「第二信使」的語義構建與科學修辭

「第二信使」的語義構建與科學修辭

楊維恆

作者簡介：楊維恆(1986- )，男，山西稷山人，哲學博士，山西大學科學技術哲學研究中心講師，研究方向為科學哲學。太原 030006

人大複印：《科學技術哲學》2017 年 03 期

原發期刊：《科學技術哲學研究》2016 年第 20166 期 第 28-33 頁

關鍵詞：第二信使/ 薩瑟蘭/ 科學修辭/ second messenger/ Sutherland/ rhetoric of science/

摘要：20世紀40年代，中間代謝和內分泌學作為兩個不同的學科，擁有著各自不同的實驗研究體系和學科語言系統。薩瑟蘭作為中間代謝領域的一名研究者，使用內分泌學的學科語言首次提出了「第二信使」的概念。在「第二信使」知識構建的過程中，科學修辭起到了非常重要的作用。然而，這並不暗示修辭就是一切。只有對生化技術的嫻熟運用，才使得薩瑟蘭得到一個觀察。而這個觀察作為發現的硬核，通過科學修辭的手法在新的語境下被重新解釋，從而最終形成一個新的知識構建。

「第二信使」的出現距今已經經過了51年的時間。這一概念的提出為生物學中細胞信號的轉導做出了重要貢獻，至今在內分泌學中仍然被廣泛地運用。然而，這一概念最初卻是由一位對激素感興趣的生化學家——薩瑟蘭(Earl A.Sutherland)，在一次會議發言中提出的。在這次會議中，薩瑟蘭作為一名中間代謝領域的研究者，沒有使用他所在學科的語言，而是使用內分泌學的學科語言，首次提出了cAMP對激素行為發揮「第二信使」(second messenger)的作用。[1]623-626他指出：「簡而言之，在激素控制的表達中，自然(nature)總是使用一個『二信使系統』(two-messenger system)。」[1]623顯然，這樣的表述具有明顯的修辭作用。它使得「第二信使」更像是有待於被發現的自然界客觀實體。同樣，在一份實驗報告中顯然通常也不允許像薩瑟蘭對「自然」概念這樣的使用。也就是說，在一次綜述性的會議發言中，薩瑟蘭在沒有任何理論和實驗的依據下，提出了「第二信使」的語義構建。在這個過程中，「第二信使」的語義構建並沒有同薩瑟蘭之前的實驗工作相關聯，也沒有來自於新的實驗數據，而僅僅是使用新的語言對舊的實驗數據的一種再語境化表達。正是這種再語境化的表達，使得1956年發現的分子在1964年又變成了新的發現。而這個發現，僅僅在7年之後就被授予了諾貝爾生理學和醫學獎。

一、「第二信使」的語義跨界——中間代謝與內分泌學：兩個不同的研究傳統

20世紀40年代初，中間代謝的研究領域就已經建立了很好的學科語言。人們約定中間代謝的研究目標就是闡釋中間體的本質，並且研究糖、脂肪、蛋白質在新陳代謝中的轉化過程。新陳代謝被看作是一套協調的有順序的酶催化反應。在這個反應中最初的物質經過中間物質被逐漸地轉化成最終物質。其中每個轉化都需要一種特殊的酶。這些催化反應的序列被稱作新陳代謝的路徑。合成反應需要能量，分解反應能夠釋放能量。能量和酶始終是這個學科論述的兩個關鍵詞。同一時期，內分泌學的研究也經歷了一個黃金階段。大量的激素被相繼發現。對這些激素生理功能的研究也在不斷提高著人們對內分泌的認識。但是，這兩個學科卻有著各自不同的實驗研究體系及學科語言系統。就像羅伯特·科勒(Robert Kohler)所指出的那樣：對中間代謝的研究是傳統的生化學家所關注的領域，他們不受制於要使用動物的吃力技術，然後能夠迅速地去闡明生物個體合成路徑的各個階段；而與此相反，內分泌學依然是一個醫學和生理學學科，並且內分泌學科所獲得的一切幾乎都來自於生化學家。[2]

