例談生物學科學史上的類比方法

俞麗萍

(江蘇省泰州學院 225300)

類比是一種極具啟發性、靈活性和創造性的推理方法，在生物學科學發展史上起過十分重要的作用，生物學科學史上很多重大發現、發明，往往開始于類比。在生物學研究“山窮水盡疑無路”時,往往通過類比的方法“柳暗花明又一村”。類比在生物學科學發展過程中的作用主要表現在以下幾個方面：

1啟發探索思路

類比的啟發作用是把新生事物與已知事物類比，從中得到啟發或解決問題的線索、途徑，并將類比推理的結論作為起點，探索新生事物的特殊本質規律。科學假說的提出中類比發揮了重要的啟發作用。當舊理論不能解釋新的事實、現象時，根據已知的科學原理和事實，對未知的自然現象與規律提出試探性理論即假說，當然假說成為科學理論還需要實驗驗證。類比能展開聯想，開拓思路，在百思不得其解的情況下提出可能的途徑。所以，類比方法適合運用于探索性、預測性的科學探究活動。

例如，法國細菌學家卡爾美和介林研制成功了結核病菌疫苗即卡介苗，就是通過類比得到的啟發。有一次，卡爾美和介林來到巴黎郊區的農場，兩人邊散步邊討論“琴納在牛身上取得了牛痘疫苗的成功，為什么我們把結核病菌在羊身上做試驗卻失敗了呢？”兩人百思不得其解，不知不覺走到一片玉米地旁，看到那里生長的玉米植株葉子枯黃、穗粒很小，土地卻并不貧瘠，于是就問農場主是什么原因？農場主告訴他們：“這種玉米引種到這里十幾代了，退化了，所以一代不如一代。”“什么？退化！”兩人幾乎異口同聲地重復“退化”這個詞，便聯想到：如果把毒性強的結核病菌一代一代地培育下去，許多代后結核病菌的毒性是否也會退化呢？如果結核病菌的毒性退化了，把它注射到人體內，不就可以使人體產生抗體而獲得對結核病菌的免疫力嗎？兩人匆匆趕回實驗室，埋頭于結核病菌的定向培育研究。終于經過230次的移種，得到了完全失去毒性的結核病菌，終于找到了控制結核病菌的有效方法。

又如，達爾文通過種養植物、動物的科學試驗研究，并查閱了大量國內外研究資料,發現了人工選擇原理。然后達爾文根據人工選擇的原理,運用類比方法推演至自然界，從而發現了自然選擇原理。他通過比較，發現了人工養殖的生物與自然環境下的生物具有以下相似性：生物都存在程度不等的變異, 且這些變異都是可遺傳的；變異都是生物自發產生的,人類不能創造和阻止變異；人工養殖的生物產生的變異對人類有益,自然環境下生物產生的變異有利于該物種的生存。有益于人類的變異是人工選擇的結果，通過類比可以得出—有利于物種生存的變異是自然選擇的結果[3]。

2解釋新生事物

當人們遇到一個新的事物或現象時，總想探究這個新事物的本質，弄清新現象產生的機制，也就是說，力圖用一個熟悉事物的原理知識，去解釋與其有著某些相似特征的未知事物或現象，這就是類比的解釋作用。

例如，早期人們用熟悉的機器類比生命過程。達·芬奇證明動物的骨骼如同杠桿一樣發生作用。博雷里認為心臟像氣筒里的活塞一樣起作用，把肺當作一對鼓風箱，而胃就像一種研磨器，但這些機械運動卻無法解釋發育、神經活動等生命現象。煉金術為生命功能提供了化學類比。巴拉塞爾蘇斯認為，人體所有的生理過程都是基于化學的轉變，這些轉變由人體內部的煉金術所控制。他主張應該通過化學分析的方法來分析疾病過程，如類比酒桶沉淀出的物質，把痛風和痛風性關節炎劃分為含酒石酸的疾病，因為痛風涉及一種被稱為尿酸的消化性產物在局部的沉淀，可見類比得出的結論不一定正確。

再如，1969年獲諾貝爾醫學獎的盧里亞因為“對于細菌自發變異的證實”的實驗而聞名遐邇。當時多數生物學家認為抗噬菌體細菌的產生是在噬菌體誘導下產生的。盧里亞憑直覺認為是基因的隨機突變，卻沒有實驗證據支持，最終實驗的靈感來自于老虎機。在一次教師舞會間隙，盧里亞看到一位同事在給老虎機喂銅板，這是一種賭博工具，多數情況不會中獎，少數情況會得一些小獎，極少可能會有大獎，但不料這位同事竟意外得了一個大獎。這使得盧里亞很尷尬，但他卻得到了一個重要的啟迪：細菌的突變機會與這個中獎機會具有相似的特征：兩者都是隨機事件，而且是不均勻分布的。盧里亞這樣推理：①假如細菌的抗性是受噬菌體的誘導而產生的，當噬菌體與細菌接觸時，少數幸運的細菌就會同時產生抗性，后代分布是均勻的，即不會有大獎產生；②假如細菌突變的產生是隨機的、不同時的，則突變與噬菌體加入的時間無關，后代分布是不均勻的，突變越早菌落越大即大獎，突變越晚菌落越小即小獎。后來盧里亞根據這個類比推理設計實驗，證明了細菌突變是自發的、隨機的，與環境無關。

