细胞生物学哲学（完结）

5.2 还原论策略：分解和本地化

机械解释的独特之处在于，它们将机制分解为部分或实体以及有助于实现该现象的操作或活动。尽管有时研究人员可以通过先验推理产生给定现象需要哪些成分活动来进行，但大多数情况下，分解是在实验的基础上进行的。虽然目标是识别零件和操作并将它们联系起来，但特定的一组研究人员可能只拥有允许他们识别其中一个或另一个的研究技术。细胞生物学就是这种情况。正如第 1 节中所讨论的，显微镜研究使研究人员能够识别细胞的组成部分（细胞器），但除了形状或细胞器吸收染色的能力等间接线索外，这些研究人员无法获得有关功能的信息他们表演了。另一方面，生物化学家能够识别涉及许多细胞活动的反应，但由于他们在研磨细胞制成的化学汤中研究这些反应，因此无法将这些反应与细胞结构联系起来。随着细胞分级分离和电子显微镜等新技术的引入，细胞生物学得到了发展，这些新技术开辟了在细胞器中定位生化反应的可能性。

值得强调的是，分解是还原论的含义与理论还原的更传统的哲学解释非常不同，后者涉及一种理论从另一种理论的推导（Nagel 1961；参见生物学中的科学还原和还原论条目）研究人员在进行分解时并不假设任一层次上都存在完整的理论，也不假设某一层次的理论可以从较低层次的理论中推导出来。此外，在进行分解时，研究人员通常不会假设该层次的知识。较低水平的成分足以解释这些现象——至少，他们认识到这些成分的组织方式也很重要。细胞过程与特定酶的关联并不是解释过程——酶的活性的结束。通常会受到酶存在环境的影响，例如在膜中，因此，研究人员重视体外重构实验，以确定他们是否正确解释了一种现象。

Allchin (1996, 2007) 和 Weber (2002) 分析了细胞生物学和生物化学交叉领域的一个重要的重构实验，该实验在解决氧化代谢中 ATP 合成的两种对立观点之间的冲突方面发挥了重要作用。生物化学家花了几十年的时间试图找出一种纯粹的化学途径，利用氧化代谢中释放的能量来合成 ATP（如糖酵解中发生的情况）。 P. Mitchell (1961) 提出了另一种化学渗透假说，根据该假说，能量通过在膜上创建质子梯度来转移。 Kakawa 和 Racker (1966) 已经将 ATP 合酶与线粒体内膜上的小旋钮连接起来，但 Racker 和 Stoeckenius (1974) 创建的体外嵌合系统结合了来自细菌、植物和动物的片段，证明能量可以首先被质子梯度捕获，然后在线粒体中用于合成 ATP。与忽视细胞结构的纯粹生化解释不同，这项研究不仅显示了酶的重要性，还显示了它们在解释细胞现象时如何相对于细胞结构定位的重要性。

5.3 整体策略：组织特征化

即使在化学汤中，单个分子也以特定的模式排列。例如，这种模式会影响哪个分子遇到另一个分子。然而，在分析此类汤时，化学家并不试图破译这种排列，而是依赖于有关相遇可能性的统计测量。但细胞是不同的——不同的分子被隔离在不同的位置，它们的组织方式会影响最终的行为（即使在缺乏内膜的原核细胞中也是如此，分子被隔离在细胞的不同部分，有时会在过程中改变位置一天的时间；参见 Cohen、Erb、Selimkhanov 等人，2014 年）。组织对于制成品也很重要。如果你的计算机的各个部分分布在你的桌子上，并且每个部分都提供了一些输入以便它执行操作，那么这些部分仍然不会执行与它们处于正确排列时相同的活动。组织确保一个组件的输出作为输入传递给适当的其他组件。当人们考虑到人类设计师所做的就是在现有组件上强加新的组织以实现新的期望效果时，组织的重要性就得到了进一步的认识。生物学中的进化也经常做同样的事情。

