世事與人生浮沉漂流，
綿延的思維使之永駐。
——歌德：《浮士德》
1．整體及其部分
斷言「整體大於其部分之總和」即整體與其組成部分相比較，它具有「新」的性質和活動方式，以及事物的高層次可否「還原」為低層次的問題，是每個「綜合整體的」理論或「統一整體的概念」的實質。顯然，這裡所包括的兩個陳述就其本身而言是正確的，但它們是對立的。
一方面，等級秩序中的每一個系統，從基本的物理單位到原子、分子、細胞和有機體，都顯示出新的性質和活動方式，它們不能僅僅根據從屬系統的性質和活動方式的累加來理解。例如，當金屬鈉和氯氣化合形成氯化鈉時，後者的性質就不同於這兩個組分元素的性質；相似地，活細胞的性質完全不同於組分蛋白質的性質，等等。
另一方面，根據低層次解釋高層次，這正是物理學的任務。因此，化合價是由原子而產生的，隨後，化合物是由不同的原子的結合而產生的，同樣地，不同的化學性質是由原子外層電子殼的有效電子數產生的。相似地，分子內部原子的空間排列解釋了由化合物形成的晶體的構型。化學結構式在很大程度上解釋了被認為是「非累加」的典型事物的真正性質，例如，碳氫化合物特有的顏色（化合物由本身無顏色的元素組成），它們的味道、藥效作用，等等。由此而出現了被設想的高層次相對於低層次的「非累加性」真正意味著什麼的問題，以及在多大程度上高層次可以根據低層次得以解釋的問題。
對這些問題的回答是簡單的。高層次的性質和活動方式是不能根據孤立所得的它們組分的性質和活動方式的累加作出解釋的。可是，如果我們知道這些組分的集合和各個組分之間存在的關係，那麼高層次是可以從這些組分中推導出來的。
當然，純粹的累加，比如說許多C、H、O和N原子的累加，並不能提供有關化合物分子的足夠知識。這是顯而易見的，例如，同分異構現象，當化合物由相同的原子以不同的排列方式構成時，會產生不同的性質。相反地，如果我們知道了結構式，那麼分子的性質是可以從它的部分即組成的原子得到理解的。這同樣適用於每個「整體」。即使我們把電導體各個部分中的電荷加合起來，也並不能發現整個導體中的電荷分佈，因為電荷分佈依賴於整個系統的構型。如果我們已知各部分的參量和整個系統的邊界條件，那麼，電荷在整個系統中的分佈狀況就可以「從各部分」中推導出來。
這些陳述是淺顯的。為了認識某個給定的系統，不僅必須瞭解它的各個「部分」，而且必須瞭解各個部分之間的「關係」，每個系統表現為一個「整體」或格式塔（p.192），這些自明之理，只是因為機械論假設在生物學中的濫用而成為問題和爭論的觸發點：機械論只考慮「部分」，忽略了「各部分之間的關係」（pp 10ff．）。
然而，這裡仍有一個問題。這個問題最好用一些例子來說明。理想單原子氣體的原子，起初被機械的熱理論看作服從力學定律的物質微粒。後來，在盧瑟福（Rutherford）的模型中，原子彷彿是一個行星系統，在這個系統中，帶著正電荷的原子核像太陽居於中央，負電子像行星圍繞原子核旋轉，這個系統受電力控制而存在，符合質子數等於電子數的定律。玻爾（Bohr）以後的原子模型表明，解釋放射現象還需要引進量子條件。最後，當我們轉到原子核時，電力就不夠了。作為自由粒子的質子帶有正電荷。然而，原子核由質子和中子結合而構成，雖然質子在原子核中由於它們帶有（同種）電荷而相互排斥。因此，如果一個質子處於原子核中，會受到核力的作用，這種核力被解釋為交換力，而為了要理解原子核，就必須考慮這些核力。另一個例子是：經典化學賦予每個原子以一個確定數目的化學價，用圖示符號表示為H－，－O－，，等等。當一個原子與另一個原子化合時，化合價就達到飽和。實際上，這些基本的化合夥在傳統意義上對有關化學的化合物已經足夠了。然而，它們還不足以解釋諸如結晶、大分子化合物、內聚性，等等；更確切地說，原子確實顯示出另外一些力，人們稱之為第二類化合價、晶格力或范德瓦耳斯力。隨後，人們用現代電子理論和量子理論解釋這些力。就所有這些事例而言，要把新的現象包括到物理學理論中去，就必須對原有的物理學圖像進行修改和精煉，正是這些工作構成了物理學的進展。
物理學和生物學中所謂機械論概念的基本假定是，所有現象都可以用一套預先確立的定律加以解釋。這是拉普拉斯（Laplace）精神的理想，按照這種理想，所有事件都可以還原為「原子的運動」，即還原為力學定律，而定律又被看作是終極的定律；因此，科學的演進只是在於將這些基本的定律應用到所有現象領域中去。但是，事實上物理學的進展卻向人們講述了不同於上述觀念的、更加激動人心的故事。電動力學決不能還原為力學，量子物理學也決不能還原為經典物理學。要概括諸現象的新領域，尤其是組織化現象的新領域，就得運用綜合的方法，這種方法能使原先分離的領域融合為一個整合的領域。但是，如果僅僅應用本段開始所說的原理和簡單地從低層次推導出高層次，往往是做不到這點的。相反地，只有當這些原理和推導方式包括進普遍化的理論中時，它們才會獲得新的面貌。
以上所說的可以在實在論或認識論意義上加以解釋。按照實在論的解釋，可以說，在每個系統中，更高層次的力是潛在地存在的，可是只有當該系統變成更高層次結構的組成部分時，例如，如果質子成為原子核的部分，如果共價鍵鏈靠「經典」的化合價結合在一起參入多糖類膠粒，如果一個蛋白質分子成為具有自我複製功能的基本生物單位的部分，等等，這種潛在的力才會顯示出來。
