细胞生物学哲学（二）

十九世纪末，细胞学家还成功地识别了细胞质中的膜封闭结构，后来被称为细胞器。 Altmann (1890) 使用他开发的新染色剂，观察了细胞内的细丝，他认为这些细丝是基本有机体（他明确提出反对原生质理论的观点）。尽管许多研究人员对 Altmann 的观察结果提出质疑，但 Benda（1899）使用不同的染色剂证实了细丝的存在，并将其命名为线粒体（希腊语为“线”和“颗粒”）。由于它们与氧化染色剂具有反应性，Michaelis (1899) 提出它们参与了细胞的氧化反应。然而其他研究人员还发现了其他细胞器，例如高尔基体（Golgi 1898）和ergastoplasm（Garnier 1897），最终被确定为内质网。

在二十世纪初期的几十年里，生物化学家和细胞学家发展了自己的研究技术，并独立于其他人进行研究。大多数生物化学家含蓄地接受这样的假设，即细胞是一袋化学物质，可以在细胞结构被破坏后留下的提取物中进行研究，而那些追求细胞学研究的人则倾向于接受工厂的比喻，其中细胞器是不同的机器。正如 Cowdry (1924) 的《普通细胞学》和 Bourne (1942) 的《细胞学和细胞生理学》所见证的那样，有些研究人员希望在生物化学和细胞学之间建立桥梁。有一些技术，尽管有限，可用于确定细胞器的化学成分（本质上是细胞化学和组织化学的技术，这些技术依赖于确定各种染色剂与哪些化学物质结合）。 20 世纪 40 年代末几乎同时引入的细胞分级分离和电子显微镜提供了所需的研究技术，并且如第 1 节所述，有助于建立现代细胞生物学（Bechtel 2006；Matlin 2018）。除了上述微粒体与内质网的联系之外，研究人员还将氧化代谢与线粒体内膜联系起来。新的结构也被发现并与功能相关，例如与破坏的细胞成分的分解和回收有关的溶酶体（de Duve 1958）。

推进细胞新概念的过程仍在继续。我们在此仅举一个例子。 20 世纪 40 年代和 20 世纪 50 年代的细胞生物学先驱们将机器比喻为工厂，将细胞器视为隔室，其中的酶催化不同的化学反应。从这个角度来看，隔室一旦形成，就不会改变——关键的活动发生在其中。然而，随着时间的推移，细胞生物学领域的一些研究人员开始识别执行机械运动的细胞结构，正如 Flemming (1882) 将细胞纺锤体描述为在有丝分裂中将染色体拉开所预期的那样。特别重要的是对细胞骨架（由肌动蛋白纤维和微管组成）的研究。细胞骨架一词在 20 世纪 30 年代和 1940 年代被用来表示刚性结构，事实上它确实有助于赋予细胞形状。但很快就发现它是运动的轨迹。 H. E. Huxley (1969) 提出了一种肌肉收缩的解释，这是由于肌球蛋白分子形成拉动肌动蛋白丝的桥梁而引起的。人们发现，肌动蛋白丝和微管都通过在一端掺入新蛋白质，同时从另一端去除它们，不断地在一端延伸自身，这一过程被称为跑步机（Cleveland 1982）。对沿微管移动的细胞器的视频观察（R. Allen 等人，1982 年）导致了驱动蛋白的发现（Vale、Reese 和 Sheetz 1985），即沿着携带货物的微管行走的分子马达。它还将新的注意力集中在动力蛋白上（Paschal & Vallee 1987），以前仅因其在纤毛和鞭毛中的作用而闻名，因为它们在相反方向上运送货物。对细胞内物质持续运动的认识产生了一种新的比喻，将细胞比喻为一座交通繁忙的城市（Vale & Milligan 2000）。

3.本体论问题二：机制论者与本体论论者活力主义者和整体主义者

几乎所有追求上一节讨论的各种隐喻的人都拥护一种起源于笛卡尔的观点，笛卡尔认为非生命和生命系统（人类思维除外）都像机器一样运行。但相当多的研究人员拒绝了这种观点，并坚持认为包括细胞在内的生物体与普通的物理机械系统有着根本的不同。他们认为，以某种方式或另一种材料成分的组合不足以解释与细胞相关的现象。我们从细胞机械概念的反对者开始，然后研究那些提倡机械方法的人如何反应。

