以系統(tǒng)論的視角聚焦細(xì)胞層次生命觀念的培育

孟凡龍 崔 鴻

（1.華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430079）

（2.揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)東部分校 江蘇揚(yáng)州 225003）

本文是2018年江蘇省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃青年專項(xiàng)重點(diǎn)資助課題“指向生命觀念的高中生物學(xué)科學(xué)史教學(xué)范式研究”（課題編號為C-a/2018/02/23）的研究成果。

系統(tǒng)是若干相互聯(lián)系、相互作用、相互依賴的要素結(jié)合而成的，具有一定的結(jié)構(gòu)和功能，并處在一定環(huán)境下的有機(jī)整體，如生命系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、社會系統(tǒng)。系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)的一般模式、結(jié)構(gòu)和規(guī)律的學(xué)問，它用數(shù)學(xué)方法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統(tǒng)的原理、原則和數(shù)學(xué)模型，是具有邏輯和數(shù)學(xué)性質(zhì)的一門科學(xué)。系統(tǒng)論認(rèn)為，系統(tǒng)的基本屬性包括整體性、相關(guān)性、層次性、動態(tài)性和目的性，其核心思想是系統(tǒng)的整體觀念。系統(tǒng)論的創(chuàng)立者美籍奧地利人、理論生物學(xué)家L.V.貝塔朗菲強(qiáng)調(diào)：任何系統(tǒng)都是一個(gè)有機(jī)的整體，系統(tǒng)中各要素之間相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體。要素是整體中的要素，如果將要素從系統(tǒng)整體中割離出來，它將失去要素的作用，即“整體大于部分之和”。

生物學(xué)是靈動的、發(fā)展的生命科學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是中學(xué)生物學(xué)課程的價(jià)值追求。生物學(xué)核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。生命觀念是生物學(xué)核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)和支柱，是指對觀察到的生命現(xiàn)象及其相互關(guān)系或特征進(jìn)行解釋后的抽象，是經(jīng)過實(shí)證后的想法或觀點(diǎn)。生命觀念的形成依賴于科學(xué)思維和科學(xué)探究，其終極價(jià)值是形成一定的社會責(zé)任。細(xì)胞作為生物體生命活動的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，是最基本的生命系統(tǒng)，因此，教師應(yīng)盡可能地引導(dǎo)學(xué)生以系統(tǒng)論的視角看待細(xì)胞，分析生命系統(tǒng)的獨(dú)特性質(zhì)，正確認(rèn)識生命觀念的核心內(nèi)涵。

1 基于系統(tǒng)整體性，理解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能觀

整體性是系統(tǒng)最基本與本質(zhì)的特征。系統(tǒng)是多方面復(fù)雜因素的綜合，它不是各個(gè)部分的機(jī)械組合或簡單相加，系統(tǒng)的整體功能是各要素在孤立狀態(tài)下所沒有的性質(zhì)。系統(tǒng)中各要素不是孤立地存在著，每個(gè)要素在系統(tǒng)中都處于一定的位置上，起著特定的作用。要素是整體中的要素，如果將要素從系統(tǒng)整體中割離出來，它將失去要素的作用。如在學(xué)習(xí)分泌蛋白的形成時(shí)，教師要強(qiáng)調(diào)核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體等細(xì)胞器的通力合作，它們相互協(xié)調(diào)，共同協(xié)作，來完成細(xì)胞中各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。任何一種或幾種單獨(dú)的細(xì)胞器，離開細(xì)胞這個(gè)統(tǒng)一的整體，將無法正常實(shí)現(xiàn)其整體功能。

系統(tǒng)的組成成分即要素種類、數(shù)量、時(shí)序性、空間結(jié)構(gòu)不同，其功能也不同，如分析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)多樣性時(shí)，從組成肽鏈的氨基酸的種類、數(shù)目、排列順序上的不同，以及構(gòu)成蛋白質(zhì)的肽鏈在數(shù)目和空間結(jié)構(gòu)上的不同角度展開，進(jìn)而決定蛋白質(zhì)功能的多樣性。系統(tǒng)與要素的雙向構(gòu)建性，系統(tǒng)與要素間的相互規(guī)定的相互作用，使得它們都獲得了整體意義上的全新規(guī)定性，如端粒酶與細(xì)胞生活、細(xì)胞器的損傷與溶酶體的關(guān)系、線粒體與細(xì)胞的關(guān)系。