但是，這種實在論的或形而上學的解釋弄錯了科學的含義。「力」並不是某些物理結構中固有的形而上學的屬性，物理學引進「力」的概念是出於說明和計算現象的需要。「力」的含義具有直觀模型的性質。真正重要的事情，是形式關係，是自然定律的系統。然而，自然定律系統是趨向統一的，即從盡可能最少的基本假設出發推導出許多特殊的定律。為了達到這個目標，必須在科學演進的歷程中不斷地改變和重新形成基本的假定。
當我們思考有關物理學定律與生物學定律之間關係的許多有爭論的問題時，必須記住以上這些論述。
2．生物學定律和物理學定律
因機械論這個術語可作多種解釋，生物學中有關「機械論」的討論，受到很大妨礙。本作者例舉了（1932年）七種不同含意的機械論，可能這些例舉並不是詳盡無遺的。「機械論」這個術語的明確含意是「非活力論」，即排斥那些不能作科學研究而只能通過擬人化的移情方式加以想像的因素。在這個意義上，「機械論」與自然科學是同義的，因而科學的生物學必需是「機械論的」。可是，就比較狹窄的定義而言，就有許多分歧的意見。某些「機械論者」，諸如比寧（Bunning）（1932年）同意把特殊的生物學定律看作一種過程的事件。其他的機械論者（格羅斯〔Gross」，1930年）認為機械論本質上排斥特殊的生物學定律，或者以同樣的口氣斷言：承認特殊的生物學定律，則是與機械論相對立的「活力論」的觀點（文茨爾「Wenzl〕，1937年）。
顯然，這裡有三種不同的可能性和問題需要加以區分。它們是：（1）生物學是否只是物理學和化學中已知定律的應用領域；（2）如果不是這樣的話，生物學定律是否可以最終還原為物理學定律和從物理學定律中推導出來；（3）生物學定律是否具有像物理學定律一樣的邏輯結構。
生物學，就其是一門描述性科學而言，與物理學的明顯差別是自主性問題，這種差別總是存在的，因為生物學的研究對像有其獨特性。分類學、解剖學、形態學、胚胎學、生物地理學、古生物學、生理解剖學、生態學、系統發育，不會成為物理學的分枝，即使在遙遠的將來也是如此。這不是因為生物學定律是否反映自主性的問題——這個問題與這些領域無關——而是出於這樣一個簡單的理由：生命世界中的形態和現象的數量之多是非生命世界中的形態和現象無可比較的。例如，描述性的礦物學已成為物理學和化學的附屬學科，因為幾乎所有的礦物學問題可以由礦物的化學（礦物化學）的、礦物的形態學（結晶學）的和礦物的物理學（晶體物理學）的性質得到說明，而純粹的描述，例如整理各種不同的瑪瑙或長石，已逐漸淡化。但是，區分惡性瘧疾蚊子與無害的蚊子，區分蛙的與人的血液循環系統，蜥蜴類動物的系統發育——這樣的事只能對之描述。康德（Kant）夢想未來生物學領域中出現的牛頓，也許有一個公式，運用這個公式，各種蝴蝶雙翼的圖案就可以通過遺傳學分析和發育分析的方法，從一個基本的模型中推導出來。但即使如此，他也不願去描繪幾萬種蝴蝶雙翼帶有細小花點的圖案，因為要做這種工作，他就必須至少擁有與幾萬種蝴蝶同等數量的助手，這樣做畢竟是不值得的。甚至，這樣一位未來的動物學家會默認像在今天分類學文獻中發現的以動植物俗名語言所下的定義。必須強調，生物學中這種非物理程序是無論如何不限於詞的狹義的單調描述的。實際上，確定一系列生物類型（比如脊椎動物顱骨類型）的形態學比較，詳盡揭示脊髓中的通路和反射的解剖生理學研究，對人的系統發育的研究，以及大量的類似問題，都是以特定的生物概念，諸如「類型」、「器官」、「系統發育系列」等等概念為基礎的；它們包含了一個有序系統，我們把這個有序系統帶進撲朔迷離、多種多樣的現象世界，正像理論物理家用數學計算處理多種多樣的物理現象那樣。
正因為我們提倡精確的、理論的和定量的生物學，我們不得不指出在「精確」科學中表述為「定律」的東西，只代表了實在的一小部分。甚至最偉大的物理學家當他的帽子被疾風吹跑在街上時，他會跟在後面追趕，這時，他不關心熱的理論，也不能計算變化無常的風的漩渦，雖然他確信旋風是服從分子運動論的。他理學家和氣象學家並不懷疑地殼和大氣現象的形成是以物理學定律為基礎的，而肯定不是由隱得來希幽靈造成的。然而，這些領域中的無數事物，是不能一古腦兒擠壓進一個公式的，而只能加以描述，這裡單憑經驗的方法必定代替物理學的演繹法。像數學生物學家那樣，我們盡最大努力使有機形態服從於精確的定律。比如說，我們感到極為高興的是，發現了系統發育中脊椎動物顱骨的變化遵循異速生長定律（pp.99f，138）。但是，正因為我們知道的太充分了，以致於只有一小部分現象才可能用「精確」的方法理解。兩個顱骨不僅可以根據測量和計算所得的它們大略的比例不同而加以區分，而且可以根據它們大量的特徵加以區分，這些特徵只能用口頭語言進行描述，甚或只能被形態學家受過訓練的眼光注意到，但他幾乎不能用詞表達。
從這個意義上說，生物學決不會「同化為」物理學，它顯然處於與物理學相對的「自主性科學」的地位。這種看法超出了「生物學機械論」的問題，而且完全與這個問題的任何結論無關。生物學機械論問題只與有序的一般特徵有關，對這些有序的一般特徵，我們可以用「定律」的形式作出陳述。
生物學負有確立生命界所有層次的系統定律或組織定律的任務。這些定律似乎在兩個方面超出了無生命界的定律：
1．有機界存在著比無機界更高的有序和組織層次。就大分子有機物質的構型而言，甚至就諸如病毒和基因那樣的基本生物單位的領域而言，我們提出了遠遠超出無機化合物的結構定律的問題。
