从语境论的基底上分析生物学中信息概念的语义和特征

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论文摘要

  生物学的发展随着DNA概念的提出,进人分子水平的解释模式时,信息的概念就进入生物哲学家的视野,并逐渐成为他们关注的重点。近年来,生物哲学家对信息的概念进行了一系列的争论。争论的内容主要可以分为以下三个问题:信息概念在生物学上仅仅只是隐喻式地使用,还是有其理论依据;信息概念地使用对基因研究基本框架的采用是否有本质的影响;信息概念地使用与基因决定论的关系。其中对第一个问题的讨论相对较多。不难想象,一般人很容易将生物学上的信息概念与日常生活中的信息概念相混淆,因为许多生物学家都认为生物体以某种方式遵从着基因信息。那么,基因是否包含信息本文将从这个问题出发,在语境论的基底上对生物学中的信息概念进行语义分析,并讨论了生物学中信息概念的几个语义特征。
  
  一、基因是否具有信息
  
  信息的语义概念是生物学中最重要,也是最有争议的概念之一。正如许多生物学家和哲学家指出的那样,信息不仅是二十世纪生物学中的一个核心概念,而且可能依旧贯穿于二十一世纪。但是,有关信息术语的意义却很少被定义。
  
  2000年6月,梅纳德史密斯(JohnMaynardSmith)在其《生物学中的信息概念》一文中,用进化的方式对信息讨论,重新引发了生物学中对信息概念分析的热潮。他在摘要中如此描述生物学中的信息概念以及该概念使用的情形:在分子生物学发育生物学中对信息概念地使用是非常普遍的,这种情形最初可以追溯到魏斯曼(Weismann)。在蛋白质合成以及生物的发育中,基因都是作为一种符号,因为在基因序列以及它们的效应之间并没有必然的连结。根据自然选择,一个基因所产生的效应决定了它的序列。在生物学中,信息语义地使用蕴含意向性,因为基因序列以及对基因序列的反应都是通过进化而来的。在工程师看到设计的地方,生物学家看到的是自然选择。从上面的叙述中我们可以看出,对于梅纳德史密斯而言,生物学中信息的概念是与传递信息信号的观念紧密联系在一起的(如DNA),自然选择的产物回应于信息。在生物学中,生物学家同样也都是这样用的。信息、符号、转译、翻译、校对、编辑、信息携带者、信息接收者等一系列专业概念在生物学中地使用,都表明生物学家普遍认为基因作为DNA上的一个有效片段是调控其它基因、合成功能性蛋白质以及实现生物个体特征的重要部分。
  
  但是在信息理论中,信息指的是信号对信号源系统的因果依凭性,而这种依凭性是通过一组管道条件所创造出来的。一旦管道条件被固定住,所有能够影响信号产生的因素都可以被看作是信号源,从而被看作是带有关于信号的信息,这样的话,基因就只是众多信号源的种类之一。
  
  因此,有人认为应该定义一个普遍的信息语义概念:当一个接收系统对一个源个实体或者是一个过程--有特定方式的反应时,我们就说这个源拥有信息。接收者对于这个源的反应必须是,通过一种功能的方式实际的或者潜在的改变了接收者的状态。此外,源的形式的变化与接收者对应的改变之间必须有一种一致的关系。根据这个定义我们可以得到,基因没有理论上信息的特权地位,它只是作用于生物发育信息源的一种类型。就像布满乌云的天空,作为一种周期性的环境客体,可以使接收者通过改变内部的状态产生一种适应性的反应。
  
  这样一来信息概念就只具有一种思辨上的意义,而失去了其对具体实验研究的指导作用。显然,对信息语义性质的不同解释,就会带来其概念在进化心理学、社会生物学中方法论运用上的不确定性。忽略了信息使用的经验事实就会引发其在概念上的争议,混淆了信息概念的语义性质又会带来其在经验证据解释和研究过程中的争议。
  
  基因包含信息理论所谈论的信息系统的许多特性,我们有相当强的理由相信基因带有意向性信息。如DNA上的碱基序列作为信号源,在一定的管道条件下,以遗传密码的形式将信号复制给RNA,RNA经过一些修饰后变为mRNA,mR-NA将DNA的信号从细胞核中带到细胞质中,mR-NA与核糖体结合将DNA的信息翻译成氨基酸序列的合成,不同的氨基酸又构成不同类型的蛋白质。就像摩斯密码的翻译过程一样。梅纳德史密斯曾通过下图1对它们进行类比:胎形成之后生物个体特征的发育信息。换句话说,世界上所有生物的不同特征都是由共同的语言基础遗传密码决定的。再也没有比我们的DNA序列所提供的信息来的更基本、更根本的信息了,而DNA序列是身体最基本的性质。但是信息的概念在生物学中地使用是否具有充分的理论依据一些科学哲学家始终对这个问题保持着谨慎的态度。
  
