无疑,偶然性在宇宙事物中的作用问题,自第一位旧石器时代的战士偶然被石块绊倒时起,就已经为人们所辩论了。
——托夫勒(Alvin Toffl er,1928—2016)
正如美国未来学家托夫勒所说,人们关于偶然性和必然性的争论,其起源可以上溯到久远的旧石器时代。而且,在后来相当长的一段时期里,这种争论变得带有强烈的宗教和政治色彩。“是命里注定,还是自由意志,围绕它的确切含义展开了血淋淋的冲突。”
尽管经历了长期而严酷的争论,但它似乎是一个永远会引起科学家、哲学家争论的话题。尽管争论表现出的形式越来越现代化、复杂化,但争论的基本问题并没有发生实质上的改变。20世纪80年代中叶,法国著名遗传学家莫诺(Jacques Monod,1910—1976)发表了一系列著作,向以普里戈金(Ilya Prigogine,1917—2003)为首的“非平衡态热力学派”提出了挑战。莫诺指出:
近来有一类新型微妙的“泛灵论” 者——我称他们为热力学者,他们提出一些理论和公式,并试图以此为根据说明地球上的生命不可能不出现,其后的进化也不能不出现。
莫诺还点了德国科学家艾根(Manfred Eigen,1927—2019)的名。艾根用数学和物理学理论探讨分子进化,在德国也自成一个学派。艾根和普里戈金也都是诺贝尔奖得主,分别于1967和1977年获得诺贝尔化学奖。普里戈金因为在研究非平衡态热力学中,提出了著名的“耗散结构理论”(Dissipative structure theory),而且他正好是因为“研究了非平衡态热力学,特别提出了耗散结构理论”才荣获诺贝尔奖的,而莫诺也正好是以耗散结构为主要批判对象。
读者一定会好奇:这两位大师到底为什么意见不一致,以致非引起公开论战不可?他们到底谁是谁非呢?这可不是一句两句话说得清的,话还得从头说起。
首先介绍一下莫诺。
1910年2月9日,雅克·莫诺出生于巴黎,他的父亲是一位画家。1928年莫诺进入巴黎大学学习生物学,1931年获学士学位,1941年获博士学位。在准备博士论文时,沃尔夫教授对他说:要想研究生物生长问题,纤毛虫还嫌太复杂,并不是理想材料,最好改用细菌,如大肠杆菌,它既可在人工培养基中生长,又便于研究人员控制各种条件。这是一个至关重要的建议。从1937年起,莫诺就开始选用大肠杆菌作为研究材料。这是他成功的起点。
莫诺的研究课题是“细菌生长的动力学”。他利用生物统计学知识,测定细菌在含不同糖的培养基中的生长常数。在测量中,莫诺发现一个有趣而又让他迷惑不解的异常现象:当细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基中生长时,细菌首先利用葡萄糖,葡萄糖用完之后再利用乳糖;但在用完葡萄糖转而利用乳糖时,细菌似乎因为换口味有些不习惯,先停止生长一段时间,然后才开始利用乳糖。这一异常现象反映在生长曲线上,表现为在两段上升的生长曲线间,有一段平坦的直线,莫诺称为“二次生长曲线”。但他却无法对此作出解释。他问沃尔夫教授,教授也感到新奇。教授思考一会儿后说:“这可能同酶的适应性有关。”
“酶的适应性?”莫诺没听说过。
后来的事实证明,在二次生长曲线的后面,埋藏着一座金矿,就看哪个有心人能够把它开采出来。莫诺是有心人之一。为了弄清什么是“酶的适应性”,他查阅了不少文献。原来细胞里有两种酶,一种是“组成酶”,它是细菌的正常组成部分;另一种是“适应酶”(现在称为“诱导酶”),平时仅以微弱数量存在,只有当环境中出现这种酶的底物时,它才会大量产生。打个比方:“组成酶”是正规军,“适应酶”是预备役部队,当有特殊需要时,预备役部队才会作战斗动员,并迅速投入战斗。
莫诺明白了这些基本概念后,提出了一个假说用来解释“二次生长曲线”。但初战失利,他的假说被证明是错误的。
正在这时,第二次世界大战爆发,巴黎沦陷,莫诺参加了反法西斯的地下武装斗争,他的研究工作一时无法进行。莫诺是一位英勇的抵抗运动成员,为了躲避德国“盖世太保”的搜捕,他离开了巴黎大学,到巴斯德研究所工作。第二次世界大战结束后,他接任巴斯德研究所所长之职。
第一次研究的失败,使他明白要解开“二次生长曲线”之谜,需要从遗传学角度入手。正在这时,他看到德尔布吕克和卢里亚论述细菌自发突变的论文,这使他大受启发,决心从遗传学的角度深入探讨细菌中适应酶的形成。而且他也逐渐明白,他所研究的问题正好处于遗传学和生物化学的交叉点上,当时还没有人注意这一研究课题。后来,当他把自己的研究成果公布时,受到人们极大关注,莫诺也因此大受鼓舞!