2．生命過程如此複雜，以致於我們運用與作為一個整體的有機系統有關的定律時，不能考慮個別的物理－化學反應，而必須使用某個生物學序列的單位和參數。例如，如果我們要研究動物完整的新陳代謝，就不能顧及中間代謝過程中數量驚人和極為複雜的反應步驟；相反地，我們應當計算平衡值，確定所有這些通過氧的消耗、二氧化碳的產生或熱量的產生而進行反應的全部產物。這是臨床上確定基本代謝慣用的診斷方法。當我們想要確立新陳代謝或生長的定律時，這種方法也同樣適用；這裡，我們也必須使用表示無數物理－化學過程的大量結果的常數。用這種方法，我們有可能闡明若干精確的並可在一個理論中作演繹的總定律（p137）。相似地，遺傳學不計算物理過程，而計算生物單位，例如基因，載有基因的染色體，植物和動物的群體，在這些群體中可以觀察到易於辨認的性狀在連續世代中的分佈，等等。以這種方式，遺傳學形成了一個具有令人讚歎的精巧和嚴格的統計定律系統。而且，群體動力學理論，就其生態學方面（福爾特拉、德安康納及其他人）和其遺傳學方面（哈迪〔Hardy〕、賴特等）而言，是數量生物學中最先進的領域之一。當然，這個理論個能以物理－化學單位的術語加以陳述，而只能以生物個體的術語作出陳述。這類定律很大程度上已在生物學的若干分支學科中確立起來了，並且表明統計定律的未來發展，將使生物學成為一門精確科學。這些定律不是「物理的」，因為它們涉及的是那些只存在於生物學領域內的單位有關；但在充分發展的生物學領域中，由這些統計定律形成的理論系統具有與物理學的任何領域相同的邏輯結構。
定量定律的效果是明顯的。理解定量定律對於控制自然確實具有最重要的意義。正是由於人們確立了精確的定律並能預測未來事件，現代技術才有可能取得發展，人們才有可能控制非生命界。相似地，生物學定律的確立將能使我們越來越多地控制生命界。
人們通常斷言，數量生物學定律的陳述包含著把生物學還原為物理學和化學。這種看法幾乎不值一駁，因為數學是能普遍應用的工具，因而它能應用於任何領域，比如可應用於社會學或心理學，也可應用於物理學或化學。
對生物系統作分析處理和綜合處理之間存在著一種互補性。或者我們能夠從有機體中挑選出個別過程，從物理－化學方面作分析，這樣我們將會忽略極其複雜的整體；或者我們能夠陳述作為一個整體的生物系統的若干總定律。但這樣做，我們就不得不放棄從物理－化學上確定個別過程。
第一程序是生物化學、生物物理學和生理學所通常使用的方法。然而，經驗表明，這種研究方法並不能揭示「有生命」的基本特徵。生物學文獻不斷重唱這樣一種老調：儘管人們對有機體中有關的物理－化學因素作了廣泛的分析研究，但並沒有把握生物學特有的問題，這些問題有待於「將來研究」。例如，對滲透性的物理－比學因素的研究導出了這樣的結論：這些因素並不能充分解釋活細胞中物質的輸入和輸出，除了「物理滲透性」之外，還假設有一種調節的「生理滲透性」（赫口）或細胞的「腺樣」活動（科蘭德〔Col-larder」），；這顯然是一種把調節因素加到物理－化學過程中去的半活力論概念。正確的解釋可能是一種滲透性的系統理論（馮．貝培朗菲，1932年）：在活的、進行新陳代謝的細胞內所發現的物質，有序地和有規則的變換，似乎受存在於作為一個整體的有機體環境中的諸因素的集成所支配。——根據膠體化學對原生質的解樣，無法說明原生質為什麼是「活的」問題，即為什麼它不像無生命的膠體系統那樣達到平衡態，而是保持自身於連續的變化、不斷的分解、合成和再生的狀態之中的問題。——甚至有關細胞和有機體中發生的個別化學反應的最詳細的知識，也不能解答剛才提到的有機體新陳代謝的基本問題，即有機體在其組分變化中保存這種過程的自我調節和協調的問題。但是，有機體作為穩態反應系統的理論，可以說明這個問題（cf下卷）。——現代科學研究已揭示了組織者作用和基因依賴物質（gene-dependent substances）的化學性質。可是，發育和遺傳問題自然轉向反應復合物的另一方面問題，即對這些因素作出反應的底物的組織問題。人們在對實驗的單性生殖作了大量研究之後，卵的活化作用這一實際問題，即除了在滲透性、膠體狀態。呼吸等中的物理－化學變化之外，各種物理－化學因素在形成新的有機體的令人驚異的過程中實際上怎麼起作用的問題，還未解決。這種思考並不懷疑分析研究的必要性，分析研究是從理論上洞察控制生物現象的因素的基礎，同樣也是具有最大實際效果的領域（諸如□、激素和維生素、化學療法等領域）的基礎。但是，這些思考確實表明，分析程序需要對於作為一個整體的有機體及其總定律的研究作為一種互補。
於是，我們可以用下述方式解答前面提出的第一個問題（p.151）：生物定律不只是物理－化學定律的應用，相反地，我們在生物學中擁有一個特殊定律的領域，這並不意味著在活力意義上的二元論進入生命活動領域。而是表明生物學定律與物理學定律相比，是一種更高層次的定律（cf.pp172ff）。第三個層次由社會學領域構成。
