后基因組時代的生命觀與科學(xué)觀

吳家睿

人類基因組計劃是人類文明史在世紀(jì)之交的一個重要里程碑，被譽為生命科學(xué)的“登月計劃”，據(jù)此，21世紀(jì)被稱為后基因組時代。在這樣一個新時代，我們顯然應(yīng)該并且可以從一種新的哲學(xué)高度去思考生命，思考與之相關(guān)的科學(xué)。關(guān)于生命的哲學(xué)思考，始終貫穿著兩個永恒的主題，一個是本體論主題，即生命是什么；另一個則是方法論主題，即怎樣認(rèn)識生命。

生命是質(zhì)料、形式和環(huán)境之間的高度統(tǒng)一

縱觀整個人類對生命的認(rèn)識過程，關(guān)于生命是什么的問題主要有兩種觀點：一種觀點稱為“還原論”（reductionism），認(rèn)為生物體與非生物體沒有本質(zhì)區(qū)別，可以從簡單的非生命物質(zhì)中形成生命；與之相對立的觀點則是“活力論”（vitalism）：生命世界與非生命的無機(jī)世界存在著截然不同的界線，生命具有非生物體所沒有的特殊性質(zhì)——“活力”（vital force）。

從質(zhì)料與形式的辯證統(tǒng)一關(guān)系看生命

生命有一個別名——有機(jī)體（organism），這個術(shù)語始于古希臘哲學(xué)家亞里士多德，即生命是從具有活力的“種子”或“胚胎”中生長出來的。亞里士多德把在生物體中存在的“活力”用希臘語“隱德來?！眮肀硎?，意思是“實現(xiàn)”，即這種特殊性質(zhì)能夠讓生命形式實現(xiàn)其自我完善之目的?！半[德來?！焙髞沓闪嘶盍φ摰拇~。

19世紀(jì)初期的化學(xué)家就認(rèn)識到，含碳化合物是組成有機(jī)體的基本物質(zhì)，他們把研究含碳化合物的化學(xué)稱為“有機(jī)化學(xué)”。在早期的有機(jī)化學(xué)家眼里，有機(jī)化合物與非生命來源的無機(jī)化合物有著不可逾越的界限，只有擁有“活力”的生物體才能夠合成有機(jī)化合物；研究者只能從動植物等有機(jī)體中提取出有機(jī)化合物，而不能在實驗室里用無機(jī)化合物合成出有機(jī)化合物。1828年，德國化學(xué)家維勒（F. Wohler）在實驗室中首次將無機(jī)化合物“氰酸銨”轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物“尿素”。這一實驗打破了有機(jī)化合物與無機(jī)化合物之間的人造“隔墻”，有機(jī)化學(xué)的原意從此成為歷史的傳說，而“活力論”也逐漸式微。

20世紀(jì)中葉的人工合成胰島素工作進(jìn)一步表明，具有生物活性的蛋白質(zhì)也可以從實驗室里產(chǎn)生，因此，復(fù)雜的生命物質(zhì)也不過就是一些簡單的小分子化合物按照一定的物理和化學(xué)的方式聚集在一起。在后基因組時代，科學(xué)家在合成生命方面取得了更多更大的成果。2010年5月20日，美國生物學(xué)家文特爾（C. Venter）宣布首個人工生命誕生——研究者采用化學(xué)合成方式，人工全合成了一個具有108萬個堿基的完整的細(xì)菌基因組，進(jìn)而構(gòu)成一種只含有這一人造基因組的人工細(xì)菌，并通過這個人造基因組控制和實現(xiàn)了自我復(fù)制等生命活動[1]；研究者特別強(qiáng)調(diào)說：“這個被人造基因組控制的細(xì)胞，其性質(zhì)表現(xiàn)得如同整個細(xì)胞都是人工合成的（即該DNA軟件制造了它自身的硬件）”[1]。這項具有里程碑意義的實驗使得人們認(rèn)為，生命可以在實驗室里被人工合成出來。美國《新聞周刊》（Newsweek）在報道該項工作的同時，在其封面刊登了文特爾的頭像，并冠以“扮演上帝”（Playing God）的標(biāo)題。

