例談生物學(xué)科學(xué)史上的類比方法

俞麗萍

(江蘇省泰州學(xué)院 225300)

類比是一種極具啟發(fā)性、靈活性和創(chuàng)造性的推理方法，在生物學(xué)科學(xué)發(fā)展史上起過(guò)十分重要的作用，生物學(xué)科學(xué)史上很多重大發(fā)現(xiàn)、發(fā)明，往往開(kāi)始于類比。在生物學(xué)研究“山窮水盡疑無(wú)路”時(shí),往往通過(guò)類比的方法“柳暗花明又一村”。類比在生物學(xué)科學(xué)發(fā)展過(guò)程中的作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1啟發(fā)探索思路

類比的啟發(fā)作用是把新生事物與已知事物類比，從中得到啟發(fā)或解決問(wèn)題的線索、途徑，并將類比推理的結(jié)論作為起點(diǎn)，探索新生事物的特殊本質(zhì)規(guī)律。科學(xué)假說(shuō)的提出中類比發(fā)揮了重要的啟發(fā)作用。當(dāng)舊理論不能解釋新的事實(shí)、現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)已知的科學(xué)原理和事實(shí)，對(duì)未知的自然現(xiàn)象與規(guī)律提出試探性理論即假說(shuō)，當(dāng)然假說(shuō)成為科學(xué)理論還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。類比能展開(kāi)聯(lián)想，開(kāi)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(yùn)用于探索性、預(yù)測(cè)性的科學(xué)探究活動(dòng)。

例如，法國(guó)細(xì)菌學(xué)家卡爾美和介林研制成功了結(jié)核病菌疫苗即卡介苗，就是通過(guò)類比得到的啟發(fā)。有一次，卡爾美和介林來(lái)到巴黎郊區(qū)的農(nóng)場(chǎng)，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(jié)核病菌在羊身上做試驗(yàn)卻失敗了呢？”兩人百思不得其解，不知不覺(jué)走到一片玉米地旁，看到那里生長(zhǎng)的玉米植株葉子枯黃、穗粒很小，土地卻并不貧瘠，于是就問(wèn)農(nóng)場(chǎng)主是什么原因？農(nóng)場(chǎng)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(fù)“退化”這個(gè)詞，便聯(lián)想到：如果把毒性強(qiáng)的結(jié)核病菌一代一代地培育下去，許多代后結(jié)核病菌的毒性是否也會(huì)退化呢？如果結(jié)核病菌的毒性退化了，把它注射到人體內(nèi)，不就可以使人體產(chǎn)生抗體而獲得對(duì)結(jié)核病菌的免疫力嗎？?jī)扇舜掖亿s回實(shí)驗(yàn)室，埋頭于結(jié)核病菌的定向培育研究。終于經(jīng)過(guò)230次的移種，得到了完全失去毒性的結(jié)核病菌，終于找到了控制結(jié)核病菌的有效方法。

又如，達(dá)爾文通過(guò)種養(yǎng)植物、動(dòng)物的科學(xué)試驗(yàn)研究，并查閱了大量國(guó)內(nèi)外研究資料,發(fā)現(xiàn)了人工選擇原理。然后達(dá)爾文根據(jù)人工選擇的原理,運(yùn)用類比方法推演至自然界，從而發(fā)現(xiàn)了自然選擇原理。他通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)了人工養(yǎng)殖的生物與自然環(huán)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(fā)產(chǎn)生的,人類不能創(chuàng)造和阻止變異；人工養(yǎng)殖的生物產(chǎn)生的變異對(duì)人類有益,自然環(huán)境下生物產(chǎn)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(jié)果，通過(guò)類比可以得出—有利于物種生存的變異是自然選擇的結(jié)果[3]。

2解釋新生事物

當(dāng)人們遇到一個(gè)新的事物或現(xiàn)象時(shí)，總想探究這個(gè)新事物的本質(zhì)，弄清新現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制，也就是說(shuō)，力圖用一個(gè)熟悉事物的原理知識(shí)，去解釋與其有著某些相似特征的未知事物或現(xiàn)象，這就是類比的解釋作用。

