细胞生物学哲学 cell biology, philosophy of (William Bechtel and Andrew Bollhagen)
首次发布于 2019 年 10 月 15 日
在生物实体中，细胞被视为特别重要，因为它们被普遍认为是最简单的有机系统，明确地是活着的。虽然人们可以就病毒等实体进行辩论，但很少有人质疑细胞是活的。细胞执行着生命中所有关键的活动，从新陈代谢到繁殖。今天所有的细胞都远离与环境的热力学平衡，并且是大约 40 亿年前开始的细胞分裂连续谱系的一部分。对细胞的研究需要开发出能够实质性操纵它们的方法，我们对细胞现象的当代理解整合了来自广泛的物质干预的结果。在介绍《生物和生物医学科学的历史和哲学研究》关于细胞的专题时，奥马利和穆勒-威尔声称：
我们建议，细胞是一个纽带：各学科、方法、技术、概念、结构和过程之间的连接点。它对生命、生命科学乃至更广泛领域的重要性，正是因为这种卓越的纽带地位，以及细胞显然无穷无尽的潜力，可以在这种联系关系中找到。（2010: 169）
细胞生物学的研究反过来成为哲学家、历史学家和社会科学家之间富有成效互动的重要纽带，他们每个人都提出了与其他人有关细胞研究的问题。
在科学哲学主要关注规律的时期，细胞生物学基本被忽视了。虽然发现有用的概括对细胞生物学家来说很重要，但这些很少被描述为规律。一旦科学哲学家将注意力从规律转向机制，从表征现实主义转向模型及其功能性，从概念和理论转向实验和仪器，更多的科学哲学家开始关注细胞生物学的实践。这些实践在认识上具有挑战性。由于细胞大多是微观的，它们引发了关于不可观察事物地位和证据可信度的传统哲学问题。由于细胞生物学的一个主要关注点是将功能（例如生化反应）与细胞结构联系起来，细胞生物学家不仅需要观察，还需要对细胞及其组成结构进行物理操作，并开发信息性的表征。因此，他们的活动为哲学家提供了丰富的例子。尽管还有大量细胞生物学尚未被用于哲学分析，但我们提供了一些例子，其中哲学家（以及历史学家）已经调查和分析了细胞生物学中的实践。然而，我们从更接近理论兴趣的地方开始，研究细胞生物学学科的发展以及隐喻如何在塑造科学家如何构想细胞方面发挥了关键作用。随后，我们转向关于细胞是否可以被理解为机械化或需要生命论者或整体论者视角的争议。之后，我们转向认识论问题，包括如何以视觉方式表现细胞以及如何发展关于细胞功能的机械化解释的策略。
1. 什么是细胞生物学？
有时人们认为科学学科是明确定义的，并且可以通过它们的主题来界定。然而，事实上，它们是动态变化的，很大程度上受科学家、他们的研究工具以及学术和研究机构的影响。这在细胞生物学的情况下显然是正确的。科学家们在十七世纪开始研究细胞，当时胡克和范·李文虎用新发明的显微镜报告了他们所看到的东西。胡克（1665 年）为细胞命名。但直到舒莱登（1838 年）和施万（1839 年）根据细胞理论的观点，细胞才成为研究生物过程的焦点单位。随后进行的研究广泛使用了术语_细胞学_，主要集中在描述在光学显微镜下看到的细胞。尽管威尔逊在他为考德里的《细胞学概论》（考德里 1924 年）所作的介绍中使用了短语_细胞生物学_，并且其许多贡献者都希望整合研究细胞的学科，但_细胞生物学_这个术语直到二战后不久才被引入。采用_细胞生物学_这个术语的人主张用电子显微镜创建的新的高分辨率图像与细胞的生化、生物物理和分子方法的结果相辅相成。这种过渡体现在即将成为该领域旗舰期刊的命名上。在关于创办一份新期刊的讨论中使用的工作标题是_细胞学杂志_。到 1955 年第一期出版时，它被称为_生物物理和生化细胞学杂志_，这个标题的选择强调了对细胞研究的多种方法的整合。1962 年，它更名为_细胞生物学杂志_，到那时国际细胞生物学学会和美国细胞生物学学会也已成立，_细胞生物学_这个术语已经普遍用于综合研究细胞的方法。（Bechtel 2006 年：第 7 章，审查了该杂志的建立和更名，以及美国细胞生物学学会的成立。）
引入新的研究技术，特别是细胞分离和电子显微镜技术，在二战后期的努力中起着核心作用，因为它们使得建立细胞生物学作为一个独立学科成为可能，从而构建了 Palade（1987）所称的形态观察和生物化学之间的桥梁。细胞分离利用超速离心机将细胞内容物分离成包含负责不同细胞活动的酶的分数，而电子显微镜则使这些分数能够与细胞中可识别的细胞器相联系。Matlin（2018）描述了克劳德如何利用离心技术识别出具有高浓度 RNA 的微粒体。Porter（1953）对这些微粒体在分数和组织切片中的互补显微图（见图 1）将微粒体与他所命名的_内质网_联系起来。正如 Matlin 所描述的，这种在细胞生物学中反复进行的细胞分离以建立功能和电子显微镜以将其定位到结构之间的循环。
图 1：包含微粒体的一部分的显微照片和显示内质网的细切制备（标记为_er_）。取自 Porter（1953），第 48 页。
然而，就内容而言，细胞学和细胞生物学之间的分野并不像细胞生物学的创始人所描绘的那样明显。Cowdry 的《细胞学概论》（1924）显然也有类似的愿望，即将形态学研究与细胞化学研究联系起来（请参见历史学家、哲学家和生物学家在 Matlin，Maienschein 和 Laubichler 2018 年对 Cowdry 项目的讨论）。但就科学家进行研究的机构而言，这种分野是相当显著的。随着使用“细胞生物学”这一名称的专业学会的建立，生物学家开始自认为是细胞生物学家。实验室和学术部门采用了“细胞生物学”这一名称，资助机构也将细胞生物学视为受支持的研究领域。
虽然细胞生物学家积极邀请生物化学家和在一定程度上的生物物理学家加入他们的新学科，但这些努力在很大程度上失败了。最持久的联系是与分子生物学建立起来的，后者在同一时期确立为一门新学科（参见有关 分子生物学 的条目）。虽然分子生物学始于对细菌噬菌体（感染细菌的病毒）的研究，而细胞生物学则研究哺乳动物和植物的真核细胞，但到了 1970 年代，每个学科都扩大了研究范围，很快许多细胞生物学家开始采用分子方法研究细胞结构和功能。（细胞生物学和分子生物学之间持续存在的一个差异点是，细胞生物学非常重视将化学和分子过程与细胞结构联系起来；请参阅 Matlin 2016）。学术部门开始在名称中同时包含_细胞_和_分子_。1989 年 11 月，美国细胞生物学学会创办了一本新杂志，Cell Regulation，但到 1992 年 1 月第三卷时，名称改为_Molecular Biology of the Cell_。尽管有一些教科书的标题只提到_细胞生物学_，但一些最著名的教科书包括_细胞_和_分子_。其中包括 Alberts 的_Molecular Biology of the Cell_（Alberts, Johnson, Lewis 等，2015 年），Cooper 和 Hausman 的_The Cell: A Molecular Approach_（2007 年），以及 Iwasa 和 Marshall 的_Karp's Cell and Molecular Biology_（2016 年）。Alberts 的第一版_Molecular Biology of the Cell_（Alberts, Bray, Lewis 等，1983 年）在一定程度上模仿了 Watson 的_Molecular Biology of the Gene_（1976 年），并邀请 Watson 担任共同编辑。Alberts 将整合细胞和分子生物学的愿景归功于 Watson（请参阅 Alberts 在 Cold Springs Harbor Laboratory 的口述历史收藏中的采访，链接在 其他互联网资源 中）
2. 本体论问题 I：什么是细胞？
不仅细胞研究学科经历了历史性的转变，对细胞的理解也发生了变化。正如赫塞（1966）所指出的，在许多领域，研究对象通过隐喻与更熟悉的对象相类比。在审视为细胞所引用的不同隐喻时，雷诺兹认为隐喻的选择对于理解细胞具有重要影响：