此外，分子遺傳學家雅各布和莫諾類比了控制論中負反饋的原理，合理解釋了大腸桿菌利用乳糖的遺傳調控機理，因此獲得諾貝爾生理獎。而達爾文用生存競爭來解釋自然選擇的原因，也是運用的類比方法。偶然的機會達爾文閱讀了馬爾薩斯的《人口論》, 馬爾薩斯認為：人口是按幾何級數增加的,而人生存所需要的食物卻按算術級數增加,過多的人口為了獲得有限的食物,必然會出現生存競爭[4]。達爾文由此推理：人類是生物的一種 ,生物的數量也是按幾何級數增加,生物生存所需條件也按算術級數增加，人類會出現生存競爭現象，那么生物也會出現生存競爭現象，自然選擇是通過生存競爭來實現的。

3模擬實驗基礎

自然界的有些事物和現象是無法通過直接實驗去再現和認識的。如生物的進化在時間上極為古老，延續時間太長難以等待，射線對人體的影響危及人身或有損道德等。這就需要用模擬實驗的方法來進行研究。模擬實驗是以模型與原型之間的相似性為依據，只有相似，才能將模擬實驗的結論推移到真實的原型上去。因此，模擬實驗的邏輯基礎正是類比。

例如，20世紀50年代，蘇聯科學家奧巴林和美國科學家尤里提出了生命起源的化學演化過程假說，認為生命是在地球的原始大氣中產生的。這個假說是否正確，則要通過科學實驗加以驗證。但是，進行直接的科學實驗受到客觀條件的限制：無法直接觀察幾十億年前發生的變化(化學分子很難形成化石，即使偶爾有形成，也因分子化石太微小，人類很難發掘與發現)，現代地球與原始地球上的大氣成分、周圍環境變化顯著，所以無法進行直接的驗證。1953年，尤里的學生米勒模擬原始大氣，用6萬伏的電壓連續進行火花放電模擬閃電，終于在8晝夜后得到了氨基酸等有機物，證明了原始大氣中的無機物在當時的條件下能夠自然合成有機物。其邏輯依據是：實驗室的大氣成分和環境條件與原始地球相似，在實驗室進行化學合成得出的結論，可以推論出生命起源的化學演化過程。

4獲得重要發現

類比在生物學研究中能啟迪思維，提供線索，有時能獲得重要的科學發現。

例如，細胞學說的建立者施萊登通過觀察實驗得出植物體的基本組成單位是細胞，施旺知道這個信息后，意識到動物很可能與植物一樣。于是，他對各種動物的結構組成進行觀察研究，最終發現動物的基本組成單位也是細胞。DNA模型建立的過程中，沃森和克里克根據“蛋白質的空間結構呈螺旋型”類比推理到“DNA的空間形狀可能也呈螺旋型”。于是，他們修改了原來構建的DNA模型，并將新的模型與DNA分子的X射線照片比較，最終證實了DNA呈螺旋型是正確的。

又如，美國科學家甘特·布洛貝爾，因發現蛋白質 “定位地址簽”,榮獲了1999年諾貝爾生理學或醫學獎。布洛貝爾類比了人們日常生活中遇到過的尷尬經歷：因為將郵政編碼或地址寫錯了，導致信件無法準確地送到目的地。他由此聯想到各種蛋白質分子，是否也會有類似的情況發生：在運輸過程中如何準確地定位找到自己的位置從而承擔其應有的功能？正是在這樣的類比想象的啟發下, 布洛貝爾通過不斷實驗終于發現不同蛋白質分子的特定氨基酸鏈構成了定位地址信號，具有類似人類郵政編碼的定位作用，保證了蛋白質分子的準確傳輸。不同的蛋白質分子具有不同的“定位地址簽”,運輸到不同的位置，承擔不同的任務。

5發展科學方法

系統生物學是將系統科學方法引入生物學的研究, 利用系統論的方法，從整體的高度分析研究生命的復雜特征，這是對傳統生物學科學方法的一種挑戰。系統生物學產生的思想根源在于類比綜合思維。當然，生物學科學的研究也為其他學科的發展提供了類比推理的依據。

例如，人們模仿蒼蠅的楫翅制成了“振動陀螺儀” 實現了火箭和高速飛機的自動駕駛；蝙蝠的回聲定位導致了聲納的發明；計算機對于腦的模擬；維納把生物體內維持穩態的反饋調控過程類比為自動控制機器,據此創建了控制論，它揭示了人的神經、感覺機能與機器的通信和控制機能的相似之處，促進了現代科學思維方式的變革，提供了嶄新的科學方法。