·基于物理學領域科學活動提出的“范式”概念，在生命科學領域具有什么樣的特征與作用?通過對20世紀初期孟德爾定律的重新發現之分析可以看到，生命科學范式是由科學假設和實驗所組成，其中假設是實驗設計和結果解釋的依據，實驗則是假設的檢驗標準;二者之間有著復雜的相互作用，既有基于實驗的客觀性，又有一定的理論彈性，并且不同的生命科學范式在實驗的“客觀標準”之上具有“可通約性”。

現代遺傳學奠基人孟德爾(G. Mendel)。1866年，他在《布爾諾自然研究學會會刊》發表了遺傳學史上最著名的研究論文《植物雜交實驗》，但其研究成果被忽視長達35年之久。

2022年是美國科學哲學家和科學史家庫恩(T. Kuhn)的《科學革命的結構》(The Structure of Scientific Revolution，以下簡稱《結構》)發表60周年。該書從出版時鮮為人知到今天被哲學界和科學史界廣為關注。據統計，在社會科學研究中被引用最多的25本著作里，該書排名第一。

《結構》為理解科學的特征和發展規律提供了許多獨到的概念和觀點，其中當屬“范式”(paradigm)一詞最具影響力。這個術語是《結構》一書中最為重要的概念，但又是一個最容易引起歧義的概念。不同的讀者往往給出不同的說法，即使是庫恩本人也有過不同的解釋。一篇文章分析指出，“范式”一詞在《結構》中就以21種不同方式使用過。時至今日，學術界一方面廣泛使用“范式”來描述各種類型的科學活動，一方面繼續爭論這個概念的內涵和外延。為紀念《結構》發表60周年，最近自媒體“知識分子”聯合沙龍“科學四十人”組織了一場“科學四十人閉門耕”座談會，從不同視角對“范式”進行了討論[1]。筆者應邀參加了這次討論，進而也引發了筆者新的思考。作為物理學博士，庫恩在《結構》中主要是通過梳理物理學領域既往的科學活動來解析“范式”的特征與作用。由此引出了這樣一個問題：“范式”在不同的科學領域是否具有不同的特征與作用?本文擬通過分析生命科學史的一個著名案例——孟德爾定律的重新發現——來探討這個問題。

從孟德爾研究被忽視看范式的作用

2022年是現代遺傳學奠基人孟德爾(G. Mendel)誕辰200周年。在最近剛出版的《孟德爾傳：被忽視的巨人》一書中，作者商周按照生命科學領域的科學家貢獻大小，把孟德爾排在僅次于達爾文(C. Darwin)的第二把“交椅”上[2]。但需要注意的是，從該書的書名上可以看到，孟德爾在科學史上最受人關注的還不僅僅因為他是一位科學巨匠，更是因為他的研究成果被當時的生物學界忽視長達35年之久，到了1900年前后才被重新發現。這一事件已成為了現代遺傳學誕生的“里程碑”。為此，德國學者斯多倍(H. Stubbe)在寫遺傳學史時用了這樣一個書名：“遺傳學史——從史前期到孟德爾定律的重新發現”[3]。

孟德爾經過近10年的豌豆雜交研究，于1866年在《布爾諾自然研究學會會刊》上發表了遺傳學史上最著名的研究論文《植物雜交實驗》，提出了遺傳學的兩個基本規律——“分離定律”和“自由組合定律”。然而，他的論文發表之后沒有得到當時科學界的關注，引用者屈指可數[2];更糟糕的是，那寥寥數位引用者中并沒有一個真正讀懂其論文的，甚至沒人注意到文中所提出的遺傳學規律，“這些引用對孟德爾的研究的傳播幾乎沒有起到任何作用”[2]。當時國際一流的植物學家——德國慕尼黑大學馮·內格里(C. N?geli)教授——收到孟德爾專門寄來的論文單行本之后，給孟德爾寫了封回信;但是，“從他對孟德爾的論文的批評意見來看，很清楚，他沒有認識到它的重要性”[3]。在最近一篇紀念孟德爾的文章中，牛津大學的納斯邁斯(K. Nasmyth)博士對內格里也給出了類似的判斷：“他或者是不能理解和欣賞這篇論文，或者僅僅是不想這樣做”[4]。

