第五章 生命和知识（2/2）
《生命问题-奥-路德维希.冯.贝塔朗菲》作者：生命问题-奥-路德维希.冯.贝塔朗菲 2017-04-13 11:06
力学应用于原子而发展起来的。最初，创造出大量新的和特殊的构造概念和定律，最后达到统一，在此期间，原子从质点转变成复杂的组织。生物学“机械论”预先假定一系列关于自然界的物理学定律，这些物理学定律只有正确地被应用于生命现象，才能对生命问题作出解释。但是，并不存在这样的定律系列，因而，在物理学与生物学两个领域进行最后的综合之前，我们不能预言物理学的概念系统将需要何种扩展。
对第三个问题（p.151）的解答是明确的。所有科学的任务都是要作出“解释”。通过解释，我们理解到特殊对于一般的从属性，反之，又从一般推寻出特殊。因此，科学的确定形态是假说－演绎系统，即这样一种理论构造：在这个理论构造中，可以通过引进特定的条件，从一般陈述中推导出能够得到经验检验的结论。在一定程度上，使用本国语言就能做到这一点。可是，由于词的歧义性，以及这些词按照句法结合起来并不严格遵循逻辑演绎的规则，因而会给假设－演绎系统的精确性带来一定的限制。因此，只有当具有明确的和固定意义的符号按照同样明确的游戏规则连接起来时，才能达到科学的要求。数学可称得上是这样的系统。在这个意义上，康德关于每一自然学说只有达到像数学那样的程度，才能称得上是真正的科学的看法，是正确的。因为数学正是人们可获得的关于实在的最高理性化形式。正是由于这个原因，现代物理学的数学形式主义，经常受到人们责难，并导致它的构造物的非直观比特征，其实，它既不是任意性的，也不是规避窘境，而是科学进步的必然伴随物。可是，数学理论形式用符号反映实在是否恰当，我们不能先验地告知，而只能由经验来断定。确实，就这方面而言，现代物理学不是没有发生令人惊异的事情。如果牛顿被告知物理学基本定律不采取含有严格因果意义的微分方程形式，而采取矩阵和概率功能的形式，他可能会昏厥的。但是，未来生物学定律系统无论采取什么形式，甚至它包括目前我们只能模糊地猜测的结构定律，它将具备逻辑演绎的特征，具备“数学”的特征，也将具备像物理学一样的形式特征。
3．微观物理学和生物学
世界是受严格的物理学定律支配的，这些物理学定律遵循无情的因果法则；科学的最终目标是将所有现象，包括生命和精神的现象，分解成原子的盲目活动，而不给任何有目的性的东西留下余地：这是构思世界的基础。这种观念在19世纪发展到了顶点，人们称之为“机械论”。它的突出象征是拉普拉斯精神的理想；拉普拉斯设想，只要掌握了所有的物理学定律，就能够从某一瞬间原子的位置和速度，推测出整个宇宙在过去和未来的任何时间中的状态。
新近科学的世界图景发生的根本变化之一，是人们揭示了物理学不能阐明绝对精确的自然定律，而被迫默认统计定律。
这种知识是经由两个阶段而获得的。经典物理学早已发现了热力学第二定律的统计性质，与无序的分子热运动相比，所有有方向性的能量处于不可几的状态。因此，更高的、有方向性的能量转变为无方向性的热运动并建立起热平衡，这是一种向更可几的状态的转变，在这过程中，具有不同动能的分子均匀分布的程度逐渐增加。就这个由波尔兹曼（Boltzmann）提出的第二定律的推论而言，每个分子的活动路线是由力学定律严格决定的，这一点至今仍是无可置疑的。可是，事实上，由于大量分子及其相互作用，我们必须掌握表明大量分子平均活动状态的统计定律。这个定律便是热力学第二定律，它表明尽管分子运动是复杂多样的，但它们的总趋势是朝着热平衡方向的。可是，在非常小的范围内确实出现了对第二定律所要求的或然分布的背离。出了这个原因，胶体中微小的粒子和细微的悬浮体处于在显微镜和超显微镜下可以观察到的布朗运动，这是由于周围分子的涨落造成的，它们处于无规则的热运动中。它们由于受到分子的碰撞而无规则地撞击，因而呈现为不停的曲折运动。这可以说是一种放大的分子运动图像。正如纳斯特（Nernst）、F．埃克斯纳（Exner）以及其他人最早提出的，第二定律不是一种例外的情况，所有物理学定律都是具有统计性质的定律。
物理学决定论在量子理论中受到了根本的限制。如果我们谈到基本的物理事件，我们会遇到两个基本的和相互关联的事实，第一个事实是，虽然宏观物理过程好像是连续的，即机械能、光、电等能够以任意选取的量进行传递，但这在基本的物理事件中受到了限制。例如，如果一个原子发射或吸收光，那么这并不是以任何小量的方式发生的，而是以基本的单位发生的；要么放射和吸收光量子的整数的能量，要么就完全不进行放射和吸收。第二个事实是，原则上不可能用决定论的方式表示基本物理事件。简单的例子是放射性衰变。在这放射性衰变的过程中，镭原子核通过一种爆炸性的过程，放射出一个a－粒子，并由此变成氡。比如说，如果我们有一毫克镭，那么我们可以肯定地说，在大约1590年内，这个大量原子的聚集体将有一半衰变掉了。但是，我们不能说，某个原子是否过一会儿就会衰变或许要到几千年后才会衰变。即使我们能够确定原子核在任何一个瞬间的状态，也根本不可能预言它什么时候会发生衰变。因为，如果这里还有深一层的因果决定关系，那么，衰变将取决于时间，取决于外部因素诸如温度等。但情况并不是如此。我们只能说，一定数量的原子经过一定的单位时间会以同样的百分比发生衰变。