  目前为止,几乎没有人反对基因是遗传的主要传递者、基因是细胞结构及其功能的必要基础,它在生物的生化过程中有不可替代的作用,绝大多数的生物特征最终都与基因有关,甚或是以基因为源起。但是,同样也不会有人反对,几乎所有的个体特征都是由基因与环境因素共同作用的结果(例如细胞结构、眼珠颜色、情绪、精神分裂、智力等)。大家都接受一种互动规范:生物特征变元是基因类型变元和环境变元的一个函数,而且生物特征变元对环境变元有所反应。
    y 生物特征=f(基因类型,环境因素)  
  环境因素不仅可以通过影响DNA对蛋白质的合成产生影响。例如在亲代的DNA双螺旋分解、单一的核苷酸序列形成以及之后的编辑与校对的过程中,蛋白质的作用都是不可替代的,DNA并没有自我复制,同时体外的环境也可以通过生物转换器来影响体内的化学环境,进而影响细胞及DNA的活动。而且,环境因素就算不通过影响DNA对蛋白质的合成进行影响,也会对生物的特征产生影响。例如,对幼小的河马进行社会隔离,长大后它们便不会表现出应有的性行为;日本猕猴偶然发现用清水洗过地瓜后更可口,这个发现便以教导的方式传递给年轻称猴;一些寄生生物的寄生行为发生错误时会通过宿主铭记的行为传递给它们的后代。即便如此,基因还被认为对生物特征的形成做出了一些环境因素无法做出拍特殊贡献。甚至有人更加明确地界定出基因拥有生物特征的信息,而环境因素并不具有。
  
  信息可以粗略地分为因果信息和意向性信息。我们发现,争论的双方都同意,如果信息的概念可以用来描述基因的特殊性,那么基因必须是一种意向性信息,而非因果信息。或者说,基因是一种带有意向性信息的诱因,而环境因素只是化学法则和物理法则所描述的对象。
  
  意向性信息又称为语义信息[6],这类信息最典型的承载物是人类的思想和语言。如果将基因与信息系统进行类比,基因包含信息理论所谈论的信息系统的许多特性,我们有相当强的理由相信基因带有意向性信息。如DNA上的碱基序列作为信号源,在一定的管道条件下,以遗传密码的形式将信号复制给RNA,RNA经过一些修饰后变为mRNA,mR-NA将DNA的信号从细胞核中带到细胞质中,mR-NA与核糖体结合将DNA的信息翻译成氨基酸序列的合成,不同的氨基酸又构成不同类型的蛋白质。就像摩斯密码的翻译过程一样。梅纳德?史密斯曾通过下图1对它们进行类比:
  论文摘要  
  但是在信息理论中,信息指的是信号对信号源系统的因果依凭性,而这种依凭性是通过一组管道条件所创造出来的。一旦管道条件被固定住,所有能够影响信号产生的因素都可以被看作是信号源,从而被看作是带有关于信号的信息,这样的话,基因就只是众多信号源的种类之一。
  
  因此,有人认为应该定义一个普遍的信息语义概念:“当一个接收系统对一个源个实体或者是一个过程--有特定方式的反应时,我们就说这个源拥有信息。接收者对于这个源的反应必须是,通过一种功能的方式实际的或者潜在的改变了接收者的状态。此外,源的形式的变化与接收者对应的改变之间必须有一种一致的关系。” [7〕根据这个定义我们可以得到,基因没有理论上信息的特权地位,它只是作用于生物发育信息源的一种类型。就像布满乌云的天空,作为一种周期性的环境客体,可以使接收者通过改变内部的状态产生一种适应性的反应。
  
  这样一来信息概念就只具有一种思辨上的意义,而失去了其对具体实验研究的指导作用。显然,对信息语义性质的不同解释,就会带来其概念在进化心理学、社会生物学中方法论运用上的不确定性。忽略了信息使用的经验事实就会引发其在概念上的争议,混淆了信息概念的语义性质又会带来其在经验证据解释和研究过程中的争议。
  
  那么,如何在保障信息使用经验事实的基础上,又能避免信息概念语义性质的混淆语境的研究纲领为这个问题的消解提供了一个平台。我们认为,只有在语境的基底上对生物学中的信息概念进行分析,才能实现其特定语境下的确切语义。同时,也只有在语境的基底上对生物学中的信息概念进行分析,才能避免其在经验事实与概念争议之间二难选择的困境。
  