現在來談第二個問題：生物學定律是否能最終「還原」為物理學定律。物理學的演進趨向於更加廣泛的統一，雖然還沒有完成這種統一，但在原則上使我們期望整個物理世界可能是由少數幾種終極元素和基本定律構成的。根據少數的物理常數，例如普朗克量子，質子和電子的質量，光速，等等，再加上有關的基本定律，首先可以推導出原子結構和元素週期系。從這些原子結構和化學元素週期系中又可以推導出多種多樣的化合物，晶體，剛體等等，直到行星系和星系。幾乎毋庸置疑，物理學定律和生物學定律兩大領域的融合最終是會實現的。因為，從科學的邏輯觀點看，以前分離的領域的綜合是科學發展的總趨勢。另一方面，從經驗的觀點看，業顯微形態學、病毒等領域，在無生命界和生命界之間形成了連結的環節。可是，這種基本假設並不排除首先確立生物層次上的定律的必要性。同時還有可能，甚至在某種程度上已得到證明：生物學問題和生物學領域的確切內涵，將導致物理學概念和定律系統的擴展。回想一下開放系統理論中的熱力學概括吧，它好像與迄今被人們認為是基本的物理世界的原理（諸如趨向於最大無序的原理）相矛盾的。由於熱力學似乎是經典物理學中的達到完美的一個領域，所以這一點就更加引人注意。因此，唯有科學自身的演進將表明，以何種方式能夠達到綜合。
數字和量度支配著數學物理學領域，指讀數則是數學物理學的最終基礎。在生物學中，定量定律的陳述也是一項重要的工作，而且我們看到，甚至可以在有機形態這樣的諸領域中發現這些定量定律。然而，看來有一系列特殊的生物學問題，對之進行處理的數學工具還有待於人們創造。許多最基本的生物學問題不是量的問題，而是「模式」、「位置」、「形狀」的問題。
例如，在有機體的等級秩序中（pp.37ff.），重要的不是量的問題，而是低層次與高層次的關係、集中化等等問題。在形態發生活動中（pp.62f），重要的問題既不是細胞數目，也不是形成物的數量與質量的關係，而是它們相對位置的變化；例如，當器官形成時，原腸胚表面擴展的各個器官部位或「區域」，在以一定的方式開始收縮的過程中，在胚胎中獲得一定的位置和形狀，等等。我們可以測量形態發生中按一定空間方位發生的變化。就形態發生的變化基於相對生長而言，我們發現它們受簡單的異速生長規律（p.138）的支配。這樣，系統發育和個體發育的變化，例如馬科的顱骨的增大，可以用簡單的公式表達。可是，形狀的變化當然不是單維的，而是按照多維空間中的許多矢量發生變化的、如果我們運用德阿爾西·湯普森（d』Arcy Thompson）的變形方法，這種變化能再次得以表達。比如說，始祖馬的顱骨投影成矩形的笛卡兒坐標系，通過這個坐標系的變形，它可以變形為現代馬的顱骨；在這變形過程中，出現的諸中間形態相當於馬科進化的系統發言諸階段。可是，這僅僅是一種描述的方法，它並沒有告訴我們有關決定變形的定律。我們想要知道的，並不是有關幾個可測矢量的方程，而是一種整合定律，該定律會向我們表明，為什麼從始祖馬到現代馬的轉變，相對於其他的、數學上可能是無數的轉變而言，是唯一在這進化系列中實際發生的轉變。
就我們所能考察的範圍而言，這些問題與拓撲學和解析部位（analysis situs）有一定關係；這就是說，它們涉及到流形（mani-fold）內的關係問題。它們好像是群論的部分問題，因為在方程系統的變換中出現了下變量問題。我們也可以考慮到數理邏輯的發展，正像伍傑將數理邏輯應用於生物概念的定義。最後，一般系統論（pp.199ff）在未來發展中具有重要的地位。這些問題有共同性，但它們的共同性不在於數量的性質，而是涉及到有序與位置的關係。
人們通常把「數學」等同於「關於量的科學」。就數學演進及其在物理學中的應用的一般歷程而言，這種看法是正確的。可是，從廣義上說，數學包括了所有的有序的演繹系統，而且像剛才指出的，還存在「非定量」數學的某些萌芽階段。在這個意義上，幾位作者（馮·貝塔朗菲，1928年，1930年；伍傑，1929年，1930－1931年；貝文克，1944年），以及其他後繼者加尼達姆和沃丁頓（Wadding-ton），已考慮到這種可能性：非定量的或格式塔的數學可能對於生物學理論具有重要的意義。正如貝文克所指出的，這種非定量的或格式塔的數學可能是這樣一種數學系統，在這個系統中，正像在極好地適合物理學需要的普通數量數學中那樣，並非量的概念，而是形式或有序的概念才是基本的。
物理學的例子暗示，在新領域中，往往必須發展與之相適應的數學，而這種數學通常是新的和前所未聞的，例如，波動力學的矩陣理論就是這樣的事例。
「當我們想到，處理物理學中的最基本系統必須要有數學的全新發展，發展要求數學物理學家作出最大的努力，看來僅僅應用常規的物理學和物理化學要想充分處理自然界中最複雜的系統——有機體，那是不可能的。只有通過生物學家、理論物理學家、數學家和邏輯學家的緊密合作，生物學的數學化才能實現」（馮·貝塔朗菲，1932年。）
當然，這是「未來的音樂」，只是想要指出有待於未來幾代生物學去完成的任務。總之，科學史證明，科學的進步在很大程度上取決於適當的理論抽像和符號體系的發展、正是解析幾何和微積分進展，使經典物理學有可能取得進步。相對論和量子理論是與非歐兒裡德幾例學、傅立葉（Fourier）分析，矩陣演算等等的發展相聯繫的。化學是隨著化學分子式語言的發明而取得發展的。相似地，遺傳學是靠孟德爾巧妙的抽像觀念和他創造的符號體系而成為一門精確的學科。另一方面，在像發育生理學那樣一些領域中，還缺乏嚴格的理論，是因為它們還沒有發現必要的抽像概念和符號體系。