因此，依据现代物理学的证明，我们能对宏观物理事件作出单义的预言，即宏观物理事件涉及实际上无数基本的物理单位，因为在这样的事件中，统计性的涨落被拉平了。由于这个原因，经典物理学的定律，例如力学定律，好像具有严格的因果关系或决定论的特征。但是，就微观物理事件而言，它涉及个别的基本物理单位，不能作出单义的预言，而只能得出统计性的概率。这里有效的定律，只能够确定大量基本粒子的平均行为；只要指出一定的几率，就能够预言某一个别单位的行为。
这是以粗略的轮廓，将决定论即经典物理学的严格因果律，与非决定论即现代物理学的统计定律作了对照。那么，物理学的这种根本变化对生物学有什么意义呢？
活机体是由难以想像的大量的分子和原子构成的，这些分子和原子的排列顺序大约有一百万的四次幂（10[24]）。因此，对于大多数生物现象，诸如新陈代谢、生长、形态发生、多数的应激性，等等，显然必须应用经典物理学定律样式的决定论定律。
但是，有某些生物现象可能属于例外。本作者早在ig27年，甚至在海森堡（Heisenberg）关系式表述（这形成了物理学的现代非决定论的基础）之前，就提出了“物理学革命对生物学的影响”的问题。1932年他论证应当重视可能性问题，“有机体内的微观物理事件可以传递到该系统更广的范围，因而被导入物理统计概率的领域。”物理学家帕斯考尔·约尔丹（Pascual
Jordan）把这种观念发展成“有机体的放大器理论”，按照这种理论，控制中心的微观物理事件，例如基因，在有机体系统内被放大成宏观效应。玻尔、薛定谔等物理学家发展了相似的观念。这里，可以等虑两类物理学的不确定性，即分子运动论的“经典”涨落和量子物理学的不确定性研究表明，在某些生物过程中，微观物理事件实际上是起决定作用的。
这方面的第一个和最重要的领域，是由蒂莫菲夫－雷索弗斯基及其同事精心研究的放射遗传学，即用波长很短的射线（如X射线、镭射线或中子射线）诱发突变。这些研究产生了有关突变的“击中理论”（“hit
theory”）辐射对生物客体的作用，可以与轰击感光物质相比。辐射是由作为不连续的能量单位的量子构成的。正像对实验的数学分析所表明的，单个量子击中基因的敏感区域足以引起一个突变。因此，突变的诱发服从于微观物理学的统计规律；然而，这些微观物理事件由生命系统的组织放大成宏观效应，因而，由辐射诱发的突变会在宏观物理水平上显现出来，比如，经过辐射处理的果蝇，它们后代的翅形或眼色发生了变化。
生物学受微观物理事件控制似乎已被确认的第二个领域是微生物遭破坏的领域。例如，如果培养的细菌经受辐射或被消毒，细胞便会先后被杀死。最简单的解释可能是各单个细胞对毒剂具有不同的敏感性。如果是这样的话，细胞的敏感性，从而细胞死亡的时间，就会遵循为一条变化的曲线，绝大多数个体显示出中间程度的敏感性和幸存时间，而少数个体显现出非常高或非常低的敏感性和相应的较短或较长的幸存时间。可是，实际上细菌的死亡曲线是可与镭原子衰变（p.164）的曲线相比的指数曲线，即每单位时间内被杀死的细胞数，与现存的细胞数成简单比。这表明，细胞的破坏是作为一种偶然事件发生的，它是由“击中”敏感中心而引起的。
应当把微观物理现象考虑进去的第三个生物学领域，也许是由冯·贝塔朗菲提出的（1937年）。例如，如果动物在定向刺激（例如光源的影响）下产生定向的活动，那么结果是动物会根据它对刺激作出向性反应还是拒性反应，决定趋向于光源还是离开光源。可是，动物在均一的环境中，例如，在黑暗的环境中或充满光亮的环境中，通常表现出“自发”的活动，在无可辨认的外界刺激的情况下这种自发活动的方向与速度都发生不规则的变化。假设在没有定向的光标志的情况下，动物不能把相等强度的脉冲传递给两侧的运动器官，以此来解释动物的上述行为，看来是颇为诱人的。在某一瞬间传入躯体右半部和左半部的脉冲之间的差异越大，脉冲传递的通路就越是转向不太活动的一边。同一动物在奔跑中出现的无规则的方向变化，表明不能把动物对直线的偏离归因于存留的形态条件（诸如侧面不对称）；这些偏离必定依赖于神经系统中变化着的生理状况。而且，我们知道，甚至在未受刺激的神经中枢里，也出现象征自发兴奋的活动电流的无规则的连连发射。因此，可以设想中枢神经系统中发生的自发放电，是由持续不断的新陈代谢过程造成的。由于这些放电量是微小的，它们不等地分布在躯体两侧，因此引起跑动中的不规则变化。另一方面，如果施加一种外界刺激，比如光源的刺激，就会在一侧造成一种确定的较强的兴奋，从而导致动物直线的运动。但是，即使在这种情况中，仍可看到运动方向和速度的变化，这种变化不能被认为是由外界刺激引起的，而可能是由神经中枢兴奋过程中的自发波动造成的。
因此，在某些生物学领域内很有必要把微观物理事件考虑进去。然而，我们并不确信能以这种方式或从任何其他单一特征中找出关于“生命问题”的解决办法。首先，我们必须谨防有人常常鼓吹物理学的不确定性和自由意志之间有类似性的观点，其实，这是两个处于绝对不同层次上的问题。物理学的非决定论表明，能够用物理规律说明的，只是集合体的统计行为，而不是个别的事件。另一方面，伦理学中的自由意志概念，并不意味着事件在统计学意义上是随机的，而恰恰意味着事件服从于一定的规范；它的真实含意是：在一定境况中发生的行为，不是偶然的，而是由某种道德准则决定的。如果假定自由意志可以在物理学因果性留下的缺口起干预作用，这就等于活力论假定物质活动是受隐得来希控制的。我们还不能通过严格地论证生物界不存在隐得来希活动来驳倒活力论的假设。由于我们不能对有机体作出拉普拉斯式的预言，我们也不能完全通现有机体的物理构造，因而，总有可能用假设的活力论因素的“干预”来填补我们知识的空隙，甚至传统的决定论也确认这点。相似地，我们根据科学资料也不能驳倒这样的观念，微观物理学事件，是由自由意志决定的，而不是由物理学的统计规律决定的。然而，这两种假设都是混淆概念（metabasis