在器官和細胞間交流的思想一直以來在內分泌學中都佔據著支配地位。1905年，斯塔林(Ernest Starling)在克魯尼安講座(Croonian Lectures)中提出了「化學信使」(chemical messengers)術語，用來指明與生物體功能相關聯的化學物質。之後根據一位語言學家的建議，他將由內分泌腺體分泌的「化學信使」最終命名為「激素」。由於斯塔林的貢獻，在20世紀30年代，「化學關聯」(Chemical Correlation)的思想已經進入內分泌學。當時內分泌學已經發展成在細胞間和器官間進行「化學交流」(chemical communication)的科學。到了20世紀40年代初期，信息理論的術語開始滲入內分泌學的語言。

然而，在20世紀40年代，相比於中間代謝的研究者而言，內分泌學家並沒有自己的生化實驗系統。他們通過對激素生理功能的研究為生化學家提供新的分析對象。在20世紀40年代初期，多數激素的結構就都已被闡明。這樣一來，在生化知識和激素生理機能之間就形成了鮮明的對比——對於激素作用機理的知識人們了解得非常有限。內分泌學家認為激素應該是在細胞和生化的水平上作用於靶器，所以，他們面臨的很大的問題是這些物質代謝的途徑在體內如何保持平衡、激素是如何作用的?就在這一時期，一些生化學家開始進入內分泌學尋找新的研究領域。他們希望通過在無細胞的環境下對酶和中間代謝的研究去解決激素的作用機理。二戰以後，離心技術和超速離心技術的發展使得生化學家對之前稱之為「細胞質」的物質有了更精確的研究。此時，中間代謝的研究者不僅假設化學反應的過程在細胞環境和無細胞環境下是一樣的，並且還假設化學反應的發生在實驗室與在有生命的生物組織中是相同的，尤其是活細胞的功能能夠並且也應該通過有序的生化反應來解釋，因此生命能夠也應該在試管中得以研究。薩瑟蘭便是這一運動的一個引領者。他的目標就是在試管中研究激素的作用。而他特定的學習和工作經歷，為日後「第二信使」的提出奠定了堅實的基礎。

1942年薩瑟蘭在華盛頓大學獲得了自己的醫學博士學位。此時科里夫婦(Carl Ferdinard Cori和Gerty Theresa Cori)以及他們的團隊也在那裡工作。在這一時期薩瑟蘭就跟隨科里夫婦工作，但是之後由於二戰的原因他到美國的一個醫療隊伍中去服役。在諾貝爾獎演說中，他曾說道：我回到了聖路易斯，但是並不能決定應該從事醫療實踐還是進入科學研究。科里使我確信科學研究是我前進的正確方向。……科里實驗室的學術環境、年輕人「臨界質量」(critical mass)的存在以及工作在那裡有才華的研究者都極有利於這一決定。[3]不難想像，他的醫學訓練讓他比大多數的生化學家擁有更多關於內分泌學的知識。而在著名生化實驗室中關於中間代謝領域高度嚴格的實驗訓練，也使他擁有的生化實驗素養以及使用的技術設備和實驗工具都是內分泌學家無法獲得的。這也使得日後他能夠在兩個學科之間隨心穿移。

儘管，在科里實驗室中薩瑟蘭很快就成為中間代謝和酶化學領域的專家，但是他一直以來對激素都很感興趣。後來他明確表示過：在學生時期，我對激素的行為就很感興趣，也很感困惑。[4]而作為一名中間代謝領域工作的生化學家，薩瑟蘭也遵循著這一領域的學科規範以及學科語言。他認為，激素激活酶，並且在試管中應該能夠再現這些作用。這些在他的諾貝爾獎演說中就可以清楚地看出：大約在25年前，我第一次進入激素作用的研究，當時在生物學家之間有個普遍的感受，那就是激素作用不能在無組織的細胞結構中有意義地被研究。然而，我仔細思考了生化的歷史，在我看來激素在細胞的水平上作用是真正具有可能性的。[3]

