还原论与化学

4 还原论与化学
还原论在化学方面有许多应用,总的来说,它使得化学得以和生物、物理等其他学科紧密联系, 层层转化,拓宽了化学的研究领域,深化了化学的内涵。 4.1 从理想气体状态方程到气体分子运动论
理想气体状态方程pV = nRT 化学家总结的经验式，它的物理还原如下： 设有一个由单一气体分子组成的气体体系，密闭在边长为l的立方形容器中。 当质量为m的分子在箱子的左壁和右壁间运动，当向左飞行时，速率为c，动量则为mc，撞击 左壁后速率为c’。若为完全弹性碰撞，c=c’,所以分子每碰撞器壁一次，动量变化为2mc，即给 器壁的冲量为2mc。 单位时间一个分子碰撞器壁的次数为c/l，某一分子在运动过程中，很可能与另一分子相碰改 变速率的数值和方向，不能沿着直线前进；但在大量分子中会有另一个分子接着它。这样，单位 时间内一个分子碰撞器壁的作用力为（c/l）2mc=2mc2/l. 若箱中q个分子中，q1个分子速率为c1， q2个分子速率为c2，等等。则
图2：笛卡尔认为除了人类之外的动物都可以 被还原为一套自动控制机械
笛卡尔确立了由四条规则组成的正确的“思想途径”，可提炼为四个自上而下的分析演绎的步
骤。
笛卡尔的四条规则 第一条:凡是我没有明确地认识到的东西,我决不把 它当成真的接受。也就是说,要小心避免轻率的判断 和先入之见,除了清楚分明地呈现在我心里、使我根 本无法怀疑的东西以外,不要多放一点东西到我的判 断里。 第二条:把我所审查的每一个难题按照可能和必要的 程度分成若干部分,以便一一解决。 第三条:按次序进行我的思考,从最简单、最容易认识 的对象开始,一点一点逐步上升,直到认识最复杂的 对象;就连那些本来没有先后关系的东西,也给它们 设定一个次序。 最后一条:在任何情况之下,都要尽量全面地考察,尽 量普遍地复查,做到确信毫无遗漏。
1953年4月25日，英国的《自然》杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作 的研究成果：DNA双螺旋结构的分子模型。这一成果标志着分子生物学的诞生。在接下来的十几年 中，分子生物学又详细研究了DNA和RNA的结构与功能，逐步揭开了生物遗传的精密机制，揭示了 进化论、遗传、基因等生物学概念的本质。
显然,这些世界本源论都包含了一种朴素还原论思想萌芽。而德谟克里特的原子论则更体现了 这种朴素还原论萌芽思想在认识上的进一步升华。首先,原子论之原子已超越了具体的实物形态而 更具普适性、一般性。其次,原子论认为,世界是原子的集合体,客观事物和现象均是彼此独立的微 观原子的运动与组合的表现。再次,原子论将世界的本原归结为原子及原子的运动,认为一个复合 物在本质上可还原为它的简单构成部分,一个复合物的历程——它的发生、成长、腐烂和分解—— 都可以还原为它的若干组成部分的局部运动。由此可见,原子论是还原论在朴素的唯物主义自然观 中的原始形式,体现了还原论思想的萌芽。
由于原子论与元气说都是科学幼年时期的理论观念,它们自身的直观猜测性、粗糙性与不完善 性决定了以它们为标志的还原论思想亦处于不成熟的萌芽状态。
2.2近代机械还原论———还原论的确立 近代还原论的开创者是法国哲学家、物理学家和数学家笛卡尔。笛卡尔认为世界像一台机器，
里面的零件像钟表机械一样精密。我们可以把机器拆分成一个个零件，研究每个零件的原理与作 用，从而获得对这台机器的透彻了解；同样，我们可以把这个世界拆分成许多细小方面，只要能 弄清楚每个方面的原理，我们就能完全了解这个世界。
生物遗传与进化方面所获得的巨大胜利。现代生物学的发展也从此由传统的生物学观察转变为在 还原论的指导下，通过化学原理与技术，从微观层次上揭示生命活动的实质，并相继产生了基因 工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程等一大批运用化学原理方法，在化学分子层面上进行的现 代生物技术，极大地造福了人类。
图5：遗传信息的流动： DNA合成（复制）、RNA合成（转 录）、蛋白质合成（翻译）。
对应的四个步骤 ①区分出所研究问题的所有可能的情 况,划分出不同的方案。