這樣，有可能按以下思路對第二個問題（p.151）作出解答。正像前面說明的（pp.149f），新領域向物理學合併，往往不是通過一定原理的單純外推而實現的，而是以這樣的方式達到的：起初是新開拓的領域的自主發展，通過最後的綜合，使原先的領域也拓寬了。化學不是通過牛頓力學應用於原子而發展起來的。最初，創造出大量新的和特殊的構造概念和定律，最後達到統一，在此期間，原子從質點轉變成複雜的組織。生物學「機械論」預先假定一系列關於自然界的物理學定律，這些物理學定律只有正確地被應用於生命現象，才能對生命問題作出解釋。但是，並不存在這樣的定律系列，因而，在物理學與生物學兩個領域進行最後的綜合之前，我們不能預言物理學的概念系統將需要何種擴展。
對第三個問題（p.151）的解答是明確的。所有科學的任務都是要作出「解釋」。通過解釋，我們理解到特殊對於一般的從屬性，反之，又從一般推尋出特殊。因此，科學的確定形態是假說－演繹系統，即這樣一種理論構造：在這個理論構造中，可以通過引進特定的條件，從一般陳述中推導出能夠得到經驗檢驗的結論。在一定程度上，使用本國語言就能做到這一點。可是，由於詞的歧義性，以及這些詞按照句法結合起來並不嚴格遵循邏輯演繹的規則，因而會給假設－演繹系統的精確性帶來一定的限制。因此，只有當具有明確的和固定意義的符號按照同樣明確的遊戲規則連接起來時，才能達到科學的要求。數學可稱得上是這樣的系統。在這個意義上，康德關於每一自然學說只有達到像數學那樣的程度，才能稱得上是真正的科學的看法，是正確的。因為數學正是人們可獲得的關於實在的最高理性化形式。正是由於這個原因，現代物理學的數學形式主義，經常受到人們責難，並導致它的構造物的非直觀比特徵，其實，它既不是任意性的，也不是規避窘境，而是科學進步的必然伴隨物。可是，數學理論形式用符號反映實在是否恰當，我們不能先驗地告知，而只能由經驗來斷定。確實，就這方面而言，現代物理學不是沒有發生令人驚異的事情。如果牛頓被告知物理學基本定律不採取含有嚴格因果意義的微分方程形式，而採取矩陣和概率功能的形式，他可能會昏厥的。但是，未來生物學定律系統無論採取什麼形式，甚至它包括目前我們只能模糊地猜測的結構定律，它將具備邏輯演繹的特徵，具備「數學」的特徵，也將具備像物理學一樣的形式特徵。
3．微觀物理學和生物學
世界是受嚴格的物理學定律支配的，這些物理學定律遵循無情的因果法則；科學的最終目標是將所有現象，包括生命和精神的現象，分解成原子的盲目活動，而不給任何有目的性的東西留下餘地：這是構思世界的基礎。這種觀念在19世紀發展到了頂點，人們稱之為「機械論」。它的突出象徵是拉普拉斯精神的理想；拉普拉斯設想，只要掌握了所有的物理學定律，就能夠從某一瞬間原子的位置和速度，推測出整個宇宙在過去和未來的任何時間中的狀態。
新近科學的世界圖景發生的根本變化之一，是人們揭示了物理學不能闡明絕對精確的自然定律，而被迫默認統計定律。
這種知識是經由兩個階段而獲得的。經典物理學早已發現了熱力學第二定律的統計性質，與無序的分子熱運動相比，所有有方向性的能量處於不可幾的狀態。因此，更高的、有方向性的能量轉變為無方向性的熱運動並建立起熱平衡，這是一種向更可幾的狀態的轉變，在這過程中，具有不同動能的分子均勻分佈的程度逐漸增加。就這個由波爾茲曼（Boltzmann）提出的第二定律的推論而言，每個分子的活動路線是由力學定律嚴格決定的，這一點至今仍是無可置疑的。可是，事實上，由於大量分子及其相互作用，我們必須掌握表明大量分子平均活動狀態的統計定律。這個定律便是熱力學第二定律，它表明儘管分子運動是複雜多樣的，但它們的總趨勢是朝著熱平衡方向的。可是，在非常小的範圍內確實出現了對第二定律所要求的或然分佈的背離。出了這個原因，膠體中微小的粒子和細微的懸浮體處於在顯微鏡和超顯微鏡下可以觀察到的布朗運動，這是由於周圍分子的漲落造成的，它們處於無規則的熱運動中。它們由於受到分子的碰撞而無規則地撞擊，因而呈現為不停的曲折運動。這可以說是一種放大的分子運動圖像。正如納斯特（Nernst）、F．埃克斯納（Exner）以及其他人最早提出的，第二定律不是一種例外的情況，所有物理學定律都是具有統計性質的定律。
物理學決定論在量子理論中受到了根本的限制。如果我們談到基本的物理事件，我們會遇到兩個基本的和相互關聯的事實，第一個事實是，雖然宏觀物理過程好像是連續的，即機械能、光、電等能夠以任意選取的量進行傳遞，但這在基本的物理事件中受到了限制。例如，如果一個原子發射或吸收光，那麼這並不是以任何小量的方式發生的，而是以基本的單位發生的；要麼放射和吸收光量子的整數的能量，要麼就完全不進行放射和吸收。第二個事實是，原則上不可能用決定論的方式表示基本物理事件。簡單的例子是放射性衰變。在這放射性衰變的過程中，鐳原子核通過一種爆炸性的過程，放射出一個a－粒子，並由此變成氡。比如說，如果我們有一毫克鐳，那麼我們可以肯定地說，在大約1590年內，這個大量原子的聚集體將有一半衰變掉了。但是，我們不能說，某個原子是否過一會兒就會衰變或許要到幾千年後才會衰變。即使我們能夠確定原子核在任何一個瞬間的狀態，也根本不可能預言它什麼時候會發生衰變。因為，如果這裡還有深一層的因果決定關係，那麼，衰變將取決於時間，取決於外部因素諸如溫度等。但情況並不是如此。我們只能說，一定數量的原子經過一定的單位時間會以同樣的百分比發生衰變。
因此，依據現代物理學的證明，我們能對宏觀物理事件作出單義的預言，即宏觀物理事件涉及實際上無數基本的物理單位，因為在這樣的事件中，統計性的漲落被拉平了。由於這個原因，經典物理學的定律，例如力學定律，好像具有嚴格的因果關係或決定論的特徵。但是，就微觀物理事件而言，它涉及個別的基本物理單位，不能作出單義的預言，而只能得出統計性的概率。這裡有效的定律，只能夠確定大量基本粒子的平均行為；只要指出一定的幾率，就能夠預言某一個別單位的行為。