eisallo genos），因为物理事件和精神感受处于实在的两个不同的层次。物理学只涉及客观现象及其规律；精神因素对物理事件的干预——不管这是指传统解释中精神因素干预物质原子的方向，还是指现代解释中精神因素介入微观事件——都超出了物理学理论的范围。关于物理学和心理学、自然与精神的关系，将在下文（下一卷）从机体论观点加以表述。
4．方法论问题与形而上学问题
生物学机械论和活力论之间的对立是有两重根源的。它既是方法论问题，又是形而上学问题。
方法论问题涉及这样的问题：解释生物现象，要应用什么原理和定律？这个问题在上几节中作了详细讨论。这方面的讨论不是没有必要的。因为物理学和生物学、无生命界与生命界之间的关系，属于科学思想的基本问题，每个时代的人们都必须以自己的方式对这些基本问题作出解答。然而，看来宜重提曾在别处发出的警告（冯·贝塔朗菲，1932年）：
“关于生物定律经过最后的分析是否成为物理定律的一争论——这种争论构成了理论生物学的主要部分——看来是相当无成果的。因为，俗话说得好：‘未能逮住他，休想处置他。’机体论概念实际上所力求的是比对未来所作的无把握的、消极的预言更为实质的东西，即目前积极研究的万案。它指明这样的事实：对有机体中孤立过程的物理－化学解释，实际上几乎是迄今人们唯一使用的研究方法，这无助于人们洞见使这些孤立过程转变为生物现象的有序规律，而发现有机体的系统规律正是生物学的基本任务，但这个任务迄今难以引起
‘机械论’生物学的关注。”
另一人面是形而上学问题，即世界上每一算件，包括生物事件在内，是否单义地由最终的物理单位和它们之间遵循自然规律发生作用的力决定的，或者在生命领域中是否有其他实在的要素，最终是心理性质的要素起作用，以指导这些粒子的活动。这个问题是无意义的、因为这两种概念都以经典物理学的机械论概念为基础，而且从现代物理学和认识论来看，这两种概念使用时没有一个是一致的。关于世界的过程是否“单义地”由最终的物理单位决定的问题变成无效了，因为这是一个既不能证明也不能反驳的陈述，即使原则上说也不能把最终物理事件看作是完全决定性的事件。“自然定律”更不表示任何力（不管这些力被认为是因果力还是终极力）的表现形式是拟人化的：因果力是模仿我对某个东西作出的推力的映象，终极力则是模仿我们自己有目的的活动。在现代物理学中，自然定律体现为现象之间形式关系的符号表述。自然定律终究是关于某些集合体的统计陈述，而不是关于引起事件过程的因素的陈述。最后，最终的物理单位不是作为形而上学实在的“物质原子”，它们只能用数学表达式从形式上加以描述，物理学并不能说出它们的“内部性质”。因此，形而上学机械论和活力论之间的对立变成一个假问题，因为它的前提即作为形而上学实在的惰性物质与起指导作用的心理动因之间的形而上学的二元论，是以不复存在的物理学世界观为基础的。
有时人们说，机体论概念不能真正解决机械论与活力论的争论。实际上，机体论概念不适合通常的二者择一。“机械论者”想要把生命现象分解成物理学和化学，发现某种扰动规律和模式的指称物，这种指称物超越了物理学和化学，因而在他看来是属于活力论的。另一方面，“活力论者”把这些特殊的生物学规律看作是机械论的，因为这些规律是从物理－化学规律中突现出来的，就它们的逻辑结构而言，生物学定律与物理－化学定律并没有什么不同。可是，实际上在更高水平上克服机械论与活力论的二者择一，正是机体论概念的核心。对于生命形态的特殊规律，机械论者持否认态度。活力论者认为这种特殊规律是超出科学范围之外的。而在机体论概念中，生命形态的特殊规律成为可以进行科学研究的问题。
由此提出了一种新的方法观。机体论方法是要发现精确表述关于作为一个整体的有机体系统的诸定律。“精确”这个词是严格采用的，而且是指它在物理学中使用的意义。但是，与孤立现象的研究（虽然这种研究总是心要的，是应当尽可能提出的）相比较，机体论方法是一种新的研究准则，这种准则已在许多领域被证明是行之有效的。
就有关哲学问题而论，对机体论慨念说明的每件事科学家都有权发表意见。机体论者不对事物的“本质”作出陈述，因而也不对生命与非生命之间“本质”区别的问题作出陈述。实际上，机械论与活力论的二者择一不是两种科学解释之间的争论，其中一个试图用物理－化学定律解释生命现象，另一个企图用其他某种特殊类型的定律说明生命现象。真正的区别，在于科学的解释和拟人化的“理解”之间的区别。科学只限于对客观现象的描述和解释，“解释”意味着使这些现象符合某种理论体系（p.161）。活力论者的任务是不同的：他想要做的是理解事物的“内在本质”，按照我们自己内心体验的映像去作解释。在形而上学范围内，对实在的心理解释，可能会发现科学不容许的地方。那么，这就不再是科学的解释，而是神话情趣的生动表达，是无法言传的隐喻和比喻。这是科学与诗之间奇异混合的见解，活力论正因持有这种见解而衰弱。活力论不是在客观自然界中，而是在超自然的中命原理中寻求有机整体性，它不能为生物学理论提供基础。另一方面，活力论通过将活力合理化而作出了肤浅的形而上学直觉，并试图把活力作为因果引入科学。这种神话的和形而上学的实在观，可能是真的，也可能是虚幻的——这不是一个科学问题。