隐喻性语言……不仅对于_描述_细胞的活动至关重要，也对于_观察_和_理解_它们至关重要，并且在细胞的理解中发挥的作用与显微镜的透镜一样基础。（2018 年：4）
Reynolds 将隐喻区分为两个基本类别：细胞作为人类制品 和 细胞作为有机体。每种隐喻都具有各种更具体的形式。在制品中，细胞被描述为固体墙壁围起的空间、建筑模块、工厂、各种类型的机器和电子计算机。有机体的隐喻暗示了将细胞概念化为基本有机体（如单细胞变形虫）或国家或社会中的公民，在这个国家或社会中有分工，细胞做出决策决定了它们自己的发展“命运”，包括最终决定启动程序化细胞死亡（Reynolds 2014）。[1] 这些隐喻引发了专注于细胞特定方面及其与其他细胞及其环境关系的独特研究议程。
1665 年，Hooke 在《显微镜》中引入了术语_细胞_，用以描述他用复合显微镜观察到的软木的微观结构（图 2A），他将细胞比作蜂蜡的多边形细胞和修道院中僧侣占据的小房间。（Hooke 1665: 116，还评论了细胞的液体含量，将其标记为“succus nutritus，或植物的适当汁液”。正如下文所讨论的，随着 19 世纪中叶原生质理论的出现，细胞的液体含量变得更加重要。）尽管专注于植物的研究人员倾向于认为 Hooke 的隐喻是恰当的，因为植物细胞具有明显可观察的细胞壁，但其他人，从 van Leeuwenhoek 开始，他观察了精子（图 2B）、动物组织和细菌，倾向于采用其他术语，如_小体_或_小球体_。
A. 玛格丽特·卢卡斯·卡文迪许（1665 年：Schem：XI，图 1，见第 115 页）绘制了他对蛋白质中细胞的观察。
B.范·李文虎克（B.Van Leeuwenhoek）在他写给尼希米亚·格鲁（Nehemiah Grew）的信中绘制的精子图，1678 年 3 月 18 日。
图 2：胡克的图画清楚地显示细胞是被墙壁围起来的区域，而范·李文虎克的呈现了我们所称的_细胞_为简单的生物体。
这些早期研究者中的大多数人专注于描述他们在显微镜中看到的东西。但一些人，比如布丰（1749 年），开始将细胞视为基本的生命单位。尼科尔森将这视为生物学中原子主义传统的开始，该传统确定
一个生命的基本不可分割的单位，并试图解释所有生物的形态构成和生理运作，这些基本单位的术语。 (2010: 203)
对细胞的这种更具理论性的承诺的概念在 Schleiden (1838)和 Schwann (1839)的出版物中得到了体现，他们通常被认为是细胞理论的奠基人，其基本原则是细胞是生物的基本单位。
专注于植物的施莱登断言：“…每一种植物…都是完全个体化、独立、分离的存在，细胞本身”（1838 [1847: 231–2]）。除了他们的细胞壁外，施莱登还提到了细胞核，这是由布朗（1833 年）用改进的显微镜识别出来的，用来识别植物细胞。细胞核在施莱登关于细胞形成的描述中起着核心作用，根据这一描述，新的细胞是通过类似于晶体形成的过程形成的——一种材料围绕着核仁沉积形成细胞核，然后其他材料被沉积形成细胞体。将细胞形成比作晶体形成的隐喻在施万面对动物细胞在外观上差异巨大的挑战时发挥了更大的作用。施万认为它们仍然都是细胞，因为它们都是通过类似于晶体形成的过程形成的：
所有组织的基本部分以一种类似但非常多样化的方式由细胞形成，因此可以断言_对于生物体的基本部分存在一个普遍的发展原则，无论多么不同，这一原则就是细胞的形成_。（施万 1839 [1847: 165]）
(关于生物学中水晶隐喻的讨论，请参见哈拉维（Haraway）1976 年。)
考虑到施万和施莱登是显微镜大师（正如他们基于显微观察所作的绘图所证明的那样），而其他同样胜任的显微镜专家报告细胞分裂的情况，他们声称细胞形成如同晶体似乎是反常的。贝克特尔（Bechtel，1984 年）认为，施万对发展生命过程的机械解释的强烈承诺可能在他解释所见内容时起到了重要作用——晶体形成隐喻提供了一个机械模型，而当时并没有细胞分裂的机械模型。无论如何，施莱登和施万对细胞形成的描述很快被搁置，因为更多的研究人员报告了细胞分裂的情况，而施万对机制的关注也被其他问题所取代。病理学家维尔乔（Virchow，1855 年）提出了一个理论论点，即只有像细胞分裂这样的过程才能解释疾病的传播，并创造了常被引用的格言“omnis cellula e cellula”（所有细胞来自细胞）。
Schwann 的“细胞理论”比他很快被拒绝的细胞形成观点要丰富得多。他认为细胞是生命过程发生的基本单位（他创造了_新陈代谢_这个术语）。他认为代谢过程是由在细胞形成时沉积的特定物质催化的。Schwann（1836）最近发现了胃蛋白酶，一种可以分解蛋白质的催化剂。（然而，胃蛋白酶并不在细胞内起作用，而是在被分泌到消化液中后才起作用。）一年后，当他主张发酵不能在没有整个活酵母细胞参与的情况下发生时（Schwann 1837），一些批评家认为 Schwann 声称生命系统表现出神秘的生命特性。但对于 Schwann 来说，这与他的机械主义方法是一致的——只有当负责的催化剂在细胞中聚集在一起时，代谢过程才会发生。
19 世纪中后期关于细胞的理论有许多方向。一个方向比 Schwann 更加关注构成细胞的物质。在 Schwann 提出细胞理论的同时，植物研究者 von Mohl（1835）引入了“原生质”这个术语来指代细胞中的液体物质。动物研究者如 Dujardin（1835）称动物细胞中看到的液体为_sarcode_。Remak（1852）提出了原生质理论，认为植物和动物的基本物质是相同的，而 T. H. Huxley（1869）进一步提出，原生质是“生命的物质基础”。正如 Reynolds 所讨论的，原生质理论提供了一种不同的基础生物理论——而 Schleiden 和 Schwann
寻求通过一种共同的形态类型和发展原则统一所有各种生命形式的玛格丽特·卢卡斯·卡文迪许理论试图通过识别一种共同物质或材料来实现这一目标。 (2018: 32)
因此，一些原生质支持者试图将细胞作为基本生命单位。例如，植物学家朱利叶斯·萨克斯（1892 年）断言“将原生质单位称为细胞，就像将蜂巢中的活蜜蜂称为细胞”（由韦尔奇和克莱格 2010 年翻译：C1281）。由于原生质看起来是一种黏稠物质，只有通过细胞边界才能人为约束，一些原生质理论者认为它取代了细胞作为一个组织单位。施万理解细胞是生物发展的基本单位，而原生质理论者理解原生质推动个体发育，细胞只是在这种主要物质发展过程中沉积的次要结构。最近一些生物学家（韦尔奇和克莱格 2010 年，2012 年）和哲学家（尼科尔森，2010 年）主张恢复原生质理论。他们的论点是原生质理论提出了更全面的系统或有机体视角。 （我们在 第 3 节 中讨论整体论和有机论。）
将原生质的表征仅为一种独立存在的黏稠物质的观点复杂化，是因为细胞膜被确定为与细胞壁不同的结构，以及如下所讨论的被膜结合的细胞器。最终，大多数生物学家都默认了舒尔采（1861 年：11；由霍尔在 1951 年翻译：451）的妥协立场的某个版本，他将原生质提升为细胞的一个定义特征，当他将细胞定义为“一个内部含有细胞核的原生质块”。那些采纳这种妥协立场的人经常引用一个比喻，最初源自拉斯拜，根据这个比喻，细胞是“一种实验室，所有组织在其中组织和生长”（1843 年：28；由哈里斯在 1999 年翻译：32）。实验室的比喻鼓励人们试图为细胞中发生的所有反应制定化学解释。关于这一主题有许多变体。乌格将植物细胞类比为“mächtige chemische Werkstätte”（强大的化学车间）（1851 年：23），弗尔歇说“淀粉在植物和动物体内被转化为糖，就像在工厂里一样”（1858 年：107）。