例如，早期人們用熟悉的機(jī)器類比生命過(guò)程。達(dá)·芬奇證明動(dòng)物的骨骼如同杠桿一樣發(fā)生作用。博雷里認(rèn)為心臟像氣筒里的活塞一樣起作用，把肺當(dāng)作一對(duì)鼓風(fēng)箱，而胃就像一種研磨器，但這些機(jī)械運(yùn)動(dòng)卻無(wú)法解釋發(fā)育、神經(jīng)活動(dòng)等生命現(xiàn)象。煉金術(shù)為生命功能提供了化學(xué)類比。巴拉塞爾蘇斯認(rèn)為，人體所有的生理過(guò)程都是基于化學(xué)的轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變由人體內(nèi)部的煉金術(shù)所控制。他主張應(yīng)該通過(guò)化學(xué)分析的方法來(lái)分析疾病過(guò)程，如類比酒桶沉淀出的物質(zhì)，把痛風(fēng)和痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎劃分為含酒石酸的疾病，因?yàn)橥达L(fēng)涉及一種被稱為尿酸的消化性產(chǎn)物在局部的沉淀，可見(jiàn)類比得出的結(jié)論不一定正確。

再如，1969年獲諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的盧里亞因?yàn)椤皩?duì)于細(xì)菌自發(fā)變異的證實(shí)”的實(shí)驗(yàn)而聞名遐邇。當(dāng)時(shí)多數(shù)生物學(xué)家認(rèn)為抗噬菌體細(xì)菌的產(chǎn)生是在噬菌體誘導(dǎo)下產(chǎn)生的。盧里亞憑直覺(jué)認(rèn)為是基因的隨機(jī)突變，卻沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持，最終實(shí)驗(yàn)的靈感來(lái)自于老虎機(jī)。在一次教師舞會(huì)間隙，盧里亞看到一位同事在給老虎機(jī)喂銅板，這是一種賭博工具，多數(shù)情況不會(huì)中獎(jiǎng)，少數(shù)情況會(huì)得一些小獎(jiǎng)，極少可能會(huì)有大獎(jiǎng)，但不料這位同事竟意外得了一個(gè)大獎(jiǎng)。這使得盧里亞很尷尬，但他卻得到了一個(gè)重要的啟迪：細(xì)菌的突變機(jī)會(huì)與這個(gè)中獎(jiǎng)機(jī)會(huì)具有相似的特征：兩者都是隨機(jī)事件，而且是不均勻分布的。盧里亞這樣推理：①假如細(xì)菌的抗性是受噬菌體的誘導(dǎo)而產(chǎn)生的，當(dāng)噬菌體與細(xì)菌接觸時(shí)，少數(shù)幸運(yùn)的細(xì)菌就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生抗性，后代分布是均勻的，即不會(huì)有大獎(jiǎng)產(chǎn)生；②假如細(xì)菌突變的產(chǎn)生是隨機(jī)的、不同時(shí)的，則突變與噬菌體加入的時(shí)間無(wú)關(guān)，后代分布是不均勻的，突變?cè)皆缇湓酱蠹创螵?jiǎng)，突變?cè)酵砭湓叫〖葱—?jiǎng)。后來(lái)盧里亞根據(jù)這個(gè)類比推理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明了細(xì)菌突變是自發(fā)的、隨機(jī)的，與環(huán)境無(wú)關(guān)。

此外，分子遺傳學(xué)家雅各布和莫諾類比了控制論中負(fù)反饋的原理，合理解釋了大腸桿菌利用乳糖的遺傳調(diào)控機(jī)理，因此獲得諾貝爾生理獎(jiǎng)。而達(dá)爾文用生存競(jìng)爭(zhēng)來(lái)解釋自然選擇的原因，也是運(yùn)用的類比方法。偶然的機(jī)會(huì)達(dá)爾文閱讀了馬爾薩斯的《人口論》, 馬爾薩斯認(rèn)為：人口是按幾何級(jí)數(shù)增加的,而人生存所需要的食物卻按算術(shù)級(jí)數(shù)增加,過(guò)多的人口為了獲得有限的食物,必然會(huì)出現(xiàn)生存競(jìng)爭(zhēng)[4]。達(dá)爾文由此推理：人類是生物的一種 ,生物的數(shù)量也是按幾何級(jí)數(shù)增加,生物生存所需條件也按算術(shù)級(jí)數(shù)增加，人類會(huì)出現(xiàn)生存競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，那么生物也會(huì)出現(xiàn)生存競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，自然選擇是通過(guò)生存競(jìng)爭(zhēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

自然界的有些事物和現(xiàn)象是無(wú)法通過(guò)直接實(shí)驗(yàn)去再現(xiàn)和認(rèn)識(shí)的。如生物的進(jìn)化在時(shí)間上極為古老，延續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)難以等待，射線對(duì)人體的影響危及人身或有損道德等。這就需要用模擬實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行研究。模擬實(shí)驗(yàn)是以模型與原型之間的相似性為依據(jù)，只有相似，才能將模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)論推移到真實(shí)的原型上去。因此，模擬實(shí)驗(yàn)的邏輯基礎(chǔ)正是類比。

