科学美学

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我在新一期的《化学生物学当前观点》上与西塞尔·托拉斯合作发表了一篇关于科学美学的文章。本期由艺术家和设计师亚历山德拉·黛西·金斯伯格编辑,包括科学家、哲学家和艺术家对美学和感官判断在日常科学实践、科学事实的理论和表述以及生命技术设计中的作用的评论。

许多科学家和哲学家都讨论了美在科学中的作用,特别是在物理学中评判相互竞争的理论时。格伦·帕森斯回顾了这些论点,并探讨了美学在化学和生物学中的作用——在分子结构的表示以及分子的形式和功能方面。他引用弗朗西斯·克里克的话说,DNA是“具有风格的分子”,因为双螺旋结构的简单和优雅反映了该分子的复制功能。

对于许多科学爱好者来说,DNA的美学价值在于现代主义的设计格言“形式追随功能”,但在他的评论“合成与合成生物学中的美学”中,史蒂文·本纳认为,像其他自然选择的产物一样,DNA更像是一种“黑客”而非完美的形式。


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对生命系统的反复详细检查使生物学家了解到,达尔文进化通常没有为保持生存的需求提供优雅的解决方案、美学的解决方案,甚至简单的解决方案。相反,在它的基本细节中,生物学反映了四十亿年的随机变异、历史偶然性、有缺陷的适应和部分优化。因此,生物学(至少就生物学家所知)最好被描述为“黑客”。在细节上,生命更不像一种美学,而更像是几代计算机极客重新编写最初为其他目的、在不同地点且技术不完善的情况下编写的代码...

像生物学中的许多其他东西一样,DNA的美学美感仅来自该分子的艺术渲染,这些渲染使可见一种实际上根本无法看到的特殊性。那些渲染中的颜色来自比DNA分子本身大1000倍的光波。而且,通常情况下,该分子会被抽象成看起来像乐高积木的东西。

本纳认为,要正确设计DNA,需要一组经过改进的12个碱基,具有改进的对称性和实用性。然而,对于像格伦·帕森斯这样的美学哲学家来说,实用性和功能不一定是物体或艺术作品美学价值的一部分,他认为化学家看到的“分子喜悦”并不总是在美学领域本身。尽管存在这些技术和哲学上的争论,但在实验设计和分子表征中仍然可以获得美学上的愉悦感,这些设计和表征可以增进我们的理解,使我们能够看到不可见的东西,从六十年前的DNA的第一张X射线晶体学图像到本周发表的第一张DNA电子显微镜照片

科学图像和表征可以将不同类型的感官信息转化为我们可以可视化、解析、理解和共享的数据。这种科学联觉影响着我们如何定义科学信息,并受到感官和美学因素的影响,从线条图或球棍式化学结构到蛋白质结构的多彩绘画。

我们需要不可见世界的图像和模型来理解它,艾米丽·坎德拉的评论“组装一种美学”探讨了触觉的美学和感官体验及其与蛋白质晶体学的相互作用。结构生物学家和晶体学家使用图纸和计算机渲染以及物理模型,以及最近的沉浸式3D虚拟环境来探索蛋白质结构。就像科学人类学家娜塔莎·迈尔斯的作品一样,他研究了蛋白质结构在晶体学实践中的分子体现,坎德拉探讨了将纳米级蛋白质数据转化为人类规模的物理模型以进行组装、触摸和体验的过程。

触觉将我们带入仅通过视觉难以进入的领域——材料过程的领域……技术也在扩展触觉的可能性,例如扫描探针显微镜的“接触纳米级过程”。事实上,“过程”是一个关键词,因为它涉及到对触觉的探索,它与科学的“日常工作”息息相关。触觉的美学可以揭示在测试过程中,在物质处于过渡状态且失败仍然迫在眉睫时,相对确定性之前的时刻...

关于模型的研究中提出的许多过程,从它们的操纵到“跳舞”蛋白质,都是莫拉·弗兰纳里在关于生物学美学(PDF)的文章中评论的科学研究的方面,“在大多数科学论文的‘方法’部分中没有考虑,‘但它们很可能是杰出研究人员在其工作中使用最重要的方法之一’……这种美学还可以对科学研究机构之外产生影响。在这些机构之外,大部分(但不是全部)“科学传播”都关注于传达处于相对确定状态的知识。相反,这里概述的美学以过程为出发点,与不确定、偶然、混乱和持续的东西相关……它涉及到科学实践中难以用插图或照片表达的方面(尤其是对于非科学家而言)——那些在事实上模仿模型的品质、运动、接触和物质变化的时刻,就像“展开”一样。

组装的美学和化学美学的分子乐趣也在原生细胞的自下而上的合成生物学中发挥作用。米歇尔·福林、罗伯塔·伦蒂尼和谢列夫·曼西在他们的评论中探讨了“细胞模仿”,讨论了区分生物和非生物的界限的主观性。

对生命没有令人满意的定义。然而,人们普遍认为,生物部分本身不是活的,但从它们的合作中产生的特性统称为生命。如果没有可以客观满足的明确标准来将系统视为活的,那么可用的前进道路就是简单地构建模仿生命共同特征的系统。例如,生物通常会繁殖、移动、适应不断变化的环境条件并相互作用。在这些生命特征中,繁殖引起了最多的关注,这是可以理解的,因为复制和进化构成了我们所知的生命的基础。然而,一台机器,即使是一台用天然生物部件构建的、被编程为复制DNA并分裂成两部分的机器,可能也不会与生物系统混淆。也许这是因为决定某物是否是活的,是先前商定的活物与所讨论的系统之间进行主观比较的结果。与活细胞的复杂性相比,对单一特征的成功模仿将被视为对细胞生命的不充分表示。

有趣的是,进化的错误和失误——对于本期其他撰稿人来说,会降低生物学的美学价值的“黑客”,却成为原生细胞工程师对生命的美学和主观定义的重要组成部分。

此外,重复行为的编程本身也遗漏了生命的另一个方面,即错误。细胞功能主要基于随机过程,甚至基因组复制的基本事件也是带着错误进行的。一个太好地模仿生命特征的系统,可能更会被视为机器而非生命。

如果机器的客观性对于真正的合成生命来说不够像生命,那么在决定某物何时是活的时所涉及的人类主观性对于原生细胞科学来说不够科学。福林等人讨论了构建“细胞图灵测试”的可能性,其中“决定某物是否是活着的责任[从我们转移到]自然细胞”(PDF)。科学客观性取决于可以在人类感官和研究对象之间进行交互的工具,可以将自然世界转化为我们体验、美化和解释的可视化、模型和数据集的机器。对科学技术中的美学和感性的探索暴露了科学实践的美丽模糊边缘。我们可以在人类主观性和科学对象之间添加许多层,但在科学中总是有一些人类的和美好的东西。

Christina Agapakis is a biologist, designer, and writer with an ecological and evolutionary approach to synthetic biology and biological engineering. Her PhD thesis projects at the Harvard Medical School include design of metabolic pathways in bacteria for hydrogen fuel production, personalized genetic engineering of plants, engineered photosynthetic endosymbiosis, and cheese smell-omics. With Oscillator and Icosahedron Labs she works towards envisioning the future of biological technologies and synthetic biology design.

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