型”（omnigenic model）來(lái)解釋基因是如何控制復(fù)雜性狀：在細(xì)胞內(nèi)不僅存在對(duì)某個(gè)特定性狀有直接作用的核心基因，而且存在著數(shù)量更多的與核心基因有相互作用的外圍基因，這些外圍基因?qū)υ撔誀罹哂虚g接的影響。該模型認(rèn)為，由于各個(gè)基因間存在著廣泛的關(guān)聯(lián)和相互作用，所以生物體的每個(gè)復(fù)雜性狀都可能受到基因組內(nèi)每一個(gè)基因或多或少的影響[3]。

從質(zhì)料與環(huán)境的辯證統(tǒng)一關(guān)系看生命

在后基因組時(shí)代，科學(xué)家們正在從生命復(fù)雜系統(tǒng)的角度來(lái)認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)。美國(guó)哈佛大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)系創(chuàng)始系主任克爾斯勒（M. Kirschner）專門撰文指出：“值得問(wèn)這樣一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)代生物學(xué)的‘后基因組觀點(diǎn)在多大程度上可以讓19世紀(jì)的活力論者接受今天人們對(duì)生命本質(zhì)的理解”[4]。他進(jìn)而從系統(tǒng)生物學(xué)角度提出了“分子活力論”（molecular vitalism）的觀點(diǎn)，“在21世紀(jì)之交，我們對(duì)活力論做一次最新的思考：必須指出，我們需要從根本上超越對(duì)細(xì)胞的RNA和蛋白質(zhì)組分的基因組分析（這種類型的分析很快就將過(guò)時(shí)），而轉(zhuǎn)向?qū)Ψ肿拥?、?xì)胞的、機(jī)體的功能之‘活力性質(zhì)的分析”[4]。

不久前，北京大學(xué)生物學(xué)家白書農(nóng)教授等人，根據(jù)奧地利物理學(xué)家薛定諤（E. Schr？dinger）的負(fù)熵和比利時(shí)化學(xué)家普利高津（I. Prigogine）的耗散結(jié)構(gòu)理論，提出了關(guān)于生命本質(zhì)的獨(dú)特看法，認(rèn)為生命的特征是指特定的組分在一定環(huán)境條件下的特殊相互作用[6]。這種特殊的相互作用源自兩個(gè)不同化學(xué)過(guò)程之間的耦合和循環(huán)，一個(gè)是生物元件通過(guò)消耗吉布斯自由能而形成分子復(fù)合物的自發(fā)組織過(guò)程，另一個(gè)則是環(huán)境提供自由能讓這種分子復(fù)合物解離的熱力學(xué)分解過(guò)程。由此他們認(rèn)為，這種耦合和循環(huán)過(guò)程就是生命不同于非生命體的第一個(gè)特征——代謝（metabolism）[5]。

需要指出的是，白書農(nóng)教授等人明確把特定的提供能量之環(huán)境視為生命“活力”的源泉：“這種循環(huán)過(guò)程可以被定義為‘生命（being）或‘活物（living matter）的第一個(gè)標(biāo)志。人們不應(yīng)該把物質(zhì)性的質(zhì)料單獨(dú)認(rèn)定為活的，而應(yīng)該要認(rèn)識(shí)到這種質(zhì)料參與到了一個(gè)由外部能量驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)循環(huán)之中”[5]。這一觀點(diǎn)引出了筆者對(duì)生命本質(zhì)的一個(gè)新想法，即把環(huán)境作為生命構(gòu)成中不可或缺的角色。生命的形成、生存、繁殖和演化等各種生命特征都建立在特定的環(huán)境之上。

過(guò)去的還原論與活力論之爭(zhēng)主要集中在生命本身，關(guān)于環(huán)境對(duì)生命的意義考慮得不多?？蓪?shí)際上，離開了環(huán)境談生命的意義是不大的。病毒是生命嗎？在沒(méi)有遇到合適的宿主之前，病毒不過(guò)是蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子的聚合體，只有遇到了宿主以后，病毒在宿主提供的特定環(huán)境條件下才能夠成為“活”的病毒，表現(xiàn)出它的各種特性。換句話說(shuō)，這正是“隱德來(lái)希”的真諦：構(gòu)成生命的相關(guān)質(zhì)料提供了生命的“潛能”，特定的環(huán)境條件讓這種潛能得以實(shí)現(xiàn)。筆者把這種讓生命潛能實(shí)現(xiàn)的環(huán)境稱為“活力環(huán)境”。在研究遺傳物質(zhì)與性狀關(guān)系的遺傳學(xué)里，有一個(gè)著名的公式：

