分子生物学（完结）
这些表述，可以被称为“机制模型”（参见“科学模型”条目），旨在通过模拟我们想象中的机制运作（Bechtel and Abrahamsen 2005）或类比更常见的活动类型（Machamer 2004）来传达直观的理解。虽然定性表征在科学实践中发挥着重要作用，但它们仍然高度理想化（Baetu 2017；Love and Nathan 2015）。定量和动态方面缺失或高度简化，已知事实被扭曲，以勾勒出追踪单个分子命运的确定性事件序列（更准确的生化描述应该是一系列涉及碰撞分子群体的来回平衡），每个分子都假定具有刚性结构（忽略分子振动和在各种构型中循环的事实），因为它们相互修改以实现从初始状态到最终状态的变化（从而掩盖了导致相同最终状态的潜在化学途径的多样性，以及机制无法对输出做出贡献的替代途径）。数学建模旨在通过形式化描述分子机制中定量、动态和随机方面来规避这些缺陷，因为这些方面无法通过叙述和图表充分体现。使用形式化方法理解分子机制引起了哲学家们的关注，他们探索数学建模和计算机模拟在多大程度上补充和扩展了机械论解释（Bechtel and Abrahamsen 2010; Brigandt 2013; Braillard and Malaterre 2015），或构成对严格机械论解释模式的重大偏离（Braillard 2010; Silberstein and Chemero 2013）。许多生物机制具有随机性，这一事实引发了一场关于规律性在多大程度上是机制本质特征的普遍争论（Andersen 2012；Darden 2008），一些作者强调某些机制的高度不规则性（Bogen 2005）。就分子生物学而言，分子机制的内在随机性进一步促使科学家和哲学家质疑传统“有序源于有序”的分子生物学范式的霸权地位。该范式最初由薛定谔（1944）提出，并因分子相互作用的特殊性而得到强化[关于特殊性概念的讨论，参见（Lean 2020）]，并引入了一种替代性的“无序源于有序”的解释方法（Ilan 2020；Kupiec 等人 2011）。例如，粘附蛋白分布的概率偏差足以在发育中的肠道中产生适量的扭转，而随机基因表达则决定了果蝇眼睛中蓝光和紫外敏感细胞的比例。另一个有趣的例子是分子棘轮机构利用热噪声做机械功 (Astumian 2001)，这使得 Bechtel 和 Bollhagen (2021: 12705) 认为，传统的机制本体论“应该扩展到包括约束和能量学”。
3.3 外推
正如前面在历史部分所讨论的，分子生物学家严重依赖模型生物（参见“科学中的模型”条目）。例如，对大肠杆菌和酵母的研究为理解各种细胞的遗传机制奠定了基础，但 20 世纪 70 年代重组 DNA 技术的出现使研究人员能够改造模型生物以满足他们的需求。果蝇常用于早期重组DNA实验。据马塞尔·韦伯（Marcel Weber）所说，“分子生物学家对他们喜爱的实验动物进行基因工程改造，直到它成为一个高效的系统，能够识别和分离他们感兴趣的DNA区域”（Weber 2005, 169）。最新的CRISPR技术使模型生物的改造更加精准且经济实惠。如今，研究人员经常将人类基因或细胞植入实验小鼠体内，从而模拟人类生理学的某些方面，从而实现“人源化”（Piotrowska 2013）。然而，人源化动物并非人类，这意味着研究人员仍然必须证明他们的观点，即这些小鼠与人类同类足够相似，能够模拟人类生理学。与此相关，当一种疗法在人源化小鼠身上测试显示出良好的效果时，即使模型与目标之间存在因果相关的差异，研究人员仍然必须证明任何关于该疗法在人类身上有效的可能性的推论。
