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Darwin‘s Black Box》讀書報告

作者: 趙剛(小灶)

最初發表: 南開大學BBS



   

一、現狀和問題

  在這本書的封底,Notre Dame大學的哲學教授Peter
van Inwagen這樣說道:

  ……如果達爾文主義者對這本重要著作的反應是忽略,歪曲,或
  者嘲笑的話,則只是給現在對達爾文主義只是一個理想化,而不
  是一個科學性的理論的廣泛懷疑提供証據而已。如果他們能夠回
  答Behe的問題的話,這將是支持達爾文主義的重要証據。

  Behe在這本書中提出的問題是:在分子生物水平上的復雜生化系
統是如何起源的。一般地來講,進化論應該大致分成三個階段:即物理進
化,化學進化,最后才是生物進化。毫無疑問,作為生物功能結構單位的
在分子水平上的復雜生化系統的起源,是關于生命起源,乃至整個進化論
的關鍵問題之一。令人吃驚的是,Behe教授在對數種,包括進化分子
生物學的權威學朮刊物、致力于解釋生命如何在分子水平上形成的研究的
《Journal of Molecular Evolution》
(JME)、美國國家科學院的院刊《Proceedings of
the National Academy of Sciences
》(PNAS)等,最近十年所發表的千多篇文章,和在這個領域里出版
的相關學朮專著做的調查表明,對這個問題進行的研究是零!在對生命如
何在分子水平上形成的研究中,最近十年的文章大致只包括了這么三方面
的內容:被認為對生命起源是必需的化學合成反應,抽象數學模型,以及
DNA或蛋白質序列的比較。

  對只占不到一成數量的關于數學模型的研究,顯然不能把這些研究看
成是對進化理論的証明(証據),因為數學家的責任是不管三七二十一就
接受前提--或者進化--的。而最為進化分子生物學家所津津樂道的,
是占了超過80%的內容的序列比較研究。不過在Behe看來這并不是
最有說服力的証據。因為這最多可以說是“可能”,或者說是間接証據,
而不是關于“如何”的直接証據。Behe甚至可以說,「共同祖先」是
可以接受的,但從祖先到后代的過程,特別是涉及到在分子水平上的復雜
生化系統,究竟是如何通過隨機的變異和自然選擇產生的,并不能從這些
間接証據上得到解釋。

  剩下可能滿足Behe的直接証據方面的工作,只是占了大約一成多
的關于化學進化的研究。雖然這些還是比Behe要求的復雜生化系統,
諸如光合作用中心(photosynthetic reaction
center)、或者細胞內運輸機制(intramolecular
transportation)等,要簡單得多,但仍然揭示出不少問
題。雖然米勒(Stanley Miller)的試驗揭開了這方面研
究的序幕。但后面的研究所發現的卻遠不是如當初人們聽到米勒試驗成功
那樣樂觀。因為米勒所做的合成氨基酸(amino acids)的步
驟,雖然氨基酸是構成蛋白質(protein)的基本結構單位,還是
相對來說非常簡單的化合物。即使這樣,已經暴露出一個困難,就是實驗
室的可控制環境和自然進化時的不可控制環境的矛盾。這個困難在合成作
用和化合物越復雜的時候,矛盾越尖銳,因為這時候要求的反應條件越苛
刻。

  為說明這個矛盾,Behe舉了一個形象的例子來說明。假設一個廚
師要向大家演示自然的隨機過程可以產生一塊巧克力蛋糕的理論。如果他
只是把一些材料,比如大麥、可可子、甘蔗,放在溫泉的旁邊,指望熱水
會經過某些過程產生巧克力蛋糕,我們作為觀眾會很樂意看看會發生什么
事。但是如果這個廚師從商店里買了些面粉、可可粉和糖,并解釋說他沒
有時間等溫泉的熱水把這些東西提煉出來的話,我們會有點警覺了。而如
果他“為了加速過程起見”而把試驗從溫泉移到了一個電烤箱,我們大概
會搖頭了。而如果他仔細地稱量了各成分的分量,在碗里攪拌好,擺在烤
盤里,然后放在烤箱里烤,我們顯然不會有興趣再看下去了。同樣道理,
如果一個化學家從供應公司里買來合適的化學品,稱好恰當的分量,溶在
合適的溶劑里,用電擊加熱先計算好的時間,然后再把希望的化學產物從
副作用產生的不希望的雜質中提純出來。這樣不僅可以得到氨基酸和核□
酸(nucleotides),甚至蛋白質和核酸(neucleic
acids)都可以很容易地得到。但這對進化理論証明不了什么。

