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生命科學的特質    by 周成功 教授

      大家都知道二十世紀的科學發展，改變整個了人類的文明與生活。從本世紀初，物理學上相對論與量子論的誕生，使我們了解了一些處身外在宇宙的奧秘。我們開始對宇宙間諸多引人遐想的事物如黑洞，超新星，銀河系等得以探一究竟。太空探測技術的進步，即將引領我們去追溯一百五十億年前宇宙誕生的殘跡，去了解星體演化之流程。相信在本世紀結束之前，我們對宇宙從何而生，從何而去，將會有一個概況的認識。

基本上，我們孰悉的宇宙是一個由物理律所〝掌握〞的宇宙。從中世紀以來伽利略，牛頓優美地使用了簡單的數學，精確地描述了天體運行的規律，愛因斯坦告訴我們宇宙時空的結構。在巨觀的世界中，因果律嚴格地控制了一切事務的表現，在微觀的世界中則呈現出一幅波動與粒子交互跳躍的量子景像。物理學家信心十足地試圖把一切複雜的宇宙萬物化約成簡單的方程式。在這個方程式的世界中，時空的限制是大多不被考慮的，〝機會〞扮演的角色微不足道。未來雖然並非全然可知，但總是八九不離十，自然科學家理直氣壯地把世界代入方程式中去求一個固定的解答！

但是當我們把向外遙視星際的眼光回到自身時，有幾個人不會再度陷入另一層的玄思；生命從何而來？該往何去？科學家面對謎一樣的生命，是把它再當作一個複雜的機械看待？還是應該採取一些不同於對待山川星空的觀點？許多物理科學家執著的採取了前一種觀點，認為科學就是科學，它應該具備普遍性，縱然面對複雜的生命也不例外澈底了解這個複雜機械的每一個組成，組成的性質和它們彼此相互的關連，加在一起，生命就產生了！但是另一些傳統的生物學家則採後者的看法，認為部份的性質加起來不會等於全體甚至有些極端的看法，認為生命整體的性質是不能由各個組成份的性質推敲出來的，就像是我們把電視機拆散，檢視其中每一電阻，電容，影像管，但是我們終究無法從而知曉電視中的綜藝節目從何而來！所以他們堅持生命是不能化約的，物理化學家對生命的機械式看法是天真幼稚的。其實這一種生機論倒也不是傳統生物學家的專利，20世紀初，量子力學的諸多大師像Bohr, Schroedinger Pauli等人都曾沈迷在生命的玄思中，而認為總有一天，某些天才會在生物體中發現一些與今日 所見的物理律是完全不同的新的物理律。可是，另一方面，抱持一切都可以化約成物理方程式的科學家則視這批整體論的生物學家頭腦有問題。認為生物學家從事的是一種低層次的科學研究，甚至有人開玩笑的說，生物學家作的研究不過是另一種集郵活動罷了！生命難道真的和物理，化學，數學這些嚴謹的自然科學截然不同？科學也有高層次低層次的分別？生物科學在科學中應如何定位？

科學家對生物世界有系統的探討，起始自19世紀初期。從20世紀50年代迄今，生物學中的分子生物學與遺傳工程技術的進步，使我們對生命現象有一個全新的認識，我們現在不僅知道遺傳的祕密，為什麼龍生龍，鳳生鳳，我們也開始知道從一個受精卵怎麼開始它的發育程式，細胞如何不斷地，分化，成長出五官手足俱全的個體。我們使用相同的物理，化學，數學的語言工具來了解細胞內分子的結構，分子與分子間的作用等等。對生命現象的解釋，物理化學的取向似乎已經得到了壓倒性的勝利，然而生命的運作與岩石的墜落，山嶽的形成是完全一樣的嗎？生命已經向物理、化學 、數學完全傾訴了它的秘密了嗎？

以下我想從四個不同的角度來談談自然科學與生命科學間一些異同。一方面希望能舒緩二者間觀念上的一些衝突，另一方面，也希望就此對生命的探討有一個新的全觀。首先我想提出來的是；自然科學與生命科學研究的對象有一些基本上的差異。簡單的說，自然科學所處理的對象比較沒有時空的限制，牛頓定律在地球或在月球，在今天或在六千萬年前一律適用。但生命的起源與發展則受到嚴格的時空限制。我們所認識的生命，是在地球上發生。到目前為止，我們還沒有在太陽系其他行星，或是宇宙任何其他地方，發現生命存生的痕跡，或是有適合生命產生的環境。雖然許多人仍然堅持在浩瀚的宇宙中，應該不難找到有類似地球的行星存在。但是目前我們所認知繁複多樣的生命世界，僅侷限於地球上，則是一個不爭的事實。另一方面，地球上的生命開展了三十多億年，它有一個從簡到繁的演化的過程。所以當我們試圖去了解一些特有的生命現象時，這樣一個時空的背景，是必須要考量的！

其次，正因為生命個體的演化有時空的限制，所以生命的展現必然地蘊含了一些歷史經驗的累積。這個歷史經驗可以回溯至三十多億年前生命起源之際！這種能累積經驗的機制，是生物世界所特有的性質。生物個體透過遺傳系統，可以把建構個體的資訊完整地傳給後代。但是由於資訊本身的保存與傳遞中不斷會有錯誤發生，這樣就造成每一個體間的差異，這些差異在某種特殊時空的環境選擇下或被淘汰或被保存下來。這一套遺傳機制是無機世界中所沒有的。山川河流雖然也可以呈現歷史歲月的痕跡，但是這種經歷不能複製，也無法保存。更詳細地說，就是每一個生物個體中都有一套遺傳程式，這套程式由四個字母的遺傳密碼所組成。以人為例，人的遺傳程式是由三十億密碼個寫成，我們身上每個細胞中都保存了這一套程式。重要的是，這個三十億字母，處處都可以看出過去三十億年間生物演化的〝痕跡〞與〝智慧〞，而每個人身上遺傳密碼，都仍然不斷地在繼續發生改變，所以我們說，每個人都是獨一無二的。這種生命的獨特性在物理世界中是被漠視的!