這是以粗略的輪廓，將決定論即經典物理學的嚴格因果律，與非決定論即現代物理學的統計定律作了對照。那麼，物理學的這種根本變化對生物學有什麼意義呢？
活機體是由難以想像的大量的分子和原子構成的，這些分子和原子的排列順序大約有一百萬的四次冪（10[24]）。因此，對於大多數生物現象，諸如新陳代謝、生長、形態發生、多數的應激性，等等，顯然必須應用經典物理學定律樣式的決定論定律。
但是，有某些生物現象可能屬於例外。本作者早在ig27年，甚至在海森堡（Heisenberg）關係式表述（這形成了物理學的現代非決定論的基礎）之前，就提出了「物理學革命對生物學的影響」的問題。1932年他論證應當重視可能性問題，「有機體內的微觀物理事件可以傳遞到該系統更廣的範圍，因而被導入物理統計概率的領域。」物理學家帕斯考爾·約爾丹（Pascual Jordan）把這種觀念發展成「有機體的放大器理論」，按照這種理論，控制中心的微觀物理事件，例如基因，在有機體系統內被放大成宏觀效應。玻爾、薛定諤等物理學家發展了相似的觀念。這裡，可以等慮兩類物理學的不確定性，即分子運動論的「經典」漲落和量子物理學的不確定性研究表明，在某些生物過程中，微觀物理事件實際上是起決定作用的。
這方面的第一個和最重要的領域，是由蒂莫菲夫－雷索弗斯基及其同事精心研究的放射遺傳學，即用波長很短的射線（如X射線、鐳射線或中子射線）誘發突變。這些研究產生了有關突變的「擊中理論」（「hit theory」）輻射對生物客體的作用，可以與轟擊感光物質相比。輻射是由作為不連續的能量單位的量子構成的。正像對實驗的數學分析所表明的，單個量子擊中基因的敏感區域足以引起一個突變。因此，突變的誘發服從於微觀物理學的統計規律；然而，這些微觀物理事件由生命系統的組織放大成宏觀效應，因而，由輻射誘發的突變會在宏觀物理水平上顯現出來，比如，經過輻射處理的果蠅，它們後代的翅形或眼色發生了變化。
生物學受微觀物理事件控制似乎已被確認的第二個領域是微生物遭破壞的領域。例如，如果培養的細菌經受輻射或被消毒，細胞便會先後被殺死。最簡單的解釋可能是各單個細胞對毒劑具有不同的敏感性。如果是這樣的話，細胞的敏感性，從而細胞死亡的時間，就會遵循為一條變化的曲線，絕大多數個體顯示出中間程度的敏感性和倖存時間，而少數個體顯現出非常高或非常低的敏感性和相應的較短或較長的倖存時間。可是，實際上細菌的死亡曲線是可與鐳原子衰變（p.164）的曲線相比的指數曲線，即每單位時間內被殺死的細胞數，與現存的細胞數成簡單比。這表明，細胞的破壞是作為一種偶然事件發生的，它是由「擊中」敏感中心而引起的。
應當把微觀物理現象考慮進去的第三個生物學領域，也許是由馮·貝塔朗菲提出的（1937年）。例如，如果動物在定向刺激（例如光源的影響）下產生定向的活動，那麼結果是動物會根據它對刺激作出向性反應還是拒性反應，決定趨向於光源還是離開光源。可是，動物在均一的環境中，例如，在黑暗的環境中或充滿光亮的環境中，通常表現出「自發」的活動，在無可辨認的外界刺激的情況下這種自發活動的方向與速度都發生不規則的變化。假設在沒有定向的光標誌的情況下，動物不能把相等強度的脈衝傳遞給兩側的運動器官，以此來解釋動物的上述行為，看來是頗為誘人的。在某一瞬間傳入軀體右半部和左半部的脈衝之間的差異越大，脈衝傳遞的通路就越是轉向不太活動的一邊。同一動物在奔跑中出現的無規則的方向變化，表明不能把動物對直線的偏離歸因於存留的形態條件（諸如側面不對稱）；這些偏離必定依賴於神經系統中變化著的生理狀況。而且，我們知道，甚至在未受刺激的神經中樞裡，也出現象征自發興奮的活動電流的無規則的連連發射。因此，可以設想中樞神經系統中發生的自發放電，是由持續不斷的新陳代謝過程造成的。由於這些放電量是微小的，它們不等地分佈在軀體兩側，因此引起跑動中的不規則變化。另一方面，如果施加一種外界刺激，比如光源的刺激，就會在一側造成一種確定的較強的興奮，從而導致動物直線的運動。但是，即使在這種情況中，仍可看到運動方向和速度的變化，這種變化不能被認為是由外界刺激引起的，而可能是由神經中樞興奮過程中的自發波動造成的。
因此，在某些生物學領域內很有必要把微觀物理事件考慮進去。然而，我們並不確信能以這種方式或從任何其他單一特徵中找出關於「生命問題」的解決辦法。首先，我們必須謹防有人常常鼓吹物理學的不確定性和自由意志之間有類似性的觀點，其實，這是兩個處於絕對不同層次上的問題。物理學的非決定論表明，能夠用物理規律說明的，只是集合體的統計行為，而不是個別的事件。另一方面，倫理學中的自由意志概念，並不意味著事件在統計學意義上是隨機的，而恰恰意味著事件服從於一定的規範；它的真實含意是：在一定境況中發生的行為，不是偶然的，而是由某種道德準則決定的。如果假定自由意志可以在物理學因果性留下的缺口起干預作用，這就等於活力論假定物質活動是受隱得來希控制的。我們還不能通過嚴格地論證生物界不存在隱得來希活動來駁倒活力論的假設。由於我們不能對有機體作出拉普拉斯式的預言，我們也不能完全通現有機體的物理構造，因而，總有可能用假設的活力論因素的「干預」來填補我們知識的空隙，甚至傳統的決定論也確認這點。相似地，我們根據科學資料也不能駁倒這樣的觀念，微觀物理學事件，是由自由意志決定的，而不是由物理學的統計規律決定的。然而，這兩種假設都是混淆概念（metabasis eisallo genos），因為物理事件和精神感受處於實在的兩個不同的層次。物理學只涉及客觀現象及其規律；精神因素對物理事件的干預——不管這是指傳統解釋中精神因素干預物質原子的方向，還是指現代解釋中精神因素介入微觀事件——都超出了物理學理論的範圍。關於物理學和心理學、自然與精神的關係，將在下文（下一卷）從機體論觀點加以表述。