这种“在无法假定同质性的情况下，将因果概括从一个情境转移到另一个情境”的困难（Steel 2008: 3）被称为外推问题。许多哲学家在分子生物学的背景下探索过这个问题（例如，参见Ankeny 2001；Baetu 2016；Bechtel and Abrahamsen 2005；Bolker 1995、2009、2017；Burian 1993b；Darden 2007；LaFollette and Shanks 1996；Love 2009；Nelson 2018；Piotrowska 2013；Schaffner 1986；Steel 2008；Weber 2005；Wimsatt 1998）。事实证明，解决外推问题非常困难，因为确定模型及其目标在因果相关方面是否足够相似往往会导致陷阱——Daniel Steel (2008) 称之为“外推者的圈子”。摆脱外推循环的一种方法是将被比较的机制置于黑盒中，并将外推问题视为统计问题（参见 Cook 和 Campbell，1979）。这种方法的关键在于证明同一干预措施能够产生具有统计学意义的结果，从而避免了确定机制相似性的需要。然而，仅仅依靠统计数据来解决外推问题的一个问题是，它无法证明模型与目标之间观察到的相关性是干预措施的结果，而不是混杂因素。一种更有前景的外推问题正式方法利用了这样一个事实：某些概率分布和统计依赖性模式对因果结构的变化不敏感（Hernán 和 Vanderweele，2011；Pearl 和 Bareinboim，2014）。
避免外推循环的另一种策略是移除黑盒，比较两种机制，但论证它们不必在每个阶段都具有因果相似性才能证明外推的合理性。这种方法避免了“循环”现象，因为只需提供关于目标的部分信息即可确定模型的适用性。例如，斯蒂尔认为，只需要比较模型机制与目标可能存在差异的点之后的阶段，因为差异可能出现的点将成为最终结果必须突破的瓶颈。尽管这种方法前景光明，但也出现了一些批评。杰里米·豪威克等人（2013）表示担心，识别瓶颈和下游差异所需的目标信息比斯蒂尔承认的要多，这可能会再次引发外推循环。朱利安·赖斯（2010）提出了另一项批评，Federica Russo (2010) 和 Brendan Clarke 等人 (2014) 认为 Steel 的方法没有解决掩蔽问题，留下了将 X 链接到 Y 的多条路径的可能性。例如，可能存在影响结果但不会经过机制下游阶段的上游差异。（这个问题将在下文第 3.4 节中再次讨论。）Baetu (2016) 提出的第三个担忧是，机制解释通常会结合来自不同实验装置的数据，从而产生一种理论嵌合体，而这种理论不受任何细胞或生物体中存在的一致机制的支持。相反，正如一些作者也指出的那样（Huber 和 Keuck 2013；Lemoine 2017；Nelson 2013、2018），通常先规定感兴趣的机制，然后在许多不同的实验生物体中逐一验证。其结果就是 Mael Lemoine (2017) 所说的“理论嵌合体”，即由异质性部分模型支持的假设。从嵌合体外推的观点来看，所有一对一类比都可能有效，但总体理论嵌合体模型却失效了。
3.4 实验
分子生物学的历史在某种程度上是旨在探索生物体内大分子机制的实验技术的历史。反过来，哲学家们将分子生物学视为一个案例研究，以了解实验在科学中的作用方式——它如何促进科学发现，如何区分相关性与因果相关性和构成相关性，以及如何在相互竞争的假设之间做出决定（Marcum 2007；Baetu 2019；Barwich and Baschir 2017；Craver and Darden 2013；Rheinberger 1997；Weber 2009、2008、2005；另见《生物学实验》[此处链接至“生物学实验”条目]）。林德利·达登专注于研究科学家构建、评估和修正现象机械解释的策略；在她看来，发现是一个逐步、渐进和反复的机制阐释过程。例如，在20世纪50年代和60年代，分子生物学和生物化学领域的科学家运用各自的实验策略，阐明了将DNA与蛋白质合成联系起来的蛋白质合成机制。分子生物学家利用X射线晶体学和模型构建等实验技术，从DNA出发，进一步探究DNA的结构如何决定其与哪些分子相互作用；与此同时，生物化学家利用体外实验系统，从蛋白质产物出发，反向探究构建蛋白质所需的化学反应和化学键合。他们在RNA处相遇，最终形成了沃森著名的机制图式：DNA→RNA→蛋白质。 Darden 指出，这远非哲学上的深奥难解，分子生物学家是“正向链接”，而生物化学家是“反向链接”，他们利用自己了解的工作实体和活动信息来推断蛋白质合成机制中接下来或之前可能发生的情况（Darden 2006a：第 3、12 章；Craver 和 Darden 2013：第 10 章）。