经过艰苦的研究,莫诺终于弄清楚了:所谓酶的诱导,其实是一种大分子合成过程,而蛋白质大分子结构本身是稳定的。这一结论对分子生物学来说十分重要。
20世纪50年代正是细菌遗传学研究蓬勃发展的时代,莫诺的实验室里先后增加了两位重要成员:美国来的雅各布(Francois Jacob,1920—2013)和科恩(Stanley Cohen,1922—2020),这两位先后于1965年和1986年获得了诺贝尔生理学或医学奖。
在他们有效的合作中,终于解开了二次曲线之谜,提出了“信使核糖核酸”。这种模型认为,蛋白质合成的第一步,是将DNA链上的碱基顺序转录成一种与碱基互补的RNA。正是这种RNA,把遗传信息传送到核蛋白体上,因此莫诺和雅各布把它命名为“mRNA”(信使核糖核酸) 。这一假说,很快由法国生物学家伯瑞纳等人证实。mRNA的发现,是生物学家从分子水平探索遗传学规律,获得的又一项了不起的新成果。俗话说:种豆得豆,种瓜得瓜。何以会如此呢?这是一个遗传学中的奥秘,现在这一奥秘正在莫诺等人的研究中,显示出其中的奥妙和强大的生命力。
莫诺的另一个巨大成就是提出了“操纵子”学说。操纵子 由结构基因和一个“操纵基因”(它控制结构基因的转录)组成。操纵基因开放时,就可以产生mRNA;它关闭时就不能产生mRNA。这样,操纵子模型有助于解释酶的合成和噬菌体的诱导作用。
下面我们再来介绍一下普里戈金。
普里戈金于1917年1月25日生于莫斯科一位化学工程师的家庭,那年,俄国发生了“十月社会主义革命”。一场重大的社会剧变在俄国大地发生,许多不适应这场革命的家庭先后离开了俄国,到国外谋求发展。普里戈金一家也于1921年离开了莫斯科,最终在1929年定居于比利时首府布鲁塞尔。
普里戈金的读书生涯都在布鲁塞尔度过。在读书期间,普里戈金爱好极多,喜欢历史学、考古学,也非常喜爱音乐,对哲学也有经久不衰的兴趣。他曾说:“当我在阅读柏格森的《创造进化论》时我所感受到的魅力,至今记忆犹新。”
他还非常欣赏法国哲学家柏格森(Henri Bergson,1859—1941)的一句话:
当我们越是深入地分析时间的自然性质的时候,我就越会明白时间的延续就意味着发明和新形式的创造。
柏格森指明的深刻哲理,促使普里戈金在对时间的普遍性研究方面获得重大进展,以至于他敢于说“时间又一次被发现了”。
1941年,普里戈金在布鲁塞尔自由大学化学系获博士学位,十年之后被该大学聘为教授。在几十年的研究生涯中,他建立了“布鲁塞尔学派”。该学派最著名的成就是创建了一个震惊科学界的“耗散结构理论”,普里戈金本人也因为这一理论于1977年荣获诺贝尔化学奖。
在普里戈金以前,科学领域中有两个基本问题让人迷惑不解。
一是有序和无序的关系问题。按照热力学第二定律,宇宙将不断从有序转向无序,例如山会剥蚀、尘化,房子会倒塌、毁掉,人会死去,最终消失……一切都是如此;但生物进化论却无可置疑地向我们证实,生物是从简单走向复杂、从无序走向有序。例如,人这种最复杂、最有序的高级动物就是从无机物逐渐演化而来的。这两者何以如此相互矛盾?
