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科學史可以怎麼讀:從閱讀科學史反省知識架構的嘗試

105/11/08 瀏覽次數 3521
開學不久,與教育學程的同學談到每位學習者心中都應建構自己學科內容的知識架構(framework)。大家都同意,學習者擁有知識架構,有助分辨各種資訊之間的關係,進而形成知識,並賦予知識一種切身相關的意義。知識架構其實有點像孔恩所說的典範(paradigm)、弗萊克的思維樣式(thought style),或傅科的知識型(episteme),具有影響或規範人們認知合適觀點、合宜問題、合理方法與合法知識的力量。

課後繼續與朋友交換意見,討論是否能透過引導閱讀科學史故事,讓學習者學習指認歷史主角的知識架構,希望藉此讓學習者反省知識背後的結構與其強制性。我們希望,讀者對科學史的期待,不要只停留在名人軼事或不斷糾錯進步史的提供,而是能提供素材鍛鍊學習者的反思能力。底下便是我們談到的生物史案例。

從Biology的誕生開始說起

自從19世紀初期「生物學」(biology)成為自主的學科以來,「生命是什麼」便逐漸由宗教神祕學與形上學的難題轉而成為一個「哲學–科學」的難題(今天,或許更成為哲學—科學—社會學—經濟學的難題)。20世紀上半葉,「生命是什麼」一直是科學界,特別是生物學界的熱門話題。諾貝爾物理學獎得主薛丁格(Erwin Schrödinger, 1887−1961)著名的跨領域演講集《生命是什麼?》(1944年),便開宗明義直接揭示了解謎企圖。

為了理解何謂生命,歷代科學家提出眾多解釋。這些理論逐漸被簡化二分為機械論(mechanism)與生機論(vitalism,或譯活力論)陣營。為了擺脫機械論與生機論百年爭議的糾結,20世紀初期的生物學家紛紛尋找第三條路,「系統」概念正是在這股風潮中的新嘗試。今天,系統科學內容十分豐富,想給個概括都不容易。在這裡,我只想回溯一段自己比較熟悉的歷史片段來看看機械、生機與系統觀點,對於生命的理解究竟提供了什麼樣的視野,特別是新視野對當代的我們又有何啟發。

百年爭議之一:機械論歷史中的著名實驗

機械論或者類似的物理化學主義(physico-chemicalism),認為生物體的功能與特性可以用物理或化學語言來解釋。1965年諾貝爾醫學獎得主生物學家賈克博(François Jacob, 1920−2013)便曾表示:「儘管如此複雜,生命體所表現出來的現象也不會多於其組成成分的加總。」(1972年)頗具爭議性的當代哲學家丹聶特(Daniel Dennett, 1942−)也說:「生物學不只是像工程,它就是工程。」(Biology is not just like engineering; it is engineering.)

這種以物理化學或工程的方式理解生物體,基本上都蘊含著控制的意圖。新聞中不斷出現的複製生物與基因科技,便是這種思路所展現出的研究成果與想像。

科學歷史故事中經常把德國胚胎學家威廉‧魯克斯(Wilhelm Roux, 1850−1924)於1883年左右進行的胚胎學實驗視為機械論的證實。魯克斯以灼熱的細針刺破發展至兩細胞階段青蛙卵中的一個細胞,發現被針刺的那一部分無法完整成長。根據這他提出所謂的「鑲嵌式發育理論」。

簡單來說,他認為成體各部分在胚胎中都有其對應的地方,而這些對應的部分以鑲嵌的方式存在於胚胎中。被針刺破的那一半,因破壞而無法成長。魯克斯以這樣的概念為基礎發展了實驗胚胎學,並於1894年創立一個期刊稱為《機體發展力學論文集》。從這個期刊名稱,可以很清楚地看到魯克斯認為發生學的原理應該像機械力學一般。

百年爭議之二:生機論歷史中的著名實驗

在這場綿延數百年的爭議中,站在機械論對立面的便是生機論。生機論主張生物體的本質在於非物質性的實體或性質,這種性質在不同的研究者口中擁有不同的名稱,例如,亞里斯多德稱為「entelechy」 (這個字的譯法繁多,有隱得來希、生命力、生命原理、圓極、圓滿實現等),也有學者稱為動物靈性或靈氣(animals spirit)、特殊的力(special “forces”)以及湧現特質(emergent properties)等。

這種想法在20世紀前半捲土重來盛極一時。對於這場風潮,部分學者認為是20世紀兩次大戰讓歐洲人不再完全信任物質科學,堅信物質科學的態度才會如鐘擺一般,再度擺向非物質領域尋求答案。