  比如,在從氨基酸形成蛋白質的過程中,一個很大的困難是,為了氨
基酸可以結合形成蛋白質璉,需要從每個氨基酸去掉一分子的水。隨之而
來的就是,水的出現會強烈地阻止氨基酸形成蛋白質。由于地球上大量的
水環境以及氨基酸易溶于水的性質,這就給氨基酸直接合成蛋白質的自然
隨機過程解釋造成了很大的困難。雖然Fox的proteinoids
理論做了極大的努力,但并不能看成是成功的。原因有兩方面。一是產生
proteinoids的條件有上面同樣的問題,需要很精心的控制。
二是甚至proteinoids還不是蛋白質。有趣的是,正因為實驗
產生的不是如Fox他們原想的蛋白質,他們才認定這種東西是產生蛋白
質的“過渡物”,并命名為proteinoids(或者所謂的原始蛋
白質吧)。為解決這個困難,80年代Cech提出的RNA模板催化理
論似乎帶來了一絲曙光,但到了90年代經過細致的研究以后,也象60
年代米勒的實驗一樣,樂觀主義逐漸消失。一個大問題是每一個作為“磚
塊”的核□酸自己又是由好几個模塊構成的,而形成這些模塊的化學過程
卻是彼此不相容的--不能在同一種環境中共存--當然這對實驗室里的
化學家不成問題,因為可以先分開制好,然后再放在一起。所以,在一些
生化學家的眼里,有催化(catalytic)功能完整的RNA在原
始地球上的自然產生是一個奇跡。

  這樣一些研究揭示出來的關鍵問題是,雖然每一個小步驟都不是絕對
的不可能發生(我們既然在實驗室經過精心設計可以讓這些反應發生,那
么我們就沒有絕對的把握排除自然隨機過程發生這種反應的可能性,即使
由于反應條件的嚴格使得這種可能性非常小。),但若把許多這樣的反應
總和在一起來看的話,至少到目前為止,根據我們所掌握的知識,我們可
以有足夠的理由對這種理論產生懷疑,就好象我們對廚師的“巧克力蛋糕
自然隨機產生論”有足夠的理由懷疑一樣,雖然我們不能說,自然界絕對
不能發生象他那樣精心操作的過程。

二、不可約化的復雜性

  當問題進一步提到關于復雜分子生化系統的形成時,Behe提出了
一個「不可約化的復雜性」的觀念,使得上面的那種懷疑,現在對他變成
了几乎不可能。

  Behe對「不可約化的復雜性」的描述是:

  我說的具有「不可約化的復雜性」的系統是這樣的一個系統,它
  由好几個對系統的基本功能都有貢獻、互相配合得很好、并相互
  作用的部分組成,并且任何一個部分的缺失,都會使系統的基本
  功能有效地失效。

這個定義是針對達爾文對自己理論的評估:

  如果可以被証明有任何復雜的器官不可能通過無數、持續、微小
  的改變形成的話,我的理論將絕對失敗。

的直接挑戰。因為這樣一個系統從定義上就排除了逐步、一點一點地改變
而形成的可能性--因為任何一個部分的缺失,都會使系統的基本功能失
效,或者說,系統不再成為系統。這些部分本身可以是非常簡單,但必須
是一次性的完成,或者說,有這個部件和沒有這個部件必須是一次性的。
而有了這個部件之后的逐步、微小變化,都是在「有」的基礎之上,并不
影響系統基本的功能。而若有這個部件變成沒有這個部件,則系統的基本
功能失喪,原來的系統不再成其為系統。所以這實際上是一個「all 
or none」的概念--系統存在則組成系統的所有基本部件都必須
同時存在。「復雜」的意思,我想Behe指的是這樣的(關鍵性)部件
有好几個,并且互相關聯﹔「不可約化」的意思,我想指的是每一個這樣
的部件都是互相獨立但又必不可少,并且互相之間是不可替代的。或即,
系統基本功能是所有部件之間、缺一不可的子功能共同組成的。這里,有
兩個關鍵地方需要注意:一是每個部件的必不可少,即不可約化「成分」
的重要性﹔二是各部件之間的相互關聯,即不可約化「結構」的重要性。

  Behe舉了一個老鼠鋏的例子來說明這個觀念。一個老鼠鋏要由底
板、挂鉤、彈簧、小錘、捕獲片等几部分構成。這几個部分不僅對老鼠鋏
完成其基本功能來說是缺一不可的,而且還必須彼此間配搭得合適才行。
這就是一個具有不可約化的復雜性的例子。