二是可逆性问题。热力学第二定律描述的都是不可逆的现象,例如热可以从温度高的地方自动向温度低的地方传播(一杯热水慢慢冷却),但逆过程(即相反的过程)却从来没有人见过。试问:谁见过热从温度低的地方向温度高的地方自动传播(一杯冷水由于四周空气把热聚集起来,而使得杯中的冷水沸腾起来)?这从本质上说,就指明时间是有方向的。但是已建立起来的经典力学、相对论力学和量子力学里,一切过程又和时间无关,当把时间t用正值(t)或负值(-t)代入力学方程,结果完全一样。这显然又是一对矛盾。
如何解决这些矛盾?普里戈金学派从20世纪50年代起就致力于研究和解决这两组矛盾:有序无序矛盾和可逆不可逆矛盾。到1969年,他们终于取得了突破性进展,向全世界宣布了他们的“耗散结构理论”。简而言之,耗散结构的概念是相对于平衡结构的概念提出来的,它提出一个远离平衡态的开放系统,在外界的变化达到一定阈值时(远离平衡态的非平衡体系),量变可能引起质变,系统通过不断地与外界交换能量与物质,就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种新的有序状态要维持下去,必须与外界不断交换物质和能量。下面我们举一个简单的例子。
在一个金属盘子里装上一些液体,然后在盘子下用火加热。加热之前,水中的亿万分子是做无序运动,整体上水是平静地待在盘子里;当加热到相当高的温度时,上下水温相差加大,大到一定的时候(即远离原来与四周没有温差的平衡态了),上面的水往下流,下面的水往上蹿,形成上下对流运动。这并不奇怪,奇怪的是这种对流运动很有秩序,根据金属盘子的形状和其他条件的不同,会出现很漂亮的对流花纹。这时亿万分子在某种神秘的呼唤下,在宏观做非常有序的运动。无序成了有序,而且发生在远离平衡态之下;如果想使这美丽的花纹保持下去,必须不断加热,也就是水这一体系不断从外界(火)吸收(热)能量。活的人体、植物、动物,都是一个耗散结构;一个社会、城市、工厂,也是一个耗散结构。这样,耗散结构可以是生物的、物理的、化学的,也可以是社会的,因而这一理论有极广泛的应用,对自然科学、社会科学,甚至对数学理论的发展,都起到了积极的促进作用,产生了划时代的影响。最令人感兴趣的是,这一理论对于揭开生命科学之谜,也具有重大意义。正是由于它的重大理论价值,普里戈金才获得了诺贝尔奖。
莫诺正是对普里戈金用耗散结构解决生命之谜的尝试,有不同意见,并向普里戈金发起了挑战。
普里戈金认为,生命是一种高级自组织形态,也是一种耗散结构,因而生命的起源也可以从耗散结构的理论中获得启示,甚至可以揭开生命之谜。他在与尼科里斯(G.Nicolis)合著的《探索复杂性》一书中指出:
生物在其形态和功能两方面都是自然界中创造出来的最复杂最有组织的物体……它们使物理学家从中得到鼓励和启发……现在可以确信,普通的物理化学系统可以表现出复杂的性能,它们具有许多往往属于生物的特性。人们自然会问,上述的某些生物特性是否能归因于由非平衡约束引起的转变?这也许是科学家提出的一个最基本的问题。现在尚无法提出尽善尽美的答案,但人们可以联想到某些例子,其中物理化学自组织 现象同生物秩序之间的联系特别引人注意。
艾根在1978年也指出:自组织过程是一种中介,有了这种中介,生命起源的化学变化才能过渡到生物进化过程中去。