為什么孟德爾的那篇遺傳學經典論文沒有得到重視并且被忽視如此之久?比較常見的理由是，當時的研究者無意中忽略了孟德爾的原創性研究。然而，越來越多的證據表明，當時的科學界并不是無意識地疏忽，而是有意識地排斥了孟德爾的研究結果。例如，內格里教授實際上很熟悉孟德爾的研究工作，他和孟德爾保持了長達8年的通信;他不僅與孟德爾交流植物雜交實驗中的經驗，還向孟德爾要豌豆種子做試驗[2,3]。但是，在內格里于1884年發表的巨著《生命進化的機械生理學理論》里，雖然提到了許多植物雜交和遺傳的內容，卻對孟德爾的工作只字未提[2]。這同樣也是斯多倍總結這段歷史時所看到的問題：“達爾文熟悉文獻記載的所有古代的生殖和遺傳理論，精細地分析了早期研究者的發現，并把其中的精華收入他的著作中，可是竟然沒有讀過孟德爾的關鍵性論文，這真是遺傳學史上難以理解的事實之一”[3]。

今天的人們顯然難以確定那時的學術界有意識排斥孟德爾的真正原因。但值得注意的是，從孟德爾1867年寫給內格里的一封信里，孟德爾自己當時就已經預見到了可能發生的情況：“我知道我得到的結果不容易與我們當代的科學知識相容，而且在這種情況下發表這樣一個孤立的實驗會面臨雙重風險，即對實驗者和他所代表的事業都是危險的”[2]。在當時的生物學界，流行的是“泛生論”(pangenesis)這樣的遺傳假說。就在孟德爾發表其論文不久，達爾文提出了基于“泛生論”的遺傳假說——“暫定的泛生說”，即“發育中的生物體的每一個細胞都能產生出無數個細小的芽球，它們彼此各不相同，負責每一種性狀和器官的形成。……每當細胞分裂時，它們就進入子細胞并能在身體里自由流動，進入了生殖細胞就保證把它們傳遞給子代”[5]。斯多倍對達爾文的“暫定的泛生說”是這樣評價的：“這個假說是兩千多年以來，幾乎在每一個世紀中，都以各種猜測形式出現的泛生原理的進一步發展”[3]。

而孟德爾的研究明顯地背離了“泛生論”的基本假設——體內各種攜帶特定性狀的芽球進入生殖細胞并融合成為一個完整的遺傳單位。他在《植物雜交實驗》論文中明確指出：“本實驗的目標是觀察研究每對可區分性狀在雜交種的變化，并推斷出它們在連續幾個世代的后代中出現的規律。根據實驗植物中存在的不同性狀的數目，該實驗本身也被相應地分解為同樣多的單獨實驗”[2]。在研究實施過程中，孟德爾根據豌豆的7個性狀分別進行了7個獨立的雜交實驗。也就是說，孟德爾把單個性狀視為一個基本的、獨立的遺傳單位(遺傳因子)，彼此之間不會發生混合或者融合。這里可以借用物理學打個比喻：“泛生論”相當于光的“波動學說”——性狀的遺傳是連續性的行為;而孟德爾的研究相當于光的“粒子學說”——性狀的遺傳是離散性的行為。

顯然，孟德爾的研究思路和研究成果都跳出了“泛生論”的理論框架，從而得不到那些認同“泛生論”觀點的研究者之理解，并被排斥。正如斯多倍對內格里的評價中所強調的：“他那個時代的科學思想，不可能理解孟德爾論文所包含的命題的創見，遺傳的不是一個個體的全貌，而是一個個性狀”[3]。由此可見，在生命科學領域，研究者的實驗設計、觀測和解釋都離不開某種理論框架。這種理論框架通常由相應的概念與假設組成，對研究者的思考與實踐具有引導和約束作用。美國著名生物學史家瑪格納(L. N. Magner)這樣認為;“說孟德爾是被人曲解了也許比說他完全被人忽視更恰當一些。孟德爾似乎給他的同時代人提供的是‘純粹事實’，因為其中沒有把他的工作聯系上去的、能稱之為邏輯理論的理論框架”[6]。