雖然魯克斯的理論獲得許多支持,但對生機論者來說,魯克斯忽略了生命的基本要素。對生機論者而言,當灼熱刺針放入細胞中,就可能已經破壞生命力了。抱持如此想法的德國胚胎學家德里舒(Hans Driesch, 1867−1941)為了證明生命原理不只是機械原理,於1892年進行了不同的實驗。德里舒選用不同的實驗生物與實驗方法,他不以熱針破壞,而是以輕搖的方式 把分裂至兩細胞階段的海膽卵分離。他追蹤觀察這兩個分離細胞的發育,發現兩者都會歷經胚囊、原腸胚階段,而長成完整但體型較小的長腕幼蟲。

雖然長腕幼蟲的體型較小,但是這項觀察已足以讓德里舒對魯克斯的鑲嵌理論提出強烈質疑。因為如果胚胎像機器一樣,為什麼半個機器還能發育成一個完整的新機器?

德里舒推論生命的物理化學解釋在這裡可能已達到極限,因此提出另一想法,即:胚胎應該是一個協調的、各部分潛力相等的系統。也就是說,在胚胎中應該有一種因素起作用,它按照預期的目的指導生命活動,使有機體無論在自然狀態或實驗干擾下都能發育成典型的樣態。德里舒為這引用了亞里斯多德的entelechy這個字來代表這種「具有自身內在目的」的因素。

機械論與生機論其實都無法完美回應對方陣營所提出的質疑,因為那些問題的意識都不在對方的知識架構中(對方根本不會意識到那會成問題)。為了擺脫因百年爭議而產生的觀念混淆與學派爭議,20世紀初期許多科學家都希望另闢蹊徑,系統觀念就是影響深遠的新嘗試。

第三條路:生命機體做為開放系統

因為篇幅,在這裡只能先以貝塔朗菲(Ludwig von Bertalanffy, 1901−1972)提出的「一般系統理論」(1968年)為例。貝塔朗菲從生理學研究中提出了「開放系統」(open system)的觀念,他把開放系統做為區分物理與生物現象的判準。生命系統做為開放系統,意指它們與環境之間必須不間斷地進行物質與能量交流,這樣生物才能生存。換句話說,他認為生命系統在這種物質與能量的交換中處於一種動態平衡的狀態。

過去生物學的重點大都是靜態的(共時性的),以貝塔朗菲的語言來說,重點在於研究系統的那個「維持著的狀態」,例如生理學研究中所含括的新陳代謝、能量交換、神經刺激反應等。不過,貝塔朗菲特別強調的是系統的「恆定態」(steady state)或「流動平衡」(flow equilibrium)。

過去,生物學家關注封閉系統的平衡狀態(equilibrium state),因此探討系統特定的起始條件,以及終點狀態的關係。封閉系統重視 input/output,系統外的環境基本上無關宏旨。但是,貝塔朗菲的恆定態或流動平衡狀態所關注的,卻是系統在狀態改變、元素流失至環境或自環境流入的情形下,仍能自我維持的現象。

以系統觀念來描述生命最基進之處,在於它不再把生命視為具有生命的物質(living substance),而是一個個體化與組織化的系統,因此生命的消失在於系統的解離。所有的部分(parts)與過程(processes)的組織則保證了有機系統的維持、構造、復原與自我再生。

第三條路的啟示

雖然我們從機械論、生機論介紹到系統論,但是無意暗示系統論的進步。我的重點仍是上述的那個知識架構,如果我們能不忘生物學研究的核心是回應「何謂生命」這個大哉問,那麼便可把機械論、生機論與系統論視為不同進路的解答。他們有各自的時代性、問題意識,以及構成自己專業領域的知識架構。

因此當我們把科學史素材引入科學傳播或科學教育時,除了做為有趣好玩的調劑之外,應該進一步把這些有趣的實驗或理論脈絡化。我們起碼可以討論,魯克斯、德里舒與貝塔朗菲為什麼會以那種方式提問,而做為讀者的我們又為什麼會對特定科學家的理論或實驗感到好玩。或許,當我們回答了這兩個為什麼之後,才算開始藉由科學史案例來促進思考。

當然,系統觀點終究還是無法對生命是什麼這個問題提出令人滿意的答案,但系統強調標示、關聯與過程的研究進路,不僅豐富了我們觀察自然界的視野,似乎也暗示了我們應留意不同領域知識之間可能的互動。我想系統觀點充滿啟發,至少它提醒我們,不一定要急著去尋找從未被人發現的新事物,而應先想想自己的知識架構,到底會不會讓自己老是視而不見了什麼。

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