這些研究工作很清楚地反映了還原論者關(guān)注生命本質(zhì)的一個特定角度：生命可以還原為其組成物質(zhì)或構(gòu)成材料，而且與非生命的材料沒有根本上的區(qū)別。然而，如果僅僅從構(gòu)成材料的角度來定義生命，那么活力論的鼻祖亞里士多德也可以被歸于還原論者。亞里士多德把當(dāng)時已經(jīng)知道的520多種動物，根據(jù)它們的生殖方式進(jìn)行了分類，按照從低等到高等的順序構(gòu)建了動物的6個等級，并聲稱最低等的動物是從泥土中自然產(chǎn)生的[2]。

問題的關(guān)鍵是，生命的構(gòu)成材料并不等于生命。在亞里士多德看來，包括生命在內(nèi)的所有物體都是由“形式”和“質(zhì)料”二者組成的，“形式是被構(gòu)成的東西，質(zhì)料是構(gòu)成成分。形式?jīng)Q定了該物體的本質(zhì)所在”[2]。換句話說，生命之所以被視為生命，不僅要考慮到其構(gòu)成質(zhì)料，還要看到生命擁有了無機(jī)體所不具備的特定形式。顯然，這種對生命本質(zhì)的理解超越了還原論和活力論之間的簡單爭論。過去這二者的爭論建立在傳統(tǒng)哲學(xué)的唯物主義或唯心主義二分法之上，生命的質(zhì)料和形式之間的關(guān)系被割裂：還原論者往往把生命視為構(gòu)成它們的材料，而活力論者則認(rèn)為生命擁有獨立于構(gòu)成材料之上非物質(zhì)性的“活力”。但是，生命實際上應(yīng)該是由其質(zhì)料和形式共同構(gòu)成的，二者相互依存，缺一不可；質(zhì)料是生命的“潛能”，形式則是潛能的實現(xiàn)；亞里士多德提出的“隱德來?！钡谋疽?，正是指生物體中質(zhì)料和形式之間這種對立統(tǒng)一關(guān)系。從這個意義上說，生命是不可分割的一個完整呈現(xiàn)。因此，“活力論”往往又可等同于另一個概念：“整體論”（holism）。

人類基因組計劃的完成給研究者從“整體論”角度認(rèn)識生命提供了強(qiáng)有力的支持。在人類基因組中，編碼蛋白質(zhì)的基因有2萬多個，它們之間存在著廣泛的相互作用；每一種生命活動不僅依賴于相應(yīng)的基因或蛋白質(zhì)等構(gòu)成元件，而且還取決于這些元件之間形成的相互作用網(wǎng)絡(luò)。在多細(xì)胞生物中，這些生物分子的相互作用網(wǎng)絡(luò)不僅存在于細(xì)胞層面，而且跨越到組織和器官等各種層面。不久前，美國科學(xué)家通過系統(tǒng)生物學(xué)理論和大數(shù)據(jù)分析，提出了一個新的模型——“全基因模型”（omnigenic model）來解釋基因是如何控制復(fù)雜性狀：在細(xì)胞內(nèi)不僅存在對某個特定性狀有直接作用的核心基因，而且存在著數(shù)量更多的與核心基因有相互作用的外圍基因，這些外圍基因?qū)υ撔誀罹哂虚g接的影響。該模型認(rèn)為，由于各個基因間存在著廣泛的關(guān)聯(lián)和相互作用，所以生物體的每個復(fù)雜性狀都可能受到基因組內(nèi)每一個基因或多或少的影響[3]。

從質(zhì)料與環(huán)境的辯證統(tǒng)一關(guān)系看生命

在后基因組時代，科學(xué)家們正在從生命復(fù)雜系統(tǒng)的角度來認(rèn)識生命的本質(zhì)。美國哈佛大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)系創(chuàng)始系主任克爾斯勒（M. Kirschner）專門撰文指出：“值得問這樣一個問題：當(dāng)代生物學(xué)的‘后基因組觀點在多大程度上可以讓19世紀(jì)的活力論者接受今天人們對生命本質(zhì)的理解”[4]。他進(jìn)而從系統(tǒng)生物學(xué)角度提出了“分子活力論”（molecular vitalism）的觀點，“在21世紀(jì)之交，我們對活力論做一次最新的思考：必須指出，我們需要從根本上超越對細(xì)胞的RNA和蛋白質(zhì)組分的基因組分析（這種類型的分析很快就將過時），而轉(zhuǎn)向?qū)Ψ肿拥?、?xì)胞的、機(jī)體的功能之‘活力性質(zhì)的分析”[4]。