遺傳學是一門實驗科學。孟德爾被忽視的另一個重要原因是他的實驗方法超越了他的那個時代；“孟德爾的研究方法與現代科學的完全一致，而達爾文的研究方法則屬于不同的時代”[4]。在19世紀“泛生論”流行的時期，實驗生物學也才起步不久。細胞學說建立于1830年代，隨后研究者就開始了細胞的內部結構和生長活動的研究;如內格里于1842年研究顯花植物的花粉形成，發現兩個子細胞的細胞核是由親代細胞的細胞核分裂而產生的[3]。然而，在孟德爾進行雜交實驗和論文發表的那段時間里，人們對細胞的結構細節和活動規律之認識還比較初淺，尤其是對細胞核內的遺傳物質載體——染色體——還沒有了解清楚。牛津大學的納斯邁斯在最近那篇紀念孟德爾的文章中就明確指出：“涉及孟德爾被忽視的一個關鍵就是：染色體以及它們在遺傳中的角色尚未得到描述，由此阻礙了任何試圖給孟德爾的觀點提供物質基礎的嘗試”[4]。內格里當時在給孟德爾的回信中也曾這樣說過：“到目前為止，我們還沒有完整的一系列實驗可以為最重要的結論提供不可辯駁的證據”[2]。

由此可見。生命科學領域的“范式”是由特定的概念與假設以及相應的實驗(觀察)所構成。這種“范式”作為研究者進行思考的平臺，對研究者不僅發揮著正向的指導作用，而且有可能產生負向的約束作用，像一扇窗戶限制住人們觀察事物的視野。學術界流傳著這樣一種看法，假如達爾文讀過孟德爾的研究論文，就有可能采用孟德爾遺傳理論補上其進化論的短板。但是，納斯邁斯在最近紀念孟德爾的文章中認為，“鑒于達爾文持有明顯不同于孟德爾關于(植物)受精的觀點——相信受精需要多粒花粉，因此很有可能的情況是，即使他得到了一份孟德爾的論文，他也可能掌握不了該論文的要義”[4]。值得指出的是，達爾文在看待學術界對他的進化論之反應時與孟德爾一樣的悲觀——他在《物種起源》一書結尾中這樣寫到：“雖然我完全相信本書在提要的形式下提出來的觀點是真實的，但是我決不期望說服富有經驗的自然學者，他們的思想在悠久的歲月中裝滿了那些用與我的觀點直接相反的觀點所觀察到的大量事實”[7]。

從孟德爾研究之重新發現看范式的轉換

雖然孟德爾的研究成果起初受到了當時生物學界的冷落乃至壓制，但在時隔其論文發表30多年后，他的研究成果很幸運地分別被3位植物學家重新發現——荷蘭的德·弗里斯(H. de Vries,)、德國的科倫斯(C. Correns)和奧地利的切爾馬克(E. Tschermak)。他們3人于1900年在《德國植物學會通報》雜志上先后發表了各自的研究論文，并都介紹了孟德爾的研究工作，尤其是科倫斯把其論文標題明確寫為“關于品種雜交后代行為的孟德爾法則”[2]。

孟德爾被發現的“幸運”首先要歸功于細胞學的一系列研究進展。1880年代多位研究者發現了細胞核內存在線狀的染色體，并認識到了細胞有絲分裂期間支配染色體數目的規律;其中德國生物學家弗萊明(W. Fleming)于1879年借助染色技術觀察到細胞核里絲狀物的活動，他稱之為染色質(1888年被正式命名為染色體)。此外，德國細胞學家拉布爾(C. Labl)首次提出了細胞分裂期間染色體數目恒定的規律[3];而生殖細胞的減數分裂過程也于1888年分別由德國動物學家博維里(T. Boveri)和植物學家斯特拉斯伯格(E. Strasburger)所證實。斯多倍對這些細胞學進展在發現孟德爾的過程中起到的作用有一個精辟的總結：“19世紀的最后30年，對細胞研究工作的發展是十分重要的;而對細胞的研究，最后導致弄清楚遺傳的細胞學基礎，并用經過實驗證實的理論，代替了古代關于生殖和受精的一些假說”[3]。

更為重要的是，孟德爾被發現的“幸運”是源自19世紀末期德國生物學家魏斯曼(A. Weismann)提出了一個全新的遺傳學假說——種質論(germplasm theory)：生物體是由“種質”(germplasm)和“體質”(somatoplasm)兩類細胞組成。他說：“種質是指性細胞和產生性細胞的那些細胞，體質則是指構成種質以外的身體所有其余部分的細胞。種質負責傳遞保持物種特性所需的全部遺傳因子，在世代繁衍過程中，種質自身永世長存，在世代之間連續相繼。……種質細胞系完全獨立于體質細胞系，體質細胞發生的變化(也就是獲得的性狀)不影響種質細胞”[5]。該假說為研究者理解孟德爾遺傳學說提供了全新的理論基礎。