拥抱这种化学观点，几位化学家试图确定反应所需的化学催化剂。发酵是一个常见的焦点，库内（1877 年）为酵母中的假定催化剂创造了术语_酶_（希腊语意为“在酵母中”）。这一努力的热情被巴斯德（1860 年）暂时抑制了。作为一位著名的化学家，他仍然坚持认为发酵只能在完整的活细胞中进行。这反映了将细胞视为生命的一个不可解释的单位的概念，这一概念与生命力论有关（下文将更详细讨论）。然而，对工厂概念的热情在布希纳（1897 年）的推动下重新燃起。受巴斯德的观点指导，即发酵在没有细胞的情况下无法发生，他向他通过摧毁所有完整细胞制备的提取物中添加了糖，以为它会起到防腐剂的作用。当他观察到冒泡现象，表明在没有活细胞的情况下发生了发酵时，他改变了方向，激发了对代谢化学研究的追求，这导致了 20 世纪前几十年建立现代生物化学（科勒 1971 年；科尼什-鲍登 1997 年）。其早期成功之一是在 1930 年代对一条酶催化的反应途径进行表征（贝克特尔 1986 年）。
起初，工厂隐喻简单地将细胞视为化学反应发生的地方，但随着时间的推移，研究人员开始关注工厂内部的不同机器。19 世纪末 20 世纪初，随着改进的显微镜和应用染料增强对比度，研究人员开始专注于工厂内的独立机器。研究人员在描述细胞分裂和受精中的核事件方面取得了特别成功。弗莱明（1879 年，1882 年）详细描述了他称之为_染色质_（因吸收染料而得名）的纤维如何纵向分裂，两半分开，以便每个半部分最终进入每个子细胞（图 3）。不久之后，魏斯曼和科伦斯等研究人员指出了染色体传递与遗传之间的联系，但是博韦里（1902 年）和萨顿（1903 年）提供了令人信服的证据，即孟德尔的因子（后来被称为_基因_）存在于染色体中或上。达登和莫尔（1977 年）分析了基因与染色体的关联，将其作为他们所称的_领域间理论_的一个重要例子，这些理论不试图将一个解释归纳为另一个，而是将不同领域的发现整合在一个桥梁理论中。
Figure 3: Flemming’s (1882) drawings of the stages of mitosis that highlights the formation of spindles and their role in segregating chromosomes. Images 1–3 are from Tafel IIIa; 4–7 from Tafel IIIb. (Figure from wiki commons 重试 错误原因
Late in the nineteenth century cytologists also succeeded in identifying membrane-enclosed structures in the cytoplasm that came to be known as organelles. Altmann (1890), using new stains he developed, observed filaments within cells that he took to be elementary organisms (a view he explicitly set in opposition to the protoplasm theory). Although many researchers challenged Altmann’s observations, Benda (1899) confirmed the existence of filaments using a different stain and gave them the name mitochondria (Greek for “thread” and “granule”). Because of their reactivity with oxidative stains, Michaelis (1899) proposed that they figured in oxidative reactions in cells. Yet other researchers identified other organelles such as the Golgi apparatus (Golgi 1898) and ergastoplasm (Garnier 1897), which was ultimately identified as the endoplasmic reticulum. 重试 错误原因
在二十世纪早期的几十年里，生物化学家和细胞学家发展了各自的研究技术，并独立于彼此进行调查。大多数生物化学家隐含地接受了这样一种假设，即细胞是一袋化学物质，在细胞结构被破坏后剩余的提取物中可以进行研究，而那些进行细胞学探究的人则倾向于接受工厂隐喻，其中细胞器被视为独立的机器。正如考德里（1924 年）的《细胞学概论》和伯恩（1942 年）的《细胞学与细胞生理学》所见，有一些研究人员希望在生物化学和细胞学之间架起桥梁。有一些技术，尽管有限，可以用于确定细胞器的化学组成（基本上是细胞化学和组织化学，依赖于确定各种染料结合到哪种化学物质上）。20 世纪 40 年代末细胞分离和电子显微镜的几乎同时引入提供了所需的研究技术，并且正如所述，有助于建立现代细胞生物学。除了将微粒体与内质网联系起来的联系，研究人员还将氧化代谢与线粒体的内膜联系起来。还发现了新的结构，并与功能联系起来，比如溶酶体与细胞组分的分解和回收联系在一起。
继续推进对细胞新概念的过程。我们在这里只举一个例子。20 世纪 40 年代和 50 年代的细胞生物学先驱们采用了工厂隐喻，将细胞器视为不同化学反应由其中的酶催化的区 compartment。在这种观点下，一旦形成，这些 compartment 就不会改变——关键的活动发生在其中。然而，随着时间的推移，一些细胞生物学研究人员开始识别执行机械运动的细胞结构，正如弗莱明（1882 年）对细胞纺锤体在有丝分裂中拉开染色体的描述所预期的那样。研究细胞骨架（由肌动蛋白纤维和微管组成）尤为重要。术语 细胞骨架 在 20 世纪 30 年代和 40 年代被提出，用来表示一种坚硬的结构，事实上它确实帮助细胞保持形状。但很快发现它是运动的发生地。H.E.赫克斯利（1969 年）提出了肌肉收缩的解释，认为是肌球蛋白分子形成桥梁，拉动肌动蛋白丝。发现肌动蛋白丝和微管不断地在一端延伸，通过吸收新蛋白质而从另一端去除，这一过程被描述为 踏车（克利夫兰 1982）。观察到细胞器沿着微管移动的视频（R.艾伦等，1982 年）导致了基因动力蛋白（Vale，Reese 和 Sheetz，1985 年）的发现，这是沿着微管 行走 并携带货物的分子马达。它还引起了对动力蛋白的新关注（Paschal 和 Vallee，1987 年），以前只知道它们在纤毛和鞭毛中的作用，现在发现它们在相反方向携带货物。对细胞内物质持续运动的认识引发了一个新的隐喻，将细胞比作繁忙交通的城市（Vale 和 Milligan，2000 年）。
3. 概体问题 II：机械论者 vs. 生命论者和整体论者
几乎所有追求前一节讨论的各种隐喻的人都持有笛卡尔的观点，即非生命和生命系统（人类思维除外）都像机器一样运作。但是有相当数量的研究人员拒绝了这一观点，并坚持认为包括细胞在内的生物体与普通的物理机械系统有根本的不同。他们认为，以某种方式从物质组分构成的组合是不足以解释与细胞相关现象的。我们从这些反对对细胞的机械观念的人开始，然后再看看那些主张机械方法的人是如何回应的。
在 18 和 19 世纪，反对机械论的人通常被称为“生命论者”。各种生命论者都反对机械论，即认为有机体由按照与非生命世界中的过程相同原则运作的物理部分组成。他们的积极观点各不相同。一些生命论者采取了一种与心灵实体二元论者类似的立场，认为一些非物质组分——生命力（vis vitalis）——在生物体中起作用并解释它们独特的活动。其他人则避免提出额外的组分，但坚持认为在生物体中适用不同的法则，而非生命系统中的法则（有关这些不同版本生命论的讨论，请参见 Normandin＆Wolfe 2013 中的贡献）。无论他们如何表达自己的积极观点，生命论者通常指出生物体的活动，他们声称这些活动无法像物理过程那样解释。这在 Bichat（1805）中得到了很好的阐释，他首先关注生物体行为中明显的缺乏决定性，其次关注生物体似乎抵抗威胁摧毁它们的物理过程（用他的话说，它们_抵抗死亡_）。正如上文所述，施万和巴斯德都声称需要活酵母来产生发酵作用。对施万来说，这仅仅意味着发酵依赖于细胞中发现的特定物质的组合，但对生命论者来说，这意味着活细胞执行了无法由组分分子集合执行的活动。Bichat 和巴斯德，以及其他著名的生命论者如穆勒（1837-1840），都接受了经验和实验研究，但在解释一个生物体的物质组分能够解释的范围上设定了限制。