表型=基因型+環(huán)境

生命也可以給予類似的定義：

生命=生物材料+活力環(huán)境

根據(jù)這個(gè)公式可以為許多爭(zhēng)論不清的問(wèn)題提供答案。例如，通過(guò)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)產(chǎn)生異常構(gòu)像而引發(fā)瘋牛病的“朊病毒”（prion）是生命嗎？就其構(gòu)成材料來(lái)看，“朊病毒”只不過(guò)是單純的蛋白質(zhì)，不能稱之為生命。但是，一旦它進(jìn)入哺乳動(dòng)物大腦這個(gè)特定的“活力環(huán)境”中，其誘導(dǎo)蛋白質(zhì)產(chǎn)生異常構(gòu)像的潛能得以實(shí)現(xiàn)，從而成為能導(dǎo)致疾病的一種生命體了。再如，計(jì)算機(jī)病毒是生命嗎？雖然它能夠在計(jì)算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行自我復(fù)制和“傳染”，但它沒(méi)有核酸或蛋白質(zhì)等生物體構(gòu)成材料，因此不能稱之為生命。

由以上論點(diǎn)又可以引申出一個(gè)重要的哲學(xué)命題——“存在”與“本質(zhì)”的關(guān)系。對(duì)生命而言，存在先于本質(zhì)，即作為構(gòu)成生命的質(zhì)料，可以在沒(méi)有生命活動(dòng)的狀態(tài)下穩(wěn)定地存在著，如上文提到的文特爾教授通過(guò)化學(xué)方法合成了一個(gè)完整的細(xì)菌基因組核苷酸序列，但是構(gòu)成這個(gè)人造基因組的核酸材料本身并沒(méi)有表現(xiàn)出生命特征，只有當(dāng)研究者把它放入一個(gè)去除了天然基因組的細(xì)菌細(xì)胞這樣一種“活力環(huán)境”中，人造基因組才表現(xiàn)出了自我復(fù)制和代謝調(diào)控等生命特征[1]。據(jù)此還可以進(jìn)一步推導(dǎo)出：生命的存在可與本質(zhì)相分離，如保存在低溫狀態(tài)下的細(xì)胞或者個(gè)體僅僅是一種材料，只有在合適的復(fù)蘇條件之“活力環(huán)境”下才能重新呈現(xiàn)出生命的跡象。換句話說(shuō)，構(gòu)成生命的材料僅僅是生命形成的必要條件，而特定的“活力環(huán)境”則是生命形成的充分條件，缺一不可。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的開放型生命科學(xué)研究范式

20世紀(jì)中葉誕生的分子生物學(xué)建立在還原論的基礎(chǔ)上，認(rèn)為生命活動(dòng)遵循著基本的物理學(xué)和化學(xué)規(guī)律。正如薛定諤在其名著《生命是什么》中所指出的：對(duì)生物體而言，在它內(nèi)部發(fā)生的事件必然遵循嚴(yán)格的物理學(xué)定律[6]。也就是說(shuō)，在分子生物學(xué)家看來(lái)，生命是一部按照決定論規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)的“機(jī)器”；研究者的任務(wù)就是要提出科學(xué)假設(shè)，進(jìn)而通過(guò)研究去認(rèn)識(shí)和揭示這種規(guī)律。然而，后基因時(shí)代的研究揭示，生命并非是這樣一架簡(jiǎn)單的決定論“機(jī)器”，而人類基因組計(jì)劃也催生了一種不同于假設(shè)驅(qū)動(dòng)的研究范式——數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究范式。

研究不確定性的生命科學(xué)

基于還原論的生命科學(xué)決定論者往往有這樣一個(gè)潛在信念，只要掌握的知識(shí)足夠充分、信息足夠精確，就可以認(rèn)識(shí)和控制一切生命活動(dòng)，就能夠消滅危害人類的所有疾病?，F(xiàn)代生命科學(xué)那種研究核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子三維空間結(jié)構(gòu)的熱情，正是這種決定論觀點(diǎn)的突出體現(xiàn)：人們?cè)噲D精確到原子水平去解釋生物大分子的功能或它們之間的相互作用，進(jìn)而去發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)確定的分子作用機(jī)制。換句話說(shuō)，分子生物學(xué)建立在這樣一個(gè)觀念上——結(jié)構(gòu)決定功能。