5．科学——统计的等级体系
所有自然定律都是统计性定律。它们是关于集合体的平均行为的陈述。整个科学表现为一个统计的等级体系。
在这个等级体系的第一层次是微观物理学的统计学。在基本物理事件的领域中，决定论的处理在原则上是不可能的。如上所述，微观物理事件也介入某些生物现象。
第二层次由宏观物理学定律即其中涉及到大量基本物理单位的宏观物理现象的定律构成。这些定律本质上也是统计的。可是，由于统计涨落因大数定律而被拉平，所以宏观物理定律具有明显的决定论特征。与基本物理事件的统计学相比，宏观物理学定律处于更高的层次。例如，宏观力学定律或流体力学定律不再考虑基本物理事件，原因很简单：我们不能，也不需要追踪每一个分子，而只需要对该系统作总的统计处理。
更高的一个层次是生物学领域。如前所述（p．155），一方面我们能分离单个过程，并用物理学和化学的术语对之下定义。另一方面，我们能在确定生物系统所包含的个别的物理－化学过程之前，陈述作为一个整体的生物系统的总定律。
最后，存在着适用于超个体生命单位的定律。例如，我们可以陈述某个生物群落中各个种群的生长定律（p.52），或某个人类种群中死亡发生率的定律。这种定律是保险统计学的基础，因而它具有重要的实用价值和商业性价值。这里考虑的单位是个别的有机体，而这些定律不可能，也不必要考虑有关生理的或物理－化学的过程。
这样，在不同的生物层次上可以建立起精确的、定量的定律，并构成一个假说－演绎系统。就这方面而言，生物学定律可以与物理学定律相比，但与后者相比，生物学定律涉及更高层次的单位。
在这统计的等级体系中，我们发现了一个值得注意的现象，我们可以把它描述为自由度增加的现象。
例如，普通化学的化合物是用结构式来表示的，这种结构式单义地确定化合的原子数或基团数。这甚至适用于复杂的有机分子。可是，进入大分子化合物（p
26），统计值取代了刻板的结构式。例如，人们只能说，按平均数计算，三百个糖残基通过一个共价键链而化合，在植物纤维素的一个分子团中，平均大约有六十个共价键链。
空间排列也是如此。矿物晶体是三维晶格。相反地，在有机领域，“中介形态”即仅有二维或一维的大分子排列，起了决定性的作用。例如，它们形成大量的小纤维结构，这些小纤维结构在细胞构造和有机体中是至关重要的，它们支撑着组织、肌肉、神经等等；在这些小纤维中，线状分子是平行于轴线有序地排列的，而不是无序地朝其他方向排列的。
对化学过程也可以作相应的考虑这里，我们发现自由度随着复杂性的增加而增加。有机体内的化学过程是靠催化作用进行的，反应要么慢慢加速，要么就不发生加速。简单的催化作用，诸如，用多孔的铂使氢和氧化合成水，只能以一种方式发生。可是，化学工业中应用的比较复杂的催化活动，尤其是活机体内发生的催化活动，有几种可能的反应方式。例如，在适当的温度和压力下，一氧化碳和氢可以化合成甲烷，或甲醇，也可以化合成（分子式）较高的乙醇，或液态的碳氧化合物。用镍催化剂只能产生甲烷，氧化锌－氧化铬催化剂几乎只能产生纯甲醇，等等（米塔施）。在这类系统中有几种在热力学上是可能的反应方式，其中会发生哪一种反应，取决于所用的催化剂。工业化学家的技术就在于选择适合于一定目的的催化剂系统。相似地，有机体内通过多种可能的万式得以进行的化学反应，是生理过程的重要基础。
晶体的外部形态是由晶格决定的分子排列的表现。例如，氯化钠的晶格表现为微型的立方体，宏观晶体也具有立方体形状。有机形态是极其多种多样的、它们作为一个整体是由其组分排列的非常多样的变化决定的。例如，我们可以回想菌盖的形状，这种形状是预先确定的，是该物种的特征，它是由菌丝构成的。菌丝是朝各个方间生长的，它们的排列是无规律的。我们可以从以下方面说明无机形状与有机形状的区别。前者的结构即内部排列的规律是不变的，它的形态或外部形状是结构的表现，并且是可变的。在这个意义上，例如，晶体结构是由晶格决定的，我们在大多数晶体中看到的变形早非本质的。与此相对照，在生命系统中，结构是可变的，而形状则是确定的。好比说，后者表现为一个模子，期中塞满了在很大程度上可以改变数量和排列的细胞。值得注意的是，高分子化合物在这方面也是中间体。就蛋白质而言，这个共同的“模子”可以塞满不同的氨基酸。例如，毛发的角蛋白，肌肉纤维的有收缩力的肌浆球蛋白。血液凝结的血纤维蛋白原，虽然它们的化学和物理的性质不同，但都具有同样的分子构型（阿斯特伯里［Astbury］）。磺胺类药的化学治疗作用很可能由磺胺分子和细菌生长物质的分了之间结构的相似性造成的；因此。前者可以取代后者，从而抑制了细菌的生长和繁殖。
自由度以不同的方式增加还表现在等终局性上。有鉴于封闭系统向终态的发展是由初始条件决定的，开放系统能够以不同的方式达到相同的终态。
最后，我们发现了系统发育和历史发展的可比现象、某些总规律看来是确定不移的；但是，它们在特定条件下的实现取决于偶然性：在系统发育中，取决于适当的突变出现，在历史发展中，取决于具有统治能力的人物的出现。