我们只着重谈莫诺十分关注的偶然性问题。耗散结构将偶然性引入了生命起源的过程中,但普里戈金并没有将生命起源归结于纯粹偶然事件。生命现象作为一个“历史客体”,在它的起源和形成过程中有许多偶然的事件在起关键性的突变作用。突变对单个生命系统来说,是非常偶然的、概率极小的事件,这是现实证明了的。也就是说,从“大数律” 来看,概率极小的事件偶然在全系综 都得以实现的条件下,其实现的概率可以是1。因而这儿所指的确定性,也有严格意义上的确定性。非但如此,“原始生命的出现”这一极偶然的事件一旦实现后,由于总体上的自催化功能(新陈代谢、自我复制和繁殖),就可以立即转化为一种严格的规律。这样,在耗散结构里,偶然性和必然性在同一过程中表现出一种不可分离的关系。
莫诺是一位严谨而又富有创造性的实验科学家,但他不满足于仅仅成为一个优秀的实验科学家,也不满足于只获得单纯、具体的科学知识,他像爱因斯坦、玻尔和普里戈金一样,喜欢探索自然科学中的哲学问题。1970年他写的《偶然性和必然性》一书,就是他关于哲学沉思的成果。
莫诺是现代达尔文主义 者,所以他既承认偶然性(如突变)的作用,也同时承认必然性(如进化)的结果。他曾说过:
突变从纯粹偶然性的范围内被延伸出以后,偶然性事件就进入必然性的范围了。
进化的普遍渐近过程,进化的循序前进,以及进化给人的顺利而稳定展开的印象,这些统统起因于那些严格的条件,而不是起因于偶然性。
但对于突变,他有不同的看法。无论是原始生命的发生,还是DNA遗传分子的突变,都是一种极偶然、概率极小的事件,而后才确定地转化为极严格的规律。这样,莫诺认为:概率极小的突变是生命产生、生物进化的唯一源泉,那么自然界的物种又有什么必然性可言呢?他在上面提到的那本书中写道:
突变是量子事件……按其本质是不能预见的。
关于人类的出现,他认为只不过是“蒙特卡洛赌场里中签得彩的一个号码”。他认为生物体是一个非常保守的系统,不变性是生物的固有属性;DNA的突变和生物进化是因为复制的错误等偶然性因素所导致的,他说:
只有偶然性才是生物界每一次革新和创造的源泉。
莫诺的观点,显然与普里戈金的观点有很大的不同。1975年,莫诺进一步阐明他的观点,还点名批评了艾根。他在《关于分子进化论》一文中指出:
生物体的特权不是进化,而是保守。说进化是生物的一个规律,那是概念上的错误……进化论的一个侧面是完全偶然性的侧面。人、社会等的存在是完全偶然的……生命在地球上的出现,在它出现之前也许是无法预言的。我们必然断言:任一特定物种包括我们人类在内的存在,都是一个独一无二的事件,一个在整个宇宙中只发生一次的事件,因而也是不可预言的……我们人类出现以前是不可预言的,我们可能不生活在这里,也可能不出现。
由莫诺的文章可以看出,他把生物体的出现看作是一种“本质上”的偶然性,也就是说是一种绝对的巧合,即使用统计方法也不能预言。
普里戈金不同意莫诺把耗散结构称为“新型的微妙的泛灵论者”,尤其不同意莫诺过分强调偶然性而否定必然性的哲学结论。他针对莫诺的观点指出:
偶然性与必然性彼此合作而并不相互对立,因而主张毫无规律性的纯粹偶然性观点是错误的。
的确,莫诺过分夸大了偶然性。他否认事物的变化是有方向的,认为生物进化完全是一种偶然出现的现象,毫无规律可言和无法预言的;并由此指责普里戈金和艾根为“泛灵论”,认为承认自然发展具有规律就等于承认“宇宙中存在一种有灵性的发展意向”。莫诺的这些哲学见解,实在太草率了。
实际上,生物的变异看起来似乎是纯属偶然,但在这种偶然性的背后它仍然受某种必然性的支配。例如,DNA分子发生突变是一件很偶然、概率极小的事件,但是这种突变在由大量(几十亿以上)个体组成的物种来说,就不再是一个偶然事件了,即突变在物种中的实现具有一种必然性。而且这种突变引起的变异,将因某种具有严格确定性的自然选择而不断严格复制出来。当然,生命群体的进化是非常复杂的现象,要把它完全弄清楚还有待时日,但这并不妨碍人们用自组织理论来定性描述和说明生物进化。
