关于细胞状态生发概念的诠释
本文作者 河北省农林科学院 兰巨生
王海波的论文《细胞状态观点的提出及其生命科学的意义》很谦虚地说，这只是一种观点。但英文题目中恰如其分地用了Origination这个字，而没有用Concept和逻辑学中的Notion。有关Origination所含有的生发意义正和文章摘要中所述的为从完整、动态、多层次、多尺度水平研究生命提供了新的方法与思路是相一致的。有关研究生命的思路和方法一直存在争论，公元前3世纪亚里士多德以生物学作为哲学背景提出了整体论的生命观，黑格尔在论证生命时说，一只手，如果从身体上割下来，名称叫手，实质已不是手了。他写道：“这点亚里士多德早已说过”。亚里士多德在柏拉图学园几十年大量时间研究生物学，他看到了生命运动的和谐有序，认为“营养和生长是灵魂的同一功能。……摄取食物，使之保持拥有灵魂”。生命的运动的原因有质料因（事物的基础和载体），形式因（内在形式eidos通过外在形式morphe表现出来），动力因，目的因。质料向形式转化、对于生命来说是潜能向实现（涌现）的转化，曾为亚里士多德作传的靳希平认为，“由潜在到实际的发展过程，……自然过程总是一个实现某一结果的过程”，“隐得来希的希腊文是指具有最终的形式”。
随着自然科学的发展，分析还原论扬弃整体论成为自然科学、包括生命科学研究的思路和方法。在这个转变中意大利哲学家布鲁诺（1548～1600）起到承前启后的作用。在《论原因本原与太一》中，他说：“万事万物处于宇宙之中，而宇宙又处于万物之中，我们处于宇宙之中，宇宙处于我们之中。这样，一切就汇集于完善的统一中了”。“一切自然形式都源于物质，又回归于物质，除物质以外，没有任何东西是永恒的、常驻的、持久不易的、配称作本原的”。这些概念为分析还原论从现象背后寻找物质原因引出思路。但是在论证生命时，他又认为万物都有生机，万物的所有形式都是灵魂，世界灵魂照耀宇宙。与他同时代的笛卡尔（1596～1650）完成了分析还原论的变革。他解构了亚里士多德的预设，认为质料和形式、身体与心灵、人与自然是可分的，创立了自然二元论体系，认识论上主张把整体还原为最简单的元素，通过理性直观和演绎推理，可以获得确定性的知识。
目前生命科学的发展要求解构笛卡尔二元论的预设，因为分析还原论的机械静止拆分，部分单向度说明整体与生命科学的整体性、活动性、与部分和整体相互制约的本质特征相对立。但是人们试图解构二元论的几百年来，只局限在哲学内部争论。2007年4月，复旦大学著名生物学家赵寿元教授通过《生命科学》提出自己的建议。建议的预设包括在本体论方面，世界的本元是物质，生命实体也是物质，可以用还原论追问生命的物质本元。在认识论方面物质运动的规律可以用物理和化学定律说明，生命运动规律也可以用物理化学定律解释。他直接向生命科学研究者提出建议：1、整体论的生命的涌现是生命的现象，不能用现象作为解释生命的起点，至今还没有人提出研究涌现的试验方案和研究证据；2、把生命的涌现归因于“活力”、“生命力”，早已为科学所摒弃，研究生命要和亚里士多德的隐得来希划清界限。我认为，王海波的细胞状态生发概念可以回应这些问题。
1 对细胞状态的诠释
诠释总会有多样化的观点构成一个空间，才是诠释的本意。这里仅提出我的一种看法。王海波细胞状态的概念基础是生命赖以存在的活细胞。一、活细胞是自主演化的，所以是活的；二、活细胞是一个开放的系统，由于开放才实现自主演化；三、自主演化是遗传的、生理的、物理的、化学的各个因子共时性的、并行的运动，演化过程中，同一基因型的活细胞会呈现出各种细胞状态，构成一个状态空间；状态空间与遗传基础、生理调节和细胞结构动态循环决定生命的状态。王海波给出了细胞状态的概念公式，使已上的逻辑概念成为科学上可理解的，方法上可操作的生物学规则。
E0、I0分别表示内源亢进因子、保守因子；ES、IS分别表示外源亢进因子、保守因子。内源因子E0和 I0可考虑为相应的基因、内源活性物质和来自结构（如膜系统等）及其变化的效应等；外源因子Es、 Is可考虑为相应的外加理化因素。
从细胞状态概念公式中看出，这是一个多层次对象性活动的动态系统，潜在的层次是内源性亢进因子E0和外源性亢进因子Es的对象性同一，以及内源性保守因子I0和外源性保守因子Is的对象性的同一，〔∑…〕表示一种统摄的状态。S公式中的分子和分母的两个方面构成了新层次的对象性活动，由潜在的对象性活动向实现性的对象性活动转变，所有的同一和统摄，都不是抽象思维规定的自身与自身的同一：A=A，而是对象性活动中，包含着相互联系存在差别的同一状态。由于实现性层次的对象性活动，不同的S决定了不同的细胞状态。