这样，在统计的等级体系中，自由度好像随着我们进入更高的层次而逐步增加；这不是基本物理事件的非决定性意义上的自由度增加，而是作为一个整体的过程遵循确定的规律意义上的自由度增加。但是，对个别事件来说，仍留有个同的可能性。
对第三个问题（p.151）的解答是明确的。所有科学的任务都是要作出“解释”。通过解释，我们理解到特殊对于一般的从属性，反之，又从一般推寻出特殊。因此，科学的确定形态是假说－演绎系统，即这样一种理论构造：在这个理论构造中，可以通过引进特定的条件，从一般陈述中推导出能够得到经验检验的结论。在一定程度上，使用本国语言就能做到这一点。可是，由于词的歧义性，以及这些词按照句法结合起来并不严格遵循逻辑演绎的规则，因而会给假设－演绎系统的精确性带来一定的限制。因此，只有当具有明确的和固定意义的符号按照同样明确的游戏规则连接起来时，才能达到科学的要求。数学可称得上是这样的系统。在这个意义上，康德关于每一自然学说只有达到像数学那样的程度，才能称得上是真正的科学的看法，是正确的。因为数学正是人们可获得的关于实在的最高理性化形式。正是由于这个原因，现代物理学的数学形式主义，经常受到人们责难，并导致它的构造物的非直观比特征，其实，它既不是任意性的，也不是规避窘境，而是科学进步的必然伴随物。可是，数学理论形式用符号反映实在是否恰当，我们不能先验地告知，而只能由经验来断定。确实，就这方面而言，现代物理学不是没有发生令人惊异的事情。如果牛顿被告知物理学基本定律不采取含有严格因果意义的微分方程形式，而采取矩阵和概率功能的形式，他可能会昏厥的。但是，未来生物学定律系统无论采取什么形式，甚至它包括目前我们只能模糊地猜测的结构定律，它将具备逻辑演绎的特征，具备“数学”的特征，也将具备像物理学一样的形式特征。
3．微观物理学和生物学
世界是受严格的物理学定律支配的，这些物理学定律遵循无情的因果法则；科学的最终目标是将所有现象，包括生命和精神的现象，分解成原子的盲目活动，而不给任何有目的性的东西留下余地：这是构思世界的基础。这种观念在19世纪发展到了顶点，人们称之为“机械论”。它的突出象征是拉普拉斯精神的理想；拉普拉斯设想，只要掌握了所有的物理学定律，就能够从某一瞬间原子的位置和速度，推测出整个宇宙在过去和未来的任何时间中的状态。
新近科学的世界图景发生的根本变化之一，是人们揭示了物理学不能阐明绝对精确的自然定律，而被迫默认统计定律。
这种知识是经由两个阶段而获得的。经典物理学早已发现了热力学第二定律的统计性质，与无序的分子热运动相比，所有有方向性的能量处于不可几的状态。因此，更高的、有方向性的能量转变为无方向性的热运动并建立起热平衡，这是一种向更可几的状态的转变，在这过程中，具有不同动能的分子均匀分布的程度逐渐增加。就这个由波尔兹曼（Boltzmann）提出的第二定律的推论而言，每个分子的活动路线是由力学定律严格决定的，这一点至今仍是无可置疑的。可是，事实上，由于大量分子及其相互作用，我们必须掌握表明大量分子平均活动状态的统计定律。这个定律便是热力学第二定律，它表明尽管分子运动是复杂多样的，但它们的总趋势是朝着热平衡方向的。可是，在非常小的范围内确实出现了对第二定律所要求的或然分布的背离。出了这个原因，胶体中微小的粒子和细微的悬浮体处于在显微镜和超显微镜下可以观察到的布朗运动，这是由于周围分子的涨落造成的，它们处于无规则的热运动中。它们由于受到分子的碰撞而无规则地撞击，因而呈现为不停的曲折运动。这可以说是一种放大的分子运动图像。正如纳斯特（Nernst）、F．埃克斯纳（Exner）以及其他人最早提出的，第二定律不是一种例外的情况，所有物理学定律都是具有统计性质的定律。
物理学决定论在量子理论中受到了根本的限制。如果我们谈到基本的物理事件，我们会遇到两个基本的和相互关联的事实，第一个事实是，虽然宏观物理过程好像是连续的，即机械能、光、电等能够以任意选取的量进行传递，但这在基本的物理事件中受到了限制。例如，如果一个原子发射或吸收光，那么这并不是以任何小量的方式发生的，而是以基本的单位发生的；要么放射和吸收光量子的整数的能量，要么就完全不进行放射和吸收。第二个事实是，原则上不可能用决定论的方式表示基本物理事件。简单的例子是放射性衰变。在这放射性衰变的过程中，镭原子核通过一种爆炸性的过程，放射出一个a－粒子，并由此变成氡。比如说，如果我们有一毫克镭，那么我们可以肯定地说，在大约1590年内，这个大量原子的聚集体将有一半衰变掉了。但是，我们不能说，某个原子是否过一会儿就会衰变或许要到几千年后才会衰变。即使我们能够确定原子核在任何一个瞬间的状态，也根本不可能预言它什么时候会发生衰变。因为，如果这里还有深一层的因果决定关系，那么，衰变将取决于时间，取决于外部因素诸如温度等。但情况并不是如此。我们只能说，一定数量的原子经过一定的单位时间会以同样的百分比发生衰变。
因此，依据现代物理学的证明，我们能对宏观物理事件作出单义的预言，即宏观物理事件涉及实际上无数基本的物理单位，因为在这样的事件中，统计性的涨落被拉平了。由于这个原因，经典物理学的定律，例如力学定律，好像具有严格的因果关系或决定论的特征。但是，就微观物理事件而言，它涉及个别的基本物理单位，不能作出单义的预言，而只能得出统计性的概率。这里有效的定律，只能够确定大量基本粒子的平均行为；只要指出一定的几率，就能够预言某一个别单位的行为。