以普里戈金为首的学派用耗散结构理论,以物理学和化学中比较成熟的方法研究生物进化的方向和规律,应该说是一种很可喜的探索,而且也取得了一些有价值的突破,怎么说得上是“泛灵论”呢?据说莫诺并不真正懂得普里戈金和艾根的理论。这不奇怪,一位伟大的分子生物学家不精通物理学、数学和化学,这是常见的,而且我们也没有理由要求生物学家精通他们专业以外的知识。但是,当他们抬起头向他们专业以外的领域表示关注时,我们有理由希望他们谨慎行事;尤其在做哲学结论时,更要小心,而且最好不要随便给别人扣上一个什么“论”的帽子。
美国物理学家赛格雷(E.G.Segrè,1905—1989;1959年获诺贝尔物理学奖)曾深有感触地说过:
一旦某一规则在许多情况下都能成立时,人们就喜欢把它扩大到一些未经证明的情况中去,甚至把它当作一项“原理”。如果可能的话,人们往往还要使它蒙上一层哲学色彩,就像爱因斯坦之前人们对待时空概念那样。
莫诺发现突变的偶然性在进化过程中所起的创造性作用,并批评了机械决定论,这无疑是一个巨大的成就。但他又把突变的偶然性夸大为偶然性将主宰宇宙,那恐怕就过分了。
在科学史上我们常常可以看到,一些科学大师在做哲学概括时,常常会陷入误区。例如爱因斯坦、奥斯特瓦尔德等。为什么会这样呢?我们用费曼(Richard Feynman,1918—1988;1956年获诺贝尔物理学奖)的观点来分析,也许会让我们得到一些有益的启示。费曼曾把科学家划入探险家一类的人,而把哲学家划入旅行家行列。他说:“旅行家喜欢看到什么东西都整整齐齐;探险家则把大自然看成像他们所发现的那样。”
莫诺在他的专业领域里是一个优秀的探险家,但又希望像旅行家那样来审视一下全部的自然科学。他也许全然没有想到,当他按照自己的理解来运用“因果关系”“决定论”“偶然性”或“必然性”之类本属于哲学范畴的名词时,他根本没有仔细考虑和研究这些名词所包含的全部细节,以致像公牛闯进了瓷器店,引起了一阵混乱。尤其在不太了解别人研究的内容时,只因为别人稍稍涉及一些与哲学有关的命题,便立即做出过激的哲学上的反应。这样,他恐怕非失足不可。
我们还记得爱因斯坦(Albert Einstein,1879—1955)晚年所陷入的误区吗?他于1942年写给朋友的一封信中说:
偷看上帝的底似乎是很困难的。但是我一刻也不能相信上帝会掷骰子并使用“传心术”的手段(就像目前的量子理论所设想他做的那样)。
爱因斯坦对量子力学理论的态度,真有点像莫诺对待耗散结构理论的态度,一个用“掷骰子”“传心术”来嘲讽对方,一个则用“泛灵论”来驳斥不同意见的人。而他们的对方,则是热忱的探险家,被大自然的无限奥妙所激动,决心更深入地去探幽索微,以饱眼福。
当然,这并非说科学家不应该做哲学的反思。反思是必不可少的;事实上,科学研究,尤其是涉及一些基本原理的研究,是离不开哲学思想导引的。即使历史上由于哲学的独断曾经损害过科学,我们也绝不能因此而菲薄甚至厌恶哲学;即使自然科学家涉足哲学领域时容易陷入误区,我们也不能因此持敬而远之的态度。
玻恩晚年曾深有体会地说过一段话,这段话一定会引起我们的关注和深思。他说:
关于哲学,每一个现代科学家,特别是每一个理论物理学家,都深刻地意识到自己的工作是同哲学思维错综地交织在一起的,要是没有充分的哲学知识,他的工作就会是无效的。在我自己的一生中,这是一个最主要的思想。