在许多情况下，机械主义者并没有明确回应生命论者，而只是继续他们的研究。伯纳德（1865 年）是一个例外。他通过引入有机体内部和外部环境之间的区别来回应比夏挑战。有机体内部进行的机械操作是在内部环境中进行的，并共同用于维持该环境处于恒定状态。因为机械操作是对内部环境中的条件做出反应，所以仅考虑外部刺激时，它们似乎是不确定的。此外，由于这些机制致力于维持恒定的内部环境，人们可以解释有机体抵抗可能摧毁它们的物理过程的能力（有关伯纳德的讨论，请参见霍姆斯 1974 年和拉福莱特与尚克斯 1994 年）。伯纳德的方法奠定了坎农后来关于内稳态的著名工作（1929 年）的基础。
到了二十世纪初，很少有生物学家研究细胞（德里希，1914 年，是一个值得注意的例外）主张生命力和生命论_本身_不再被视为一个站得住脚的立场。但许多生物学家仍然关心如何解释生命细胞与普通物质系统之间的差异。许多研究者采取的一个突出立场（哈尔丹 1929 年，1931 年；利利 1934 年；尼德汉姆 1936 年；拉塞尔 1945 年，1930 年；冯·贝塔兰菲 1952 年；韦斯 1963 年；伍德格 1929 年）是整体论，有时被称为有机论。 （有关有机论者如何区分他们的立场与生命论和机械主义，请参见尼科尔森和高恩 2015 年的讨论。）整体论者认为生命系统是由物质部分构建而成的。然而，他们坚持认为，生命系统组成部分所执行的活动不仅取决于这些组成部分及其组成，还取决于它们的组织。因此，不能简单地将组成部分的活动相加以解释整体（“整体不仅仅是其部分之和”）。组织完整部分决定了部分的行为。例如，J·S·哈尔丹反对从非生物物质中研究生命起源的立场表现在这种态度中：“生命不可能源于机械条件。这样的起源是不可想象的”（哈尔丹 1930 年：12）。
细胞系统的组织在机械生物学家和整体论者之间的辩证法中起着核心作用。整体论者经常将机械生物学家解释为低估组织的重要性，但许多机械生物学家否认这一点。伯纳德强调了组织在使组分保持内部环境的恒定性方面的作用，那些试图解释体内平衡的人则借助了反馈环。认识到机械式解释并不局限于对组织的简单、加法视图，J·S·霍尔丹的儿子 J·B·S·霍尔丹放弃了他父亲对整体论的承诺，接受了一个强调生物组分如何受到纳入有组织系统的影响的机械框架。在与生物化学家霍普金斯（1913 年）合作时，他受到了很大影响，后者同样将组织置于他对生化过程的描述的核心位置。因此，J·B·S·霍尔丹成为制定生物学探究生命起源的先驱之一，同时坚持复杂组织在生物体活动中起着核心作用（Martin 2010）。
哲学家和科学家经常使用“ emergent ”一词来描述与其组成部分产生的现象不同的现象（请参阅 emergent properties）。有时， emergent 现象被认为无法用其组成部分来解释。在表征细胞现象的系统生物学描述的背景下，Boogerd 等人（2005 年）提出了一个观点，根据该观点， emergent 现象是完全可以解释的，解释方式是这些现象在有组织系统中的组成部分的行为方式，而不是在更简单（组织较少复杂）系统中的行为方式。这承认许多细胞组成部分在纳入特定系统时表现不同，因为它们接收到独特的输入。有关 emergent 及其在细胞生物学中的应用的其他最新论述，请参见（Hooker 2011a；S·米切尔 2012；Mossio，Bich 和 Moreno 2013；Winning＆Bechtel 2019）。
对细胞和多细胞生物中的组织与大多数自然系统或人造物中发现的组织有何不同的渴望，在 20 世纪 70 年代和 80 年代推动了一系列_理论生物学_研究。理论生物学中最杰出的贡献者包括帕蒂（他的许多重要论文已被收集在 2012 年的帕蒂文集中）、罗森（1985 年，1991 年）、波兰尼（1968 年）和瓦丁顿（1961 年）。生物哲学作为 20 世纪 70 年代和 80 年代在科学哲学中发展起来的一个专业，大多忽视了这一传统。然而，如今许多关注细胞生物学的哲学家正在借鉴其见解。在这里，我们专注于理论生物学家为理解细胞等生命系统的独特活动提供的一个关键概念工具：约束。约束的概念源自古典力学，在那里约束用于由微观粒子构成宏观物体。因此，约束解释了为什么宏观物体表现出与其组成部分不同的属性。约束不是由法则解释的，而是作为必须通过实证确定的边界条件。因此，在约束解释细胞的生物活动的程度上，这些活动不能被简化，不能从化学或物理原理中推导出来。相反，研究人员必须根据实证调查，确定实际在活细胞中实现的约束。
最近，Hooker（2011b，2013）和 Moreno 和 Mossio（2015）发展了约束对理解细胞和其他生物现象的重要性。Hooker 明确指出，尽管术语_约束_暗示了限制，约束也扩展了可能性——以细胞为例，从细胞中心延伸到外围的微管限制了在其上移动的动力蛋白和提供了将细胞器运送到远处的可能性。Moreno 和 Mossio 特别发展了一个将约束焦点与细胞是自我生成的想法联系起来的视角。借鉴马图拉纳和瓦雷拉（1980 年）对生命系统作为自我生成机器的概念——提供了一个生产网络，使生命系统的构建成为可能——Moreno 和 Mossio 增加了对细胞热力学要求的关注。作为高度组织化的系统，细胞远离平衡，需要持续的自由能源来执行合成新组分和抵抗走向平衡的操作。根据他们的说法，约束在生物体中所做的是直接引导自由能流，以执行构建、修复和繁殖生物体的工作。
一些约束是灵活的，这些约束使生命系统的一个重要特征成为可能——生物体通过控制机制来控制生产机制（例如发酵或肌肉收缩中涉及的机制）。根据帕蒂（Pattee）的说法，控制机制根据通过测量获得的信息改变_生产机制_中的灵活约束。负反馈控制机制，如恒温器，是简单的例子：恒温器测量受生产机制（如炉子）运作影响的变量（房间温度），并根据测量结果对炉子机制中的约束执行动作。细胞中广泛存在反馈控制机制的例子。其中一些最著名的例子是_lac_操纵子（Jacob & Monod 1961）和 ATP 对糖酵解的反馈控制（Ghosh & Chance 1964）。控制系统使用的测量值不一定局限于受生产机制活动影响的状态；它们还可以测量生物体或其环境中的状态。利用这些测量值，生产机制可以被控制，以便仅在特定情况下运行，例如，使生物体能够导航到食物来源或在需要时避开捕食者。
Moreno 和 Mossio（2015）提供了一个描述，其中适当组织的生产和控制机制使细胞，以及多细胞生物，能够实现他们所称的_生物自主性_：
一个独特的因果关系制度，不仅能够产生和维持有助于系统功能的部分，使其成为一个整体、可操作且拓扑上独特的整体，还能够通过与环境的互动促进其存在条件。(2015: xvi–xvii)
请注意，在这种观点中，机制包含在细胞内，而细胞才是自治的，而不是机制。对于理解细胞的自治性至关重要的是控制机制的组织，这些控制机制编排各种生产机制的活动，以维持细胞（或多细胞生物体）。这种关注维持自治所需的组织的显著特征之一是，它与更传统的机制哲学解释是兼容的（讨论见 section 5），但强调了一个在传统解释中不突出的特征——生产机制受控制机制约束。为了理解细胞机制的行为，研究人员不仅必须深入了解机制的组织部分和操作，还必须看到它们在细胞和生物体中的位置，以便它们可以被其他机制控制（Winning & Bechtel 2018; Bechtel in press）。这种用于理解细胞（以及多细胞生物体）的本体框架整合了传统生物学机制主义者和他们的生命论者/有机论者/整体论者批评者的见解，捕捉了生物体的独特之处，使其成为一个接受由机制组成的框架，但这些机制以适当的方式组织。
