艺术与科学跨界的创作研究:分子时代与其之前的生物学史

作者:魏颖2016/5/13

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生物艺术是一个90年代开始蓬勃发展的艺术门类,这个时期也正是生物学尤其是分子生物学开始在大众媒体层面产生影响的时期,笔者意在通过对生物科学史的研究,为之后生物艺术历史的叙述提供扎实的学科背景阐释。

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书写科学史通常可分为“内史”和“外史”两种视角,内史侧重专业性,亦即学科内重要概念的提出和演进;重要人物间的师门传承和理论更替。而外史则更为宏观,关心内史中出现关键的概念与人物在更广阔的社会环境中所处的地位,当时的政治、经济、宗教、哲学观点对其产生的影响。可以说,内史是单轨叙事,而外史则是双轨及多轨叙事。笔者作为生物艺术的研究者,更倾向于在本文中首先清晰叙述“生物学”这一单轨历史,以期获得生物艺术发展史在基于生命科学发展史上的双轨对应。

但是生物学发展到今日,其广度和深度之丰厚,即便使用单轨的“内史”叙事,也不是一篇文章可以概括。本文重在突出其科学史上最重要的范式转换——分子生物学形成前后的对比,将其划分为古典(现代的方法论未形成之时)、前分子、分子时代方法论之区别。

托马斯·库恩在《科学革命的结构》中提到“范式”一词,指“特定的科学共同体从事某一类科学活动所必须遵循的公认的‘模式’,它包括共有的世界观、基本理论、范例、方法、手段、标准等等与科学研究有关的所有东西。”每次范式的转换都会带来整体观念的更新,但每次转换之后都将有一段平缓期,此后到下一个范式转换之前,所有的科学家所做的事情就是验证而非革新,而生物科学的最大一次的范式转换就是分子生物学的开创。而这正是由于整个生物界的思想改观带来的最终的结果:之前整个生物界的主导思想是整体论,而今变为还原论,也即深入到物质的内部。

一般认为,1953年DNA双螺旋的发现,开创了一门崭新的学科,即分子生物学。这在生命科学的历史上具有无可比拟的里程碑意义,正如物理学上量子物理的出现。笔者将以此作为一个分界线,划分为前分子时代和后分子时代,依次介绍生命科学这个领域的进展。前分子时代的重心在于生命科学的演进,也即按时间轴上各个学科分支的依次产生,并与当时的社会概念、哲学思想的相互交织。而后分子生物时代的学科重心高度倾向于分子生物学,在此基础上分化出来的生物技术以及生物产业,由于对大众以及生物艺术领域有非常大的影响力,因此也将进行比较深入的阐释。

我们可以认为,DNA双螺旋的出现就像是杜尚之于当代艺术,是从概念打破,创造了一个全新的领域。

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Suzanne Anker - Astroculture, Shelf Life (detail, 2010)

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和古典学科中其他自然学科一样,生物学的诸多子学科没有清晰的边界,它们和神学或者其他学科互相交织,一片混沌,没有专职的科学人员。神父、医生、药剂师等交替履行着科学人员的职责。在17世纪时,我们所称之为生物学还从属于医学和博物学之下,尚未孕育出雏形。到了17、18世纪,博物学中分出动物学和植物学;而医学中则分化出了生理学。其他子学科的开端也一一浮现,比较公认的有:胚胎学于1828年,细胞学于1839年,进化生物学于1859年,遗传学则更晚,出现在1900年。

其所使用的方法论可以称为整体论,出现在近代的欧洲,代表作是瑞典人林奈的《自然系统》,也是我们所熟知的界门纲目科属种之来源。虽然用现在的眼光去审视,觉得这种古旧的博物学方法并未让人树立起看待世界的新角度,只是一种数量上的累积和细化;但当时仍然浓厚的宗教氛围下,此举仍不失有进步的意味。这种方法论,是线性,平稳,妥帖和原始的。虽然这段时间堪比文艺复兴前漫长的中世纪,但是在其中并未有巨大的可以称为范式转换的事件,甚至在当时掀起惊涛骇浪的《物种起源》在1859年出版,其影响在与神学对抗上的意义,以及“物竞天择”对于其他学科(比如社会学)隐喻式的启发,远远大于其在自身学科的意义。

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前分子时期和古典时期区分的重要标志是还原论的出现。这种方法论将生物的功能和机制分解为化学和物理反应进行研究。因此,在这点意义上,孟德尔作为一名牧师,他在生物学科上的重要性要大于达尔文。

