分子遗传学（一）
“分子遗传学”一词有时指一种基本理论，认为基因通过多肽的产生来指导所有生命过程；有时指一种更为温和的关于基因在分子水平上表达和调控的基本理论；有时指一种应用于整个生物医学领域的研究方法，该方法基于以基因基本理论为基础的研究策略。本文简要概述了分子遗传学的基础知识，并概述了该主题的哲学研究。综述围绕三个主要哲学问题展开：(a) 古典遗传学可以简化为分子遗传学吗？(b) 什么是基因？(c) 基因有什么作用？最后，本文将注意力转向第四个问题：(d) 为什么如此多的生物学研究都集中在基因和 DNA 上？
1. 引言
2. 基础理论
2.1 经典遗传学的基本理论
2.2 经典遗传学遗留问题的分子层面解答
2.3 区分分子遗传学的基本理论和基础理论
3. 经典遗传学是否被简化为分子遗传学？
3.1 夏夫纳关于经典遗传学正在被理论简化的论点
3.2 反还原论者对遗传学的共识
3.3 对反还原论者共识的挑战
3.4 超越理论还原论和层层递进的反还原论
4. 什么是基因？
4.1 基因怀疑论
4.2 实践中的概念分析：经典基因概念和分子基因概念
4.3 实践中指称的分析：分子化如何改变指称
4.4 提出一个新概念，分子基因概念的过程
4.5 使用基于调查的方法识别基因概念
4.6 对基因怀疑论的务实回应
5. 基因和DNA的作用是什么？
5.1 对基因和DNA提供信息观点的批判
5.2 使用广义的生物学信息概念来解释基因的作用
5.3 对基因作用主张的因果解释
5.4 DNA如何编程发育的因果解释
5.5 基础理论与调查实用主义
6. 为什么如此多的生物学研究都集中在基因和DNA上？
7. 结论
参考文献
学术工具
其他网络资源
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1. 引言
“分子遗传学”一词如今已变得多余，因为当代遗传学已经完全是分子遗传学。遗传学并非由分子和非分子两门科学组成。然而，实践生物学家仍然使用这个术语。当他们提及“分子遗传学”时，通常指的是一套旨在识别和/或操纵参与重要生物分子合成的DNA片段的实验室技术。科学家们经常讨论和撰写这些技术在生物医学科学领域的广泛应用。对他们来说，分子遗传学是一种涉及应用实验室方法和研究策略的研究方法。这种方法的前提是具备关于基因在分子水平上表达和调控的基础知识。
然而，哲学对分子遗传学的兴趣并非集中在研究方法或实验室方法上，而是集中在理论上。早期的哲学研究关注的是基因组成、表达和调控的基本理论。大多数注意力集中在理论还原论的问题上。引发这一思考的问题是，经典遗传学，即T. H. 摩根及其合作者所创立的科学，是否正在被简化为分子遗传学。随着发育遗传学和发育生物学的兴起，哲学界的注意力随之转向批判与当代遗传学相关的一个基本理论。该基本理论不仅关注基因的组成、表达和调控，还关注基因在生物体中的整体作用。根据该基本理论，基因和DNA通过提供决定生物体发育和功能的信息来指导所有生命过程。
本文首先简要回顾与分子遗传学相关的基本理论。由于该理论融合了摩根学派的经典遗传学思想，因此有必要从摩根遗传学的角度概述其发展历程。在回顾基本理论之后，我将探讨推动分子遗传学哲学研究的四个问题。第一个问题是，经典遗传学是否已经或将会被简化为分子遗传学。第二个问题涉及基因概念及其是否已经过时。第三个问题关乎基础理论的可行性。第四个问题尚未引起太多哲学界的关注，它探讨了为什么如此多的生物学研究都集中在基因和DNA上。
2. 基础理论
2.1 经典遗传学的基础理论