4. 认识论问题 I：细胞的表征
我们现在转向关于细胞的本体论地位的问题，转向关于科学家如何研究它们的认识论问题。我们首先讨论科学家如何表征细胞以及关于它们的信息。传统上，科学哲学侧重于科学知识的语言表征。但在许多生物学领域，特别是在细胞生物学中，信息通常以图像的形式呈现。科学家对细胞的熟悉程度很大程度上是通过使用显微镜生成的视觉表征而获得的。开发显微镜及使用它们产生可解释图像的技术带来了许多挑战。我们首先在第 4.1 节讨论生成图像（显微照片）的挑战，然后在第 4.2 节考虑评估所得图像可靠性的挑战。除了这些充分（高度详细）的表征之外，细胞生物学家还依赖于各种较不充分的图表。 （将图像描述为“充分”的表征是由 Perini，2013 年提出的。她借鉴了 Goodman 的观点，使用相对充实性来区分图表和图片。）特别是，正如在 第 4.3 节 中讨论的那样，当他们正在发展关于细胞的机械假设时，细胞生物学家依赖于代表细胞组分类型的细胞图以及代表被假设构成给定现象机制部分的细胞内选择组分的机制图（Downes 1992）。
4.1 显微镜图像
如上所述，在 17 世纪，胡克和范·李文虎首创使用光学显微镜观察细胞。随后的研究者经常设计自己的显微镜。这些设计上的变化导致了所得图像的差异性。(在摄影术出现之前，显微镜观察者会绘制他们所看到的内容，引入了另一个变异源。)不同研究者产生的图像的差异性是导致 18 和 19 世纪生物学家更仔细地研究显微镜生成图像过程的因素之一(参见 Schickore 2001, 2007)。在他对透镜的理论研究中，牛顿(1704)表征了透镜产生的两种像差类型：球面像差，由于光线聚焦在不同点上，和色像差，由于不同波长的光被折射成不同角度。Schickore (2007)描述了显微镜开发者为纠正这些像差所做的许多努力，以及为评估特定显微镜可靠性而创造的测试物体。与此同时，许多爱好者声称他们看到了许多东西，其中一些后来被证明是人为制品。例如，Milne-Edwards (1823)和 Dutrochet (1824)都报告了一种与细胞相似且大小恒定的圆形结构，他们称之为_globules_。(详见 Schickore 2009，对 globules 报告的详细审查以及一个论点，即这些报告的变异性导致了对显微镜操作方式存在问题的日益增强的认识。)然而，很快就证明 globules 是球面像差的产物。在 19 世纪初，几位透镜制造商开发了消除球面像差和大大限制色像差的策略(色像差直到半个世纪后引入全色透镜才得以完全消除)。因此，Schleiden、Schwann 和其他人上面讨论的观察在很大程度上摆脱了这些扭曲。
光学显微镜面临另一个限制，即放大倍数的限制（由光的波长所限制）。为了获得能够显示细胞成分的更高分辨率图像，需要依赖不同物理原理的显微镜。用于研究细胞的光学显微镜的最重要替代品是（透射）电子显微镜，它利用电子束以类似摄影的方式创建图像：被许多电子击中的照相底片上的位置在底片负片中是黑色，在正片中是白色。当细胞中的结构散射电子时，在负片中的位置保持白色，在正片中呈现暗色。尽管电子显微镜在上世纪 30 年代初就已问世，但直到第二次世界大战前夕和期间，生物学家们才开始探索其潜力。他们面临的一个困难是，大多数真核细胞太厚，无法被最早期电子显微镜中使用的 50kV 电子束所穿透。用于切割细胞薄片以供光学显微镜观察的微切器已经问世，但需要新的微切器设计方法，以便切割足够薄的细胞而不会产生扭曲。这个问题直到上世纪 50 年代初才得以解决（Porter & Blum 1953）。因此，最早的一些电子显微图研究集中在纤维材料（如胶原蛋白）（Schmitt, Hall, & Jakus 1942）或细菌（Stanley & Anderson 1941）上。Porter、Claude 和 Fullam（1945）通过在条件下培养真核细胞，使其边缘非常薄，从而让电子穿透，创造了一幅图像（图 4），显示出：
各种长度和相对恒定宽度的丝状线粒体；分散的、高密度的小元素，尤其在细胞核周围特别丰富，可能代表高尔基体；以及遍布整个细胞质的精致蕾丝状结构（1945: 246）。
图 4：从培养的小鸡胚胎中观察到的成纤维细胞的电子显微镜图像（左）和光学显微镜图像（右）的比较。取自 Porter, Claude, and Fullam (1945: plate 10)。
除了面临着创建足够薄以被电子束穿透的制样挑战外，研究人员在为电子显微镜准备生物材料时还面临着许多其他挑战。例如，标本必须放置在真空中，这就要求首先去除所有水分，而水分是细胞的主要成分，不能引起太多的扭曲。几位历史学家和哲学家（Rheinberger 1995，Rasmussen 1997 和 Bechtel 2006）研究了生物学家如何应对这些挑战，并评估了所得显微照片的可靠性。他们如何解决一个挑战——即在图像中创建足够的对比度——极大地影响了所生成的图像。这在光学显微镜中已经是一个挑战：细胞物质大多是半透明的，因此透过的光大多是相同波长的，使得很难区分图像中的各种结构。为了解决这个挑战，19 世纪中叶的光学显微镜学家开始尝试使用用于织物的染料。正如在 第 2 节 中所述，弗莱明将他观察到的核结构命名为染色质，因为它们与他使用的苯胺染料结合。电子显微镜面临的问题类似——细胞组分在阻挡电子传输方面差异不大。电子显微镜学家发现，光学显微镜中使用的几种固定剂，尤其是涉及重金属的那些，增强了阻挡电子的能力，因此增加了所得图像的对比度。鉴于对于给定化学物质会与细胞内的什么结合知之甚少，对这些染色剂的研究主要是由尝试不同化合物和应用程序的研究人员进行的（如帕拉德在 1952 年对过氧化锇的研究中所示），以查看他们能生成什么图像。事实上，不同的染色剂（过氧化锇、戊二醛等）确实会产生不同的图像。
4.2 人为因素挑战
由于人们对染色结合到什么上面的理解很少，怀疑论者经常对它们是否揭示了细胞中的实际结构提出质疑。贝克特尔（2000 年，2006 年）强调了科学家评估显微照片是否对细胞有信息性还是只是制备方法的人为产物时经常考虑的三个因素：（1）照片本身的质量——它们是否展现出明显的模式？（2）结果的稳健性——是否可以用不同的技术（例如，用光学和电子显微镜或多种染色剂）产生可比较的结果？以及（3）结果的理论合理性——它们是否符合一个连贯的理论解释？虽然第一个因素在哲学论述中很少被评论，但值得注意的是，科学家倾向于假设，如果一幅图像显示出明显的、可重复的模式，那么它反映了源头中的某些东西（尽管如果例如，研究人员展示了这种模式可以通过其他方式生成，这种评估可能会被撤销）。对于第二个因素——通过独立手段生成相同结果时的推断——已经进行了广泛的哲学讨论，认为这反映了世界上已经存在的实体（Hacking 1983；Culp 1995；Stegenga & Menon 2017）。然而，这一标准在新技术产生结果时往往是不够的，比如电子显微镜，当图像中包含超出其他现有技术检测范围的结构时，这些情况下，模式的明显性以及对研究结果的理论合理性的考虑是研究人员可以使用的标准。然而，诉诸理论的合理性似乎是循环的，因为在传统的哲学论述中，理论是通过技术产生的证据来测试的。但是，发展一个符合实验结果和其他证据的合理理论并不容易，当他们能够这样做时，科学家们认为这支持了他们的判断，即图像反映了真实的结构。为了说明这些考虑在细胞生物学中是如何被引用的，我们提供了两个哲学家们研究的例子，这些例子涉及关于显微图像中显示的结构是真实的还是人为产物的冲突。这些案例以不同的方式结束，一个接受了这个结构，一个拒绝了它。