不久前，北京大學(xué)生物學(xué)家白書農(nóng)教授等人，根據(jù)奧地利物理學(xué)家薛定諤（E. Schr？dinger）的負(fù)熵和比利時化學(xué)家普利高津（I. Prigogine）的耗散結(jié)構(gòu)理論，提出了關(guān)于生命本質(zhì)的獨特看法，認(rèn)為生命的特征是指特定的組分在一定環(huán)境條件下的特殊相互作用[6]。這種特殊的相互作用源自兩個不同化學(xué)過程之間的耦合和循環(huán)，一個是生物元件通過消耗吉布斯自由能而形成分子復(fù)合物的自發(fā)組織過程，另一個則是環(huán)境提供自由能讓這種分子復(fù)合物解離的熱力學(xué)分解過程。由此他們認(rèn)為，這種耦合和循環(huán)過程就是生命不同于非生命體的第一個特征——代謝（metabolism）[5]。

需要指出的是，白書農(nóng)教授等人明確把特定的提供能量之環(huán)境視為生命“活力”的源泉：“這種循環(huán)過程可以被定義為‘生命（being）或‘活物（living matter）的第一個標(biāo)志。人們不應(yīng)該把物質(zhì)性的質(zhì)料單獨認(rèn)定為活的，而應(yīng)該要認(rèn)識到這種質(zhì)料參與到了一個由外部能量驅(qū)動的動力學(xué)循環(huán)之中”[5]。這一觀點引出了筆者對生命本質(zhì)的一個新想法，即把環(huán)境作為生命構(gòu)成中不可或缺的角色。生命的形成、生存、繁殖和演化等各種生命特征都建立在特定的環(huán)境之上。

過去的還原論與活力論之爭主要集中在生命本身，關(guān)于環(huán)境對生命的意義考慮得不多?？蓪嶋H上，離開了環(huán)境談生命的意義是不大的。病毒是生命嗎？在沒有遇到合適的宿主之前，病毒不過是蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子的聚合體，只有遇到了宿主以后，病毒在宿主提供的特定環(huán)境條件下才能夠成為“活”的病毒，表現(xiàn)出它的各種特性。換句話說，這正是“隱德來希”的真諦：構(gòu)成生命的相關(guān)質(zhì)料提供了生命的“潛能”，特定的環(huán)境條件讓這種潛能得以實現(xiàn)。筆者把這種讓生命潛能實現(xiàn)的環(huán)境稱為“活力環(huán)境”。在研究遺傳物質(zhì)與性狀關(guān)系的遺傳學(xué)里，有一個著名的公式：

表型=基因型+環(huán)境

生命也可以給予類似的定義：

生命=生物材料+活力環(huán)境

根據(jù)這個公式可以為許多爭論不清的問題提供答案。例如，通過誘導(dǎo)蛋白質(zhì)產(chǎn)生異常構(gòu)像而引發(fā)瘋牛病的“朊病毒”（prion）是生命嗎？就其構(gòu)成材料來看，“朊病毒”只不過是單純的蛋白質(zhì)，不能稱之為生命。但是，一旦它進(jìn)入哺乳動物大腦這個特定的“活力環(huán)境”中，其誘導(dǎo)蛋白質(zhì)產(chǎn)生異常構(gòu)像的潛能得以實現(xiàn)，從而成為能導(dǎo)致疾病的一種生命體了。再如，計算機(jī)病毒是生命嗎？雖然它能夠在計算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行自我復(fù)制和“傳染”，但它沒有核酸或蛋白質(zhì)等生物體構(gòu)成材料，因此不能稱之為生命。

由以上論點又可以引申出一個重要的哲學(xué)命題——“存在”與“本質(zhì)”的關(guān)系。對生命而言，存在先于本質(zhì)，即作為構(gòu)成生命的質(zhì)料，可以在沒有生命活動的狀態(tài)下穩(wěn)定地存在著，如上文提到的文特爾教授通過化學(xué)方法合成了一個完整的細(xì)菌基因組核苷酸序列，但是構(gòu)成這個人造基因組的核酸材料本身并沒有表現(xiàn)出生命特征，只有當(dāng)研究者把它放入一個去除了天然基因組的細(xì)菌細(xì)胞這樣一種“活力環(huán)境”中，人造基因組才表現(xiàn)出了自我復(fù)制和代謝調(diào)控等生命特征[1]。據(jù)此還可以進(jìn)一步推導(dǎo)出：生命的存在可與本質(zhì)相分離，如保存在低溫狀態(tài)下的細(xì)胞或者個體僅僅是一種材料，只有在合適的復(fù)蘇條件之“活力環(huán)境”下才能重新呈現(xiàn)出生命的跡象。換句話說，構(gòu)成生命的材料僅僅是生命形成的必要條件，而特定的“活力環(huán)境”則是生命形成的充分條件，缺一不可。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的開放型生命科學(xué)研究范式