②将每一情况分解成最简单的子问 题。 ③解决每一情况的子问题,使它从较 简ຫໍສະໝຸດ Baidu的上升为较复杂的。
④在这个上升过程中,只将确切无疑 的、清楚明白的原理作为出发的前提。
1687 年牛顿的《自然哲学之数学原理》的出版,宣告了经典机械力学的诞生,同时也标志着近 代机械还原论的真正确立。牛顿在此书的序言中提出了包括其机械原子论在内的科学纲领,其核心 是:“希望……从力学原理中导出其余的自然现象”。牛顿认为,一切自然现象都可以归结为质点在 时空中的机械运动,一切物质系统都可以归结为用各种力粘合在一起的质点组。18 、19 世纪,科 学家们在牛顿纲领的指导下,总是尽力为各种自然现象构建某种力学模型,然后以此模型为基础,
图6：有氧呼吸中的糖酵解途径 图7：有氧呼吸中的三羧酸循环
3.2.2 光合作用 光合作用是植物、藻类利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并
释放出氧气的生化过程。光合作用可分为光反应和暗反应两个步骤，包括许多复杂的化学变化。
图8：光反应中的电子转移和光合磷酸化
图9：暗反应中的卡尔文循环
方法论还原论：指的是一种科学研究的方法，就是把要研究的较高层次的复杂现象或者问题， 分解还原为更小的现象或问题，并且还原得越小越好。例如，用原子物理层面解释物质的沸腾现
象，要好于用化学层面解释；此外，如果能从更小的粒子（例如夸克）层面来进一步解释沸腾现 象，就会显得更好。
图1：还原论的方法，简而言之是分析、分解与还原。由图所示,首先把对象从环境中分离出来, 使对象孤立,与环境相隔离;然后把对象分解为部分,由高层次的复杂问题还原为较低层次问题，直 到还原为可以解决的简单问题;最后,用自下而上各层次问题的逐步解决替代对高层次复杂问题的 解答。
力图从力学原理中“导出”各类自然现象,以求得对于整个自然现象的理解或解释。 自牛顿以来，还原论方法创造了近现代科学400多年发展的巨大成功,“把问题分解为各个部
分,解决每个部分，然后再按逻辑顺序进行安排”这一方法已成为现代科学思维的基本特征。它在 发展科学理论和实现复杂技术项目中被证明是极为有用的,仍然是现代科学的重要特点和基本原 则。化学原子―分子学说、生物细胞学说甚至进化学说，能量守恒原理等等，都深深打上还原论 方法的烙印。现代科学的分科越来越多也越来越细,科学研究的深度在一定程度上就取决于还原的 深度,粒子物理学、分子生物学等都是这一研究路径的典型代表。
1865年，奥地利生物学家孟德尔发现了遗传学的基因分离定律与自由组合定律，创造性地提 出了基因这一假设，认为生物的性状是由基因控制的，生物的遗传性是基因由母一代传递给子一 代这一微观过程的宏观表现。但是，由于当时科学技术水平的限制，孟德尔不能解释他所谓的基 因到底是什么、在哪里。
同样，虽然后来的科学家通过生物实验，证实了基因存在于染色体上，但对于基因的本质、 基因发挥遗传效应的工作机制，仍然是未解之谜。显然，单纯依靠生物学的研究方法是不可能解 决这一问题的。
中国古代元气说也是一种还原论思想的萌芽。元气说认为,元气是一种无限分割的连续流变的 物质,它是万物的本原(“万物皆气”) ,元气的聚散构成万物的变化与相互作用。元气说试图将万 物及其变化归结为元气及其聚散(运动)的思想体现了还原论思想的萌芽,只不过由于元气本身的 无限可分性导致它对自然界的描述是一种动态描述,而与原子论对于自然界的静态描述相区别。
例如，人兽的物理运动（相对高级）可以落实到具体的、特定的肌肉腺体的运动（相对低级）。
理论还原论：美国科学哲学家欧内斯特·内格尔( E.Nagel)的标准还原模型。 指两个理论之 间的关系，是将一种理论还原为另一种更基本、更简单的还原论。具体内容如下：
令T1 和T2 为两个理论, 则说T2 还原为T1, 当且仅当: ⑴T2 上的术语能通过T1 上的术语来定义, ⑵T2 上的规律可以从T1 上的规律导出。这两个条件分别被称为可连通条件( the condition of connectability)和可导出条件( the condition of derivability) 。【1】 例如，开普勒的行星运动定律和伽利略的运动理论可以被还原为牛顿的经典力学理论，因为 前两者包含在后者之中，可以由后者来解释；后者是更为基本、更具有普遍意义的理论，并且可 以解释前两者范围之外的其他运动学现象。