也就是說，19世紀末期細胞學實驗進展和魏斯曼“種質論”假說結合在一起，形成了一個新的遺傳學“范式”，從而使魏斯曼的“種質論”從根本上否定了“泛生論”——身體的每一個細胞都參與了遺傳活動。更重要的是，“種質論”明確地指出，生物的遺傳是由特定的物質來實現的。魏斯曼在1885年發表的《作為遺傳理論基礎的種質連續性》論文中指出;“……‘種質的連續性’……是建立在這樣的概念基礎上的：遺傳是由具有一定化學成分，首先具有一定分子性質的物質，從這一代到另一代的傳遞來實現的”[6]。可以說，魏斯曼在這段話中甚至預見了分子生物學的到來。

也就是說，這種新的遺傳學“范式”使得學術界能夠理解和接受孟德爾的研究成果和觀點。這可以從德國植物學家科倫斯重新發現孟德爾的經歷中得到體現。科倫斯師從內格里，即那位與孟德爾通信長達8年卻不認可孟德爾研究的著名植物學家。科倫斯在1894年開始了他的植物雜交實驗，并用數年時間獨立地發現了孟德爾所看到的遺傳規律。此時的科倫斯還沒有聽說過孟德爾，“他為自己的‘全新發現’激動不已。但就在這個時候，他通過福克(W. Focke)的《植物雜交》一書了解到了孟德爾和他的工作”[2]。在此之后，科倫斯不僅在其1900年那篇論文中大方地承認了孟德爾的優先權，而且首次把孟德爾的發現命名為“孟德爾法則”，并用在自己論文的標題中。顯然，1900年的學生科倫斯相比1860年代他的老師內格里，很容易理解和接受孟德爾，這應該歸功于遺傳學新“范式”的出現。

需要指出的是，研究者在遺傳學新“范式”的助力下重新發現孟德爾具有一定的偶然性;但在遺傳學新“范式”的框架內發現相應的規律則具有必然性。在發現孟德爾的三位植物學家中，就有兩人——科倫斯和德·弗里斯——各自獨立地從自己的研究中獲得了與孟德爾相同的研究結論。生物學史家瑪格納指出;“如果這三位重新發現中的有功人物當時不這樣做的話，那么，其他人也非常接近于這一發現，并在不久也會加以實現”[6]。也就是說，在舊的科學范式占據主導地位的研究領域，該領域的科學共同體很難理解和接受與舊范式不相容的研究及其成果，但是，一旦建立了新的范式，研究者就能夠在新范式的指導下去理解和解釋有關的實驗結果，無論這是自己做的還是他人做的。

生命科學領域里范式的“可通約性”

庫恩在《結構》一書中不僅提出了“范式”這一概念，而且提出了新舊范式之間具有“不可通約性”，即不存在令人信服的客觀標準可被用來比較兩種范式之間哪一種更優越，研究者必須通過類似于“宗教上的改宗”那樣基于主觀信仰的方式，才能從原有的范式轉變到與之對立的新范式。庫恩提出的這種科學范式之間的“不可通約性”引發了學術界的廣泛爭論，并成為科學哲學和科學史上的一個研究主題。筆者在這里以孟德爾的案例來探討一下這個問題。

不同于博物學家以觀察作為其研究的主要手段，孟德爾以及那個時代的生物學研究者，已經把通過人為設計和控制下的實驗作為科學研究的一個重要途徑。這一點我們可以從當時的植物受精實驗來看。在“泛生論”的背景下，達爾文等人認為，一粒胚珠需要多粒花粉才能進行受精，一位法國植物學家還為這個觀點提供了實驗證據——“他用紫茉莉進行的實驗表明胚珠受精需要至少三粒花粉”[2]。而孟德爾根據其植物雜交的知識對此觀點表示懷疑，并于1869年也采用紫茉莉進行了單粒花粉受精實驗，證明單粒花粉足以讓胚珠受精[2]。孟德爾隨后利用不同花色的紫茉莉設計了一個更為精巧的兩粒花粉受精實驗，根據其子代花色性狀的分離情況推論出兩粒花粉不能同時讓一個胚珠受精，從而首次用實驗證明“有且只有一粒花粉讓一個植物卵細胞受精”[2]。孟德爾的這一實驗結論在今天已成為生物學的基本常識。