20世紀(jì)中葉誕生的分子生物學(xué)建立在還原論的基礎(chǔ)上，認(rèn)為生命活動遵循著基本的物理學(xué)和化學(xué)規(guī)律。正如薛定諤在其名著《生命是什么》中所指出的：對生物體而言，在它內(nèi)部發(fā)生的事件必然遵循嚴(yán)格的物理學(xué)定律[6]。也就是說，在分子生物學(xué)家看來，生命是一部按照決定論規(guī)律運轉(zhuǎn)的“機(jī)器”；研究者的任務(wù)就是要提出科學(xué)假設(shè)，進(jìn)而通過研究去認(rèn)識和揭示這種規(guī)律。然而，后基因時代的研究揭示，生命并非是這樣一架簡單的決定論“機(jī)器”，而人類基因組計劃也催生了一種不同于假設(shè)驅(qū)動的研究范式——數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究范式。

研究不確定性的生命科學(xué)

基于還原論的生命科學(xué)決定論者往往有這樣一個潛在信念，只要掌握的知識足夠充分、信息足夠精確，就可以認(rèn)識和控制一切生命活動，就能夠消滅危害人類的所有疾病?，F(xiàn)代生命科學(xué)那種研究核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子三維空間結(jié)構(gòu)的熱情，正是這種決定論觀點的突出體現(xiàn)：人們試圖精確到原子水平去解釋生物大分子的功能或它們之間的相互作用，進(jìn)而去發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)確定的分子作用機(jī)制。換句話說，分子生物學(xué)建立在這樣一個觀念上——結(jié)構(gòu)決定功能。

然而，生物體內(nèi)的生物大分子種類繁多、數(shù)量巨大，即使是大腸桿菌這樣簡單的單細(xì)胞原核生物所擁有的各種蛋白質(zhì)分子的總拷貝數(shù)就高達(dá)250萬個左右，其整個細(xì)胞容積的30%左右都被生物大分子占據(jù)。因此，這些生物大分子在細(xì)胞內(nèi)通常處于極端擁擠環(huán)境和無序排列狀態(tài)下。更重要的是，蛋白質(zhì)和核酸等各種生物大分子具有不可穿透性，不能像無機(jī)小分子那樣在溶液中自由擴(kuò)散和運動，導(dǎo)致任何一個生物大分子的實際可及空間大大減少，被稱為“排斥體積效應(yīng)”。這種擁擠的細(xì)胞液態(tài)環(huán)境和排斥體積效應(yīng)導(dǎo)致生物大分子之間產(chǎn)生了相當(dāng)復(fù)雜的相互作用，其中有一種相互作用被稱為“相分離”（phase separation）。生物體的相分離是指：特定的蛋白質(zhì)和RNA等生物大分子可以在一定條件下組織起來，形成高濃度的特定分子聚集的“液滴”，就如同油滴從水中分離出來一樣[7]。不同于傳統(tǒng)意義上的蛋白質(zhì)相互作用，具有相分離能力的蛋白質(zhì)往往是依靠一類沒有確定三維結(jié)構(gòu)的“內(nèi)部無序區(qū)域”（intrinsic disorder region， IDR）之間的相互作用來實現(xiàn)相分離[7]。

生物大分子不僅具有結(jié)構(gòu)上的無序組織，而且在其合成的過程中也有許多隨機(jī)波動存在。這種生物大分子具有的隨機(jī)波動性通常被稱為生物學(xué)噪聲（biological noise），主要表現(xiàn)在基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯過程中，如基因轉(zhuǎn)錄過程中它的啟動子被激活和滅活時間響應(yīng)的快慢差異，或者蛋白質(zhì)合成反應(yīng)和降解反應(yīng)的速率差異等。研究者發(fā)現(xiàn)，在原核細(xì)胞中，噪聲對基因轉(zhuǎn)錄的影響不大，主要影響蛋白質(zhì)的合成水平；而在真核細(xì)胞中，噪聲不僅影響蛋白質(zhì)的合成，而且顯著地影響基因的表達(dá)水平。