  對進化論責難的一個主要方面,是在對「逐漸、微小」這些形容詞的
考察上。雖然新達爾文主義很早就已經對「逐漸」的限制放棄了,這體現
在諸如為解釋“寒武紀生物大爆炸”而提出的“間斷平衡理論”、“災變
說”等上面,但實際上在回答「微小」的質疑時,只是把問題作了無限后
推。因為所謂的“間斷平衡理論”、“災變說”等等,只是說,變化的時
間尺度不是原來想象的那種均勻的緩變,而是一種迅速的躍變。但是變化
得再快,還是得一步一步地來。這個「一步一步地來」的意思,就引出了
Behe的“黑盒子”的觀念。因為在Behe看來,在一個具體的微觀
機制沒有研究清楚以前,看起來好象是很小的“一步”,實際上是因為黑
盒子還沒有打開的緣故。比方說,細胞之于達爾文就是很好的“微小”的
黑盒子。所以對達爾文來說多几個少几個細胞,完全是“微小”的變化。
而只要“微小”到這個程度,進化論就被“証明”了。但當細胞這個黑盒
子被打開以后,其內部結構的復雜性就使得后繼者遠不能滿足于細胞這樣
“微小”的變化了。現在,由于分子生物學的發展,使得亞細胞結構的黑
盒子被打開,“微小”的涵義更進一步深化。因此,對Behe來說,間
斷平衡理論等最多只是一種唯象性質的理論,就好象生命的地外起源說一
樣,只是轉移了問題而不是解決了問題。間斷平衡理論或者災變說認為在
某個時候由于環境的突變等因素的影響,這么“嘎□”一下,變化過程就
完成了,現在Behe就會問說:“這個‘嘎□’一下在分子水平上究竟
是怎么一個過程?”

  而Behe提出的「不可約化的復雜性」,就在于指出這種“嘎□”
一下的變化,不可能是在原來某個基礎上的「逐漸、微小」的變化。比如
視覺的出現。不論能接受光子(photon)作用的細胞與不能接受光
子作用的細胞的差別在達爾文看來是多么“微小”,但在Behe看來卻
是巨大的,因為接受光子作用的亞細胞結構是一個具有不可約化復雜性的
分子生化系統。

  對不可約化的復雜性挑戰的回應,一種可能是類似“曲線救國論”一
樣的回答。即認為生化途徑的進化,并非是一步一步地往途徑上疊加,最
后才具有功能的。相反地,它們已經從別的途徑獲得了裝備。但這實際上
不成立,仍然是一個轉移問題,而不是解決問題的回答。因為從別的途徑
來的“裝備”仍然需要面對這樣一個不可約化的復雜性的挑戰。進化論本
身應該是解決“雞和蛋”的問題的,因而不能再企圖訴諸“雞和蛋”來回
答挑戰。另一種回答是回到同時、直接的產生上。即几種突變同時發生,
在條件適當的時候形成系統。但這又回到了前面化學進化要同樣面對的矛
盾。而且由于現在系統是如此的復雜,使得這種“巧克力蛋糕自然隨機產
生論”,雖然我們不能絕對排除其可能性,仍可以有近乎絕對的信心來懷
疑它。

  毫無疑問,在人工設計的物品中,這種不可約化的復雜性隨處可見。
除了老鼠鋏,還比方說電腦。無論相對起現在的令人眼花繚亂的多媒體電
腦來說,原始的第一台電腦是多么“簡單”,但這樣一個「輸入、計算、
輸出」的復雜性是不可約化的。這樣,輸入、計算、輸出才是最基本的、
具有不可約化復雜性的部件。因此,在考慮復雜設計的例子時候,一個關
鍵的問題是要找到不可約化的核心部件。Paley手表匠的例子的問題
就出在這里。由于Paley舉出的部件是對手表的基本功能--指示時
間--并不關鍵的表殼,所以會遭到進化論者成功的回擊。

  現在的問題是,實際生物中存在這樣具有不可約化復雜性的分子生化
系統嗎?