经典遗传学的基础理论解释了性状从父母遗传给后代的过程。摩尔根及其同事们基于生物体基因组成（称为基因型）的概念划分，其观察到的表现称为表型（参见基因型/表型区别的条目）。两者之间的关系被视为因果关系：基因型与环境共同作用产生表型。该理论通过追踪基因差异的代际传递，并将替代性状的存在归因于替代基因形式的存在，解释了表型差异从父母传递给后代的过程。
我将用一个简单的历史案例——果蝇（Drosophila melanogastor）来说明经典的解释性推理模式。值得强调的是，这个历史案例所展现的推理模式至今仍是遗传学（包括有时被称为分子遗传学）中一种重要的推理模式。
果蝇的基因成对出现，位于果蝇每个细胞内四对染色体的相应位置。被称为紫色的眼睛颜色突变体与位于第二号染色体上的一个基因有关。该基因的两个拷贝，以突变型或正常野生型形式存在，位于两条第二染色体的同一基因座（对应位置）。基因出现在某个基因座的替代形式称为等位基因。基因从亲本传递给后代是在一种特殊的细胞分裂过程中进行的，这种过程称为减数分裂，产生包含来自每对染色体的一个染色体的配子细胞。来自卵子的一半染色体组和来自精子的另一半染色体组在受精过程中结合，这使得每个后代都拥有来自其雌性亲本每对基因的一个基因拷贝，以及来自其雄性亲本每对基因的一个基因拷贝。对性状传递的解释，将替代基因（基因型）的存在与替代可观察性状（表型）的存在联系起来。有时，这通过显性/隐性关系来解释。例如，紫色眼睛相对于野生型性状（红色眼睛）是隐性的。这意味着，携带两个紫色等位基因拷贝（该基因的突变形式，标记为pr）的果蝇有紫色的眼睛，但杂合子，即携带一个紫色等位基因拷贝和一个野生型等位基因拷贝（标记为+）的果蝇，有正常的野生型眼睛（携带两个野生型等位基因拷贝的果蝇也是如此）。参见表1。
表1
为了了解经典理论如何解释性状传递，我们来看一下Morgan的合作者进行的红眼雌性和紫眼雄性的杂交实验。这些后代都是红眼睛的。因此，红眼的特性会从雌性遗传给所有后代，即使后代的父本是紫色眼睛。对这种遗传模式的经典解释，如同所有对遗传模式的经典解释一样，分为两个阶段。
第一阶段解释了基因的传递，如下所示（图1）：每个后代从父母各获得一个II号染色体的拷贝。母系来源的染色体必然包含野生型等位基因（因为实验中使用的每个母本的第二条染色体都包含野生型等位基因——这是根据先前实验得知的）。父系来源的染色体必然包含紫色等位基因（因为每个父本的第二条染色体都包含紫色等位基因——这是根据紫色对红色眼睛是隐性遗传的这一知识推断出来的）。因此，所有后代均为杂合子（pr / +）。通过追踪基因从父母到后代的传递，解释了后代的遗传组成后，我们可以进入解释的第二阶段：推断表型特征。由于所有后代均为杂合子（pr / +），且紫色是野生型的隐性遗传，因此所有后代的眼睛均为红色（野生型特征）。参见图 1。
图 1
请注意，此处的推理并不依赖于识别潜在基因的物质组成、作用方式或一般功能。它仅依赖于以下观点：基因拷贝会代代相传，并且基因的差异（即 pr 和 + 之间的差异），无论这种差异是什么，都会导致表型差异。基因是差异制造者的观点需要加以限定：基因的差异在特定的遗传和环境背景下会导致表型差异。这一理念至关重要，却又常常被忽视，值得将其阐述为一条原则（Waters 1994）：
差异原则：经典基因的差异会导致特定遗传和环境背景下的一致表型差异。
同样值得注意的是，差异原则提供了一种解释表型特征从一代传递到下一代的方法，而无需解释这些特征在生物体发育过程中是如何产生的。这有效地使古典遗传学家能够在不回答发育问题的情况下发展出一门遗传科学。