从上世纪80年代开始王海波在植物组织培养研究中由复杂的细胞状态空间抽出7种细胞状态构成一个可验证的、可操作的模式空间。这7个细胞状态是：（1）胚性细胞（Se）、（2）保守型细胞（Sa）、（3）亢进型细胞（Sb）、（4）保守型衰败细胞（Da）、（5）亢进型衰败细胞、（Db）、（6）增生型细胞（St）、（7）强分裂型细胞（Sc）。
不同状态细胞的海豚图式分布
模式空间的7种细胞状态不是孤立的，而是自发呈现出一种互变的路径，只是由于人工选择的培养基，可以调整这种的状态。各种状态演化成保守型细胞Sa或亢进型细胞Sb，这两种细胞都可以演化成胚性细胞Se，由胚性细胞或Sa、Sb演化出一株完整的植物。这里，我把诠释的观点分述如下：
（1） 保守型细胞和亢进性细胞都可演化成胚性细胞，说明它们具有同一性，但这种同一的现实是偶然的，偶然性的经典定义是事物存在着的可能性，（见《小逻辑》§145§146）这两种细胞演化为胚性细胞的同时可能演化为保守型衰败细胞和亢进型衰败细胞最后变成无生命的空壳。
（2） 从Sa和Sb演化为Se开始，进入涌现的新的层次，这时细胞处于生命和死亡交织的混沌中，Se使活细胞自发地趋向混沌和有序的边缘，这时胚性细胞Se由自发的主体演化为自主主体，这种概念的根据是处在愈伤组织中的胚性细胞和它的环境，包括光、温度、营养成分能够主动地进行对象性的交互作用。我把这种具体的、有内容的对象性的交互作用的过程称为“细胞状态适应性”。
（3） 涌现表现为结果，本质上是一个不断生发的过程。分化型细胞（Sa、Sb）演化为植株是一种涌现，这种整体的细胞自身创造的生命现象，是不能用人工将部分联合制造出来的。
2 考夫曼的细胞状态空间概念
Stuart Kauffman是圣菲研究所的系统生物学家，他有十六年细胞遗传学研究的经历，所形成的主要观点是：生命基于活细胞的集体自动催化系统，而不是单纯地基于DNA的模板复制。为了说明他的复杂系统自动催化网络，他构造了一个二维基因网络。在构造这个基因网络时，设置了几个基本预设；（1）由Gunter von Kiedrowski的实验看到，一个3’端到5，端的单链DNA六聚体3，CCGCGG5，能自动催化两个三聚体5，GGC3，和5，GCC3，连接在一起，并得到自己的一个拷贝。另外，他还看到Reza Ghadiri的实验，一个长32个氨基酸序列自动催化让一个15个氨基酸和17个氨基酸序列发生连接反应，所以认为细胞是一个集体自动催化系统。（2）他由Jacob和Monod在研究原核生物基因调控时提出的乳糖操纵子模型以及真核生物基因调节时反式作用因子与顺式作用位点结合调节转录的机制，提出细胞中的基因互相开启和关闭的预设。为了便于理解，他假设细胞中有3个基因A、B、C，每个基因都可以开启和关闭，这样就有23共8种活性状态；（000）,（001）,（010）,（011）,（100）,（101）,（110）,（111）.它们代表A B C 的活性状态。8个状态组成一个运动的状态空间，由数学的布尔函数成为布尔动力系统，每一个状态沿着状态轨道变成下一个状态。在任意时刻，一个基因自动转录到RNA，设其活性为1，不能主动转录，设其活性为0。在这个模型中，1代表基因开启，0代表基因关闭。下面列出状态的变化。
由以上8种细胞状态可以看到以下的状态循环。
从以上三种状态循环中，可以发现基因A和基因B的变化依赖于所有A、B、C三个基因，而基因C的活性与A和C有关，与B基因无关。这样，C的布尔函数为：C＝（notA）∪（notC），即T时间A基因关闭，C基因关闭，或者A和B都关闭，那么T＋1时C开启。
基因A、B、C在T时和T＋1时活动，构成一个基因网络。
以这个简单的网络为模板扩展到一个复杂系统以后，基因能够表示出等位基因的显隐性效应和其它分级活性，如果从整体上去把握时，这种网络循环会表现出三种行为区域：1、有序区域，2、混沌区域，3、混沌边缘。作者认为细胞是一个自组织的开放系统，当细胞与环境交换能量与信息时，一定会呈现这三种行为状态，但是处于混沌边缘的细胞会涌现出新的生命特征。
考夫曼说真实的细胞是怎样的呢？他还没有结论性的证据，有的只是说明问题的线索。
（1）、生命是以复杂的化学网络（DNA RNA 蛋白质 新陈代谢等）为基础的；
（2）、经过几十年的实验和思考，越来越自信细胞群落确实生活在有序区域内，但又临近混沌边缘；
（3）、细胞是一个自组织系统，自组织意味着自己能将自己调节到临界状态（混沌边缘）；