还原论在生物学上的兴起源于多条线索。首先是其他学科,诸如物理、化学等的进步,从理念和技术上支持了生物学。每个学科在经典学说转向“现代化”的过程中都有属于自己的黄金期,且呈现时间差状态出现,这是因为学科之间的互相制约性。粗略来讲,19-20世纪初是现代化学研究的高峰期,在门捷列夫提出化学周期表之后,元素被一一填入表中,不仅每种元素都获得了纯化物,且自身的化学特性、原子轨道都被解构清楚。20世纪上半叶则是物理学的高峰期,以爱因斯坦为代表的量子理论突破了人们对于牛顿经典力学的想象,对哲学、艺术等其他学科的影响至今可见。而当这些学科完成了现代化转向以后,这些突破产生的相应的技术正好为生物所用。比如层析法,超速离心技术,化学合成法,x射线晶体衍射。因此生物领域的现代化进程晚于其他学科,正因为其需要更综合的学科基础。

其次,是实验概念的出现,这也是还原论能够成立的基础。前分子时代学科的演进或许是线性平稳发展的,各种哲学和理论相互递进和相互悖逆,最终演化为一种折中的结果。由于技术等制约(它所依赖作为技术基础的化学和物理学科本身尚未进入飞跃期),并未在实质上进步,只是在较为宏观的层次进行观察所得的基础上,从方法论上来说,不管是群体、个体、器官、或者即使是细胞,其实本质都是相同的,是单纯观察的图像化和文字描述,虽然作为一种基本方法非常重要,但是无疑也证明了该科学仍未进入现代化进程。1890年以前,在大多数生物学分支里都没有实验的传统,到了20世纪,生物学终于开始重视实验,使用严格的方法,通过可以重复的数据来预测某种实验结果。这对于生物平稳的线性发展历史骤起高峰,甚至可以说是一种思考方法的升华。

自此生物的各个子学科开始各自孕育。

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Helen Chadwick,Billy Bud, 1994

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Helen Chadwick - Nebula (1996)

在遗传学上,孟德尔与摩尔根双峰凸起,且一脉相承,孟德尔利用豌豆发现了显隐性定律是在1866年,被忽视了35年后一跃成为科学界的显学;而摩尔根根据果蝇得出相关验证,提出了基因、单位性状等名词。1902年,发现染色体后,这一线索在摩尔根学派中发扬光大。

胚胎学和细胞学的跃进证实了卵子和精子形成过程,遗传学提供染色体结构和孟德尔遗传的知识。20世纪20-30年代这些各自分支中的精彩乐章开始相互呼应,汇聚成更加宏大的乐章,并且发现它们之间其实互相关联,只是不同层面上的同一现象。生物科学达成共识:细胞以下层面的事件其实才是本质。这些促成了50年代末,更加综合的关键学科出现,就是分子生物学,核心则是分子遗传学。

生物化学和其他分支一样,在19世纪充满臆想,术语混淆,曾经还是生理学的附属,在20世纪初借鉴化学的方法论后突飞猛进。细胞呼吸(1912年,瓦尔堡发现酶在细胞呼吸中的作用,并发现它是一种蛋白质)以后依赖有机化学的发展,通过蛋白质结晶、多肽合成、层次技术的完善,及至40年代终于搞清了一种蛋白质(即胰岛素)的全部氨基酸顺序,而其三维结构则在x射线衍射技术的帮助下推进。

最终,在1945年至1965年,诸学科在分子生物学层面统一,以下概念被普遍接受:细胞是化学作用的单位,细胞中的反应以逐步的方式进行,且受特定的酶控制,也将遗传、生理、发育、进化诸学科联系起来。生物这门科学的高峰期,继物理和化学的高峰之后,出现在了20世纪60年代,因为此时技术和思维模式都已成熟,一个重要的转折即将到来。

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真正产生重要成果的分子时代一般被认为是二战后的25年,正式新范式转换之时。当然之前并非一蹴而就,有许多理论上的铺垫,1869年发现核酸,20世纪知道其是主要遗传物质,摩尔根学派发现基因是染色体的物质。1945年,薛定谔的《生命是什么?》出版对年轻物理学家影响很大,促成很多优秀人才从物理学转向生物学。

实验动物从果蝇换成链孢霉以后,遗传学进入了生化遗传学阶段,而噬菌体的出现使得学科进入了分子遗传学,出现的第一个时期称为浪漫时期,发生在1938-1952年间,证明了DNA就是基因,基因就是DNA。1944年,终于将遗传学和生物化学的壁垒破除。

第二时期称为教义时期,出现在1950-1960年间,并推导出DNA的实际结构。发现者克里克是物理学家,而沃森是噬菌体遗传学家。他们请数学家计算出碱基AT、CG的配对,通过X射线衍射发现结构,最终又受到蛋白质α螺旋研究的启发,以上三者最终使得1953年4月《自然》(Nature)上的文章公布于世,也就是DNA的经典模型。在之后10年中,科学界又爆发式地解决了一系列基于中心法则的问题,完成了后续的大部分知识奠基。

最后是学院时期,也就是1963年至今,搞清楚复制、转录、翻译过程中的所有细节,因此我们也终于来到了常规科学的成熟期,也就是我们所说的后分子时期。

自此,生物学完成了最新也是最重要的一次范式转换,也意味着人类迈出了其漫长进程中最重要的一步。


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