这是以粗略的轮廓，将决定论即经典物理学的严格因果律，与非决定论即现代物理学的统计定律作了对照。那么，物理学的这种根本变化对生物学有什么意义呢？
活机体是由难以想像的大量的分子和原子构成的，这些分子和原子的排列顺序大约有一百万的四次幂（10[24]）。因此，对于大多数生物现象，诸如新陈代谢、生长、形态发生、多数的应激性，等等，显然必须应用经典物理学定律样式的决定论定律。
但是，有某些生物现象可能属于例外。本作者早在ig27年，甚至在海森堡（Heisenberg）关系式表述（这形成了物理学的现代非决定论的基础）之前，就提出了“物理学革命对生物学的影响”的问题。1932年他论证应当重视可能性问题，“有机体内的微观物理事件可以传递到该系统更广的范围，因而被导入物理统计概率的领域。”物理学家帕斯考尔·约尔丹（Pascual
Jordan）把这种观念发展成“有机体的放大器理论”，按照这种理论，控制中心的微观物理事件，例如基因，在有机体系统内被放大成宏观效应。玻尔、薛定谔等物理学家发展了相似的观念。这里，可以等虑两类物理学的不确定性，即分子运动论的“经典”涨落和量子物理学的不确定性研究表明，在某些生物过程中，微观物理事件实际上是起决定作用的。
这方面的第一个和最重要的领域，是由蒂莫菲夫－雷索弗斯基及其同事精心研究的放射遗传学，即用波长很短的射线（如X射线、镭射线或中子射线）诱发突变。这些研究产生了有关突变的“击中理论”（“hit
theory”）辐射对生物客体的作用，可以与轰击感光物质相比。辐射是由作为不连续的能量单位的量子构成的。正像对实验的数学分析所表明的，单个量子击中基因的敏感区域足以引起一个突变。因此，突变的诱发服从于微观物理学的统计规律；然而，这些微观物理事件由生命系统的组织放大成宏观效应，因而，由辐射诱发的突变会在宏观物理水平上显现出来，比如，经过辐射处理的果蝇，它们后代的翅形或眼色发生了变化。
生物学受微观物理事件控制似乎已被确认的第二个领域是微生物遭破坏的领域。例如，如果培养的细菌经受辐射或被消毒，细胞便会先后被杀死。最简单的解释可能是各单个细胞对毒剂具有不同的敏感性。如果是这样的话，细胞的敏感性，从而细胞死亡的时间，就会遵循为一条变化的曲线，绝大多数个体显示出中间程度的敏感性和幸存时间，而少数个体显现出非常高或非常低的敏感性和相应的较短或较长的幸存时间。可是，实际上细菌的死亡曲线是可与镭原子衰变（p.164）的曲线相比的指数曲线，即每单位时间内被杀死的细胞数，与现存的细胞数成简单比。这表明，细胞的破坏是作为一种偶然事件发生的，它是由“击中”敏感中心而引起的。
应当把微观物理现象考虑进去的第三个生物学领域，也许是由冯·贝塔朗菲提出的（1937年）。例如，如果动物在定向刺激（例如光源的影响）下产生定向的活动，那么结果是动物会根据它对刺激作出向性反应还是拒性反应，决定趋向于光源还是离开光源。可是，动物在均一的环境中，例如，在黑暗的环境中或充满光亮的环境中，通常表现出“自发”的活动，在无可辨认的外界刺激的情况下这种自发活动的方向与速度都发生不规则的变化。假设在没有定向的光标志的情况下，动物不能把相等强度的脉冲传递给两侧的运动器官，以此来解释动物的上述行为，看来是颇为诱人的。在某一瞬间传入躯体右半部和左半部的脉冲之间的差异越大，脉冲传递的通路就越是转向不太活动的一边。同一动物在奔跑中出现的无规则的方向变化，表明不能把动物对直线的偏离归因于存留的形态条件（诸如侧面不对称）；这些偏离必定依赖于神经系统中变化着的生理状况。而且，我们知道，甚至在未受刺激的神经中枢里，也出现象征自发兴奋的活动电流的无规则的连连发射。因此，可以设想中枢神经系统中发生的自发放电，是由持续不断的新陈代谢过程造成的。由于这些放电量是微小的，它们不等地分布在躯体两侧，因此引起跑动中的不规则变化。另一方面，如果施加一种外界刺激，比如光源的刺激，就会在一侧造成一种确定的较强的兴奋，从而导致动物直线的运动。但是，即使在这种情况中，仍可看到运动方向和速度的变化，这种变化不能被认为是由外界刺激引起的，而可能是由神经中枢兴奋过程中的自发波动造成的。
因此，在某些生物学领域内很有必要把微观物理事件考虑进去。然而，我们并不确信能以这种方式或从任何其他单一特征中找出关于“生命问题”的解决办法。首先，我们必须谨防有人常常鼓吹物理学的不确定性和自由意志之间有类似性的观点，其实，这是两个处于绝对不同层次上的问题。物理学的非决定论表明，能够用物理规律说明的，只是集合体的统计行为，而不是个别的事件。另一方面，伦理学中的自由意志概念，并不意味着事件在统计学意义上是随机的，而恰恰意味着事件服从于一定的规范；它的真实含意是：在一定境况中发生的行为，不是偶然的，而是由某种道德准则决定的。如果假定自由意志可以在物理学因果性留下的缺口起干预作用，这就等于活力论假定物质活动是受隐得来希控制的。我们还不能通过严格地论证生物界不存在隐得来希活动来驳倒活力论的假设。由于我们不能对有机体作出拉普拉斯式的预言，我们也不能完全通现有机体的物理构造，因而，总有可能用假设的活力论因素的“干预”来填补我们知识的空隙，甚至传统的决定论也确认这点。相似地，我们根据科学资料也不能驳倒这样的观念，微观物理学事件，是由自由意志决定的，而不是由物理学的统计规律决定的。然而，这两种假设都是混淆概念（metabasis