細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能觀包括結(jié)構(gòu)決定功能、結(jié)構(gòu)與功能是統(tǒng)一而相適應(yīng)的、整體結(jié)構(gòu)的功能大于局部結(jié)構(gòu)的功能三個(gè)方面。如在分析酶的結(jié)構(gòu)與功能時(shí)，教師要全面把握：高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿會破壞蛋白質(zhì)類酶的空間結(jié)構(gòu)，使其喪失催化功能，而低溫不會破壞其的空間結(jié)構(gòu)，但卻影響其功能表達(dá)。且酶在催化生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的過程中會出現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)的暫時(shí)改變。又如，Na-K泵在實(shí)現(xiàn)Na+和K+跨膜運(yùn)輸?shù)倪^程中會改變其空間構(gòu)象。這些說明了生命系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)決定功能的特性是相對的，也體現(xiàn)了生命系統(tǒng)的復(fù)雜性和獨(dú)特性。

總之，在理解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能觀時(shí)，既要有部分的分析，也要有整體的綜合，才能從局部和整體的高度看待細(xì)胞中各種復(fù)雜的生命現(xiàn)象。

2 基于系統(tǒng)層次性，理解細(xì)胞的物質(zhì)與能量觀

層次性是由于組成系統(tǒng)的諸要素的種種差異包括結(jié)合方式上的差異，系統(tǒng)組織在地位與作用、結(jié)構(gòu)與功能上表現(xiàn)出的具有質(zhì)的差異的等級秩序性。每個(gè)系統(tǒng)都是一個(gè)具有復(fù)雜層次的有機(jī)體，層次可按物質(zhì)的質(zhì)量、能量、運(yùn)動狀態(tài)、空間尺度、時(shí)間順序、組織化程度等多種標(biāo)準(zhǔn)劃分，不同層次具有不同的性質(zhì)和特征，既有共同的規(guī)律，又各有特殊規(guī)律。如在分析細(xì)胞中的物質(zhì)組成時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生理解：細(xì)胞中含有原子（元素）水平、分子水平、細(xì)胞器水平、整體水平等不同層次水平，生命系統(tǒng)是物質(zhì)的，生命活動依賴于物質(zhì)的運(yùn)輸和變化，物質(zhì)的運(yùn)輸和變化往往與能量供應(yīng)、流轉(zhuǎn)相伴隨。

原子是化學(xué)變化中的最小粒子，元素是具有相同核電荷數(shù)的一類原子的總稱，原子中當(dāng)質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)相同而中子數(shù)不同時(shí)可以形成同位素，利用放射性同位素顯示某種原子在生物體內(nèi)的來蹤去跡，即同位素示蹤，如科學(xué)家將14CO2引入植物體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑娜^程。生物體內(nèi)最主要的4種原子是C、H、O、N，當(dāng)原子之間形成離子鍵或共價(jià)鍵時(shí)就形成了分子，如水分子。細(xì)胞可以利用少數(shù)種類的小分子脫水合成許多種生物大分子，猶如一列火車由許多節(jié)車廂有序連掛而成，同時(shí)蘊(yùn)含著能量，細(xì)胞將不同分子創(chuàng)造性地組合形成了各種化合物，如ATP中的磷酸分子、核糖分子和腺嘌呤分子，以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞膜上的磷脂分子、蛋白質(zhì)分子和多糖分子。

細(xì)胞中的各種化學(xué)反應(yīng)并不能創(chuàng)造或破壞原子，只是破壞原子間已有的化學(xué)鍵，形成新的化學(xué)鍵，將原子重新組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞中物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)換。如細(xì)胞中少量的ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行能量的儲存和釋放，高效節(jié)約地保障細(xì)胞各項(xiàng)生命活動的能量供應(yīng)，是生命系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的直觀體現(xiàn)。細(xì)胞中光合作用和呼吸作用在將無機(jī)物和有機(jī)物相互轉(zhuǎn)化的同時(shí)，總是伴隨著能量形式的改變。