4．方法論問題與形而上學問題
生物學機械論和活力論之間的對立是有兩重根源的。它既是方法論問題，又是形而上學問題。
方法論問題涉及這樣的問題：解釋生物現象，要應用什麼原理和定律？這個問題在上幾節中作了詳細討論。這方面的討論不是沒有必要的。因為物理學和生物學、無生命界與生命界之間的關係，屬於科學思想的基本問題，每個時代的人們都必須以自己的方式對這些基本問題作出解答。然而，看來宜重提曾在別處發出的警告（馮·貝塔朗菲，1932年）：
「關於生物定律經過最後的分析是否成為物理定律的一爭論——這種爭論構成了理論生物學的主要部分——看來是相當無成果的。因為，俗話說得好：『未能逮住他，休想處置他。』機體論概念實際上所力求的是比對未來所作的無把握的、消極的預言更為實質的東西，即目前積極研究的萬案。它指明這樣的事實：對有機體中孤立過程的物理－化學解釋，實際上幾乎是迄今人們唯一使用的研究方法，這無助於人們洞見使這些孤立過程轉變為生物現象的有序規律，而發現有機體的系統規律正是生物學的基本任務，但這個任務迄今難以引起『機械論』生物學的關注。」
另一人面是形而上學問題，即世界上每一算件，包括生物事件在內，是否單義地由最終的物理單位和它們之間遵循自然規律發生作用的力決定的，或者在生命領域中是否有其他實在的要素，最終是心理性質的要素起作用，以指導這些粒子的活動。這個問題是無意義的、因為這兩種概念都以經典物理學的機械論概念為基礎，而且從現代物理學和認識論來看，這兩種概念使用時沒有一個是一致的。關於世界的過程是否「單義地」由最終的物理單位決定的問題變成無效了，因為這是一個既不能證明也不能反駁的陳述，即使原則上說也不能把最終物理事件看作是完全決定性的事件。「自然定律」更不表示任何力（不管這些力被認為是因果力還是終極力）的表現形式是擬人化的：因果力是模仿我對某個東西作出的推力的映像，終極力則是模仿我們自己有目的的活動。在現代物理學中，自然定律體現為現象之間形式關係的符號表述。自然定律終究是關於某些集合體的統計陳述，而不是關於引起事件過程的因素的陳述。最後，最終的物理單位不是作為形而上學實在的「物質原子」，它們只能用數學表達式從形式上加以描述，物理學並不能說出它們的「內部性質」。因此，形而上學機械論和活力論之間的對立變成一個假問題，因為它的前提即作為形而上學實在的惰性物質與起指導作用的心理動因之間的形而上學的二元論，是以不復存在的物理學世界觀為基礎的。
有時人們說，機體論概念不能真正解決機械論與活力論的爭論。實際上，機體論概念不適合通常的二者擇一。「機械論者」想要把生命現象分解成物理學和化學，發現某種擾動規律和模式的指稱物，這種指稱物超越了物理學和化學，因而在他看來是屬於活力論的。另一方面，「活力論者」把這些特殊的生物學規律看作是機械論的，因為這些規律是從物理－化學規律中突現出來的，就它們的邏輯結構而言，生物學定律與物理－化學定律並沒有什麼不同。可是，實際上在更高水平上克服機械論與活力論的二者擇一，正是機體論概念的核心。對於生命形態的特殊規律，機械論者持否認態度。活力論者認為這種特殊規律是超出科學範圍之外的。而在機體論概念中，生命形態的特殊規律成為可以進行科學研究的問題。
由此提出了一種新的方法觀。機體論方法是要發現精確表述關於作為一個整體的有機體系統的諸定律。「精確」這個詞是嚴格採用的，而且是指它在物理學中使用的意義。但是，與孤立現象的研究（雖然這種研究總是心要的，是應當盡可能提出的）相比較，機體論方法是一種新的研究準則，這種準則已在許多領域被證明是行之有效的。
就有關哲學問題而論，對機體論慨念說明的每件事科學家都有權發表意見。機體論者不對事物的「本質」作出陳述，因而也不對生命與非生命之間「本質」區別的問題作出陳述。實際上，機械論與活力論的二者擇一不是兩種科學解釋之間的爭論，其中一個試圖用物理－化學定律解釋生命現象，另一個企圖用其他某種特殊類型的定律說明生命現象。真正的區別，在於科學的解釋和擬人化的「理解」之間的區別。科學只限於對客觀現象的描述和解釋，「解釋」意味著使這些現象符合某種理論體系（p.161）。活力論者的任務是不同的：他想要做的是理解事物的「內在本質」，按照我們自己內心體驗的映像去作解釋。在形而上學範圍內，對實在的心理解釋，可能會發現科學不容許的地方。那麼，這就不再是科學的解釋，而是神話情趣的生動表達，是無法言傳的隱喻和比喻。這是科學與詩之間奇異混合的見解，活力論正因持有這種見解而衰弱。活力論不是在客觀自然界中，而是在超自然的中命原理中尋求有機整體性，它不能為生物學理論提供基礎。另一方面，活力論通過將活力合理化而作出了膚淺的形而上學直覺，並試圖把活力作為因果引入科學。這種神話的和形而上學的實在觀，可能是真的，也可能是虛幻的——這不是一個科學問題。
