生物学的时空尺度

巨蛇形象在心灵和文化上的重要性，超越了自然界的蛇类。我们可以把了解“它如何由地上的爬行类动物转变而来”的过程，视为穿过科学和人文边界地带的多种途径之一。我们先前计划从魔术师走到原子，现在我们已经跟着巨蛇的形象走了相当长的一段距离，接着我们将进到生物科学的领域。这里有较佳的地图，所以前进相对而言也容易些。在数百万小时的劳动和数十亿美元的支助下，生物医学研究获得了许多诺贝尔奖，也为我们指出了从身体和器官往下经过细胞走到分子和原子的科学道路。我们现在已经具有人类神经细胞一般结构的详细图解，也对神经细胞的放电和突触上的化学反应有部分的了解，并且可以采用物理学和化学原理来加以描述。我们已经将舞台准备好了，接下来要进攻最重要但无解的生物学问题：大脑中数千亿个神经细胞如何一起产生功效而生成意识？

我说这是最重要的问题，是因为宇宙内的已知系统中，最复杂的是生物系统，而所有生物现象中，最复杂的是人类的心灵。如果大脑和心灵在本质上是生物现象，那么我们必须仰赖生物科学，才能圆满结合所有的学术分支，上至人文学科，下至自然科学。生物学内的各个领域现在已经大致融通，而且程度上逐年增长，因为这个事实，结合各学科的任务也变得较容易些。接下来，我将解释这个现象是如何形成的。

生物科学间的融通，是建立在对不同时空尺度的透彻了解上。当我们由一个层次进到另一个层次时，例如由分子进到细胞，或由器官进到生物体，需要正确地安排时空上的变化。为了清楚表达我的想法，我要再度造访阿玛林果这位魔术师、艺术家和友善的生物体；这将是最后一次造访。假设我们可以加快或放慢自己和他相处的时间，同时可以将他体内和四周的空间扩大或缩小，那么，我们将进入他的房子，和他握手，然后，阿玛林果让我们看一幅画；这些动作花了几秒钟或几分钟。这个事实很明显，为什么要特别提出？如果用另一种方式来问，问题可能会显得较有意义：为什么这些熟悉的动作花去的时间不是百万分之一秒，也不是数月？答案是：因为人类由数十亿个细胞组成，而细胞之间的沟通则靠穿越细胞膜的化学物质和电脉冲来达成。和阿玛林果见面说话所涉及的一系列事件，都是历时数秒到数分钟的单元，而不是历时数微秒或数月。我们也许认为这个时间尺度很正常，而且多少把它当成我们所居住的世界内的标准。其实不然，乃因其中涉及我们以及阿玛林果，而我们全都是有机的机器，所面对的则是有机体的时间。同时，因为我们用来沟通的工具所占的面积和体积，大小在数毫米到数米之间，而不是数纳米或数公里，因此我们那不受外界协助的心灵，就完全生活在一个有机体的空间内。

现在，假设我们获得了最佳的仪器可以观测阿玛林果的脑部活动（当然还要阿玛林果的许可！），并且在放大图像之后，可以看到其中最小的神经纤维。接着，我们看到了组成神经的细胞，最后还看到了分子和原子。我们观测到神经细胞的放电过程：当钠离子流入细胞膜时，横越细胞的电压则跟着下降。在神经细胞这个通道的每个点上，放电现象的发生只需要千分之几秒，然而它们所产生的电讯，也就是电压的下降，则以每秒几十米的速度快速沿着神经通道前进，跑得和奥林匹克的短跑选手一样快。现在，假设我们的视野只有原先的万分之一，而且事情因发生得飞快而看不清，神经细胞的放电过程，比来复枪的子弹更快速地穿越我们的视野。为了实际看到这个过程，我们必须录像，并且把放映速度调得足够慢，才能看到原先发生在数千分之一秒或更短时间内的事件——别忘了，我们观测者亦是人类，仍然处在有机体的时间尺度内。现在，我们进到了生化时间，如果要观测生化空间内的事件，就必须进入生化时间。(www.daowen.com)

在这神奇的一刻，阿玛林果继续不停地说话，几乎丝毫没有察觉到我们在行动上加速了1000倍所产生的变化。在他的时间尺度里，这段时间只够他说一两个字。接着我们把时空的转盘往反方向扭转，直到阿玛林果的整体形象再度出现，而他的话再度以可聆听的速度穿过我们的心灵。我们继续转动转盘，于是阿玛林果等比例缩小，不平稳而且急急忙忙地快速走出房间，就像早期默片中的演员。他这么做，也许是出自一种挫折感，因为我们现在已经像大理石雕像般地冻结住了。我们的视野继续扩大。让我们朝空中升腾，以扩增空间。我们的视野大到能够包含整个普卡帕城（Pucallpa），接着又包含了一大片乌卡亚利河谷（Rio Ucayali valley）。旧的房子消失了，又有新的房子出现。白天和夜晚混合成连续的黄昏，这是因为白天和黑夜的交替太快，超出了我们在有机体时间尺度下视觉的闪光融合频率（flickerfusion frequency）。阿玛林果变老了，去世了。他的子女变老了，也去世了。附近的热带丛林发生了变化。大树倒伏后，空地出现了，树苗随之发育，空地又消失了。现在我们已经进入了生态时间。我们继续转动转盘，时空继续放大。我们不再能分辨出单独的个人和其他生物体，只能看到模糊的族群，有巨蟒、死藤水、爬藤，以及秘鲁中部的族群，同时，还可以看到这些族群的世代交替；对他们而言是一个世纪的时间，在我们看来则是一分钟。他们有某一部分的基因正在发生变化，比如种类和相对出现的频率。脱离了其他人类，也脱离了他们所具有的情绪之后，我们终于像钟一般，看到了进化时空尺度中的世界。

借着这个时空尺度的观念，生物科学在过去的50年当中变得融通了。根据在分析上所采用的时空尺度大小，生物学内的基本划分可以由上而下列为：进化生物学、生态学、有机生物学（organismic biology）、细胞生物学、分子生物学和生物化学。这个排列次序也是专业学会以及各学院和大学课程的组织根据。各科系间融通的程度，可以根据各科系的原则与其他科系的原则的相容程度来评估。[1]

[1]我第一次利用时空尺度的变化产生图像上的奇幻效果，是在Biophilia (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1984）一书。