  二、生物学中信息概念的语境论解释
  
  20世纪分子生物学的迅速发展,使得原有的生物学理论不断面临着挑战。从DNA概念的提出到对生物体基因组的复杂性研究,再到进化心理学和社会生物学,信息概念的语义在不断地发生着变化。对信息概念的语义现象,必须要在一个统一的语义结构和语义模型中语境化地进行理解,如果对信息概念的语义分析脱离了其概念的语境背景,那么它的各种语义现象就是割裂的、不完整的和意义缺失的。
  
  DNA概念的提出,标志着分子生物学由以前的分析语境进人了新的解释语境。四种不同的脱氧核糖核苷酸组成了DNA双链。生物学家用A、T、C、G四种符号表示核苷酸上的四种碱基。在任意一段的DNA双链中,碱基A、T、C、G总是以互补的形式配对。四种碱基以不同的形式排列,形成了脱氧核糖核苷酸序列的多样性。DNA在细胞核内以碱基互补的原则将自己的脱氧核糖核苷酸序列转录给mR-NA.mRNA又在细胞质中以遗传密码的原则将DNA的脱氧核糖核苷酸序列翻译给蛋白质的氨基酸多肽链。对于DNA分子,在这样的过程中,确实是由分子模板以指令制定的方式决定了它们的产物。之前合成的分子制定了化学相互作用的种类和秩序,这个化学相互作用又决定了产物组成的种类和线性顺序。所以,描述模板的特性是合法的,基因作为信息就这样决定了其产物。
  
  因此,在DNA分子层面,基因本身就具有意义,信息指涉的实体是脱氧核糖核苷酸序列,信息的本质是被还原到了化学和物理的层面。DNA作为模版,以指导合成的方式决定了它的产物。在这个层面上遗传信息的内容是伴随着模版的性质而确定的,模版的性质通过制定指令的方式决定了其产物。就像一些标准的发育生物学教材中所说的发育和新陈代谢所需的遗传信息以密码的形式储存在染色体上的DNA核苷酸序列中。
  
  但是,随着人们对基因结构和功能研究的不断深人,跳跃基因、断裂基因、重叠基因等一系列基因相继被发现。这使得人们单纯地从DNA序列去定义基因已经不可能。基因组的概念应运而生。在基因组层面,信息概念的语境边界发生了变化,信息概念语义解释的伸缩度也就发生了变化。此时,基因只有在基因组的语境下,以一个整体的语境系统的形式才具有意义。单个的基因本身便不再具有意义。信息指涉的实体也不再单纯的是脱氧核糖核苷酸序列,而是包含了整个基因组的语境系统。从语境论的角度讲,在基因组的层面,单个的基因与特定的语境因素结合成一个整体的基因组时才会产生意义,意义承载的单位成为整个基因组,而不是再单个基因。信息指涉的实体是整个基因组的语境系统。然而,基因组的概念是一种整体主义的探讨形式。对基因组整体结构和功能的研究,并不能取代生物学中对单个基因片段结构和功能的研究。当研究或谈论对象为单个基因片段的结构和功能时,便要对信息概念的理解进行语义下降。
  
  正如前文所言,环境因素不仅可以通过影响DNA对蛋白质的合成产生影响,还可以直接对生物的特征产生影响。此时,又要通过语义上升的方法对信息概念的语义解释上升到个体和群体的层面。在此层面,信息的概念已经超越了最初蛋白质合成的理论框架,还包含了许多对生物过程其它阶段的描述。在这个语境下,信息不仅可以通过基因遗传,还可以通过细胞和组织水平的表观处理,还可以通过非象征性以及象征性的社会学习遗传。信息概念的语义也就同样不能被局限在基因或基因组的理论框架中。基因就不再具有理论上信息的特权地位,信息指涉的实体就变为能够使生物体产生特定方式反应的基因和环境因素。
  
  信息概念的表达似乎可以在不同的语境下被不同地使用,而不同语境下的语境边界对信息概念的语义实现起到了结构性的约束作用,即信息概念不同语义值只有在特定的语境边界下才能合理地实现,不能超越其特定的语境边界。例如,在单个的基因层面,信息指涉的实体是脱氧核糖核苷酸序列,它决定了蛋白质氨基酸链的合成。在个体和群体的层面,由于其理论框架的改变,就需要通过语义上升的方法,实现其新的语义值。否则就会必然不合时宜地得到基因决定论的结论。换句话说,信息概念的语用过程是在特定的语境边界下,通过语生物学中信息概念的语义分析个体,群体层面I柑称电个基因不再具。整个基W组作为储存和传递佾息的灾体。
  