第一个案例涉及到高尔基体，最初由高尔基（1898 年）在光学显微镜研究中描述，使用了他引入的硝酸银染色。帕拉德和克劳德（1949a，b），现代细胞生物学的先驱之一，最终分享了诺贝尔奖，他们认为这是染色的产物，包括使用了奥司米酸四氧化物（帕拉德帮助确立为电子显微镜的主要染色剂）。他们不仅提到了高尔基小体的外观多变，正如一些早期的怀疑者所做的（Strangeways＆Canti 1927; Parat 1928; Baker 1944），还提到了他们自己通过向蛋清中加入奥司米酸制造出外观类似于高尔基小体的髓鞘结构的能力。正如 Bechtel（2006）所讨论的，这是支持高尔基体是一种人为产物的有力证据，但在这种情况下，这些证据最终被搁置而没有被驳斥。尽管帕拉德对高尔基体持怀疑态度长达 15 年（他实验室的研究人员报告称，在这段时间内他们不允许提及它），但当他实验室的研究人员证明许多新合成的蛋白质通过高尔基体所在的细胞区域，在前往分泌的过程中时，他最终接受了它的现实性。然而，他并没有解释为什么他改变了主意。帕拉德在 1974 年的诺贝尔奖引文中提到了对高尔基体的后来研究，但没有提及他早期对高尔基体存在的怀疑。帕拉德本人后来参与了两篇评论（Farquhar＆Palade 1981, 1998），讨论了早期对高尔基体的现实性提出怀疑的研究人员，但他从未提及自己认为它是一种人为产物的说法。看起来尤为显著的是，由于他实验室的研究，高尔基体与细胞中的一项功能相关联，这是以前从未发生过的。现在它符合一个合理的理论，其中它参与将蛋白质包装以便从细胞中输出。Bechtel 认为，这经常是研究人员接受通过新技术识别的实体现实性的一个主要因素。
第二个例子源自对细菌细胞的早期电子显微镜观察。查普曼和希利尔（1953 年）观察到革兰氏阴性细菌质膜的内陷，他们称之为_周围体_。罗伯逊（1958 年）将其重新命名为_中质体_，在 20 世纪 70 年代被许多研究人员认为是各种细胞功能的一部分，后来被认定为人为产物（Silva 等人，1976 年）。拉斯穆森（1993 年）分析了这个例子，认为用于区分真实实体和人为产物的哲学标准，如稳健性，是不足以解释科学家对中质体变化判断的。当查普曼和希利尔首次提出中质体存在的论据时，他们不得不解释他们的显微照片与光学显微镜观察之间的差异，通过辩称只在光学显微镜图像中出现的膜实际上是由于中质体在低分辨率下成像。拉斯穆森认为，他们提出这种错综复杂的论点，而不是将中质体视为人为产物，是因为他们在推广新的电子显微镜。他进一步描述了他们的主张如何激发了旨在纯化和生化特性化中质体的研究计划，以评估关于其功能的提议。这最初支持了中质体实在性的主张，但其他生物化学家提出了相互矛盾的证据。此外，另一种用于为电子显微镜制备标本的新技术是通过冷冻，它有其热情的拥护者，生成的显微照片并未显示中质体。拉斯穆森认为，这些相互竞争的发现，而不是稳健性，决定了科学家对中质体的判断。
中质体案例引起了其他科学哲学家的极大兴趣。卡尔普（1994 年）挑战了拉斯穆森对中质体历史解释的观点，认为将中质体作为人为产物拒绝的最好解释实际上是基于稳健性。特别是，她指出了生物化学家的综合数据，揭示了细胞质膜和据称来自中质体的标本之间的少量差异，以及新一代电子显微镜技术人员的数据，表明中质体是由于用于生成声称显示它们的显微照片的固定剂戊二醛所致。她声称，这些稳健性考虑足以使社区拒绝中质体。在后来的一篇论文中，拉斯穆森对卡尔普的分析做出回应，继续坚持认为局部细节，而不是稳健性等原则，决定了科学家对人为产物的判断：
一般原则如健壮性太过模糊，无法证明任何事情，因为当详细描述时，会发现这些原则被实例化的方式是不断变化的—魔鬼就在细节中。(2001: 643)
其他几位哲学家也探讨了中间体的案例。Allchin (2000) 将中间体的最初证据描述为健壮，并描述了随后的研究如何显示颗粒是通过膜的退化生成，为电子显微镜的准备工作进行重新评估，最终导致中间体被认定为人为产物。Weber (2005) 认为评估关于人为产物的主张的过程采用了与测试理论假设中使用的相同类型的因果推理。据他称，当证据支持这样的主张，即它们是由化学固定产生时，中间体被判断为人为产物。Hudson (2014: 第 2 章) 提出了另一种观点：研究人员最关心的是他们是否认为产生支持或反对中间体的证据的过程是可靠的过程。
4.3 细胞生物学中的图表
显微镜图像，无论是手绘的，就像在十九世纪那样，还是通过照片捕捉的，都非常详细。然而，细胞学家和细胞生物学家试图发展的知识更为抽象和一般化——他们试图识别细胞中存在的结构类型，而不是它们的所有实例。因此，细胞生物学家经常生成略去细节的图表。Maienschein（1991）研究了这种做法的起源，这种做法出现在威尔逊（1896）的经典著作《发育和遗传中的细胞》中。在该书的早期，威尔逊提供了一张图表（图 5A），这张图表从他一年前展示的更加丰富的照片中抽象出来（威尔逊 1895）。他没有展示所有不同细胞器的实例，而是只展示了每种类型的几个实例。细胞器使用暗示其形状的图标来展示。这样的图表用来传达细胞中存在的细胞器类型及其典型位置，但错误地暗示细胞中的大部分空间是空的。Maienschein 认为，从照片到抽象图表的过渡反映了威尔逊对他通过显微镜所看到的东西解释的正确性日益增强，以及从呈现数据到代表理论的过渡（Maienschein 1991: 252）。这些图表具有理论性质的一个迹象是，与显微照片或数据图不同，这些图表经常在科学家发展他们的论述时经历多次修订。事实上，修订这些图表是发展理论的一种手段。随着细胞现象的生化和分子学解释的发展，研究人员经常进行从象征性到符号性的过渡，这是 Serpente（2011）所描述的。他提出蛋白质相互作用图和基因调控图表作为符号性表达的例子。
A. 威尔逊（1896 年：14 页，图 5）的细胞图，省略了显微镜下可见的许多细节，以便专注于
B. 来自德杜夫和瓦蒂奥 (1966: 468, 图 6) 的异噬作用和自噬过程的机制图表。
图 5
类似的观点也适用于细胞生物学中经常出现的另一种类型的图表——假设机制的图表，这些图表被认为是导致特定现象的原因（Sheredos 等人，2013 年；Abrahamsen，Sheredos 和 Bechtel，2018 年）。这些图表并不试图展示所有的细胞器类型，而是像 图 5B 中所示，只展示那些被认为参与产生特定现象的细胞器类型——在这种情况下，是细胞内物质的分解（异噬作用）或细胞组分本身的分解（自噬作用）。机制图表的一个挑战在于它们是静态的，而机制本身是在发生变化的（细胞器的消化和剩余物质的排出）。一个常见的策略是使用箭头来表示活动，尽管在同一图表中，箭头可能具有多种不同的含义。然而，最终，将机制图表“活跃起来”（Hegarty，1992 年）是观看者的责任——在脑海中演练所代表的不同活动，并想象不同部分产生的变化。
有人可能认为图表只是作为说明以文字呈现的结果的手段而重要。但是，科学家们的实践表明，图表对他们的推理更为核心。在机械假设发展的早期阶段，科学家们会勾画他们的想法。通常在起草文本之前，机制图表（以及显示数据或研究工作流程的其他图表）就已经制作出来了。图表通常在实验室会议上展示，并在科学家们完善他们的论断时进行多次修订。研究人员通常只在这个过程结束时才撰写论文的文本。利用对两个研究项目的草图和文本的访问权限，Sheredos 和 Bechtel（2017 年，即将出版）研究了调查过程，其中调查人员修改图表，更改文本，然后进一步修改图表。这个过程表明，勾画和重勾画机制在研究人员寻求确定他们可以从实验研究中得出什么结论时起着核心作用。在他们研究的一个案例中，一个早期版本的图表用来提出一个通过实验研究解决的问题，最终的图表提供了对所提出问题的答案。除了支持研究项目的经验主张外，Jones 和 Wolkenhauer（2012 年）对图表如何用于将计算模型所需信息定位于被建模的细胞机制的表征提供了启发性讨论。
5. 认识论问题 II：解释细胞活动机械化的策略