在20世紀30年代末科里夫婦就已經闡明了肝糖原在肝臟中降解和合成的步驟。他們使用肝臟切片已經基本弄清了糖原分解的機理，並因此獲得了1947年的諾貝爾生理學與醫學獎。但是，激素促進糖原分解的機制並不清楚。薩瑟蘭在科里夫婦研究的基礎上，決定繼續使用肝臟切片去研究高血糖激素對肝臟的作用。因為，高血糖激素對肝糖原的分解和葡萄糖的產生快速、明顯，並且又具有很好的可重複性。在研究的過程中，薩瑟蘭採取了一種漸進的策略。他先向內分泌學家證明他研究的兩個高血糖因子確實是激素。為了實現這個目的，在1949年的一篇會議論文中，他沒有使用中間代謝的學科語言，而是盡量使用內分泌學家的論述去說服他們。他強調兩個高血糖因子的行為依賴於完整的細胞組織。與此同時，他更深一層的意思是可以使用中間代謝領域研究中被證明是成功的概念和技術來研究激素的作用。[5]441-443在文章最後，他明確地指出：「雖然，在細胞提取物中很多生物物質的中間代謝已經被成功地研究，但是在這些系統中再現激素的生理效果在很大程度上是不成功的。文章的目的是討論高血糖——肝糖原分解因素與腎上腺素對肝糖原分解的作用，強調在中間代謝中關於它們作用的解決方法」[5]441。然而，會議的討論表明內分泌學家主要感興趣的是高血糖因子的生理作用以及「真正的激素只作用於完整的細胞，這可能應該是對於激素的標準之一」。薩瑟蘭回復道：「我不想暗示激素不能作用於完整的細胞之外。我只是說，除了在完整的細胞中，很難證明其生理意義的效果。我認為，我們應該不斷地期待著能夠在生命系統之外建立模擬系統來證明這些效果。」[5]462-463

1951年，薩瑟蘭最早將激素與酶的活性聯繫在一起。他證明了在高血糖激素的作用下肝臟磷酸化酶的活性明確而又快速的上升，肝臟磷酸化酶是參與糖原轉化成葡萄糖最後一步的酶。對於內分泌學家而言，這已經證明了在完整的細胞結構中激素作用酶的理論。但是對於薩瑟蘭而言，他並不滿足於此。1956年，薩瑟蘭第一次嘗試在無細胞系統中研究激素對酶的作用。他將肝臟勻漿離心處理，在得到的上清液中加入激素，此時激素的激活效應消失。但是，他並沒有公布這一負面結果。而是和他的同事們進行了更多的實驗研究來解釋失敗。為什麼在無組織的細胞漿液中激素就失去了對酶的激活作用?薩瑟蘭猜測，在激素和酶之間還有中間的作用環節，而這個環節很有可能就在細胞膜上。他將高血糖激素與細胞膜在適當的條件下進行反應，然後用高溫將高血糖激素與細胞膜上的所有酶都處理掉，再用處理後的成分與酶發生反應，結果酶的活性大大增加。這樣就可以得出：高血糖激素並沒有直接作用於肝磷酸化酶，而是通過某個既不是激素也不是酶的中間因子。這種未知的、意想不到的分子究竟是什麼?薩瑟蘭他們也不知道，只是將這個分子命名為「熱穩定」(heat-stable)因子。1957年，他們發表了題為「腎上腺素和胰高血糖素對肝磷酸化酶的關係」(The Relationship of Epinephrine and Glucagon to Liver Phosphorylase)的論文。現在看來，這篇論文無疑被科學家們認為是一篇關於環腺苷酸(cAMP)的關鍵性論文。但在當時來看，無論是論文的標題還是內容都無法將其定義為一篇關鍵性論文。論文標題中並沒有提到新分子的發現，內容中作者們也無法對這一發現提供清晰地說明。他們只能證明存在對激素作用看似很重要的新分子。但是並沒有找到這個因子。因此，無法使用傳統的理論框架去解釋這個新的發現。並且，這篇論文標題以及之後關於這一問題的一系列的論文標題都屬於新陳代謝框架內研究的經典問題。這樣也就沒有引起內分泌學家的關注。