  这样语境的功能就使语用推理的相应原则得以实现,这个原则就是一方面将理论解释的效果最大化,另一方面使推理的复杂性最小化,从而达到最佳的语用效果。信息概念的语义分析就这样与其语形、语用分析统一在一个确定的语境结构之中,从而在一个完整的语境平台上,实现了其语义概念的语境论解释。在这里需要强调的是,信息概念的不同语义值是由不同语境下的语境边界所限定的。不同语境的语境边界是有条件的,是可以发生变化的,但绝对不是一种相对主义的。不同语境边界的变化,并不是任意的,而是伴随着生物学纵向理论和横向理论的发展,存在着一种客观的必然性。而信息概念就是在这种客观的必然性中,通过不断地语义上升和下降的方式,实现了其在不同语用下的语义值。具体分析如下图2所示:
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  可以看出,在语境论的平台上,生物学中信息概念语义的实现是完整的、立体的。我们不刻意地强调基因是否具有信息,也不刻意地追求在语言学的层面对生物学中信息的概念进行规范和整理。在研究过程中面对变与不变的解释困境时,总是自觉地选择把什么当成是真的,把什么当成是构建的〔W〕。而实现这种自觉选择的方法便是语义上升和语义下降。
  
  三、生物学中信息概念的语义特征
  
  如上所述,生物学中信息概念的表达可以在不同的语境下被不同地使用;语境论的解释为生物学中信息概念争论的消解提供了一个途径。然而,对生物学中信息概念辩护的另一个必要条件是对其语义特征进行解释。而令人满意的遗传信息的语义特征必然要包含:信息的实体在广泛的意义上是意向性的;信息的概念必然要包含误解和错误的可能性;信息传递的不可逆性并不是遗传信息处理系统的必然特征以及信息的信号是无偿的。
  
  1.意向性。梅纳德史密本曾指出生物信息最重要的一个特征是,它是被设计的,是通过自然选择或者人类的智慧所设计的,并且在这个意义上是意向性的。他表示,在生物学中,一个陈述A携带有关于B的信息,暗示了A有它特定的结构,因为它携带有那个信息。一个DNA分子有特定的序列,因为它特指一个特定的蛋白质。意向性的这个元素来自于自然选择。按照这种说法,A被看作一个携带有关于B(蛋白质,一个性状等)信息的信号,我们可能就会假设这个信息是给有机体的。在DNA分子层面,我们可以按照指令性信息的内容来理解这种意向性。正如前文所说的,基因A携带有蛋白质B的信息,就表明基因A作为一种指令以遗传密码特定的方式规范地指导蛋白质B的特定运作,以进一步形成特定的生物特征。其中A作为指令的下达者,B作为指令的接受者。从这个意义上讲,遗传信息是规范的,是有意向性的。但是,基因A是不是能够作为包含关于行为或者心里特征的意向性信息,这又是一个十分有争议的话题。在DNA分子层面,越远离基因的生物特征,也就是越需要环境因素合作产生的生物特征,越不适合作为基因信息的指令内容,这一点应该是大家的共识。
  
  所以,对于环境或者宏观行为,也就是说对于生物个体或者群体层面,就需要对信息的概念进行语义上升。在这种情况下,基因A就不再作为一种指令性信息。可以认为B是被设计成以特定的方式去解释A,而A是携带有关于B或者关于B的环境的信息。此时,A被看作一个信息的输人,它可以是一个信号,也可以不是,B是解释这个输人的接收者。
  
  信号携带着关于发送者的以及传递给接受者的信息。从这个意义上讲,有生命的系统B可以使一个源A成为一个信息输入,越复杂的有机体就能构建越多的信息。同样,信息可以被认为是具有意向性的。
  
  2.误解或错误的可能性。偶然的误解或错误的概念往往是和解释联系在一起的。在遗传信息的语义概念中,信息的地位取决于解释系统。这一点应该是可以明确的。我们可以做这样一个假设:在古老的原始细胞中,DNA不是作为遗传信息,而只是作为一种能量被线性储存在其中的聚合物。当需要能量时,DNA聚合物被破坏。在这种情况下DNA聚合物的序列是没有任何意义的。假如,有一个储存能量的DNA聚合物通过一次偶然的机会,拥有了蛋白质链的基因编码的精确序列。当然,这个拥有蛋白质a链精确序列的DNA聚合物对于古老的原始细胞没有特别的意义,因为它没有完整的细胞系统能够以特定的方式解释这个序列。即便是对于原始细胞而言,任何拥有了相同长度以及相同AT/CG比的DNA序列都是相同的。如果我们无意中将这个无意义的DNA序列放人现代细胞的阅读框架中,它就会被一个现代的细胞所解释,哪怕这个DNA序列是由DNA合成机随机产生的。这就说明,一旦一个信号输入--即使是随机产生的--符合一个解释系统所认识的信息类型,那么它就会被当作一个信息来处理,就会被这个信息系统所解释。尽管这可能会导致非适应性反应。当然,对任何输入解释过程中的错误也都可以导致非适应性反应。
  