在十八和十九世纪，机制的反对者通常被称为活力论者。各种活力论者都拒绝机制，认为有机体是由物理部分组成的，这些部分按照与非生命世界中的过程相同的原理运行。他们的积极看法各不相同。一些活力论者在心灵方面采取了与物质二元论者非常相似的立场，认为某种非物质成分——一种生命力（相对于活力）——在生物体中运作并解释了它们独特的活动。其他人避免提出额外的组成部分，但坚持认为生物体与非生命系统适用不同的法则（有关这些不同版本的生机论的讨论，请参阅 Normandin & Wolfe 2013 中的贡献）。不管他们如何表达积极的观点，活力论者通常指出生物体的活动，他们声称不能用与物理过程相同的方式来解释这些活动。 Bichat（1805）很好地说明了这一点，他首先关注生物有机体行为中明显缺乏决定论，其次关注有机体似乎反对威胁摧毁它们的物理过程（用他的话说，它们抵抗死亡） ）。如上所述，施万和巴斯德都声称需要活酵母来产生发酵。对于施万来说，这仅意味着发酵取决于细胞中发现的材料的特定组合，而对于活力论者来说，这意味着活细胞执行无法通过组分分子的集合来执行的活动。比查特和巴斯德，以及穆勒（1837-1840）等其他著名的活力论者，都拥护实证和实验研究，但对仅通过有机体的物质成分来解释的内容提出了限制。

在许多情况下，机械论者并没有明确回应活力论者，而只是继续他们的研究。伯纳德（1865）是一个例外。他通过引入有机体内部和外部环境之间的区别来解决比查特的挑战。在内部环境中进行了机械操作，并共同使该环境保持恒定状态。由于机械操作对内部环境中的条件做出了反应，因此仅考虑外部刺激时，它们似乎不确定。此外，由于这些机制可以保持持续的内部环境，因此可以解释有机体抵抗可能破坏它们的物理过程的能力（有关Bernard的讨论，请参见Holmes 1974和Lafollette＆Shanks 1994）。伯纳德的方法是坎农（Cannon）后来著名作品（1929）的著名作品的基础。

到20世纪初，很少有生物学家研究细胞（Driesch，1914年，是一个值得注意的例外），主张生命力和生命性，而不是将其视为可观的位置。但是许多生物学家仍然担心生物细胞与普通材料系统之间的差异。许多调查人员采用的重要立场（Haldane 1929，1931; Lillie 1934; Needham 1936; Russell 1945，1930; 1945年； von Bertalanffy 1952; Weiss 1963; Woodger 1963; Woodger 1929）是整体主义，有时被称为有机主义。 （请参阅Nicholson and Gawne 2015，以讨论有机物如何将其位置与生命主义和机制区分开来。）Holists接受生活系统是由物质部分建立的。但是，他们坚持认为，由生活系统的组成部分进行的活动不仅取决于这些组件及其组成，还取决于他们的组织。因此，不仅可以将组件的活动添加在一起以解释整体（“整体不仅是其部分的总和”）。整体有组织的部分决定了零件的行为。例如，在J. S. S. Haldane反对从非生命物质中调查生命的起源的情况下，这种态度显现出来：“从机械条件下，生命的起源也不是。这种起源是不可想象的”（Haldane 1930：12）。

细胞系统的组织在机械生物学家和整体者之间的辩证法中起着核心作用。整体经常将机械生物学家解释为低调组织的重要性，但许多机械生物学家否认这一点。伯纳德（Bernard）强调了组织在允许组件保持内部环境的恒定状态以及寻求解释稳态的人的作用，他们吸引了反馈循环。 J. S. Haldane的儿子J. B. S. Haldane认识到机械账户不仅限于组织的简单，添加剂，因此放弃了父亲对整体的承诺，并接受了一个机械框架，该框架强调了生物学成分如何受到有组织的系统中的融合。在与父亲进行这次休息时，他受到与生物化学家霍普金斯（1913）合作的严重影响，后者同样使组织对生物化学过程的叙述至关重要。因此，J。B。S. Haldane成为对生命起源进行生物学调查的先驱之一，同时仍然坚持这一复杂的组织在活生物体的活动中中心构想（Martin 2010）。

哲学家和科学家经常为现象的新兴词援引与其组成部分产生的现象不同的现象（请参阅新兴属性的条目）。有时，新兴现象被视为无法用其选民来解释。在表征细胞现象的系统生物学计算的背景下，Boogerd等人。 （2005年）根据该帐户，根据该帐户，就其成分在有组织的系统中的行为方式而言，这种现象是完全可以说明的，但就它们在更简单（不那么复杂的组织）系统中的行为而言。这认识到，当将许多蜂窝成分纳入其收到独特输入的特定系统中时，许多细胞成分的行为会有所不同。有关新出现及其在细胞生物学上的应用的其他治疗方法，请参见（Hooker 2011a; S. Mitchell 2012; Mossio，Bich和Moreno 2013; Winning＆Bechtel 2019）。