然而，生物體內(nèi)的生物大分子種類繁多、數(shù)量巨大，即使是大腸桿菌這樣簡(jiǎn)單的單細(xì)胞原核生物所擁有的各種蛋白質(zhì)分子的總拷貝數(shù)就高達(dá)250萬(wàn)個(gè)左右，其整個(gè)細(xì)胞容積的30%左右都被生物大分子占據(jù)。因此，這些生物大分子在細(xì)胞內(nèi)通常處于極端擁擠環(huán)境和無(wú)序排列狀態(tài)下。更重要的是，蛋白質(zhì)和核酸等各種生物大分子具有不可穿透性，不能像無(wú)機(jī)小分子那樣在溶液中自由擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致任何一個(gè)生物大分子的實(shí)際可及空間大大減少，被稱為“排斥體積效應(yīng)”。這種擁擠的細(xì)胞液態(tài)環(huán)境和排斥體積效應(yīng)導(dǎo)致生物大分子之間產(chǎn)生了相當(dāng)復(fù)雜的相互作用，其中有一種相互作用被稱為“相分離”（phase separation）。生物體的相分離是指：特定的蛋白質(zhì)和RNA等生物大分子可以在一定條件下組織起來(lái)，形成高濃度的特定分子聚集的“液滴”，就如同油滴從水中分離出來(lái)一樣[7]。不同于傳統(tǒng)意義上的蛋白質(zhì)相互作用，具有相分離能力的蛋白質(zhì)往往是依靠一類沒(méi)有確定三維結(jié)構(gòu)的“內(nèi)部無(wú)序區(qū)域”（intrinsic disorder region， IDR）之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)相分離[7]。

生物大分子不僅具有結(jié)構(gòu)上的無(wú)序組織，而且在其合成的過(guò)程中也有許多隨機(jī)波動(dòng)存在。這種生物大分子具有的隨機(jī)波動(dòng)性通常被稱為生物學(xué)噪聲（biological noise），主要表現(xiàn)在基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程中，如基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程中它的啟動(dòng)子被激活和滅活時(shí)間響應(yīng)的快慢差異，或者蛋白質(zhì)合成反應(yīng)和降解反應(yīng)的速率差異等。研究者發(fā)現(xiàn)，在原核細(xì)胞中，噪聲對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的影響不大，主要影響蛋白質(zhì)的合成水平；而在真核細(xì)胞中，噪聲不僅影響蛋白質(zhì)的合成，而且顯著地影響基因的表達(dá)水平。

生物學(xué)噪聲導(dǎo)致的一種重要生物學(xué)現(xiàn)象就是，基因表達(dá)水平與蛋白質(zhì)合成水平之間數(shù)量關(guān)系的相關(guān)性不高。過(guò)去人們認(rèn)為基因與蛋白質(zhì)的豐度變化關(guān)系是線性的，即基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA拷貝數(shù)多，則相應(yīng)的蛋白質(zhì)數(shù)量就高；反之，前者少的時(shí)候后者也少。然而，在對(duì)酵母細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞等不同種類生物體的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的定量分析中發(fā)現(xiàn)，mRNA豐度和相應(yīng)的蛋白質(zhì)豐度之間并沒(méi)有很好的相關(guān)性。一項(xiàng)對(duì)大腸桿菌的單分子研究發(fā)現(xiàn)，在生物學(xué)噪聲的影響下，基因表達(dá)量和相應(yīng)的蛋白質(zhì)表達(dá)量之間呈現(xiàn)出隨機(jī)的關(guān)系，以至研究者得出這樣一個(gè)結(jié)論：“對(duì)任何一個(gè)給定的基因而言，在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)拷貝數(shù)和mRNA拷貝數(shù)之間沒(méi)有相關(guān)性”[8]。