eisallo genos），因为物理事件和精神感受处于实在的两个不同的层次。物理学只涉及客观现象及其规律；精神因素对物理事件的干预——不管这是指传统解释中精神因素干预物质原子的方向，还是指现代解释中精神因素介入微观事件——都超出了物理学理论的范围。关于物理学和心理学、自然与精神的关系，将在下文（下一卷）从机体论观点加以表述。
4．方法论问题与形而上学问题
生物学机械论和活力论之间的对立是有两重根源的。它既是方法论问题，又是形而上学问题。
方法论问题涉及这样的问题：解释生物现象，要应用什么原理和定律？这个问题在上几节中作了详细讨论。这方面的讨论不是没有必要的。因为物理学和生物学、无生命界与生命界之间的关系，属于科学思想的基本问题，每个时代的人们都必须以自己的方式对这些基本问题作出解答。然而，看来宜重提曾在别处发出的警告（冯·贝塔朗菲，1932年）：
“关于生物定律经过最后的分析是否成为物理定律的一争论——这种争论构成了理论生物学的主要部分——看来是相当无成果的。因为，俗话说得好：‘未能逮住他，休想处置他。’机体论概念实际上所力求的是比对未来所作的无把握的、消极的预言更为实质的东西，即目前积极研究的万案。它指明这样的事实：对有机体中孤立过程的物理－化学解释，实际上几乎是迄今人们唯一使用的研究方法，这无助于人们洞见使这些孤立过程转变为生物现象的有序规律，而发现有机体的系统规律正是生物学的基本任务，但这个任务迄今难以引起
‘机械论’生物学的关注。”
另一人面是形而上学问题，即世界上每一算件，包括生物事件在内，是否单义地由最终的物理单位和它们之间遵循自然规律发生作用的力决定的，或者在生命领域中是否有其他实在的要素，最终是心理性质的要素起作用，以指导这些粒子的活动。这个问题是无意义的、因为这两种概念都以经典物理学的机械论概念为基础，而且从现代物理学和认识论来看，这两种概念使用时没有一个是一致的。关于世界的过程是否“单义地”由最终的物理单位决定的问题变成无效了，因为这是一个既不能证明也不能反驳的陈述，即使原则上说也不能把最终物理事件看作是完全决定性的事件。“自然定律”更不表示任何力（不管这些力被认为是因果力还是终极力）的表现形式是拟人化的：因果力是模仿我对某个东西作出的推力的映象，终极力则是模仿我们自己有目的的活动。在现代物理学中，自然定律体现为现象之间形式关系的符号表述。自然定律终究是关于某些集合体的统计陈述，而不是关于引起事件过程的因素的陈述。最后，最终的物理单位不是作为形而上学实在的“物质原子”，它们只能用数学表达式从形式上加以描述，物理学并不能说出它们的“内部性质”。因此，形而上学机械论和活力论之间的对立变成一个假问题，因为它的前提即作为形而上学实在的惰性物质与起指导作用的心理动因之间的形而上学的二元论，是以不复存在的物理学世界观为基础的。
有时人们说，机体论概念不能真正解决机械论与活力论的争论。实际上，机体论概念不适合通常的二者择一。“机械论者”想要把生命现象分解成物理学和化学，发现某种扰动规律和模式的指称物，这种指称物超越了物理学和化学，因而在他看来是属于活力论的。另一方面，“活力论者”把这些特殊的生物学规律看作是机械论的，因为这些规律是从物理－化学规律中突现出来的，就它们的逻辑结构而言，生物学定律与物理－化学定律并没有什么不同。可是，实际上在更高水平上克服机械论与活力论的二者择一，正是机体论概念的核心。对于生命形态的特殊规律，机械论者持否认态度。活力论者认为这种特殊规律是超出科学范围之外的。而在机体论概念中，生命形态的特殊规律成为可以进行科学研究的问题。
由此提出了一种新的方法观。机体论方法是要发现精确表述关于作为一个整体的有机体系统的诸定律。“精确”这个词是严格采用的，而且是指它在物理学中使用的意义。但是，与孤立现象的研究（虽然这种研究总是心要的，是应当尽可能提出的）相比较，机体论方法是一种新的研究准则，这种准则已在许多领域被证明是行之有效的。
就有关哲学问题而论，对机体论慨念说明的每件事科学家都有权发表意见。机体论者不对事物的“本质”作出陈述，因而也不对生命与非生命之间“本质”区别的问题作出陈述。实际上，机械论与活力论的二者择一不是两种科学解释之间的争论，其中一个试图用物理－化学定律解释生命现象，另一个企图用其他某种特殊类型的定律说明生命现象。真正的区别，在于科学的解释和拟人化的“理解”之间的区别。科学只限于对客观现象的描述和解释，“解释”意味着使这些现象符合某种理论体系（p.161）。活力论者的任务是不同的：他想要做的是理解事物的“内在本质”，按照我们自己内心体验的映像去作解释。在形而上学范围内，对实在的心理解释，可能会发现科学不容许的地方。那么，这就不再是科学的解释，而是神话情趣的生动表达，是无法言传的隐喻和比喻。这是科学与诗之间奇异混合的见解，活力论正因持有这种见解而衰弱。活力论不是在客观自然界中，而是在超自然的中命原理中寻求有机整体性，它不能为生物学理论提供基础。另一方面，活力论通过将活力合理化而作出了肤浅的形而上学直觉，并试图把活力作为因果引入科学。这种神话的和形而上学的实在观，可能是真的，也可能是虚幻的——这不是一个科学问题。
