《生命的數理》第十九章：第六次革命 全文

數百年來數學在物理科學中一直發揮著核心作用。1623年伽利略在《試金者》中寫道：「哲學寫在這部稱為宇宙的大書上，這本書永遠打開著，接受我們的凝視。但要是我們不首先掌握它的語言，不去解讀它賴以記錄的字元，那我們就不可能理解這部大書。它以數學語言寫就，其字元是三角形、圓形和其他幾何圖形。沒有這些，凡人連一個詞也讀不懂；沒有這些，人們就在暗黑迷宮中徘徊。」

他的言辭是先知式的。 到十七世紀，數學業已成為物理科學巨大進步背後的主要驅動力，今天數學和物理學（以及天文學、化學、工程和相關領域）已經難解難分。

然而，直到相當晚近，數學在生命科學的發展中才起著小得多的作用。 其中一個因由可從這個老笑話反映出來。某農民僱用幾名數學家來幫助提高牛奶產量。 他們向他提交報告，他翻開讀到第一句就讀不下去了：「考慮一隻球形奶牛」。 伽利略那三角形和圓形的語言似乎與生命世界的有機形式相去甚遠。 在歐幾里德的世界裡找不到奶牛。

這個故事挺逗，而且對想要從事生物數學的同學提供了教益。但它也表露了對數學模型的誤解。有用的模型不必是現實世界的精確表現。事實上，模型建得不那麼現實一般說來會使它們更有用，只要它們仍然提供有用的洞見。 一個與其所表現的過程或事物同等複雜的模型很可能因為過於複雜而無用。 簡單的模型更好用。 因此，如果你想要研究奶牛產犢，球形牛是無用的；但如果你想知道某種牛皮膚病的傳播，它可能是一個有用的近似。

當然，一個好的模型必須足夠現實的，不遺漏任何具有關鍵意義的東西。如果你用不死的兔子為兔子種群數量建模，那你就會觀察到現實中不可能出現的種群爆炸。 但即便如此，你的模型還是可能正確反映一個小種群在觸及環境極限之前如何增長——所以不要馬上置之不理。要緊的是模型預言了什麼，而不是錯過了什麼。

生物數學的藝術部分在於選擇有用的模型。另一部分在於認真對待生物學，不要遺漏任何關鍵之處。還有一部分在於關注生物學家想要解決的問題。但有時也需要後退一步，在一個簡單但不切實際的情境中試用新的數學思想，看看能把我們帶向何方。還有一個老笑話。醉鬼在路燈柱下搜尋他的鑰匙。 「掉在這裡了嗎？」「不，但只有這裡的光亮可以看見。」很少人知道這則笑話的原始語境，出自約瑟夫魏生邦《計算機力量與人類理性》，是一個與科學的類比。要點在於，在科學中你必須在燈柱下搜尋，否則你永遠找不到任何東西。也許，只是也許，你會找到一個火炬，哪怕鑰匙掉在路邊水溝里。《生命的數理》中好幾個主題開始於恣意的過度簡化，因為那是當時能做到的最好程度了。然而最終證明了對生物學非常具有啟發性。切忌將好的思想扼殺在襁褓中。

回首生物學擁抱數學的歷程，有一點凸顯出來：在有人留意到之前許久就已經一直如此了。孟德爾的發現全繫於帶特定性狀植物的數量中蘊藏的簡單數學模式。儘管顯微鏡的早期發展是經驗性的，可很快光學的數學就加入進來，因為少了它就開發不出真正好的顯微鏡。 DNA結構的線索之一是查戈夫法則，一個引人注目但缺乏解釋的數量關係，根本不可能是巧合。X射線衍射的布拉格定律也是至關重要的，我們關於生物學上重要分子結構的知識很多依賴於這條定律。 雖然進化論直到最近才得到數學式表達，但達爾文登上小獵犬號的緣由之一是因為該船正在進行測時調查——一種用於計算經度的數學技術。

如果革命性體現在以前沒有人用過數學來解決生物學問題，那麼我所說的第六次革命就不能算作革命。這裡革命性體現在所用數學方法的寬廣，以及它們開始為某些生物學領域定下基調。我懷疑數學日後是否會像它如今在物理學中一樣主導生物學思維，但它扮演著越來越不可或缺的角色。在21世紀，生物學以20世紀初做夢也想不到的方式運用著數學。當我們迎來22世紀時，數學與生物學將把彼此改變得面目全非，正如19、20世紀數學與物理之間發生過的那樣。

在達爾文的時代，對新生的進化論來說要緊的是地質學，而非數學。在20世紀60年代，化學成為細胞生物學的必備基礎。 然後隨著生物信息學的到來，計算機科學進了這個陣營。 現在物理和數學正在加入戰鬥。不僅是生物學正在這樣變化，其他所有科學分支也是如此。科學中傳統的學科邊界正在瓦解。如今研究生物學已經不能當其餘的科學不存在了。

今天的科學前沿越來越需要由興趣多樣且互補的研究者組成團隊，而不是痴迷於自己狹窄專長的孤立科學家群體。科學正在從村落的集合變成一個世界性社群。 如果數理生物學的故事有一點教益，那就是互資互利的社群能夠實現單個成員永遠做不到的事情。

歡迎來到明日科學的全球生態系統。