為了進一步研究這個熱穩定因子的結構，薩瑟蘭寫信請教美國的核苷酸研究權威利昂·赫佩爾(Leon Heppel)。機緣巧合的是，華盛頓大學的李普金(David Lipkin)團隊也在研究一個非常相似的分子。李普金也在同一時間向赫佩爾寄了一封關於這一分子的信。而赫佩爾又將他們的信分別交換給了對方。也正是這樣的一些溝通促進了新分子結構的確定。熱穩定因子被證明是環狀核苷酸，最終被命名為cAMP。在之後的兩年中，cAMP被證明存在於許多內分泌組織中。這些事實也支持了它在激素作用過程中扮演重要角色的論斷。那麼，cAMP和激素作用之間究竟是什麼樣的關係?薩瑟蘭試圖建立激素作用機制的統一理論。1960年的一次綜述會議上，他嘗試通過肝磷酸化酶的活性去解釋不同激素的所有作用以及不同激素的降糖作用。但是，他的建議沒有得到多數科學家的認可。儘管這次的嘗試失敗了。然而，關於激素作用機制的猜想開始在內分泌學的科學共同體中逐漸流行。隨著研究的不斷深入，人們發現除了肝臟，在心臟、肌肉以及大腦中都存在cAMP，並且脊椎動物的含肽類激素都可以引起cAMP濃度的升高。也正是在這樣的背景下，薩瑟蘭在1964年的一次會議發言中出乎意料地介紹了「第二信使」的想法。激素(第一信使)激活ATP轉化為cAMP(耐熱因子)，然後，cAMP作為被稱為「第二信使」的角色使有機體產生生理反應。顯然，「信使」的隱喻表述幫助他們隱瞞了無法解釋cAMP如何作用的事實。[6]但是，也正是這樣的修辭策略使得1956年發現的分子，在1964年又變成了新的發現。

二、「第二信使」構建過程中的科學修辭

薩瑟蘭使用內分泌學的語言成功構建了激素作用的表徵。而這種修辭性的表徵比解釋性的意義更具有啟發性。它開拓了內分泌學研究的新領域，開啟了細胞和分子內分泌學研究的新時代，奠定了細胞信號轉導研究的基礎，使得細胞間通過信使分子方法相互交流的思想成為一種主導。那麼，在「第二信使」科學語言形成的過程中是如何運用科學修辭方法的?這需要對「第二信使」構建過程中的語形修辭、語義修辭以及語用修辭展開具體的分析。

「一般認為，科學研究領域的語言分為三個部分：邏輯語言、觀察語言和理論語言。」[7]111其中，邏輯語言是一種純粹的符號語言；觀察語言是對日常可觀察實體的一種語言表達；理論語言是對日常無法觀察或測量的實體的語言表達。「第二信使」就屬於理論語言，它是不能直接把握的抽象性實體。雖然可以使用不同的途徑對其進行鑒定和判斷，但是並不能對其進行直接的觀察和測量。所以，只能先使用某種語言或符號對其進行表徵，然後在此基礎上進行進一步的修辭分析。也就是說，「第二信使」的語言構建也必然要經歷「實體——理論——理論表達——理論表達修辭」的過程。而在這樣的過程中，就不可避免地會涉及對修辭方法的運用。

1.「第二信使」構建過程中的語形修辭

正如前文所言，薩瑟蘭在1957年發表的論文是關於cAMP發現的關鍵性論文。但是，無論從論文的標題還是內容上都不能表明已經獲得了這個重要的發現。在此之後到1964年之間，他們發表的實驗論文也僅僅被作為是中間代謝研究領域中的經典論文，期間從來沒有提到過「第二信使」的表徵。通過對薩瑟蘭及其團隊在1950-1964年發表論文的分析，也可以發現他們獲得的經驗數據和「第二信使」的概念之間也沒有明顯的、邏輯的、必然的聯繫。如果將他們的研究與「第二信使」分開來對待的話，那麼，它們有可能很快就會被歷史所遺忘。然而，1964年薩瑟蘭對「第二信使」科學語言的構建使得cAMP成為新的發現。這是一個全新的語言構建，在之前的任何論文中都沒有出現過，也沒有實驗或理論的依據。正是這樣的語言構建，使得他們的發現成了一個貌似真實的過程。因為，這樣的表徵能夠更好地表達激素作用的機制理論，也能夠被科學共同體以及科學受眾更好地理解和接受。換句話說，「第二信使」的構建就「是為了反映或預設最有理由被接受、最沒有理由被懷疑的結論」[8]。所以，「第二信使」的語形表徵就是使用修辭的手段去重新構建激素作用的理論系統，將細胞信號轉導的理論更加具體和形象地揭示與展現出來。