了解细胞和多细胞生物中组织中的组织与在最自然发生的系统或人造伪影中发现的渴望如何促使1970年代和1980年代的理论生物学研究体系。理论生物学最杰出的贡献者中有Patte（他的许多最重要的论文是在Pattee 2012中收集的），Rosen（1985，1991），Polanyi（1968）和Waddington（1961）。生物学哲学在1970年代和1980年代发展为科学哲学专业，在很大程度上忽略了这一传统。然而，今天，许多与细胞生物学有关的哲学家正在借鉴其见解。在这里，我们关注的一个关键概念工具理论生物学家提供了理解生命系统（例如细胞：约束）的独特活动。约束的概念是从经典力学中得出的，其中约束构成了微尺度粒子的宏观对象。因此，约束说明了为什么宏观对象与其成分具有不同的特性。限制不是由法律来解释，而是作为必须从经验上确定的边界条件来解释的。因此，在程度的限制下，说明细胞的生物学活性，这些活性在化学或物理学原理的意义上不能降低。取而代之的是，研究人员必须根据经验询问确定生物细胞中实际意识到的约束。

Hooker（2011b，2013）以及Moreno and Mossio（2015）最近开发了约束对理解细胞和其他生物学现象的重要性。妓女明确指出，尽管术语约束提示了局限性，但约束也扩展了可能性 - 提供蜂窝示例，从单元中心到外围的微管限制了驱动蛋白和动力蛋白电动机的运动，但也提供了一个动力蛋白的运动。将细胞器运输到遥远位置的可能性。莫雷诺（Moreno）和莫西奥（Mossio）尤其培养了一种观点，将对约束的重点与活细胞是自动植物的观念联系起来。利用Maturana和Varela（1980）将活体系作为自动机器的概念（提供生产网络的机器），可实现生存系统的构建 - Moreno和Mossio增加了对细胞热力学需求的重点。细胞作为高度组织的系统，远非平衡，需要连续的自由能来源，以进行合成新组件所需的操作并抵抗平衡的趋势。在他们的帐户上，在生物体中的约束是自由能的直接流动，以执行建筑物，修复和繁殖生物体的工作。

一些限制是灵活的，这些限制使生活系统的重要特征成为可能通过控制机制的作用来控制生产机制（例如涉及发酵或肌肉收缩的生产机制）的能力。在Patte的帐户上，控制机制根据通过进行测量而获得的信息来改变生产机制的灵活约束。负反馈控制机制（例如恒温器）是简单的例子：恒温器对受生产机制（炉子的运行）影响的变量（房间中的温度）进行测量炉子机制的约束。反馈控制机制的示例在细胞中广泛存在。一些最著名的例子是LAC操纵子（Jacob＆Monod 1961）和ATP（Ghosh＆Chance 1964）对糖酵解的反馈控制。控制系统使用的测量不必限于受生产机制活动影响的状态；他们还可以衡量有机体或其环境中国家的国家。使用此类测量值，可以控制生产机制，以便在特定情况下操作，例如，使生物体能够导航到食物来源或根据需要避免捕食者。

Moreno and Mossio（2015）提供了一个帐户，其中适当组织的生产和控制机制使细胞以及扩展多细胞生物可以实现它们所谓的生物学自治：

一个独特的因果关系，不仅能够生产和维护有助于系统功能作为集成，操作和拓扑的零件的部分，而且还能够通过与环境的互动来促进其自身存在的条件。 （2015：XVI – XVII）

请注意，从这种角度来看，机制包含在细胞内，它是细胞，而不是自主的机制。对于理解细胞的自主权而变得至关重要的是控制机制的组织，这些控制机制策划了各种生产机制的活性，以维持细胞（或多细胞生物）。这种重点是维持自主权所需的组织的一个值得注意的特征是，它与更传统的机制哲学说明兼容（第5节中讨论），但强调了它们在其中不突出的功能 - 生产机制符合控制机制。为了了解细胞机制的行为，研究人员不仅必须将内部机制视为其有组织的零件和操作，而且还必须在其位于细胞和生物中的方式外，以其他机制来控制它们（Winning＆Bechtel 2018； Bechtel在印刷中）。这种理解细胞（以及多细胞生物）的本体论框架将生物学传统机械师及其生物学家/有机物/有机主/霍利斯特评论家的见解整合在一起，从而在一个框架内捕获了生物的独特之处，这些框架接受它们是由机制组成的，但以适当的方式组织。