人們通常認(rèn)為隨機(jī)性“噪聲”會(huì)對(duì)生命產(chǎn)生負(fù)面影響，例如在基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯等重要的生命活動(dòng)中存在的不確定性擾動(dòng)，由此來(lái)看，噪聲對(duì)生命沒(méi)有好處，應(yīng)該被消除。但越來(lái)越多的研究表明，生命中的噪聲不僅難以消除，而且對(duì)生命也有著積極的一面，它常常具有許多重要的生物學(xué)功能。例如，生物學(xué)噪聲在 DNA復(fù)制過(guò)程中往往引發(fā)隨機(jī)突變的產(chǎn)生，為生命的演化提供原材料；在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中，生物學(xué)噪聲可以利用細(xì)胞的正反饋機(jī)制來(lái)放大信號(hào)，幫助細(xì)胞做決定。此外，雖然生物學(xué)噪聲可以由細(xì)胞間的差異產(chǎn)生，但生物學(xué)噪聲同時(shí)可以用來(lái)維持和加強(qiáng)細(xì)胞的個(gè)體差異特征，影響個(gè)體的發(fā)育和生長(zhǎng)。2020年發(fā)表在《自然·方法》上的一項(xiàng)研究表明，在小鼠骨髓調(diào)控血細(xì)胞發(fā)育的過(guò)程中，轉(zhuǎn)錄因子的基因表達(dá)噪聲參與到了細(xì)胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換中，進(jìn)而影響了這些細(xì)胞的命運(yùn)。

當(dāng)前，對(duì)生物學(xué)噪聲及其對(duì)生命活動(dòng)影響的研究正在成為一個(gè)新的科學(xué)熱點(diǎn)，有研究者甚至稱之為“噪聲生物學(xué)”。這類研究讓我們認(rèn)識(shí)到，生物體作為一個(gè)開放的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，一方面自身具有各種內(nèi)在的隨機(jī)噪聲，另一方面生存于充滿不確定性的外部環(huán)境之中?？梢赃@樣說(shuō)，地球上生命的演化過(guò)程就是由偶然性推動(dòng)的，它的存在使得生命能夠從最簡(jiǎn)單的原核細(xì)胞形式發(fā)展出如此復(fù)雜多樣的動(dòng)植物。如果生物世界真的是由確定性所統(tǒng)治的，那么今天地球上存在的生命很可能依然只是大腸桿菌這一類簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生物。

還原論者推崇的現(xiàn)代生命科學(xué)是一種“假設(shè)驅(qū)動(dòng)”的研究范式。對(duì)決定論者而言，一切事物的發(fā)生發(fā)展都是遵循著一定規(guī)律的，有因必有果；生命科學(xué)研究的主要目標(biāo)通常就是去證實(shí)或證偽對(duì)某種因果關(guān)系的假設(shè)。美國(guó)著名的腫瘤生物學(xué)家溫伯格（R. Weinberg）在一篇題為“假設(shè)優(yōu)先”的文章中就開宗明義地指出：“在20世紀(jì)，生物學(xué)從傳統(tǒng)的描述性科學(xué)轉(zhuǎn)變成為一門假設(shè)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。與此緊密聯(lián)系的是還原論占據(jù)了統(tǒng)治地位，即對(duì)復(fù)雜生命系統(tǒng)的理解可以通過(guò)將其拆解為組成的零部件并逐個(gè)地拿出來(lái)進(jìn)行研究”[9]。而對(duì)生命的決定論世界之否定，使得研究者需要重新審視這種“假設(shè)驅(qū)動(dòng)”的研究范式。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生命科學(xué)