三、生物例子

  (我必須申明由于我對分子生物學基本上是門外漢,所以只能盡量簡
單地復述Behe給的這几個例子。從對本書的回應來看,基本上進化分
子生物學家對他的這些描述是同意的,或者說,是承認這些系統具有不可
約化的復雜性。他們的回答只是,這些問題是提對了的,但不能引到設計
那里去。因為他們總有一個這樣信心堅定的回答:“現在回答不了,不等
于以后回答不了。”)

  1、細胞纖毛(cilum)和細菌鞭毛(flagellum)
 
  細胞纖毛是使細胞能夠在水中游動的生物機器,象船槳一樣行使其功
能。細菌鞭毛是使細菌能夠在水中游動的生物機器,象螺旋槳一樣行使其
功能。任何一個游水系統都必須包含一個擊水部件、一個動力部件、以及
一個把二者聯結起來的聯結部件。這三個部件顯然是互相關聯而又缺一不
可的,因此是一個具有不可約化復雜性的系統。在纖毛系統中,這些部件
主要包括在tubulin、dynein、nexin等蛋白質中。在
鞭毛系統中,這包括flagellin、hook protein、
以及所有回轉動力系統都會包括的回轉子(在這里是M ring)和固
定部(這里是S ring)等等。這些“精密機械”的工藝水平是如此
的高,以致于可以合理地排除本來是用作他途的部件先偶然湊合在一起,
然后逐步精密化的“曲線”進化過程。而在對纖毛的進化機制研究上,最
近二十年的成果只有兩篇互相指責、沒有任何說服力的論文分別于78、
87年發表在一種叫做《BioSystem》的刊物上。對鞭毛的進化
機制研究更是完全的空白。這比起在著名刊物諸如《Science》、
《Nature》、《PNAS》、《Biochemistry》、《
Journal of Biological Chemistry》
、《Journal of Molecular Biology》、
《Cell》上關于纖毛和鞭毛各自有上萬篇的研究文章來說,實在不能
不對進化論者的信心感到吃驚。

  2、血液凝固系統

  血液凝固系統是一個串級系統(cascade)。這個意思是說,
一個部件激活另一個部件,這個部件再激活第三個部件,依次類推。毫無
疑問這樣一個連環扣系統是具有不可約化的復雜性的,因為這種連環套中
的任何一個環節出了問題,整個系統就垮了。血液凝固系統就是這樣一個
由纖維蛋白原(fibrinogen)、凝血□(thrombin)
、凝血素(prothrombin)、Stuart factor等
蛋白質組成的自催化璉。而激活Stuart factor的又是兩條
不同的串級途徑。這還不夠,整個系統還需要一個停止機制,以免全身的
血液都被凝固起來了。這個完成血凝塊的形成、限制、加強和去除的是一
整套完整的生物系統,各部件之間是配合得如此的絲絲入扣,以至于任何
一個環節的問題都會給人體造成甚至致命的疾病。有意思的是,唯一對這
套系統的分子生物起源試過努力的Russell Doolittle
給出的解釋,卻是訴諸中國古老的陰陽理論。把陰陽論的外衣脫掉后的內
容,本質上就剩下了“巧克力蛋糕自然隨機產生論”。

  3、細胞內運輸

  生物細胞內大部分的蛋白質都是在細胞核(nucleus)內生產
出來,再被分送到各自需要的地方去的。這就需要一個象郵政投遞系統那
樣的運輸系統。這必須包括這些功能:貨物被標上正確的地址﹔運輸器正
確地識別地址并把貨物裝載上正確的交通車﹔當交通車到了目的地時它必
須知道﹔以及貨物被下載。單就運輸部分而言,細胞內參與其中的就包括
細胞核、DNA、RNA、細胞質(cytoplasm)、SRP等等
若干復雜的亞細胞結構。而下載的方式通常還有三種:門輸運(gate
transport)、類似的膜間輸運(transmembrane
transport)、以及更復雜一些的囊輸運(vesicular
transport)。門輸運和類似的膜間輸運至少需要三個部件:標
志號、掃描器、以及由掃描器控制的門。而囊輸運則需要六個部件:車上
的標志號、裝載車的卡車、卡車上的掃描器、卡車上的標志號、倉庫的掃
描器、以及可控倉庫大門。用生物語言,這對應于mannose-6-
phosphate、the clathrin vesicle和其
中的M6P接受器、v-SNARE、t-SNARE、以及SNAP/
NSF蛋白質等。仔細分析這樣一個環環相扣的系統,也難以使人相信這
是由一些新、舊(“曲線進化”)部件偶然碰在一起產生的。詳細的文獻
調查也顯示研究的空白。唯一可能有點關系的是花了一百頁描述細胞內運
輸,由National Academy of Science主席
Bruce Alberts,諾貝爾獎得主James Watson
等人合著的教材《Molecular Biology of the
Cell》中的一頁半的一節,然而雖然名字好象有聯系,其具體內容卻
對我們討論的問題沒有幫助。


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Last Update: Mon Jul 27 17:59:22 1998

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