因此，在理解細(xì)胞的物質(zhì)與能量觀時(shí)，教師既要引導(dǎo)學(xué)生把握不同層次物質(zhì)的存在形式和轉(zhuǎn)換原理，又要使學(xué)生理解,物質(zhì)和能量總是相伴相隨的，物質(zhì)是能量的載體，能量是物質(zhì)轉(zhuǎn)換的動力，進(jìn)而維持生命系統(tǒng)的相對穩(wěn)態(tài)。

3 基于系統(tǒng)動態(tài)性,理解細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)與變化觀

動態(tài)性是系統(tǒng)隨時(shí)間而變化或者按確定性規(guī)律隨時(shí)間演化的一種屬性。系統(tǒng)的運(yùn)動、發(fā)展與變化時(shí)動態(tài)性的反映，具體體現(xiàn)在：任何系統(tǒng)均隨時(shí)間而變化、系統(tǒng)都有一定的生命周期、系統(tǒng)與外部環(huán)境不斷進(jìn)行物質(zhì)能量和信息的交換。

生命是物質(zhì)的，是一種特殊形式的物質(zhì)運(yùn)動，是物質(zhì)、能量和信息諸變量在特定時(shí)空的“表演”。其運(yùn)轉(zhuǎn)有賴于生命系統(tǒng)有組織的守時(shí)和對空間環(huán)境的合拍。生命系統(tǒng)是“活的”、靈動的、開放的，內(nèi)部也時(shí)刻在發(fā)生物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)換，但多數(shù)時(shí)候又維持相對的穩(wěn)定狀態(tài)。細(xì)胞系統(tǒng)作為最基本的生命系統(tǒng)，其系統(tǒng)整體的存在方式具有一定的規(guī)律性和相似性，如每個(gè)細(xì)胞都有選擇透過性膜結(jié)構(gòu)、都有遺傳物質(zhì)、都有核糖體等結(jié)構(gòu)共性，也都有運(yùn)動性、都能新陳代謝、都能自我增殖和遺傳等功能共性。

穩(wěn)態(tài)是有序、平衡且不斷變化的，是生命系統(tǒng)最基礎(chǔ)的特征之一。穩(wěn)態(tài)不意味著一成不變，任何系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)都是在一定范圍內(nèi)的波動。如細(xì)胞中大多數(shù)酶的最適溫度為36～38oC，最適pH為6～8，不同細(xì)胞膜上磷脂和蛋白質(zhì)分子所占的比例相對穩(wěn)定。細(xì)胞所生活的內(nèi)環(huán)境也是處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，如血漿pH為7.35～7.45之間。

所以，在理解細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)與變化觀時(shí)，教師要從教育哲學(xué)的角度,辯證地看待細(xì)胞中的相對穩(wěn)態(tài)與絕對變化。穩(wěn)態(tài)機(jī)制的存在有助于生物體相對獨(dú)立于外界條件，從而大大提高生物體對環(huán)境生態(tài)因子的耐受范圍。生命系統(tǒng)各層次都存在著穩(wěn)態(tài)與變化，穩(wěn)態(tài)的維持需要通過調(diào)控來實(shí)現(xiàn)。

4 基于系統(tǒng)相關(guān)性,理解細(xì)胞的信息與調(diào)控觀

相關(guān)性是指組成系統(tǒng)的各個(gè)要素之間、整體之間或系統(tǒng)與外部環(huán)境之間相互作用、相互關(guān)聯(lián)、相互制約。系統(tǒng)的各組分或元素只要有一個(gè)變化都會影響其他元素或組分實(shí)現(xiàn)其功能，它們是一個(gè)有機(jī)組合的整體，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各要素之間的空間分布及相關(guān)性。一般的系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)，與外部環(huán)境有著緊密聯(lián)系，會與外界發(fā)生物質(zhì)、能量和信息的交換。