Tudor Baetu (2019) 尝试以炎症反应机制为例，重建分子生物学的发现过程。他沿袭 Bechtel 和 Richardson (1993) 的观点，认为分子生物学研究通常涉及开发标准化实验模型，以便在该模型中系统地复制现象。例如，炎症实验模型指定了一个可复制且可识别的物理研究对象，即实验装置，该装置可能在其时空边界内包含产生皮肤炎症反应所需的所有致病因素。通过系统地定位描述实验装置的变量来识别假定的机制成分，以期证明实验装置及其组成物理系统的特定变化会导致研究现象的变化 (Craver and Darden 2013)。然而，与机械论文献中提出的“层次化”相互可操纵性解释 (Craver、Glennan 和 Povich 2021；Craver 2007；科学中的机制条目) 相反，Baetu 认为，分子生物学实验只能产生因果中介的证据，这只允许重建“平面”机制，其中分解层次被因果描述的粒度层次所取代 [类似观点参见 (Fazekas 2022；Harinen 2014)。] 最后，必须“重新组合”机制以显示它是如何产生现象的 (Bechtel 2011)。在实践中，机制的重构通常依赖于体外重构实验（Weber 2005；Matlin 2022）或数学模型（Braillard 和 Malaterre 2015），旨在证明机制解释中所描述的组织、作用和属性的组成部分能够（理想情况下）足以产生所研究的现象。对实验中测量和操纵的变量进行物理解释，基于分子生物学对化学本体论的理论认同，或对实验技术运作方式的理解（Weber 2009），也是机制重构的重要组成部分。
分子生物学实验也参与了关于“关键实验”可能性的哲学讨论。如果一个实验旨在通过反驳其他竞争假设来证实一个假设，则该实验被视为关键实验。但皮埃尔·迪昂（Pierre Duhem）指出，关键实验的概念本身就假设，一组已知的竞争假设包含了对特定现象的所有可能解释，以至于除了一个假设之外的所有假设的反驳，都演绎地确保了剩余假设的证实。然而，迪昂警告说，如果在竞争假设的集合中确实存在未考虑的未知替代方案，那么反驳并不能保证最后一个假设的证实（另见关于皮埃尔·迪昂的条目[此处链接到“皮埃尔·迪昂”条目）。 （迪昂提出了关键性实验的两个问题——前文提到的问题，以及任何假说都会带来的辅助假设问题；限于篇幅，我们在此仅讨论前者。）马塞尔·韦伯分析了分子生物学中两个著名的发现事件——彼得·米切尔阐明氧化磷酸化机制（Weber 2009）以及梅塞尔森-斯塔尔实验证实沃森和克里克提出的半保留DNA复制机制（Weber 2005：第4章），从而对关键性实验的运作方式提出了不同的视角。他得出结论：在这两个案例中，实验产生了强有力的证据，支持一种机制假说，同时排除了当时提出的最重要的竞争解释，从而接近了关键实验的理想状态。然而，韦伯认为，我们应该将梅塞尔森和斯塔尔实验结果（Meselson and Stahl 1958; Holmes 2001）的迅速普及理解为一种最佳解释的推理（而非迪昂的演绎描述）。韦伯声称，梅塞尔森和斯塔尔将DNA复制的生理机制嵌入到一种“实验机制”中；该实验机制随后产生了观察到的重DNA与轻DNA的数据模式。此外，任何DNA复制假说都必须满足由已知生理机制所施加的机制约束——DNA是双螺旋结构，并且DNA中的核苷酸序列需要在后代中保留。因此，迪昂对未知替代方案的担忧得到了缓解，因为已知的机制约束限制了可能产生该现象的假设集合。根据韦伯的解读，机制约束将DNA复制的可能假设集合筛选为半保留复制、保守复制和分散复制；然后，梅塞尔森和斯塔尔从这些假设集合中设计出一种实验机制，使得半保留复制成为他们发现的数据模式的最佳解释。
4. 结论
纵观分子生物学的历史，揭示了遗传学家、物理学家和结构化学家最初在一个共同问题上的共识：遗传的本质。各个学科分支的概念和方法框架最终共同决定了DNA（被认为是一种信息分子）的双螺旋结构，以及基因复制、突变和表达的机制。基于这段近代史，分子生物学哲学家们考察了该领域的关键概念：机制、信息和基因。此外，分子生物学也为解决科学哲学中更普遍的问题提供了案例，例如还原、解释、外推和实验。