生物學(xué)噪聲導(dǎo)致的一種重要生物學(xué)現(xiàn)象就是，基因表達(dá)水平與蛋白質(zhì)合成水平之間數(shù)量關(guān)系的相關(guān)性不高。過去人們認(rèn)為基因與蛋白質(zhì)的豐度變化關(guān)系是線性的，即基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA拷貝數(shù)多，則相應(yīng)的蛋白質(zhì)數(shù)量就高；反之，前者少的時候后者也少。然而，在對酵母細(xì)胞和動物細(xì)胞等不同種類生物體的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的定量分析中發(fā)現(xiàn)，mRNA豐度和相應(yīng)的蛋白質(zhì)豐度之間并沒有很好的相關(guān)性。一項對大腸桿菌的單分子研究發(fā)現(xiàn)，在生物學(xué)噪聲的影響下，基因表達(dá)量和相應(yīng)的蛋白質(zhì)表達(dá)量之間呈現(xiàn)出隨機(jī)的關(guān)系，以至研究者得出這樣一個結(jié)論：“對任何一個給定的基因而言，在單個細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)拷貝數(shù)和mRNA拷貝數(shù)之間沒有相關(guān)性”[8]。

人們通常認(rèn)為隨機(jī)性“噪聲”會對生命產(chǎn)生負(fù)面影響，例如在基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯等重要的生命活動中存在的不確定性擾動，由此來看，噪聲對生命沒有好處，應(yīng)該被消除。但越來越多的研究表明，生命中的噪聲不僅難以消除，而且對生命也有著積極的一面，它常常具有許多重要的生物學(xué)功能。例如，生物學(xué)噪聲在 DNA復(fù)制過程中往往引發(fā)隨機(jī)突變的產(chǎn)生，為生命的演化提供原材料；在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，生物學(xué)噪聲可以利用細(xì)胞的正反饋機(jī)制來放大信號，幫助細(xì)胞做決定。此外，雖然生物學(xué)噪聲可以由細(xì)胞間的差異產(chǎn)生，但生物學(xué)噪聲同時可以用來維持和加強(qiáng)細(xì)胞的個體差異特征，影響個體的發(fā)育和生長。2020年發(fā)表在《自然·方法》上的一項研究表明，在小鼠骨髓調(diào)控血細(xì)胞發(fā)育的過程中，轉(zhuǎn)錄因子的基因表達(dá)噪聲參與到了細(xì)胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換中，進(jìn)而影響了這些細(xì)胞的命運。

當(dāng)前，對生物學(xué)噪聲及其對生命活動影響的研究正在成為一個新的科學(xué)熱點，有研究者甚至稱之為“噪聲生物學(xué)”。這類研究讓我們認(rèn)識到，生物體作為一個開放的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，一方面自身具有各種內(nèi)在的隨機(jī)噪聲，另一方面生存于充滿不確定性的外部環(huán)境之中?？梢赃@樣說，地球上生命的演化過程就是由偶然性推動的，它的存在使得生命能夠從最簡單的原核細(xì)胞形式發(fā)展出如此復(fù)雜多樣的動植物。如果生物世界真的是由確定性所統(tǒng)治的，那么今天地球上存在的生命很可能依然只是大腸桿菌這一類簡單的單細(xì)胞生物。

還原論者推崇的現(xiàn)代生命科學(xué)是一種“假設(shè)驅(qū)動”的研究范式。對決定論者而言，一切事物的發(fā)生發(fā)展都是遵循著一定規(guī)律的，有因必有果；生命科學(xué)研究的主要目標(biāo)通常就是去證實或證偽對某種因果關(guān)系的假設(shè)。美國著名的腫瘤生物學(xué)家溫伯格（R. Weinberg）在一篇題為“假設(shè)優(yōu)先”的文章中就開宗明義地指出：“在20世紀(jì)，生物學(xué)從傳統(tǒng)的描述性科學(xué)轉(zhuǎn)變成為一門假設(shè)驅(qū)動的實驗科學(xué)。與此緊密聯(lián)系的是還原論占據(jù)了統(tǒng)治地位，即對復(fù)雜生命系統(tǒng)的理解可以通過將其拆解為組成的零部件并逐個地拿出來進(jìn)行研究”[9]。而對生命的決定論世界之否定，使得研究者需要重新審視這種“假設(shè)驅(qū)動”的研究范式。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的生命科學(xué)