從這個實驗案例中可以看到，組成生命科學范式的兩個“模塊”——科學假設和實驗觀察——具有復雜的相互作用。孟德爾一方面根據基于“泛生論”的科學假設和基于豌豆發現的遺傳規律設計了紫茉莉受精實驗，另一方面則根據紫茉莉受精實驗結果來檢驗基于“泛生論”的科學假設和基于豌豆發現的遺傳規律。換句話說，研究者在面臨生命科學范式之間的轉換時，可以把實驗作為“客觀標準”對不同范式中的科學假設進行比較和驗證。因此，這種基于實驗的“客觀標準”使得生命科學領域里不同范式之間具有“可通約性”。

孟德爾的山柳菊雜交實驗是另一個值得討論的案例。孟德爾在紫羅蘭屬、玉米屬和紫茉莉屬等不同種類的植物雜交實驗中都分別確認了他在豌豆雜交實驗中獲得的遺傳規律。但是，他在山柳菊屬的雜交實驗中卻始終沒有獲得與豌豆雜交實驗相同的研究結果，盡管他為該實驗花費了大量的精力和時間[2]。這一點也許就是研究山柳菊的權威內格里不認可孟德爾研究成果的一個重要原因。山柳菊雜交實驗的謎團是到1910年才被一位丹麥植物學家所揭開——“山柳菊以無性生殖(孤雌生殖)為主。也就是說，在絕大多數情況下，山柳菊的后代是由親本的卵細胞直接發育而成的”[2]。

山柳菊雜交實驗的案例表明，由于生命的復雜性和多樣性，生命科學領域的研究范式經常面臨著各種“反例”的挑戰。為此，生命科學范式具有很強的“彈性”，即研究者可以在容忍“反例”存在的情況下接受相應的科學范式，如1900年研究者在知道山柳菊雜交實驗不符合孟德爾遺傳規律的情況下接受了孟德爾遺傳學說。當然，對于不符合特定科學范式的 “反例”，研究者會盡可能地找到原因，進而補充和完善相應的科學范式。在這個案例中，研究者將孟德爾遺傳學說限定在有性生殖的范圍，并證明在那些極少數通過父本精子與母本卵細胞雜交形成的山柳菊后代中，孟德爾遺傳規律事實上也是成立的。

需要指出的是，客觀理性是真正的研究者必備的品質。在事實面前，無論主觀上喜歡還是不喜歡，研究者都必須接受。美國生物學家摩爾根(T. Morgan)是現代遺傳學的另一位奠基人。但是，在孟德爾遺傳學說被重新發現之時，摩爾根并不相信該學說，他在1909年還發表文章稱孟德爾的方法是玩數字的高級雜耍[8]。可在1910年他自己發現了果蠅白眼突變的事實后，他依照孟德爾的研究方法進行了相應的實驗，提出了現代遺傳學的第三定律——遺傳連鎖定律;“在事實面前，摩爾根不得不‘出爾反爾’，因為科學真理高于個人偏見”[8]。從這個例子中可以看到，即使研究者受到主觀的信念或想象之影響，但是，基于實驗事實的理性思考依然是研究者的“牽引力”。這也正是生命科學領域里范式之間“可通約性”的保證!

參考文獻：

[1]科學四十人. 科學范式是否真的到了變革的前夕, 還是仍在混亂之中? 知識分子. 2022.

https://mp.weixin.qq.com/s/CRkNbDqpdMH-GkldVCkUIg

[2]商周. 孟德爾傳: 被忽視的巨人. 長沙: 湖南科學技術出版社, 2022.

[3]亨斯·斯多倍. 遺傳學史——從史前期到孟德爾定律的重新發現. 趙壽元, 譯. 上海: 上海科學技術出版社, 1981.

[4]Nasmyth K. The magic and meaning of Mendel’s miracle. Nat Rev Genet, 2022, 23: 447-452.

[5]趙壽元，喬守怡. 現代遺傳學. 北京: 高等教育出版社, 2008.

[6]洛伊斯·N. 瑪格納. 生命科學史. 李難, 崔極謙, 王永平, 譯. 天津: 百花文藝出版社, 2002.

[7]達爾文. 物種起源. 周建人，葉篤莊，方宗熙，譯. 北京: 商務印書館, 1981.

[8]饒毅. 達爾文等如何襯托孟德爾的天才. 饒議科學. 2021. https://mp.weixin.qq.com/s/cvsMcVdWxjVliJzmzOES5g.

（作者吳家睿，系中國科學院分子細胞科學卓越創新中心研究員，郵箱為wujr@sibs.ac.cn。本文首發于《科學》雜志 2022年第74卷第6期。澎湃科技獲授權轉載。）