顯然，這個過程中「第二信使」的語形表徵屬於一種模型語言的特點。它將信息理論中「信使」的語義與激素作用過程中「信使」的語義相關聯，通過對舊分子的重新定義來表徵和解釋激素作用的機制。可以看出，從方法論意義的角度講，「第二信使」的語形修辭為激素作用的機制理論提供了語言系統的表徵基礎，為細胞信號轉導研究的陳述提供了形式化的標準，也為科學共同體對這一理論的接受與拋棄提供了審美的標準。這就是為什麼，一旦「新的」分子被稱為「激素作用的第二信使」就引起了各方面更多的關注。就如薩瑟蘭在1968年的一本著作中寫道：我們使用的語言對我們關於現實的概念有很大的影響，即便不管使用什麼樣的術語，被描述的事物或現象都是一樣的。[9]

2.「第二信使」構建過程中的語義修辭

科學修辭的本質並不是通過修辭的手段將科學現象還原為符號或辭彙等的語形表徵來完成對科學陳述的重建，而是需要通過修辭的手段進一步地在語義的層面創造性地賦予科學語言新的意義。

生物學「信使」的思想源於內分泌學的語言。1905年，斯塔林最初提出了這一思想。但是，在這一時期關於「信使」概念的定義並不精確。直到20世紀40年代，信息理論的術語開始逐漸進入內分泌學的語言。在這個過程中，奧斯卡·海特(OscarHechter)對內分泌學中「信使」概念的精確定義起到了關鍵的作用。

20世紀50年代，控制論開始成為生物學解釋的一個標準。在控制論系統科學中，有機體成為「特定類型的組件」(components of a particular type)，生物體是由子系統重新組裝拆卸的系統，所有系統都有符號的發送者和接收器。[10]例如，海特在1962年寫道：每個活細胞和其周圍的液體構成一個單位系統——一個單位生命——展示了生物界的所有基本原則。細胞膜將這個系統分為兩個部分——細胞外的環境和細胞內部。正是在細胞膜上，細胞外的各種信息第一次侵犯細胞。正是在這兒，它們被最初接收、評估、然後轉發到更深層次的機制去產生需要的行為。在生物學中這是老概念——難怪內分泌學的先驅們相信被稱為激素的「化學信使」在細胞表面作用於特定的受體——通過調節底物或者離子進入細胞來影響細胞功能。[11]也就是說，海特使用中間代謝的假說去解釋激素作用的研究。他認為更複雜的過程是由激素和所謂是細胞「受體」的結合而發起的，從而「激活」了這個過程，然後能夠通過細胞傳遞環境信息。(受體對激素的)信息回應、(受體的)識別、(關係密切的分子結構之間的)辨別等這些很大程度上都是控制論語言的術語在他的論述中多次出現。在這個過程中，海特其實利用了兩個學科中語言的對應規則建立了它們之間的語義映射、語義替換等，從而實現了「信使」等控制論術語在內分泌學語言中的意義澄清與精確。

「第二信使」的構建同樣如此。薩瑟蘭嘗試將控制論的概念引入激素作用的問題。利用語義之間的對應規則，在「第二信使」不知道以何種方式發生作用的情況下，就完成了它的語義表達。當然，在這個語義修辭的過程中也實現了「第二信使」假說的經驗內容。儘管最初對cAMP作用的觀察可能是無意義的，但它確實又是真實的。因為，在某種意義上，確實有未知的分子參與了激素的作用。

所以，從方法論意義的角度講，「第二信使」的語義修辭為它的語形表徵提供了理由，也使得它的理論假說的經驗內容具有了實在的意義。同時，這樣的語義修辭也「能夠成為詞語與對象、理論與實在、抽象與具體、概念與系統相一致的中介，減弱濫用科學語言、歪曲概念指稱、修改理論意義的形而上學弊病」[7]112。