人類基因組計(jì)劃的實(shí)施催生了一種全新的研究范式——數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究。一個(gè)人的基因組具有30億個(gè)以上的堿基對(duì)，即相當(dāng)于3 GB以上的數(shù)據(jù)。目前國(guó)際上儲(chǔ)存的個(gè)體基因組序列的數(shù)據(jù)量已達(dá)到百萬(wàn)人級(jí)的規(guī)模。與此同時(shí)，基因組測(cè)序也成為了健康醫(yī)學(xué)研究的基本目標(biāo)，如美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院在2006年?duì)款^啟動(dòng)了國(guó)際癌癥基因組項(xiàng)目——“癌癥基因組圖集”（The Cancer Genome Atlas， TCGA），到2017年底，該項(xiàng)目分析了3.2萬(wàn)多位患者的腫瘤樣本，覆蓋60個(gè)組織或器官的38個(gè)癌種及其亞型，測(cè)到311萬(wàn)多個(gè)基因變異，積累了超過(guò)20 PB（1 PB = 1015 byte）的腫瘤基因組數(shù)據(jù)。此外，轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組等各種生命組學(xué)數(shù)據(jù)也被大量產(chǎn)生。生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)正在徹底改變著生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究范式。正如2011年美國(guó)首部關(guān)于“精確醫(yī)學(xué)”（precision medicine）的戰(zhàn)略報(bào)告所指出的：“開展本項(xiàng)研究的動(dòng)機(jī)在于，與人體有關(guān)的分子數(shù)據(jù)正在爆發(fā)性地增長(zhǎng)，尤其是那些與患者個(gè)體相關(guān)的分子數(shù)據(jù)，由此帶來(lái)了巨大的、尚未被開發(fā)的機(jī)會(huì)，即如何利用這些分子數(shù)據(jù)改善人類的健康狀況”。聯(lián)合國(guó)教科文組織在一份科學(xué)報(bào)告中也做了這樣的預(yù)測(cè)：到2030年，科學(xué)不僅基于數(shù)據(jù)來(lái)開展研究，任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基本產(chǎn)出也是數(shù)據(jù)。換句話說(shuō)，后基因組時(shí)代是一個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，大數(shù)據(jù)重塑了生命科學(xué)研究，研究者不僅繼續(xù)能夠在假設(shè)驅(qū)動(dòng)下開展研究工作，也可以在全新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)范式下進(jìn)行研究。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究范式與假設(shè)驅(qū)動(dòng)的研究范式有著本質(zhì)的區(qū)別，首先是研究的“初心”不一樣，前者不需要假設(shè)，不以解決具體科學(xué)問(wèn)題為己任，其主要研究目的是去獲取研究對(duì)象的相關(guān)信息。人類基因組計(jì)劃就是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型研究的典型代表；該計(jì)劃的初衷是要測(cè)定人類基因組擁有的全部核苷酸序列。在傳統(tǒng)的生命科學(xué)研究中，研究者往往是根據(jù)某種假設(shè)把研究目標(biāo)鎖定到由一段核苷酸序列組成的一個(gè)基因之上，進(jìn)而深入研究其功能或調(diào)控機(jī)制；而對(duì)人類基因組計(jì)劃而言，研究者則是通過(guò)測(cè)定全基因組序列，去發(fā)現(xiàn)在這些序列中隱藏著的2萬(wàn)多個(gè)基因。因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究通常又被稱為“發(fā)現(xiàn)的科學(xué)”（discovery science）。

雖然假設(shè)驅(qū)動(dòng)的研究范式在現(xiàn)代生命科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展中扮演了重要的角色，并成為科學(xué)研究的主流，但是，這種研究范式也帶有一種先天缺陷。英國(guó)科學(xué)哲學(xué)家查爾默斯（A. F. Chalmers，）在其名著《科學(xué)究竟是什么？》中指出，基于假設(shè)驅(qū)動(dòng)的研究范式之科學(xué)是“從事實(shí)中推導(dǎo)出來(lái)的”[10]。在他看來(lái)，關(guān)鍵是怎樣獲得“事實(shí)”，“其中的一個(gè)困難在于，知覺經(jīng)驗(yàn)在一定程度上受觀察者的背景和期望影響，因而，對(duì)一個(gè)人看來(lái)是可觀察的事實(shí)，對(duì)另一個(gè)人未必如此。第二個(gè)困難源自對(duì)觀察命題真假的判斷在一定程度上依賴于已知或假設(shè)的是什么，這樣就使得可觀察事實(shí)像作為其基礎(chǔ)的前提一樣。這兩種困難都暗示著，科學(xué)之可觀察的基礎(chǔ)，可能并不像人們廣泛地和在傳統(tǒng)上認(rèn)為的那樣直接和可靠”[10]。