5．科學--統計的等級體系
所有自然定律都是統計性定律。它們是關於集合體的平均行為的陳述。整個科學表現為一個統計的等級體系。
在這個等級體系的第一層次是微觀物理學的統計學。在基本物理事件的領域中，決定論的處理在原則上是不可能的。如上所述，微觀物理事件也介入某些生物現象。
第二層次由宏觀物理學定律即其中涉及到大量基本物理單位的宏觀物理現象的定律構成。這些定律本質上也是統計的。可是，由於統計漲落因大數定律而被拉平，所以宏觀物理定律具有明顯的決定論特徵。與基本物理事件的統計學相比，宏觀物理學定律處於更高的層次。例如，宏觀力學定律或流體力學定律不再考慮基本物理事件，原因很簡單：我們不能，也不需要追蹤每一個分子，而只需要對該系統作總的統計處理。
更高的一個層次是生物學領域。如前所述（p．155），一方面我們能分離單個過程，並用物理學和化學的術語對之下定義。另一方面，我們能在確定生物系統所包含的個別的物理－化學過程之前，陳述作為一個整體的生物系統的總定律。
最後，存在著適用於超個體生命單位的定律。例如，我們可以陳述某個生物群落中各個種群的生長定律（p.52），或某個人類種群中死亡發生率的定律。這種定律是保險統計學的基礎，因而它具有重要的實用價值和商業性價值。這裡考慮的單位是個別的有機體，而這些定律不可能，也不必要考慮有關生理的或物理－化學的過程。
這樣，在不同的生物層次上可以建立起精確的、定量的定律，並構成一個假說－演繹系統。就這方面而言，生物學定律可以與物理學定律相比，但與後者相比，生物學定律涉及更高層次的單位。
在這統計的等級體系中，我們發現了一個值得注意的現象，我們可以把它描述為自由度增加的現象。
例如，普通化學的化合物是用結構式來表示的，這種結構式單義地確定化合的原子數或基團數。這甚至適用於複雜的有機分子。可是，進入大分子化合物（p 26），統計值取代了刻板的結構式。例如，人們只能說，按平均數計算，三百個糖殘基通過一個共價鍵鏈而化合，在植物纖維素的一個分子團中，平均大約有六十個共價鍵鏈。
空間排列也是如此。礦物晶體是三維晶格。相反地，在有機領域，「中介形態」即僅有二維或一維的大分子排列，起了決定性的作用。例如，它們形成大量的小纖維結構，這些小纖維結構在細胞構造和有機體中是至關重要的，它們支撐著組織、肌肉、神經等等；在這些小纖維中，線狀分子是平行於軸線有序地排列的，而不是無序地朝其他方向排列的。
對化學過程也可以作相應的考慮這裡，我們發現自由度隨著複雜性的增加而增加。有機體內的化學過程是靠催化作用進行的，反應要麼慢慢加速，要麼就不發生加速。簡單的催化作用，諸如，用多孔的鉑使氫和氧化合成水，只能以一種方式發生。可是，化學工業中應用的比較複雜的催化活動，尤其是活機體內發生的催化活動，有幾種可能的反應方式。例如，在適當的溫度和壓力下，一氧化碳和氫可以化合成甲烷，或甲醇，也可以化合成（分子式）較高的乙醇，或液態的碳氧化合物。用鎳催化劑只能產生甲烷，氧化鋅－氧化鉻催化劑幾乎只能產生純甲醇，等等（米塔施）。在這類系統中有幾種在熱力學上是可能的反應方式，其中會發生哪一種反應，取決於所用的催化劑。工業化學家的技術就在於選擇適合於一定目的的催化劑系統。相似地，有機體內通過多種可能的萬式得以進行的化學反應，是生理過程的重要基礎。
晶體的外部形態是由晶格決定的分子排列的表現。例如，氯化鈉的晶格表現為微型的立方體，宏觀晶體也具有立方體形狀。有機形態是極其多種多樣的、它們作為一個整體是由其組分排列的非常多樣的變化決定的。例如，我們可以回想菌蓋的形狀，這種形狀是預先確定的，是該物種的特徵，它是由菌絲構成的。菌絲是朝各個方間生長的，它們的排列是無規律的。我們可以從以下方面說明無機形狀與有機形狀的區別。前者的結構即內部排列的規律是不變的，它的形態或外部形狀是結構的表現，並且是可變的。在這個意義上，例如，晶體結構是由晶格決定的，我們在大多數晶體中看到的變形早非本質的。與此相對照，在生命系統中，結構是可變的，而形狀則是確定的。好比說，後者表現為一個模子，期中塞滿了在很大程度上可以改變數量和排列的細胞。值得注意的是，高分子化合物在這方面也是中間體。就蛋白質而言，這個共同的「模子」可以塞滿不同的氨基酸。例如，毛髮的角蛋白，肌肉纖維的有收縮力的肌漿球蛋白。血液凝結的血纖維蛋白原，雖然它們的化學和物理的性質不同，但都具有同樣的分子構型（阿斯特伯裡〔Astbury〕）。磺胺類藥的化學治療作用很可能由磺胺分子和細菌生長物質的分了之間結構的相似性造成的；因此。前者可以取代後者，從而抑制了細菌的生長和繁殖。
自由度以不同的方式增加還表現在等終局性上。有鑒於封閉系統向終態的發展是由初始條件決定的，開放系統能夠以不同的方式達到相同的終態。
最後，我們發現了系統發育和歷史發展的可比現象、某些總規律看來是確定不移的；但是，它們在特定條件下的實現取決於偶然性：在系統發育中，取決於適當的突變出現，在歷史發展中，取決於具有統治能力的人物的出現。
這樣，在統計的等級體系中，自由度好像隨著我們進入更高的層次而逐步增加；這不是基本物理事件的非決定性意義上的自由度增加，而是作為一個整體的過程遵循確定的規律意義上的自由度增加。但是，對個別事件來說，仍留有個同的可能性。
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