古典遗传学的实践包括对涉及表型性状重组的复杂传递模式进行理论分析。分析这些模式可以得到关于基本生物学过程的信息，例如染色体力学，以及关于基因在连锁群中线性排列的信息。这些理论解释并不依赖于关于基因是什么、基因如何复制、基因起什么作用，以及基因差异如何导致表型差异的观念。
2.2 经典遗传学遗留问题的分子层面解答
分子生物学和遗传学的研究已经解答了经典遗传学未解答的基本问题，例如基因的组成、基因复制的机制、基因的作用以及基因差异如何导致表型差异。这些答案以分子层面的现象来表达，并构成了与分子遗传学相关的许多基本理论。
什么是基因？本文第四部分将更详细地探讨这个问题，但就目前而言，一个简短的答案就足够了：基因是DNA分子中核苷酸的线性序列。每个DNA分子由双链核苷酸组成。 DNA 中有四种核苷酸：鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和腺嘌呤。DNA 分子中的一对核苷酸链以双螺旋结构相互缠绕。螺旋中的两条链通过相邻链核苷酸之间的氢键连接。氢键具有特异性，因此一条链中的鸟嘌呤总是位于相邻链中胞嘧啶的旁边（反之亦然），而一条链中的胸腺嘧啶总是位于腺嘌呤的旁边（反之亦然）。因此，DNA分子中一条核苷酸链的核苷酸线性序列与另一条核苷酸链的核苷酸线性序列互补。基因是DNA分子一条链上的一段核苷酸。当然，并非DNA中的每一串核苷酸都是基因；DNA片段根据其功能被识别为基因（见下文）。
基因是如何复制的？基因是DNA双螺旋结构中的片段这一观点为这个问题提供了直接的答案。当DNA分子的配对链解开，并通过互补核苷酸配对在分离链的两侧形成新的链时，基因就会被忠实地复制。当这个过程完成后，原始双螺旋结构的两个副本就形成了，因此原始DNA分子中的基因就被有效地复制了。
基因起什么作用？粗略地说，基因在RNA分子的合成中充当模板。结果是，新合成的RNA分子中核苷酸的线性序列与用作模板的DNA片段中核苷酸的线性序列相对应。不同的RNA分子在细胞中发挥不同的功能作用，许多RNA分子在多肽分子的合成中充当模板。新合成的多肽是构成蛋白质的氨基酸的线性序列，而蛋白质在细胞和生物体（以及环境）中发挥着各种各样的功能作用。多肽以特定方式发挥作用的能力取决于构成它的氨基酸的线性序列。这种线性序列对应于RNA中核苷酸三联体（密码子）的线性序列。这又对应于DNA片段中核苷酸的线性序列，而后者片段就是该多肽的基因。
基因的差异如何导致表型性状的差异？上文对“基因起什么作用？”这个问题的简明回答，为解释基因的差异如何导致表型性状的差异提供了基础。基因核苷酸序列的差异会导致RNA分子核苷酸序列的差异，进而导致多肽氨基酸序列的差异。多肽中氨基酸线性序列的差异（以及功能性RNA分子中核苷酸线性序列的差异）会影响它们在细胞和生物体中的作用，有时其影响可以通过表型差异来观察。摩根团队发现的突变（基因差异）（例如紫色突变）通常被识别为DNA核苷酸序列的差异。
2.3 区分分子遗传学的基本理论和基础理论
对于“基因起什么作用？”这个问题，最谦虚的答案是，它们“编码”或“决定”细胞中合成的RNA分子和多肽的线性序列。（即使是这个谦虚的答案也需要加以限定，因为RNA分子的剪接和编辑方式通常会影响最终多肽产物中氨基酸的线性序列。）但生物学家也提出了一个远非谦虚的答案。更大胆的答案是一个全面的基础理论的一部分。根据该理论，基因是“基本”实体，它通过“生产”蛋白质来“指导”生物体的发育和功能，而蛋白质又反过来调节所有重要的细胞过程。人们常说基因为生物体提供“信息”、“蓝图”或“程序”。区分这种关于基因所谓基本作用的笼统基础理论与关于基因在RNA和多肽合成中作用的简略基础理论是有益的。