组织对于理解细胞活动尤其重要，但直到最近，细胞生物学家用于确定组织的工具仍然有限。在粗粒度水平上，细胞分级分离和电子显微镜的结合提供了有关组织的信息，从而深入了解细胞如何执行其活动。例如，认识到可以分解细胞成分的酶在溶酶体内与细胞的其余部分分离，这解释了为什么它们只在首先转运到溶酶体的结构上发挥作用。知道一组酶位于相邻的膜中就可以解释一个反应的产物如何容易地被另一个反应吸收。在这些情况下，在单元中实现的组织及其后果可以定性地表征并以机制图形式呈现，如第 4.3 节中所讨论的。然而，在其他情况下，组织比这种定性术语描述的更为复杂。特别是当组件被组织成反馈循环，并且各个操作以非线性函数为特征时，细胞生物学家转向计算模型来理解它们的行为。 Bechtel and Abrahamsen (2010) 和 Brigandt (2013) 描述了最近细胞现象研究中需要计算模型的许多例子，并将动态分析应用于机械解释的结果解释称为“动态机械解释”。 Gross（2018）以细胞分裂中纺锤体形成的计算模型为例，展示了计算模型如何超越实验建立的模型，并作为指导进一步研究的启发式方法。

近年来，细胞生物学家已经获得了用于研究组织的新工具，其中许多在系统生物学方面是先进的（Green 2017；参见系统哲学和合成生物学的条目）。系统生物学的一种方法旨在开发涉及特定现象的众多组件的全面详细模型（Gross & Green 2017）。例如，有关细胞中哪些蛋白质可以相互结合或哪些基因对一起突变时致命的高通量数据已大大增加了与任何给定现象相关的细胞成分的数量。为了理解这种细胞，研究人员经常通过构建网络来寻求抽象模型，其中节点代表实体，边代表实体之间的交互（Green et al. 2018）。研究人员面临的挑战是理解这些网络——考虑到所涉及的大量实体及其许多相互作用，这些网络通常看起来像毛团。我们简要考虑哲学家分析过的两种分析细胞生物学网络的策略。

阿隆和他的合作者专注于细菌和酵母中的基因转录网络和代谢网络，发现了涉及两个、三个或四个节点的“重复出现的、重要的互连模式”，他们将其称为基序（Milo et al., 2002: 824）一个例子，发生在大肠杆菌转录网络中的“数百个非同源基因系统”(Mangan, Zaslaver, & Alon 2003: 197)。大肠杆菌，是前馈循环。在前馈循环中（图 6），一个单元将输入发送到其他两个单元，其中第一个单元也将输入发送到另一个单元，后者充当最终输出单元。阿隆和他的同事使用布尔模型证明，根据连接是兴奋性还是抑制性，这样的基序可以执行许多不同的功能。例如，如果所有连接都是兴奋性的，并且最终输出单元仅在接收到来自其他两个单元的输入时才处于活动状态（与其连接构成一个与门，如图 6 左侧所示），则前馈环路用作持久性检测器——只有当第一个单元的输入至少持续到第二个单元变为活动状态时，输出单元才变为活动状态。这正如 Mangan 等人。解释一下，保护输出（可能用于启动基因转录）免受输入单元随机噪声的影响。前馈循环和阿隆的其他主题是抽象表征的，没有具体参考哪些实体和交互对应于节点和边。研究过这项研究的哲学家将这些组织模式称为设计原则（Green 2015；Green, Levy, & Bechtel 2015；Levy & Bechtel 2013）。