由于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究不依賴于假設(shè)，因而可以避免這種對(duì)“事實(shí)”的主觀性選擇和判斷。美國(guó)生物學(xué)家戈盧伯（T. Golub）在一篇題為“數(shù)據(jù)優(yōu)先”的文章中明確指出：“如果沒(méi)有獲得全面的腫瘤基因組數(shù)據(jù)，將難以區(qū)分信號(hào)和噪聲。盡管假設(shè)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)依然處于研究領(lǐng)域的中心位置，但不帶偏好的腫瘤基因組測(cè)量將提供前所未有的機(jī)會(huì)去催生新的想法”[11]。換言之，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究范式不僅能夠避免研究者可能的主觀偏見，而且可以幫助其發(fā)現(xiàn)在假設(shè)或者現(xiàn)有理論范圍之外的全新知識(shí)。我們還可以進(jìn)一步引申一下——經(jīng)典的科學(xué)哲學(xué)認(rèn)為，科學(xué)研究需要在由一系列假設(shè)和理論搭建的框架內(nèi)進(jìn)行，這種指導(dǎo)研究的“框架”被庫(kù)恩（T. Kuhn）稱為“范式”（paradigm），拉卡托斯（I. Lakatos）稱之為“研究綱領(lǐng)”（research program）。而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研究范式的一個(gè)“亮點(diǎn)”就是：可以不受現(xiàn)存研究“框架”的制約。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的與假設(shè)驅(qū)動(dòng)的研究范式之間還有一個(gè)重要的區(qū)別，即研究策略不一樣，前者往往具有一個(gè)明顯的特征：即把研究目標(biāo)分解為若干次要目標(biāo)，然后開展相應(yīng)的研究工作，并在前期研究結(jié)果的基礎(chǔ)上反復(fù)地進(jìn)行完善，通過(guò)多次研究逐漸逼近預(yù)定的總體目標(biāo)，每一次重復(fù)研究的過(guò)程稱為一次“迭代”（iterate）。這種“迭代”式研究策略意味著允許每一次研究工作可以不完備，可以接受局部的或非最優(yōu)的階段性成果。而假設(shè)驅(qū)動(dòng)的研究則追求研究成果的完備性，盡可能通過(guò)一次性研究工作，就可以完整地解答科學(xué)問(wèn)題或證明科學(xué)假設(shè)。

后基因組時(shí)代的許多生命科學(xué)研究計(jì)劃明顯具有這種“迭代”特征，其中最具代表性的例子依然是人類基因組計(jì)劃。雖然人類基因組計(jì)劃的終極目標(biāo)是揭示人類基因組的所有核苷酸序列，但2001年2月發(fā)表的人類基因組測(cè)序的里程碑成果，不過(guò)只是覆蓋了基因組90%核苷酸序列的“草圖”；2003年4月國(guó)際人類基因組測(cè)序聯(lián)合體，才正式宣布人類基因組全圖繪制成功；2004年10月在《自然》周刊上發(fā)表的相應(yīng)論文中，也只給出了常染色質(zhì)區(qū)域內(nèi)約99%核苷酸序列的測(cè)定結(jié)果。因此，人類基因組序列中至今仍然存在許多高度重復(fù)序列區(qū)域（如中心粒）沒(méi)有被測(cè)定。2020年9月，研究者終于在《自然》周刊上發(fā)表了第一個(gè)完整的、沒(méi)有測(cè)序“缺口”的人類X染色體測(cè)序工作（還剩下22條染色體待將來(lái)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)）。不久前，研究者提出了一個(gè)比“人類基因組計(jì)劃”更為宏大的“人類細(xì)胞圖譜”（Human Cell Atlas， HCA）研究計(jì)劃，其基本目標(biāo)是，通過(guò)特定的分子表達(dá)譜，來(lái)辨識(shí)和確定人體擁有的40到60萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞中所有的細(xì)胞類型，采用的主要研究策略同樣具有“迭代”特征。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究范式之“迭代”模式既不屬于“觀察—?dú)w納—證實(shí)” 的“實(shí)證性研究”，也不屬于“問(wèn)題—猜想—反駁”的“證偽性研究”，其研究成果既不能被證實(shí)，也不能被證偽。在整個(gè)數(shù)據(jù)“迭代”的過(guò)程中，每一次研究獲得的成果都不是決定性的或完備的，如2004年發(fā)表的人類基因組“全圖”并不證實(shí)或否定2001年發(fā)表的“草圖”。更重要的是，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究范式作為一種超越理論框架的“發(fā)現(xiàn)的科學(xué)”，并不采用傳統(tǒng)的歸納方法去追求事物之間的因果關(guān)系，而是通過(guò)算法和模型去探討數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。可以認(rèn)為，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究范式克服了假設(shè)驅(qū)動(dòng)的研究范式對(duì)決定論和因果關(guān)系的偏執(zhí)，進(jìn)而形成了開放式研究的認(rèn)識(shí)論新體系。

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關(guān)鍵詞：生命 生命科學(xué) 還原論 活力論 ■