3. 古典遗传学是否被简化为分子遗传学？
科学哲学家们一直对还原论的理想和宏伟蓝图着迷，他们认为所有科学终有一天都会被“简化”为一门普适的基础物理学（有关物理科学背景下还原论的哲学和科学概念，请参阅“物理学中的理论间关系”条目）。哲学还原论者认为，当高级科学（例如化学）被还原为低级科学（例如物理学）时，科学知识就会进步。所谓的科学知识公认观，由纳格尔（1961）和亨普尔（1966）所整理，将还原论推崇为科学的核心理念，并自信地断言在将化学还原为物理学方面已经取得了巨大进展。纳格尔构建了一个正式的还原模型，并用它来阐明如何将以压力和温度等高级概念表述的热力学科学还原为以力和平均动能等低级牛顿力学概念表述的统计力学。1969年，沙夫纳声称，同样的进步正在遗传学领域发生。古典遗传学正被简化为一门新兴的“分子遗传学”。然而，夏夫纳的主张很快受到了赫尔的质疑。其他生物学哲学家发展了赫尔的反还原论证，并形成了一种近乎共识：古典遗传学不会、也不会被简化为分子遗传学。尽管反还原论的哲学论证受到了质疑，但许多哲学家仍然认为，遗传学的反还原论解释为其他科学的反还原论分析提供了一个范例。
3.1 夏夫纳关于古典遗传学正在被理论简化的论点
还原论有多种含义。例如，“遗传还原论”这一短语指的是所有生物现象都是由基因引起的，因此预设了还原论的本体论意义，即一种微观实体（在本例中为基因）只会导致各种更高级的现象（在本例中为生物特征、文化现象等等）。但这并非古典遗传学还原论哲学文献中所讨论的还原论的含义。这类文献更关注认识论而非形而上学。所讨论的还原论概念是内格尔的理论还原论。（有关其他还原论概念的讨论，请参阅Sarkar 1992和Schaffner 1993。）根据内格尔的概念，将一门科学还原为另一门科学，意味着将一门科学的核心理论还原为另一门科学的核心理论。内格尔认为，这种理论还原导致了科学知识的渐进式变革。他提出了理论还原的两个正式要求。内格尔的第一个正式要求是，简化理论的“定律”必须能够从简化理论的定律及其相关的协调定义中推导出来。这一可演绎性要求旨在体现这样一种理念：简化理论的解释原理（或定律）应该能够解释简化理论的解释原理（或定律）。内格尔的第二个正式要求，即可连接性要求，是指简化理论的所有基本术语必须包含在简化理论的术语中，或者通过附加假设与简化理论的术语恰当地连接。可连接性要求是由可导性要求预设的，但明确提出这一点有助于强调进行理论简化的一项重要任务和潜在障碍。
夏夫纳 (1969) 修改了内格尔的模型，并融入了这样一种理念：简化理论实际推导（并因此解释）的是对简化理论的修正版本，而非原始理论。他认为，这个修订模型更好地捕捉了物理科学中的简化。他声称，他的修订模型也可以用来说明经典遗传学的修正版本如何被还原为一种名为分子遗传学的物理化学科学新理论。赫尔（1974）反驳道，经典遗传学并没有被还原，至少根据夏夫纳所应用的还原模型来看并非如此。赫尔认为，遗传学并不体现纳格尔式的还原，因为经典遗传学的基本术语无法与用DNA表达的表达式恰当地联系起来。
3.2 反还原论者关于遗传学的共识