5．科学——统计的等级体系
所有自然定律都是统计性定律。它们是关于集合体的平均行为的陈述。整个科学表现为一个统计的等级体系。
在这个等级体系的第一层次是微观物理学的统计学。在基本物理事件的领域中，决定论的处理在原则上是不可能的。如上所述，微观物理事件也介入某些生物现象。
第二层次由宏观物理学定律即其中涉及到大量基本物理单位的宏观物理现象的定律构成。这些定律本质上也是统计的。可是，由于统计涨落因大数定律而被拉平，所以宏观物理定律具有明显的决定论特征。与基本物理事件的统计学相比，宏观物理学定律处于更高的层次。例如，宏观力学定律或流体力学定律不再考虑基本物理事件，原因很简单：我们不能，也不需要追踪每一个分子，而只需要对该系统作总的统计处理。
更高的一个层次是生物学领域。如前所述（p．155），一方面我们能分离单个过程，并用物理学和化学的术语对之下定义。另一方面，我们能在确定生物系统所包含的个别的物理－化学过程之前，陈述作为一个整体的生物系统的总定律。
最后，存在着适用于超个体生命单位的定律。例如，我们可以陈述某个生物群落中各个种群的生长定律（p.52），或某个人类种群中死亡发生率的定律。这种定律是保险统计学的基础，因而它具有重要的实用价值和商业性价值。这里考虑的单位是个别的有机体，而这些定律不可能，也不必要考虑有关生理的或物理－化学的过程。
这样，在不同的生物层次上可以建立起精确的、定量的定律，并构成一个假说－演绎系统。就这方面而言，生物学定律可以与物理学定律相比，但与后者相比，生物学定律涉及更高层次的单位。
在这统计的等级体系中，我们发现了一个值得注意的现象，我们可以把它描述为自由度增加的现象。
例如，普通化学的化合物是用结构式来表示的，这种结构式单义地确定化合的原子数或基团数。这甚至适用于复杂的有机分子。可是，进入大分子化合物（p
26），统计值取代了刻板的结构式。例如，人们只能说，按平均数计算，三百个糖残基通过一个共价键链而化合，在植物纤维素的一个分子团中，平均大约有六十个共价键链。
空间排列也是如此。矿物晶体是三维晶格。相反地，在有机领域，“中介形态”即仅有二维或一维的大分子排列，起了决定性的作用。例如，它们形成大量的小纤维结构，这些小纤维结构在细胞构造和有机体中是至关重要的，它们支撑着组织、肌肉、神经等等；在这些小纤维中，线状分子是平行于轴线有序地排列的，而不是无序地朝其他方向排列的。
对化学过程也可以作相应的考虑这里，我们发现自由度随着复杂性的增加而增加。有机体内的化学过程是靠催化作用进行的，反应要么慢慢加速，要么就不发生加速。简单的催化作用，诸如，用多孔的铂使氢和氧化合成水，只能以一种方式发生。可是，化学工业中应用的比较复杂的催化活动，尤其是活机体内发生的催化活动，有几种可能的反应方式。例如，在适当的温度和压力下，一氧化碳和氢可以化合成甲烷，或甲醇，也可以化合成（分子式）较高的乙醇，或液态的碳氧化合物。用镍催化剂只能产生甲烷，氧化锌－氧化铬催化剂几乎只能产生纯甲醇，等等（米塔施）。在这类系统中有几种在热力学上是可能的反应方式，其中会发生哪一种反应，取决于所用的催化剂。工业化学家的技术就在于选择适合于一定目的的催化剂系统。相似地，有机体内通过多种可能的万式得以进行的化学反应，是生理过程的重要基础。
晶体的外部形态是由晶格决定的分子排列的表现。例如，氯化钠的晶格表现为微型的立方体，宏观晶体也具有立方体形状。有机形态是极其多种多样的、它们作为一个整体是由其组分排列的非常多样的变化决定的。例如，我们可以回想菌盖的形状，这种形状是预先确定的，是该物种的特征，它是由菌丝构成的。菌丝是朝各个方间生长的，它们的排列是无规律的。我们可以从以下方面说明无机形状与有机形状的区别。前者的结构即内部排列的规律是不变的，它的形态或外部形状是结构的表现，并且是可变的。在这个意义上，例如，晶体结构是由晶格决定的，我们在大多数晶体中看到的变形早非本质的。与此相对照，在生命系统中，结构是可变的，而形状则是确定的。好比说，后者表现为一个模子，期中塞满了在很大程度上可以改变数量和排列的细胞。值得注意的是，高分子化合物在这方面也是中间体。就蛋白质而言，这个共同的“模子”可以塞满不同的氨基酸。例如，毛发的角蛋白，肌肉纤维的有收缩力的肌浆球蛋白。血液凝结的血纤维蛋白原，虽然它们的化学和物理的性质不同，但都具有同样的分子构型（阿斯特伯里［Astbury］）。磺胺类药的化学治疗作用很可能由磺胺分子和细菌生长物质的分了之间结构的相似性造成的；因此。前者可以取代后者，从而抑制了细菌的生长和繁殖。
自由度以不同的方式增加还表现在等终局性上。有鉴于封闭系统向终态的发展是由初始条件决定的，开放系统能够以不同的方式达到相同的终态。
最后，我们发现了系统发育和历史发展的可比现象、某些总规律看来是确定不移的；但是，它们在特定条件下的实现取决于偶然性：在系统发育中，取决于适当的突变出现，在历史发展中，取决于具有统治能力的人物的出现。
这样，在统计的等级体系中，自由度好像随着我们进入更高的层次而逐步增加；这不是基本物理事件的非决定性意义上的自由度增加，而是作为一个整体的过程遵循确定的规律意义上的自由度增加。但是，对个别事件来说，仍留有个同的可能性。