4。认识论问题I：代表细胞

现在，我们从有关细胞本体论状况的问题转向有关科学家如何研究它们的认知问题。我们从科学家如何代表细胞及其信息开始。传统上，科学哲学集中在科学知识的语言表现上。但是，在许多生物学领域，尤其是在细胞生物学领域中，图像中经常提供信息。科学家非常熟悉细胞是由使用显微镜产生的视觉表示产生的。开发用于使用它们产生可解释图像的显微镜和技术带来了许多挑战。我们从第4.1节开始，完全是生成图像（显微照片）的挑战，在第4.2节中考虑了评估所得图像的可靠性时的挑战。除了这些充满（高度详细的）表示外，细胞生物学家还依赖各种较少的图表。 （图像的表征为“ peplete”是由于佩里尼（Perini），2013年。借鉴了古德曼（Goodman），她使用相对的可爱度将图表与图片区分开。生物学家依赖于表示细胞成分类型和机理图的类型的细胞图，这些机理图表在细胞中的某些组件中，假设构成了负责给定现象的机制的一部分（唐斯（Downes） 1992）。

4.1显微照片

如上所述，在十七世纪，胡克和范·李温霍克（Van Leeuwenhoek）均率先使用光显微镜观察细胞。随后的研究人员经常设计自己的显微镜。这些设计的变化导致了结果图像的变化。 （在摄影之前，显微镜画家画了他们使用显微镜看到的东西，引入了另一种变化来源。）图像的变异性不同的研究人员生产的一个因素是一个因素，在18世纪和十九世纪中引导生物学家，以更仔细地检查显微镜产生的过程。图像（Schickore 2001，2007）。牛顿（1704年）在对镜头的理论研究中表征了两种由镜片产生的类型的畸变：球形像差，这是由于光线在不同点处于焦点而引起的，并且由于不同的波长在不同角度折射的光线引起的色差。 Schickore（2007）描述了显微镜开发人员为这些畸变纠正这些畸变的许多努力，并创建了测试对象来评估特定显微镜的可靠性。在同一时间，发烧友对他们所看到的东西提出了许多主张，其中一些人后来被证明是文物。例如，Milne-Edwards（1823）和Dutrochet（1824）都报告了与细胞所报道的恒定大小相似的圆形结构，它们称为小球。 （请参阅Schickore 2009，以获取对小球的报告的详细检查，以及一个论点，即这些报告中的可变性导致了越来越多的感觉，即在微观主义者的实践中有些不对劲。）但是，小球很快就被证明被证明是成为球形畸变的产物。在十九世纪初期，几家镜头制造商制定了消除球形像差并极大地限制色差的策略（直到本世纪中叶引入了呼吸镜头，色差才被完全消除。结果，Schleiden，Schwann和其他讨论的其他观察很大程度上没有这些扭曲。

光显微镜面临着另一个极限，即在放大倍率上（由光的波长施加的限制）。为了使细胞研究人员获得可以揭示细胞成分的高分辨率图像，需要依靠不同物理原理的显微镜。用于研究细胞的光学显微镜的最重要替代方法是（传输）电子显微镜，它采用电子束以与摄影相媲美的方式创建图像：许多电子击中的摄影板上的位置是负面和白色的黑色。在正面图像中。当细胞散点电子中的结构时，负面的位置保持白色，并且在正图像中显得黑暗。尽管电子显微镜在1930年代初就可以使用，但仅在第二次世界大战之前和第二次世界大战期间，生物学家才开始探索其潜力。他们面临的一个困难是，大多数真核细胞太厚，无法被第一个电子显微镜中可用的50kV电子束穿透。已经开发出用于切割细胞的微观片以进行光学显微镜的开发，但是需要新的微型图设计方法才能对细胞进行足够薄薄的切片，而不会产生失真。直到1950年代初期才解决这个问题（Porter＆Blum 1953）。因此，一些首次电子显微照片研究集中在纤维材料上，例如胶原蛋白（Schmitt，Hall和Jakus 1942）或细菌（Stanley＆Anderson 1941）。 Porter，Claude和Fullam（1945）通过在外围散布非常稀薄的条件下培养真核细胞的第一个电子显微照片，从而使电子渗透。他们产生了一个在外围显示的图像（图4）