大多数撰写遗传学和还原论著作的哲学家都认为，分子遗传学没有、也不会还原经典遗传学（例如，参见Wimsatt 1976a、Darden and Maull 1977、Kitcher 1984、Rosenberg 1985和1994、Dupré 1993和Burian 1996）。对Schaffner还原论题的两种反对意见最具说服力：非连接性反对意见和血腥细节反对意见。非连接性反对意见认为，经典遗传学的术语无法在分子层面上用DNA重新定义。这一反对意见实际上表明，Nagel的第二个形式要求，即连接性要求，无法得到满足。血腥细节反对意见则认为，分子遗传学不能、也不会解释经典遗传学，也无法更好地解释经典理论已经解释过的现象。这一反对意见与内格尔的第一个形式要求——可推导性要求——相关。但血腥细节反对意见在哲学上更具深度，因为它意味着即使古典遗传学的解释原理可以从分子遗传学的解释原理中推导出来，这些推导也不具有解释性。
对不可连接性反对意见最严谨的表述可以在罗森伯格的早期著作中找到，他曾认为古典遗传学理论和分子遗传学理论之间存在着不可逾越的概念鸿沟（1985, 1994）。为了支持这一论点，罗森伯格指出，古典遗传学的基因概念与分子遗传学概念之间的关系是极其复杂的“多对多”关系，这将永远阻碍任何试图系统地连接这两种理论的尝试。罗森伯格首先指出，在经典遗传学中，基因是通过其表型效应来识别的。例如，经典遗传学家通过精心策划的育种实验，并追踪实验室群体连续几代中眼睛颜色表型的分布，从而识别出紫色眼睛的基因。罗森伯格（1985）认为，经典遗传学永远无法简化为分子水平的科学，是因为孟德尔表型的概念与分子基因的概念之间缺乏可理解的联系：
红眼色素的生成途径始于许多不同的分子基因，并通过几条不同的分支途径进行……来自[分子]基因的途径也包含冗余、模糊且相互依赖的路径。如果我们通过依赖红眼基因合成途径的各个部分，或依赖其起始的DNA片段来对其生化特性进行描述，那么我们对该基因的分子描述将过于复杂，无法得出任何实际的解释结果。 （Rosenberg 1985，第101页）
Rosenberg 得出结论：由于分子基因与孟德尔表型之间的关系极其复杂，任何分子概念与孟德尔基因概念之间的联系也必然极其复杂，从而阻碍了任何从分子水平理论对经典遗传学进行系统性、还原性的解释。
关于血腥细节的反对意见可以追溯到 Putnam (1965) 和 Fodor (1968) 的著作，他们以心理功能是多重实现的为由，反对心理还原论。这种对还原论的反对意见在遗传学的背景下得到了进一步发展，其中最彻底的是由Kitcher（例如，参见Kitcher 1984、1999、2001）提出的。Kitcher继承了Hull的观点，认为经典遗传学就是传递遗传学。根据Kitcher的观点，经典理论解释的是表型性状的传递，而不是个体生物体中表型性状的发育。而根据Kitcher的论述，传递现象最好在细胞学层面得到解释：“基因向配子的分配，不是通过详述分子重组的复杂细节来解释，而是通过观察染色体在减数分裂前成对排列，并且每对匹配的染色体中各有一个被传递到每个配子来解释。”（Kitcher 1984，第370页） Kitcher 认为，染色体的配对和分离属于一种自然的配对分离过程，从分子角度来看，这种过程是异质的，因为不同类型的力负责将不同的配对实体聚集和分离。他声称，配对实体的分离“可能是由于电磁力甚至核力的作用而发生的；但很容易想到分离是由重力作用实现的例子。”（Kitcher 1984，第 350 页）
反还原论文献中出现的遗传学形象是一门由两种独立的理论论述组成的双层科学，一种基于关于细胞学层面实体（例如染色体）的原理，另一种基于关于分子层面实体（例如 DNA 中的核苷酸序列）的原理。