例如，20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)科學(xué)家?jiàn)W巴林和美國(guó)科學(xué)家尤里提出了生命起源的化學(xué)演化過(guò)程假說(shuō)，認(rèn)為生命是在地球的原始大氣中產(chǎn)生的。這個(gè)假說(shuō)是否正確，則要通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。但是，進(jìn)行直接的科學(xué)實(shí)驗(yàn)受到客觀條件的限制：無(wú)法直接觀察幾十億年前發(fā)生的變化(化學(xué)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(fā)掘與發(fā)現(xiàn))，現(xiàn)代地球與原始地球上的大氣成分、周?chē)h(huán)境變化顯著，所以無(wú)法進(jìn)行直接的驗(yàn)證。1953年，尤里的學(xué)生米勒模擬原始大氣，用6萬(wàn)伏的電壓連續(xù)進(jìn)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(jī)物，證明了原始大氣中的無(wú)機(jī)物在當(dāng)時(shí)的條件下能夠自然合成有機(jī)物。其邏輯依據(jù)是：實(shí)驗(yàn)室的大氣成分和環(huán)境條件與原始地球相似，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)合成得出的結(jié)論，可以推論出生命起源的化學(xué)演化過(guò)程。

4獲得重要發(fā)現(xiàn)

類比在生物學(xué)研究中能啟迪思維，提供線索，有時(shí)能獲得重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

例如，細(xì)胞學(xué)說(shuō)的建立者施萊登通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)得出植物體的基本組成單位是細(xì)胞，施旺知道這個(gè)信息后，意識(shí)到動(dòng)物很可能與植物一樣。于是，他對(duì)各種動(dòng)物的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行觀察研究，最終發(fā)現(xiàn)動(dòng)物的基本組成單位也是細(xì)胞。DNA模型建立的過(guò)程中，沃森和克里克根據(jù)“蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)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(lái)構(gòu)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(shí)了DNA呈螺旋型是正確的。

又如，美國(guó)科學(xué)家甘特·布洛貝爾，因發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì) “定位地址簽”,榮獲了1999年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。布洛貝爾類比了人們?nèi)粘Ｉ钪杏龅竭^(guò)的尷尬經(jīng)歷：因?yàn)閷⑧]政編碼或地址寫(xiě)錯(cuò)了，導(dǎo)致信件無(wú)法準(zhǔn)確地送到目的地。他由此聯(lián)想到各種蛋白質(zhì)分子，是否也會(huì)有類似的情況發(fā)生：在運(yùn)輸過(guò)程中如何準(zhǔn)確地定位找到自己的位置從而承擔(dān)其應(yīng)有的功能？正是在這樣的類比想象的啟發(fā)下, 布洛貝爾通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)終于發(fā)現(xiàn)不同蛋白質(zhì)分子的特定氨基酸鏈構(gòu)成了定位地址信號(hào)，具有類似人類郵政編碼的定位作用，保證了蛋白質(zhì)分子的準(zhǔn)確傳輸。不同的蛋白質(zhì)分子具有不同的“定位地址簽”,運(yùn)輸?shù)讲煌奈恢茫袚?dān)不同的任務(wù)。

5發(fā)展科學(xué)方法

系統(tǒng)生物學(xué)是將系統(tǒng)科學(xué)方法引入生物學(xué)的研究, 利用系統(tǒng)論的方法，從整體的高度分析研究生命的復(fù)雜特征，這是對(duì)傳統(tǒng)生物學(xué)科學(xué)方法的一種挑戰(zhàn)。系統(tǒng)生物學(xué)產(chǎn)生的思想根源在于類比綜合思維。當(dāng)然，生物學(xué)科學(xué)的研究也為其他學(xué)科的發(fā)展提供了類比推理的依據(jù)。

例如，人們模仿蒼蠅的楫翅制成了“振動(dòng)陀螺儀” 實(shí)現(xiàn)了火箭和高速飛機(jī)的自動(dòng)駕駛；蝙蝠的回聲定位導(dǎo)致了聲納的發(fā)明；計(jì)算機(jī)對(duì)于腦的模擬；維納把生物體內(nèi)維持穩(wěn)態(tài)的反饋調(diào)控過(guò)程類比為自動(dòng)控制機(jī)器,據(jù)此創(chuàng)建了控制論，它揭示了人的神經(jīng)、感覺(jué)機(jī)能與機(jī)器的通信和控制機(jī)能的相似之處，促進(jìn)了現(xiàn)代科學(xué)思維方式的變革，提供了嶄新的科學(xué)方法。