  3.倍息传递的不可逆性并不是遗传信息处理系统的必然特征。通常情况下没有从反应到信号的适应性反馈,但也不总是这样。首先不可逆性对于一些非生物的信息源肯定是正确的。例如,植物对日照时间的反应不能影响到日照时间,厨师对食谱的阅读也不会影响食谱。传统的中心法则也从某种意义上说明了没有倒回的翻译,从DNA到蛋白质的信息流也是不可逆的。但是对于细胞的反应,例如基因调控中的一个改变,通常会对信息链前端发信号的分子有反馈的效果,可以导致那些分子的化学变化。再者,神经信号通常可以被动物的认知或者反应所修改。甚至,对于遗传系统,在DNA序列和其反应之间可能有一个不依靠于反向翻译的适应性反馈的想法都不是牵强的。显然,当对环境的适应性反应反作用于解释系统时,这种适应性反应的方式就相当于解释系统的一个调整的监管机构。
  
  在DNA遗传系统的情况中,人们知道的基因调控都表明了这样的反馈必须涉及到调控DNA序列的修改。当然,做出这种适应性反应的能力必须是自然选择的结果。在其它信息传递的系统中,环境因素以及它们规律性的变化,借助于进化的接收者系统的特征变为有信息的信号。
  
  4.倍息的倍号是无偿的。当信息的信号不是非生物的线索(例如日照时间、食谱等),而是由作为交流或翻译系统一部分的有机体产生时,它们是无偿的。因为在它们的形式和功能之间没有必然的联系。这种无偿性是任何生物信号系统自然进化的必然结果:如果进化不同,那么生物体产生的,与适应性反应相联系的信号,也几乎可以肯定是不同的。
  
  尽管从一般的意义上讲,所有的进化的信号是无偿的或者是随意的,但是一些信号的意义与它们的生产成本相联系。例如,雄孔雀尾巴的含义:作为主人健康的可靠标志,给雌孔雀的尾巴信息和它的生产和维护成本相关。对于其它类型的信号,例如我们的语言,信号的形式和生产成本之间就没有关系。
  
  正如拉赫曼(Lachmann)指出的,当接收者可以立刻评估出信号的可靠性,并且能够惩罚不可靠的信号,那么信号是廉价产生的,它的形式与生产成本之间是无关的。尽管所有的进化的信号是无偿的,但是我们需要限定一个方式,信号的形式和它的生产和维护成本要相关。无偿性也是非生物信息线索的一个特征:布满乌云的天空对于猿是一个可靠的信息,这个事实是依靠于猿的认知系统和大脑的特征,认知系统和大脑都是进化的产物。不同的进化路径就会使得环境的另一个方面替代布满乌云的天空被有机体当做线索,用来提醒它暴风雨即将来临。因此,将环境的特定方面作为信息是没有必要的。从这个角度讲,信息是接收者所赋予的。
  
  四、结束语
  
  信息概念在生物学中的引入,对生物学遗传机制和进化机制的解释起到了不可估量的作用。但是,也同样引发了生物哲学中的巨大争议。重视信息在化学分子层面对生物学遗传机制的解释以及对具体实验研究的指导,就会引来其概念语义性质的混淆。强调信息概念的语义性质又会弱化其对经验证据的解释以及具体研究过程中的作用。语境论的解释基底为消解这个争议提供了一个平台。我们认为,对信息概念的语义分析不能脱离其概念的语境背景。不同语境下的信息概念由于语境边界的变化会导致其语义的实现发生变化。需要通过语义上升或语义下降的方法,实现其在特定语境下的语义②这里信息传递的不可逆性是根据梅纳德史密斯的说法,指信息传递是由信号到反应,而不能从反应倒回到信号。
  
  生物学中信息概念的语义分析值。如果单一地从化学分子层面分析信息概念的语义,就会必然得导致分子生物学中的强微观还原论。所以,对生物学中信息概念的语义分析应该与其语形分析、语用分析统一在一个完整的语境平台上,进行一种语境论的解释。

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