在历史上，像波普尔和赖兴巴赫这样的科学哲学家拒绝探讨科学理论是如何被发现的，认为这不是哲学问题（参见 科学发现 条目）。然而，从汉森（1958 年）开始，发现引起了许多科学哲学家的兴趣。对细胞生物学（以及相关领域，如生物化学、分子生物学和神经科学）中的发现进行的调查启发了贝克特尔和理查森（1993 年[2010 年]）提出的观点，即这些领域的目标不是建立法则性解释（亨普尔 1965 年），而是确定导致现象的机制并确定其运作方式。细胞生物学的例子也在马克默、达登和克雷弗（2000 年）、克雷弗和达登（2013 年）、贝克特尔（2006 年）等人对机械解释的论述中占据重要地位（有关机制和机械解释的当代论述的汇编，请参见格伦南和伊拉里，2018 年，以及 科学中的机制 条目）。_机制_这一概念在本体问题和认识论问题的讨论中都起着作用，但两种用法可以按照 G.艾伦（2005 年）提出的方式加以区分。在本节中，我们关注他所称的“操作性或解释性机制”（2005 年：261；即为了解释目的，应将细胞组成部分构想为_好像_它们是机器）；第 3 节 关注“哲学机制”（2005 年：261；即有关生物体_是_或由机器构成的本体论命题）。
许多专注于机械解释的科学哲学家的中心目标之一是描述科学家用来发展机械解释的推理策略或启发式方法（贝克特尔和理查森 1993 年[2010 年]；克雷弗和达登 2013；格罗斯 2018）。我们讨论了在细胞生物学中发展机械解释的不同阶段中起作用的推理策略：描绘现象并将其置于负责机制中，识别和描述机制的组成部分（还原主义阶段），以及确定机制内部和机制与其背景之间的组织（更全面的阶段）。
5.1 描绘细胞现象并将其与负责机制联系起来
挑战将解释描述为解释数据的普遍特征，博根和伍德沃德提出科学解释是针对现象的。他们没有定义现象是什么，而是举例说明：“弱中性电流，质子的衰变，以及人类记忆中的分块和最近效应”（1988: 306）。从这些例子中，很明显博根和伍德沃德认为现象是可重复的过程，可以通过多种方式进行观察或实验检测。根据这种描述，细胞活动如蛋白质合成或细胞分裂被视为细胞现象。虽然现象通常被认为是研究的起点，但克雷弗和达登（2013: 第 4 章）确定了一些涉及表征现象的实验任务，如识别诱发条件、表现、抑制条件、调节条件和改变现象表现的非标准条件。他们还强调了多种实验技术在指定现象特征中的作用。细胞生物学中的大量研究致力于确定诸如程序性细胞死亡等细胞现象被启动或抑制的条件，细胞生物学家在开发产生这些现象所需的实验技术方面具有创造性。贝克特尔（即将出版）指出，解释目标的现象范围从非常具体（低氧条件下肝细胞中的蛋白质合成）到更加一般（蛋白质合成的通用性）。个别研究项目通常涉及非常具体的现象，而教科书或评论文章则讨论更一般的现象。
虽然在研究人员着手确定负责机制之前通常会采用对所研究现象的某种描述，但随着对负责机制的研究的进行，这种描述往往会发生根本性变化（Bechtel & Richardson 1993 [2010]，参见研究者_重构现象_）。这一点可以通过对细胞研究的例子加以说明。早期关于动物如何储存能量以供活动的探究的起点是集中在代谢食物产生的热量上。人们认为这种热量可以驱动其他活动，大约有一百年的研究致力于解释动物体热（参见 Mendelsohn 1964）。然而，在 Lohmann（1929）和 Fiske 和 Subbarow（1929）确定了三磷酸腺苷（ATP）并证明其在水解时会释放大量能量后，热量被确定为代谢的副产品，研究人员转而关注 ATP 的合成和水解。这成为了重构的现象，许多旧研究现在都被应用于这一现象。
5.2 简化主义策略：分解和定位
机械解释的独特之处在于将机制分解为部分或实体以及实现现象的操作或活动。尽管有时研究人员可以通过推理_a priori_来推断产生给定现象所需的组成活动，但大多数情况下，分解是基于实验开展的。虽然目标是识别部分和操作并将它们联系起来，但某个研究小组可能只有研究技术可以让他们识别其中之一。这在细胞生物学中就是这种情况。正如在 第 1 节 中讨论的那样，显微研究使研究人员能够识别细胞的组成部分（细胞器），但除了形状或细胞器吸收染料的能力等间接线索外，这些研究人员无法获取有关它们执行的功能的信息。另一方面，生物化学家能够识别参与许多细胞活动的反应，但由于他们研究这些反应是通过研磨细胞制成的化学混合物，他们无法将这些反应与细胞结构联系起来。随着细胞分离和电子显微镜等新技术的引入，细胞生物学得以发展，这些技术打开了在细胞器中定位生化反应的可能性。
值得强调的是，分解的还原主义意义与更传统的哲学理论还原描述中涉及的方式非常不同，后者涉及从一个理论推导出另一个理论（Nagel 1961；请参阅 科学还原 和 生物学中的还原主义 的条目）。研究人员进行分解而不假设两个层次的完整理论的存在，也不假设一个层次的理论可以从较低层次的理论中推导出来。此外，在进行分解时，研究人员通常不假设对较低层次组件的了解足以解释现象 - 至少，他们认识到组件的组织方式也很重要。将细胞过程与特定酶相关联并不是解释过程的终点 - 酶的活性通常受到酶存在的环境（例如膜中）的影响。因此，研究人员重视_in vitro_再现实验，以确保他们正确解释了现象。
Allchin (1996, 2007) 和 Weber (2002) 分析了一个重要的细胞生物学和生物化学界面的重建实验，这个实验在解决氧化代谢中 ATP 合成的两种相互对立的解释之间发挥了重要作用。生物化学家花了几十年的时间试图确定一条纯化学途径，利用氧化代谢释放的能量合成 ATP（就像在糖酵解中那样）。P. Mitchell (1961) 提出了一种另类的化学渗透假说，根据这一假说，能量是通过在膜上创建质子梯度来传递的。Kagawa 和 Racker (1966) 已经将 ATP 合酶与线粒体内膜上的小_旋钮_联系起来，但是由 Racker 和 Stoeckenius (1974) 创造的一个_体外_嵌合系统，结合了来自细菌、植物和动物的片段，证明了能量首先可以在质子梯度中被捕获，然后在线粒体中用于合成 ATP。与纯粹的生化解释不重视细胞结构不同，这项研究显示了不仅酶的重要性，而且还有它们相对于细胞结构的位置，从而解释细胞现象。
5.3 整体策略：表征组织
即使在化学混合物中，单个分子也以特定的模式排列。这种模式会影响，例如，哪个分子会遇到另一个分子。然而，在分析这种混合物时，化学家并不试图解密排列，而是依赖于关于相遇可能性的统计量度。但细胞是不同的——不同的分子被隔离在不同的位置，它们的组织方式会影响最终的行为（即使在缺乏内膜的原核细胞中也是如此，分子被隔离在细胞的不同部分，有时会在一天内改变位置；参见 Cohen，Erb，Selimkhanov 等人，2014 年）。组织对制造产品也很重要。如果您计算机的零件分散在您的桌子上，并且每个零件都提供了一些输入，以便执行操作，那么这些零件仍然不会像它们在正确排列时那样执行相同的活动。组织确保一个组件的输出被传递给适当的其他组件作为输入。当考虑到人类设计师所做的事情是对现有组件施加新的组织以实现新的期望效果时，组织的重要性进一步得到认可。进化在生物学中经常也会做同样的事情。
组织对于理解细胞活动尤为重要，但直到最近，细胞生物学家在确定组织方面的工具有限。在粗粒级别上，细胞分离和电子显微镜的结合提供了有关组织的信息，从而揭示了细胞如何执行其活动。例如，认识到能够分解细胞组分的酶被隔离在溶酶体内部，解释了为什么它们只在首先被运送到溶酶体内的结构上执行其活动。而知道一组酶定位在相邻膜中解释了为什么一个反应的产物可以被另一个反应轻松吸收。在这些情况下，细胞中实现的组织及其后果可以以定性方式进行表征，并在 第 4.3 节 中以机制图的形式呈现。然而，在其他情况下，组织比可以用这种定性术语描述的更复杂。特别是当组分组织成反馈环路，并且个体操作以非线性函数进行表征时，细胞生物学家会转向计算模型来理解它们的行为。Bechtel 和 Abrahamsen（2010）以及 Brigandt（2013）描述了最近关于细胞现象的研究中需要计算模型的许多例子，并提到将动力分析应用于机械解释的结果解释为“动力机械解释”。以细胞分裂中纺锤体形成的计算模型为例，Gross（2018）展示了计算模型如何超越已经建立的实验，并作为启发式指导进一步研究。