人類基因組計劃的實施催生了一種全新的研究范式——數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究。一個人的基因組具有30億個以上的堿基對，即相當(dāng)于3 GB以上的數(shù)據(jù)。目前國際上儲存的個體基因組序列的數(shù)據(jù)量已達(dá)到百萬人級的規(guī)模。與此同時，基因組測序也成為了健康醫(yī)學(xué)研究的基本目標(biāo)，如美國國立衛(wèi)生研究院在2006年牽頭啟動了國際癌癥基因組項目——“癌癥基因組圖集”（The Cancer Genome Atlas， TCGA），到2017年底，該項目分析了3.2萬多位患者的腫瘤樣本，覆蓋60個組織或器官的38個癌種及其亞型，測到311萬多個基因變異，積累了超過20 PB（1 PB = 1015 byte）的腫瘤基因組數(shù)據(jù)。此外，轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組等各種生命組學(xué)數(shù)據(jù)也被大量產(chǎn)生。生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)正在徹底改變著生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究范式。正如2011年美國首部關(guān)于“精確醫(yī)學(xué)”（precision medicine）的戰(zhàn)略報告所指出的：“開展本項研究的動機(jī)在于，與人體有關(guān)的分子數(shù)據(jù)正在爆發(fā)性地增長，尤其是那些與患者個體相關(guān)的分子數(shù)據(jù)，由此帶來了巨大的、尚未被開發(fā)的機(jī)會，即如何利用這些分子數(shù)據(jù)改善人類的健康狀況”。聯(lián)合國教科文組織在一份科學(xué)報告中也做了這樣的預(yù)測：到2030年，科學(xué)不僅基于數(shù)據(jù)來開展研究，任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基本產(chǎn)出也是數(shù)據(jù)。換句話說，后基因組時代是一個大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)重塑了生命科學(xué)研究，研究者不僅繼續(xù)能夠在假設(shè)驅(qū)動下開展研究工作，也可以在全新的數(shù)據(jù)驅(qū)動范式下進(jìn)行研究。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究范式與假設(shè)驅(qū)動的研究范式有著本質(zhì)的區(qū)別，首先是研究的“初心”不一樣，前者不需要假設(shè)，不以解決具體科學(xué)問題為己任，其主要研究目的是去獲取研究對象的相關(guān)信息。人類基因組計劃就是數(shù)據(jù)驅(qū)動型研究的典型代表；該計劃的初衷是要測定人類基因組擁有的全部核苷酸序列。在傳統(tǒng)的生命科學(xué)研究中，研究者往往是根據(jù)某種假設(shè)把研究目標(biāo)鎖定到由一段核苷酸序列組成的一個基因之上，進(jìn)而深入研究其功能或調(diào)控機(jī)制；而對人類基因組計劃而言，研究者則是通過測定全基因組序列，去發(fā)現(xiàn)在這些序列中隱藏著的2萬多個基因。因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究通常又被稱為“發(fā)現(xiàn)的科學(xué)”（discovery science）。

雖然假設(shè)驅(qū)動的研究范式在現(xiàn)代生命科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展中扮演了重要的角色，并成為科學(xué)研究的主流，但是，這種研究范式也帶有一種先天缺陷。英國科學(xué)哲學(xué)家查爾默斯（A. F. Chalmers，）在其名著《科學(xué)究竟是什么？》中指出，基于假設(shè)驅(qū)動的研究范式之科學(xué)是“從事實中推導(dǎo)出來的”[10]。在他看來，關(guān)鍵是怎樣獲得“事實”，“其中的一個困難在于，知覺經(jīng)驗在一定程度上受觀察者的背景和期望影響，因而，對一個人看來是可觀察的事實，對另一個人未必如此。第二個困難源自對觀察命題真假的判斷在一定程度上依賴于已知或假設(shè)的是什么，這樣就使得可觀察事實像作為其基礎(chǔ)的前提一樣。這兩種困難都暗示著，科學(xué)之可觀察的基礎(chǔ)，可能并不像人們廣泛地和在傳統(tǒng)上認(rèn)為的那樣直接和可靠”[10]。