（4）、在混沌边缘自主主体不断地走向新奇，呈现新的形态，新的组织，新的行为。生物学家不再寻找赋于物质的生命力。
3、王海波模式与考夫曼模式的参照
王海波从对小麦、棉花等农作物细胞培养的实践观察中逐步形成细胞状态的概念。他用真实的细胞得出结论性的证据。1989年，他与中国科学院李向辉、孙勇如等几位专家共同在《中国科学》发表“小麦原生质体培养”的文章时，分析了通过调整培养基中还原态氮的含量及变换使用不同水平的2，4－D，从普通小麦的成熟种子诱导建立了胚性愈伤组织无性系，随后又从中诱导出了适合悬浮培养的松脆愈伤组织，并建立了悬浮系，由悬浮细胞游离原生质体，获得大量再生细胞团，变换使用不同的培养基使细胞团进一步发育、形成了致密的或颗粒状的愈伤组质，在分化培养基上以器官发生和胚胎发生的途径形成完整植株的原生质体再生植株的完整程序。文章也描述了个体均匀、质膜光亮、内容物丰富的细胞状态和细胞壁加厚、胞质变空等现象。说明他已开始形成细胞状态的观点。
1996年王海波和他的导师范云六在《中国农业科学》发表了“小麦愈伤组织状态调控与原生质体培养”的论文。提出了细胞状态调控是植物组织及原生质体培养的核心的观点。原生质体培养的成功依赖于单细胞的分裂能力和单细胞愈伤组织的植株分化能力。但大多数情况下，很难同时满足“旺盛生长”和“致密结构”的两种需求，这便提出了细胞状态调控的关键问题。由关键问题引出细胞状态的思路。
2008年王海波在《科技导报》发表了“细胞状态观点的提出及其生命科学意义”的论文。
我认为他提出了细胞状态的生发概念是因为他开始着力于原生质体培养成苗，后来着眼于生命的本质，伴随思维发展的是从他所构造7类细胞状态的状态空间中，他看见了细胞发展的本性。当看见活细胞的物质存在和发展本质统一的时候，就形成了概念。这种生发概念包涵着许多具体的规定性，从规定性中可以推出生发的内容。
考夫曼模式会使我们联想起柏拉图推崇的几何学原理，首先提出几个不证自明的公设，例如：经过两点只有一条直线，这个公设只在理念中存在，但我们学几何时都能不证自明。所不同的是考夫曼构造他的细胞状态空间时，首先提出的立论起点是可以证明的，例如细胞中的DNA不是靠裸复制执行功能的，基因是相互开启的。这样建立了基因网络的基础，引入布尔函数的二进制变量，逐步发展成复杂系统，推定细胞在混沌边缘产生突现的结论。
两种模式的参照点：
（1）、两种模式都能证明活细胞是一个自主主体。解释活细胞运动时，在与古希腊自然观中的灵魂论、心灵论、活力论的划界问题方面， 阐明活细胞与环境交换物质、交换信息和细胞本身的发展变化是同步的，不必像“前定的和谐”那样，去寻找赋于物质前定的力。
他们承认细胞是主体，王海波设计了与细胞的“对话试验”，所包含的内容可以从有关论文中搜索了解。作为诠释，我需要指出他的论文和文集中还没有明显论述的“对话试验”的思维架构问题，即他日以继夜研究活细胞时，把细胞当作客体的同时把细胞当成主体。对这种状态他称为“对话”。
（2）、整体论和分析还原论是可以结合的。
在生物学群体内部，有关整体论和分析还原论思维方式的争论已经产生了许多文献。从王海波和考夫曼模式看整体论和分析还原论是可以结合的，最主要的原因是王海波和考夫曼都承认生命发生的大前提：有机物是从无机物演化而来的。考夫曼在文献中多次指出，他研究的核心问题是一个物质系统怎样才能成为自主主体。王海波在论述细胞状态在生命及其物质体系中的定位与作用时列出一个概念架构。即细胞结构是在热力学第一、第二定律支配的物质世界中能够形成负熵，能自我走向繁荣的物质结构体系。这样，合理的推论只能是，生命是可分析的，但只能在承担生命的细胞结构的整体架构中进行分析。
4、简短的结语
王海波的细胞状态概念涉及自然科学的一个基本问题，即能否在流变的世界中获得知识。目前科学仍然接受柏拉图和亚里士多德的知识概念，流变的事物既存在又不存在，永远不会有知识。不确定性的无态与确定性的有态是矛盾的。而王海波从流变的细胞状态空间中获得有态的类的存在——细胞状态。
细胞状态从观测者看来是形式，但却不是纯形式，它和细胞当时的结构实在是统一的，因此，我们都能指明每一种细胞状态的物理意义。
参考文献：
1、斯图亚特·烤夫曼的著作《Investigation》，他的细胞状态理论在美国有代表性。2、黑格尔的《小逻辑》，他接着亚里士多德讨论生命问题。3、卡·马克思的《1844年经济学哲学手稿》他以太阳和植物为例说明本质力量的对象性原理。
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