近年来，细胞生物学家已经获得了研究组织的新工具，其中许多工具是在系统生物学中发展的（Green 2017；参见 系统和合成生物学哲学 条目）。系统生物学中的一种方法是试图开发涉及特定现象中识别的众多组分的全面详细模型（Gross & Green 2017）。例如，关于细胞中哪些蛋白质可以相互结合，或者哪些基因对突变后一起会导致致命后果的高通量数据，大大增加了与任何给定现象相关联的细胞组分的数量。为了理解这一点，细胞研究人员经常通过构建网络来寻求抽象模型，其中节点代表实体，边代表实体之间的相互作用（Green 等人 2018）。研究人员面临的挑战是理解这些网络——考虑到涉及的实体数量众多以及它们之间的许多相互作用，这些网络通常看起来像一团乱麻。我们简要考虑了哲学家们分析过的细胞生物学网络分析的两种策略。
Alon 及其合作者专注于细菌和酵母的基因转录网络和代谢网络，识别出涉及两个、三个或四个节点的“重复的、重要的相互连接模式”，他们称之为_motifs_（Milo 等，2002: 824）。一个例子出现在_大肠杆菌_的转录网络中的“数百个非同源基因系统”（Mangan，Zaslaver 和 Alon 2003: 197）中，即_前馈环_。在前馈环中（图 6），一个单元向另外两个单元发送输入，第一个单元也向另一个单元发送输入，后者作为最终输出单元。Alon 及其同事使用布尔模型证明，根据连接是兴奋性还是抑制性，这样的模式可以执行多种不同的功能。例如，如果所有连接都是兴奋性的，并且只有当最终输出单元同时接收来自另外两个单元的输入时才处于活动状态（连接构成与门，如 图 6 左侧所示），那么前馈环将作为持续性检测器——只有在第一个单元的输入持续到第二个单元变为活动状态时，输出单元才会变为活动状态。正如 Mangan 等人解释的那样，这可以保护输出（可能用于启动基因的转录）免受对输入单元提出的随机噪声的影响。前馈环和 Alon 的其他模式被抽象地描述，没有具体提及哪些实体和相互作用对应于节点和边。研究这一点的哲学家将这些组织模式称为_design principles_（Green 2015；Green，Levy 和 Bechtel 2015；Levy 和 Bechtel 2013）。
图 6：Alon 及其同事研究的前馈环路的三个示例
第二种策略采用计算工具，如聚类分析，以找到特别高度相互连接的节点集合。为了解释细胞中运作的机制，研究人员经常将这些聚类与 Gene Ontology（GO）对齐，这是一个旨在代表有关细胞组分、分子功能和生物过程的已发表信息的资源，以促进在研究不同物种的研究人员之间的交流（Ashburner 等人，2000 年）。Leonelli（2016）研究了 GO 的开发者在开发这种资源时面临的许多认识论问题。除了其原始功能外，GO 现在被广泛用于机械地解释网络图。通过使用 GO 中的信息为细胞网络中的节点进行注释，研究人员解释这些聚类是否对应于已知机制，有时构成先前未知的机制。研究人员根据一些原则对缺乏此类信息的节点进行推断，例如_因果推断_——推断实体发生在与其聚类的实体相同的位置或对相同过程有贡献（Bechtel 2017 分析了几个示例）。
由于大型网络的计算模型和分析结果，21 世纪的细胞生物学更加关注组织，看起来比 20 世纪中叶更少地强调还原论。对一些哲学家来说，这种依赖网络分析代表了从机械解释转向过程观点的一种转变（Théry 2015；Nicholson 2018；Dupré 2012）。Huneman（2010，2018）将网络分析所得的解释解释为一种他称之为_拓扑解释_的独特类型。然而，其他人认为，由于这些分析仍然依赖构成系统的组件，而且开发这些分析的生物学家们仍然将它们视为机械的，我们应该将机械解释的概念扩展到包括在计算和网络分析中发展的对组织的整体关注（Baetu 2015；Bechtel 2015；Levy 2014）。
6. 细胞生物学中的专业领域
我们已经专注于细胞生物学的核心领域，关注解释细胞的基本活动。然而，有许多专门关注细胞的领域。其中一些已经成为哲学探究的活跃领域。在这里，我们仅仅识别其中一些，并指向哲学家的相关作品，包括在几种情况下 SEP 中的条目。其中一个领域是微生物学，关注单细胞生物，无论是原核生物（缺乏细胞核和其他细胞器）还是真核生物。O’Malley（2014）已经确定了微生物的独特特征（例如，侧向基因转移），并探讨了微生物生活的特征如何挑战了主要假设，这些假设主要是由于主要关注多细胞生物而产生的。在另一项工作中（O’Malley 2010），她从哲学角度研究了关于真核细胞起源于原核细胞的竞争性假设。许多细胞生物学已经专注于特定类型的成熟细胞，并且对多细胞生物中的细胞如何从一个共同的细胞分化出来的过程关注较少，这种细胞被称为_干细胞_。Fagan（2013）开创了对干细胞研究的哲学探讨，包括技术的出现，将成熟细胞还原为干细胞。细胞不仅在多细胞生物的发育过程中发生转变，而且在疾病中也会发生转变，例如癌症，其中细胞不仅以不受控制的方式增殖，而且还会击败许多通常阻止增殖的细胞机制。Plutynski（2018）已经确定了在解释癌症方面出现的许多哲学挑战（请参阅 cancer 上的条目）。许多多细胞生物的重要能力是能够检测病原体、病毒和其他威胁，并对其进行防御。这种免疫反应需要，除其他外，具备区分属于生物体自身的细胞和其他细胞的能力（请参阅 philosophy of immunology 上的条目）。在许多这些背景下以及上面提到的主题中出现的一个基本问题是，一个应该如何以及如何将细胞概念化为个体或代理人（请参阅 the biological notion of individual 上的条目）。
除了将细胞作为科学研究对象之外，当代研究人员经常采用工程方法来研究细胞。一个背景是合成生物学领域，研究人员在这个领域工程化细胞，有时是为了研究目的，但有时也是为了生产社会认为有用的产品（参见 系统和合成生物学哲学）。CRISPR 等基因编辑工具的最新发展引发了认识论和伦理问题（有关伦理问题，请参见 神经伦理学）。合成细胞的尝试在理解生命起源方面发挥了重要作用的一个背景是。关于生命起源的许多研究涉及原细胞的发展——由脂质组成的自组织、球形系统（Rasmussen 等人，2009 年）。这已经成为理论上有思想的生物学家和生物学哲学家的一个重要研究课题（请参见 生命；Bedau 2012；Moreno 2016；Dunér，Malaterre 和 Geppert 2016）。
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Acknowledgments
We are most grateful for the helpful comments provided on earlier drafts of this manuscript by Douglas Allchin, Sara Green, Arnon Levy, Alan Love, Jane Maienschein, Karl Matlin, Maureen O’Malley, Anya Plutynski, Andrew Reynolds, Hans-Jörg Rheinberger, James Tabery, and Marcel Weber.
Copyright © 2019 by William Bechtel <bechtel@ucsd.edu> Andrew Bollhagen <abollhag@ucsd.edu>
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