由于數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究不依賴于假設(shè)，因而可以避免這種對“事實”的主觀性選擇和判斷。美國生物學(xué)家戈盧伯（T. Golub）在一篇題為“數(shù)據(jù)優(yōu)先”的文章中明確指出：“如果沒有獲得全面的腫瘤基因組數(shù)據(jù)，將難以區(qū)分信號和噪聲。盡管假設(shè)驅(qū)動的實驗科學(xué)依然處于研究領(lǐng)域的中心位置，但不帶偏好的腫瘤基因組測量將提供前所未有的機(jī)會去催生新的想法”[11]。換言之，數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究范式不僅能夠避免研究者可能的主觀偏見，而且可以幫助其發(fā)現(xiàn)在假設(shè)或者現(xiàn)有理論范圍之外的全新知識。我們還可以進(jìn)一步引申一下——經(jīng)典的科學(xué)哲學(xué)認(rèn)為，科學(xué)研究需要在由一系列假設(shè)和理論搭建的框架內(nèi)進(jìn)行，這種指導(dǎo)研究的“框架”被庫恩（T. Kuhn）稱為“范式”（paradigm），拉卡托斯（I. Lakatos）稱之為“研究綱領(lǐng)”（research program）。而數(shù)據(jù)驅(qū)動研究范式的一個“亮點”就是：可以不受現(xiàn)存研究“框架”的制約。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的與假設(shè)驅(qū)動的研究范式之間還有一個重要的區(qū)別，即研究策略不一樣，前者往往具有一個明顯的特征：即把研究目標(biāo)分解為若干次要目標(biāo)，然后開展相應(yīng)的研究工作，并在前期研究結(jié)果的基礎(chǔ)上反復(fù)地進(jìn)行完善，通過多次研究逐漸逼近預(yù)定的總體目標(biāo)，每一次重復(fù)研究的過程稱為一次“迭代”（iterate）。這種“迭代”式研究策略意味著允許每一次研究工作可以不完備，可以接受局部的或非最優(yōu)的階段性成果。而假設(shè)驅(qū)動的研究則追求研究成果的完備性，盡可能通過一次性研究工作，就可以完整地解答科學(xué)問題或證明科學(xué)假設(shè)。

后基因組時代的許多生命科學(xué)研究計劃明顯具有這種“迭代”特征，其中最具代表性的例子依然是人類基因組計劃。雖然人類基因組計劃的終極目標(biāo)是揭示人類基因組的所有核苷酸序列，但2001年2月發(fā)表的人類基因組測序的里程碑成果，不過只是覆蓋了基因組90%核苷酸序列的“草圖”；2003年4月國際人類基因組測序聯(lián)合體，才正式宣布人類基因組全圖繪制成功；2004年10月在《自然》周刊上發(fā)表的相應(yīng)論文中，也只給出了常染色質(zhì)區(qū)域內(nèi)約99%核苷酸序列的測定結(jié)果。因此，人類基因組序列中至今仍然存在許多高度重復(fù)序列區(qū)域（如中心粒）沒有被測定。2020年9月，研究者終于在《自然》周刊上發(fā)表了第一個完整的、沒有測序“缺口”的人類X染色體測序工作（還剩下22條染色體待將來進(jìn)行補(bǔ)測）。不久前，研究者提出了一個比“人類基因組計劃”更為宏大的“人類細(xì)胞圖譜”（Human Cell Atlas， HCA）研究計劃，其基本目標(biāo)是，通過特定的分子表達(dá)譜，來辨識和確定人體擁有的40到60萬億個細(xì)胞中所有的細(xì)胞類型，采用的主要研究策略同樣具有“迭代”特征。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究范式之“迭代”模式既不屬于“觀察—歸納—證實” 的“實證性研究”，也不屬于“問題—猜想—反駁”的“證偽性研究”，其研究成果既不能被證實，也不能被證偽。在整個數(shù)據(jù)“迭代”的過程中，每一次研究獲得的成果都不是決定性的或完備的，如2004年發(fā)表的人類基因組“全圖”并不證實或否定2001年發(fā)表的“草圖”。更重要的是，數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究范式作為一種超越理論框架的“發(fā)現(xiàn)的科學(xué)”，并不采用傳統(tǒng)的歸納方法去追求事物之間的因果關(guān)系，而是通過算法和模型去探討數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性?？梢哉J(rèn)為，數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究范式克服了假設(shè)驅(qū)動的研究范式對決定論和因果關(guān)系的偏執(zhí)，進(jìn)而形成了開放式研究的認(rèn)識論新體系。

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關(guān)鍵詞：生命 生命科學(xué) 還原論 活力論 ■