2 还原论的历史
虽然还原论这个名称的提出还是近现代的事（还原论(reductionism)一词最早出现在1951年, 当时哲学家蒯因用它来标记逻辑经验主义的信条），但是还原思想早已萌芽。 2.1 古希腊原子论与中国古代元气说———还原论的萌芽
在探求世界的本原问题上,古希腊自然哲学家们提出了诸多的世界本原观。泰勒斯的水原论、 赫拉克里特的火原论、阿拉克西米尼的气原论、恩培多克勒的四素说(水、火、土、气) 、毕达哥 拉斯的数原论以及留基伯、德谟克里特的原子论等等都是不同的观念形态。
3 还原论——从生物学到化学
还原论方法论在近现代科学中的巨大成就之一，就是将生物学中的许多现象还原为化学现象， 用化学学科的原理及研究方法来促进对生物学的研究与了解。近现代生物学中的许多重大发现与 理论突破，无不是借助还原论的手段，最终归结为化学中蛋白质、糖类等生物大分子之间的相互 作用。20世纪中至今的生物学的大发展时期，即是从细胞科学还原为分子生物学（生物化学）的 过程，例如叶绿素、维生素、激素、ATP、核酸和蛋白质性质的研究；生物大分子的结构、合成； 发酵、光合作用和生物分子的体内合成等代谢途径；DNA重组、测序、突变技术和PCR技术等。
3.2 许多生物学上的细胞活动均可被还原为化学变化过程 3.2.1 有氧呼吸
有氧呼吸是指细胞在氧气的参与下，通过酶的催化作用，把糖类等有机物彻底氧化分解，产 生出二氧化碳和水，同时释放出大量的能量的过程。有氧呼吸可分为三个阶段：
A、第一阶段： C6H12O6→2丙酮酸+4[H]+少量能量。 B、第二阶段： 2丙酮酸+6H2O→20[H]+6CO2+少量能量。 C、第三阶段： 24[H]+6O2→12H2O+大量能量。 这三个化学方程式中包含着更为复杂的化学反应与变化。
关键词：还原论 化学 发展趋势
1 还原论的概念
还原论或还原主义，是一种哲学思想，认为复杂的系统、事物、现象可以通过将其化解为各 部分之组合的方法，加以理解和描述。
鉴于还原论的分类标准不一，且无定论，我们在此根据还原论所包含的本体论意义、方法论 意义以及还原的具体实现途径分为三类：
本体论还原论：不同运动形式间将高级运动形式归结为低级运动形式之观念，同一运动形式 内的高级层次归结为低级层次之观念。
图4：DNA和RNA的分子结构。
人们最终了解到：生物的遗传信息储存在DNA、RNA分子中，储存于4种核苷酸的排列组合中。 基因是具有遗传效应的DNA片段。在DNA、RNA和细胞有关结构的密切配合下，遗传信息通过转录、 翻译等一系列化学变化，最终合成出相关的蛋白质，蛋白质调控着生物体的新陈代谢，表达出生 物体的性状。生物的进化与遗传，包括达尔文的自然选择学说、孟德尔的遗传定律等，这些宏观 层次上的生物学现象，归根结底可以还原为一些精细、协调的化学变化。这显示出还原论在解释
图3：生命的不同组织层次：从生物圈到原子。这正是还原论的一种体现。
3.1 生物的遗传与进化——从达尔文“生物进化论”到DNA、RNA分子结构 通过对不同生物物种的细致观察，生物学家达尔文在1859年出版了震动当时学术界的《物种
起源》，由此提出了至今仍然影响深刻的生物进化论。但是，当时的达尔文找不到一个合理的遗传 机理来解释自然选择，这是达尔文理论的一大缺点。
还原论与化学
叶宇轩 李宇航 申国华 王朝
摘要：本文首先从还原论的概念与历史出发，讨论了还原论的思想方式从诞生到最终确立成为科 学基本思想的这一段科学历程，分析了还原论在自然科学中所起到的不可替代的重要作用。接着 我们以化学科学为中心讨论了生命科学中的现象向化学本质还原，以及化学中的现象向物理、数 学定理还原的过程，进一步肯定了还原论在化学的发展过程中起到的巨大作用。最后我们对还原 论在化学学科中的未来发展提出了自己的观点，并就近年来兴起的主张以整体论代替还原论的批 判思潮进行了分析。我们希望我们的工作可以有助于提高人们对还原论的正确认识，也希望化学 科学可以在正确的还原论思想方法引导下取得的突破性的发展。