第三，所有生命的表現都有一些特殊的意義。在物理化學的學說裡，基本上是不討論意義的。生命現象的意義有二個不同的層次，一個是指生命現象如何顯現。譬如說：為什麼身體中血糖超過某一標準時，胰臟就會釋放胰島素，而胰島素在肝細胞上如何作用，使肝細胞把多餘的血糖吸收，轉變成肝醣。探討這種機制可以利用嚴謹的生化實驗，而得到某種程度的解答。在這一層意義的探索中，生命科學家所採取的研究態度，與研究方法和其他自然科學家大同小異，大都是在嚴格控制各種外在條件下，從事精密的實驗測量。實驗的結果必須具備重現性，而且必須嚴格遵循物理，化學的基本法則。但是當我們進一步問：在哺乳動物身上，為什麼會有利用胰島素控制血糖這樣的機制那麼我們就已經觸及生命現象的演化意義了。這時我們必須開始追溯生命演化的歷史因緣。在這一層意義的探討下，我們又可以把問題再細分成二部份，一是問這樣的機制是怎麼演化而來的？而另一個問題則是問生命為什麼要從事如此的演化過程？探討這一類問題，我們沒有辦法在實驗室中直接重複演化的經歷，因此觀察與比較各種生物在解剖學或是形態學上的差異，在不同時期化石的分析等等，都成了重要的工具。就如同研究任何一個歷史問題一般，我們沒辦法百分之百精確地描述歷史事件發生的過程，但是透過多方的蒐證，我們可以把歷史事件的原貌大致拼湊出來。也正如同我們推敲許多歷史事件發生的原因一樣，偶然的機運在演化的歷程中，同樣扮演了相當重要的角色。這一類的研究方法或是理論解釋，都離精密的自然科學有一段相當的距離。但是我們如果了解了生命現象的展現，有其特殊的時空背景，而在演化的過程中有一個天擇的因素，決定誰最適合在某一時空環境中的存活；則我們對生命的現象的認識，就必須包含了它的過去。換句話說我們只有同時了解當今生命現象的運作原理及其在歷史演化中的意義，我們才能算是真正掌握了生命的全貌。

最後，生命演化的過程，另外還有一個與自然科學大不相同特點，就是對未來的不可預測性。自然科學中的重要理論，大多同時擁有很強的解釋與預測的能力。譬如說從太空物理的理論推洐，我們可以預測很多從未曾被偵測過的現象，像星球的生老死亡，重力透鏡等等。但是當觀測工具愈來愈精進之後，這些預測往往會逐漸應證，加強或修正現有的理論架構。因此對物理科學的理論來說，解釋與預測是具有同等的重要性。但是，我們幾乎完全沒有辦法利用解釋生命演化的理論來預測生物演化未來的方向。雖然演化論的確相當細膩地解釋了許多過去演化的歷程。在生物學中大多數的預測都具有高度的統計性，譬如說我們可以相當有把握地說未來一萬個出生的嬰兒中大約會有五千個男嬰，是在受孕〝前〞，誰能準確地預測下一胎是男還是女？

面對這二種科學許多觀念上巨大的差異，難道生命的運作真的可以獨立於物理學之外嗎？事實上我們如果仔細想想物理律的分子基礎，在某方面，也是完全由其統計性質來決定的。譬如說：我們可以非常準確地預測10的23次方個氣體分子的行為。但是如果氣體分子的數目降低到只剩了20個，那時候，這些氣體分子的行為就完全測不準了。特別是當混沌理論的出現後，使得許多巨觀物理世界的精確度描述變的愈來愈難，尤其當物理世界的複雜度，提高到某個臨界點之後，我們看到的是一個在規律中有混亂，在混亂中又呈現規律的奇異景像。物理律雖然仍舊嚴格的掌握了巨觀世界中每一個細微的變異，但對未來的預測的精準度卻突然地消失的無影無蹤，這不正是複雜生命世界所呈現出的特色嗎？因此從這一點來看，物質世界與生命世界的描述某方面仍然具備一些共相。

從以上的討論，我們可以看出，對生命的探索，的確會呈現出一些在研究物理、化學現象時所沒有的特性，同時也說明了，為什麼要把生命現象完全化約成物理律的運作是不可能的。但是如果我們同意這一點，豈不說生命科學是另一個具有自主性的科學嗎？那麼科學的統合只是一種天真的幻象還是確有其可行性？？其實也不儘如是，最簡單的解決之道就要開放我們的胸襟，擴大我們對科學的視野，讓科學在觀念上就能涵括生命科學的理論和它的特質。一九五六年P.C.Snow提出物理科學與人文學二種文化間有一難以橫跨的鴻溝，過去生命科學與物理科學間的許多爭議，不正也代表了科學界中一個溝通的問題嗎？如果生物學家、物理學家甚而科學哲學家能一起來努力建構一個涵括生命與無機世界的新的科學觀，這樣的努力不僅可以擴大我們對科學的視野，同時也許讓科學家在從事科學活動時，因為對生命的特質有了一些新的體認，而更容易能有一些對人文的關懷與考量！

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其實Life Sciences真的是一門涵蓋面向極為廣泛的學科

Wiki一下Life Sciences一詞，你會得到以下子學科：

不過，所有自然學科中，我特別喜愛天文學和生物學，正好可以從兩種極端的角度看這個世界：巨觀到銀河星雲；微觀到細胞DNA...無論從哪個角度，都會不自禁發出對造物主的讚嘆。