模块化假设和无尺度构架

在预测未来的能力方面，科学家的短视是出了名的。实际上，1899年12月，在怀特兄弟完成首次持续飞行的三年前，巴黎科学院负责人莫里斯·列维（Maurice Levy）在标记20世纪之交时说道：“比空气重的飞行是不可能成功的。”原子物理和核物理的伟大人物欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）曾认为核能利用只是空谈。然而，在1937年，也就是卢瑟福去世一年后，奥特·哈恩（Otto Hann）和弗里茨·斯特拉斯曼（Fritz Strassman）展示了核裂变，促使阿尔伯特·爱因斯坦给罗斯福总统写了一封著名的信，开启了原子弹和核能的新篇章。

尽管有很多科学预测的失败案例，《自然》杂志为献礼新千禧年，还是在1999年邀请了一些著名科学家对21世纪进行展望。现在，判定我们这一代人在科学预测方面做得如何还为时尚早。然而，要判定《自然》上一篇论文的影响，我们不需要等待一个世纪。因细胞分裂方面的工作而获得2001年生理学/医学诺贝尔奖的细胞生物学家雷兰德·哈特韦尔（Leland H.Hartwell）和安德鲁·默里（Andrew W.Murray）、物理学家约翰·霍普菲尔德（John J.Hopfield）、物理学家斯坦尼斯拉斯·莱布勒（Stanislas Leibler）合作解决后基因组生物学的一个根本问题：细胞是如何组织的？今天，将近一个世纪以来的目标，刻画生命系统组成部分的工作即将完成。一些复杂数据库中存放着人类和细菌的大多数基因。然而，这些期待许久的数据库却不能回答这个驱动数十年研究的问题：生命背后的组织原则是什么？数百万细胞成分是如何整合成单个生命系统的？哈特韦尔和同事们加入到这场争论中，他们认为，彼此分离的模块化组织形式使细胞同时具备多种功能——即多任务。根据这个观点，细胞背后的网络分割成若干个不同的分子组或者模块，每个模块负责一个细胞功能，模块通过少数几个链接和其他模块联系在一起。细胞背后的网络和格兰诺维特的朋友圈网络类似，同一个圈子里的人彼此认识，不同圈子之间通过少数几个弱链接联系在一起。这种模块化假设在现代细胞生物学中根深蒂固。例如，趋化性——细菌感知食物并游向食物的能力，已经被成功约减为一个相对自治的功能模块，该模块由几个关键的分子成分组成。哈特韦尔和同事们向前又走了一步，他们认为，趋化性绝不是例外，而是一般情况，大多数已知的细胞功能都由某种特定的模块负责。

模块性是大多数复杂系统的定义性特征：

部门化使得大公司得以建立相对独立的员工组，组内的员工一起工作解决具体任务；

万维网分割成内部紧密连接的网页社区，同一个社区的网页的作者拥有共同的兴趣；

智力和专业兴趣中的模块性使得亚马逊公司能够根据特定模块的阅读模式进行书籍推荐；

模块化的计算机设计使我们不需要重新设计整个计算机，就可以将体积庞大的老式显示器换成扁平的显示板。

然而，模块化架构和我们目前掌握的有关复杂网络的知识相矛盾。从细胞到万维网的大多数网络都是无尺度的，网络中的节点通过少数几个枢纽节点连接在一起。由于枢纽节点拥有很多链接，它们很可能和多个模块的节点有联系。因此，模块之间不会如此地相互独立，这导致了已知的无尺度架构和模块化假设之间的根本冲突。当前的网络模型不能解决该冲突，无尺度模型和埃尔德什-莱利随机网络模型都没有模块性的迹象。然而，真实的网络明显是无尺度的，同时似乎也是模块化的。这个矛盾从根本上质疑了我们对复杂网络如何组织的认识。