3.「第二信使」構建過程中的語用修辭

通過對薩瑟蘭論文的分析表明，從新分子的發現到「第二信使」的提出他使用了相當曲折的策略。雖然，他並不贊同當時內分泌學領域學者的觀點，但作為內分泌學領域的新來者，通過使用其受眾的語言很快獲得了內分泌學研究共同體的認可。

1957年新分子被發現之後，薩瑟蘭主要的任務便是讓科學共同體承認其重要性。這裡主要有兩方面的因素。第一方面是，1957-1958年期間，華盛頓大學的李普金團隊也在研究一個十分相似的分子。薩瑟蘭和這個團隊之間的溝通使得新發現的熱穩定因子結構被確定為核苷酸。而在分子生物學發展的初期，由於它的結構與DNA、RAN結構問題的相關性使得它成為重要的研究對象，儘管在當時並沒有人會覺得這個新分子有什麼重要性。另一方面是，1958年到1960年之間，許多內分泌組織中都發現cAMP的存在。而這一事實支持了它在激素作用過程中扮演重要角色的論斷。因此，接下來的問題便是cAMP與激素作用之間的關係是什麼?如前所述，薩瑟蘭嘗試建立激素作用的一般機制，從而去挽救他的理論。儘管失敗了，但關於激素作用機制的猜想在內分泌學共同體之間開始流行。

20世紀60年代，信息理論及控制論的術語對於內分泌學共同體而言早已不再陌生。在內分泌學論文中反覆出現的一些術語很大程度上都是由控制論的語言借鑒的。正是在這一時期薩瑟蘭在一次會議發言上提出了關於「第二信使」的想法。他不僅使用了「信使」這一術語，還使用了例如「特異性效應細胞」(specific effector cells)、(由內分泌腺體收到的)「刺激」(stimuli)、「調節」(modulator)、「目標系統」(target system)等術語。[1]623-6而這些術語都是屬於內分泌學的語義領域。所以，在被內分泌學家所熟悉的新的語義語境下，「第二信使」很容易就被接受了。

在這個過程中科學修辭構建了「第二信使」的語用語境。在這個語用語境下，薩瑟蘭與內分泌學共同體之間以及其他受眾之間形成了關於「第二信使」有效的共識界域。而這個界域也決定了人們對「第二信使」的有效理解。這也正是為什麼在無法解釋cAMP具體如何作用的情況下，它可以成為以後研究的一個指導方針。因此，從方法論的角度講，「第二信使」的語用修辭不僅是為其事實提供了一種可行的說服方式，更是可以增進人們對其事實的理解，消除不同科學共同體之間的誤解，從而成為將修辭者與修辭受眾之間相互關聯的一種工具。

三、結語

科學文本的形式同它的內容一樣都應該受到重視，這一點早已被大家接受。科學文本的形式、結構以及語言等在一定程度上都會影響它的內容。薩瑟蘭作為一名中間代謝領域工作的生化學家，藉助於內分泌學的語言在一次會議的發言中實現了「第二信使」新的知識構建。顯然，跨學科的語言以及綜述性的會議發言都可以使得他能夠更好地通過修辭的手法，讓「第二信使」的知識主張有更寬的語義保留。

通過上文的分析，可以看出，科學修辭在「第二信使」構建的過程中起到了非常重要的作用。但是這並不意味著修辭就是一切。只有在中間代謝領域嚴格的生化訓練，才能使得他最先得到了一個觀察。儘管這個觀察在當時是意想不到的以及無意義的，但是它確實是真實的，確實有未知的分子在某種意義上參與了激素的作用。當時的情況是，兩種不同的實驗操作被植入到兩個不同的學科語言中時便產生了公認的異常——當在整個活細胞的語境下激素作用的酶理論是被證實的；而在複雜的無細胞語境下這個理論是被拒絕的。此時，薩瑟蘭得到的這個觀察作為發現的硬核，通過科學修辭的手法在新的語境下被重新解釋，從而最終形成了新的知識構建。

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[9]SUTHERLAND E W.Cyclic AMP and hormone action[M].New York:Academic Press,1971:19.

[10]HARAWAY D J.The high cost of information in postwar evolutionary biology[J].The philosophical forum,1981-82,3:252.

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