参见上面的文字，3 个图表，2 个连贯前馈循环和 1 个不连贯前馈循环，带有“与”和“或”门以及“激活”和“抑制”链接。

图 6：Alon 和他的同事研究的前馈循环的三个示例

第二种策略采用聚类分析等计算工具来查找互连程度特别高的节点集合。为了根据细胞中的运作机制来解释这些簇，研究人员经常将它们与基因本体论 (GO) 结合起来，基因本体论是一种资源，旨在以有向无环图的形式表示有关细胞成分、分子功能和生物过程的已发表信息，以便促进不同物种研究人员之间的交流（Ashburner 等人，2000）。 Leonelli（2016）研究了 GO 开发者在开发此类资源时遇到的许多认知问题。除了其最初的功能之外，GO 现在还广泛用于机械地解释网络图。通过使用来自 GO 的信息（当可用时）对细胞网络中的节点进行注释，研究人员将这些簇解释为对应于已知的机制，或者有时解释为构成以前未知的机制。研究人员使用关联犯罪等原则对缺乏此类信息的节点进行推断——推断该实体与它聚类的实体发生在同一位置或参与相同的过程（Bechtel 2017 分析了几个例子）。

由于计算模型和大型网络的分析，二十一世纪的细胞生物学更加关注组织，并且比二十世纪中叶的还原论要少得多。对于一些哲学家来说，这种对网络分析的依赖代表着从机械解释转向过程观（Théry 2015；Nicholson 2018；Dupré 2012）。 Huneman（2010，2018）将网络分析产生的解释解释为一种独特的解释类型，他将其称为拓扑解释。然而，其他人则认为，由于这些分析仍然利用构成系统的组件，并且开发它们的生物学家继续将它们视为机械论，因此我们应该扩展机械解释的概念，以包括对计算和网络中发展的组织的整体关注分析（Baetu 2015；Bechtel 2015；Levy 2014）。

6. 细胞生物学专业领域

我们专注于细胞生物学的核心领域，致力于解释细胞的基本活动。然而，有许多与细胞有关的专业领域。其中一些本身已经成为哲学探究的活跃领域。在这里，我们仅列出其中的一些内容，并引导读者阅读哲学家的相关著作，其中包括 SEP 中的一些条目。其中一个领域是微生物学，涉及单细胞生物，无论是原核生物（缺乏细胞核和其他细胞器）还是真核生物。 O’Malley (2014) 识别了微生物的独特特征（例如横向基因转移），并探讨了微生物生命的特征如何挑战关于生物体的主要假设，这些假设主要集中在多细胞生物体上。在其他工作中（O’Malley 2010），她从哲学角度审视了关于真核细胞起源于原核细胞的相互竞争的假设。细胞生物学的大部分内容都集中在特定类型的成熟细胞上，而很少关注多细胞生物体中的细胞与普通细胞（称为干细胞）分化的过程。 Fagan (2013) 开创了干细胞研究的哲学检验，包括将成熟细胞恢复为干细胞的技术的出现。细胞不仅在多细胞生物的发育过程中发生转变，而且在癌症等疾病中也发生转变，在这些疾病中，细胞不仅以不受控制的方式增殖，而且破坏了许多通常阻止增殖的正常运行的细胞机制。 Plutynski（2018）指出了在解释癌症的过程中出现的许多哲学挑战（参见癌症条目）。许多多细胞生物体的一项重要能力是检测病原体、病毒和其他威胁并防御它们的能力。除其他外，这种免疫反应需要能够区分属于生物体本身的细胞与其他细胞（参见免疫学哲学条目）。在许多这些背景以及上面提出的主题中出现的一个基本问题是，是否以及如何将细胞概念化为个体或代理（参见个体的生物学概念条目）。

除了将细胞作为科学研究对象外，当代研究人员还经常采用工程方法来研究细胞。一种背景是在合成生物学领域，研究人员对细胞进行改造，有时是为了研究目的，但有时是为了生成社会认为有用的产品（参见系统哲学和合成生物学的条目）。 CRISPR 等基因编辑工具的最新发展引发了认知和伦理问题（关于伦理问题，请参阅神经伦理学条目）。合成细胞的尝试发挥了核心作用的一个背景是尝试了解生命的起源。许多关于生命起源的研究都涉及原始细胞的发育——由脂质组成的自组织球形系统（Rasmussen et al. 2009）。这已成为具有理论头脑的生物学家和生物学哲学家研究的一个突出话题（参见生命条目；Bedau 2012；Moreno 2016；Dunér、Malaterre 和 Geppert 2016）。