對于生命系統(tǒng)來說，系統(tǒng)相關(guān)性的維持需要物質(zhì)、能量和信息三大要素，物質(zhì)是本源的存在，能量是運(yùn)動的存在，而信息是聯(lián)系的存在，信息以物質(zhì)和能量為媒介，穿越時(shí)間和空間進(jìn)行傳遞，系統(tǒng)通過信息將各要素組合形成一定秩序的動態(tài)結(jié)構(gòu)。如光合作用中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和能量的儲存需要光信息分子激活葉綠體類囊體膜上的葉綠素分子,從而進(jìn)行電子的躍遷和轉(zhuǎn)移。

生命系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開信息的傳遞，基因是最根本的生命信息，維持穩(wěn)態(tài)離不開調(diào)控，調(diào)控依賴于信息傳遞。細(xì)胞系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間和系統(tǒng)之間的信息作用是通過細(xì)胞中遺傳信息和生理信息的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)的，基因的表達(dá)與調(diào)控是最基礎(chǔ)和最重要的遺傳信息。如細(xì)胞中激素分子的分泌、酶活性的調(diào)節(jié)、G蛋白偶聯(lián)受體及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞的生命歷程和細(xì)胞自噬的實(shí)現(xiàn)等都與基因表達(dá)的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)有著直接的關(guān)系。

因此，在理解細(xì)胞的信息與調(diào)控觀時(shí)，教師要從系統(tǒng)的整體性和相關(guān)性角度出發(fā)，將細(xì)胞中的各要素通過物質(zhì)、能量和信息的耗散形成有序穩(wěn)定的動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)。系統(tǒng)依托信息的調(diào)控是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的必要手段，生命系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和對環(huán)境的適應(yīng)都是調(diào)控的結(jié)果。

5 基于系統(tǒng)目的性，理解細(xì)胞的發(fā)育與生殖觀

目的性是指系統(tǒng)在一定環(huán)境下，必然具有的要達(dá)到的狀態(tài)的特性。每個(gè)系統(tǒng)都具有特殊的功能，這是不同系統(tǒng)區(qū)別的主要標(biāo)志。目的性貫穿于系統(tǒng)發(fā)展的全過程，集中體現(xiàn)著系統(tǒng)發(fā)展的總傾向和總趨勢。當(dāng)系統(tǒng)的具體目標(biāo)之間有矛盾時(shí)，要從系統(tǒng)的目的性出發(fā)進(jìn)行協(xié)調(diào)。生命系統(tǒng)的目的是要實(shí)現(xiàn)細(xì)胞、個(gè)體能生長發(fā)育，細(xì)胞能分裂、個(gè)體能繁殖、群體能繁衍。

生長和增殖是生物的基本特性，無論是單細(xì)胞的生物還是多細(xì)胞的生物，每個(gè)細(xì)胞都必須進(jìn)行生長和分裂。細(xì)胞通過分裂形成的新細(xì)胞必須具有與親代細(xì)胞相似的遺傳性，體現(xiàn)了細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)與變化觀。因此，細(xì)胞分裂的前提是遺傳物質(zhì)的復(fù)制、各種細(xì)胞器及生物大分子的倍增與細(xì)胞體積的增大。細(xì)胞通過分裂，將復(fù)制的遺傳物質(zhì)均等地分配到兩個(gè)子細(xì)胞中，保證了細(xì)胞遺傳的穩(wěn)定。細(xì)胞的分裂、分化、衰老和凋亡是其全部的生命歷程，在這個(gè)過程中每個(gè)細(xì)胞都對個(gè)體的生命奉獻(xiàn)了自己的一生。

總之，在理解細(xì)胞的發(fā)育與生殖觀時(shí)，要基于系統(tǒng)的整體性、相關(guān)性、目的性，將細(xì)胞的生命歷程與組織、器官、系統(tǒng)，乃至個(gè)體的生命結(jié)合在一起形成有序的整體。細(xì)胞的發(fā)育和生殖是為了新細(xì)胞誕生、生命的延續(xù)；生命是復(fù)雜的、多層次的、經(jīng)億萬年進(jìn)化而來的；用于研究的方法既要符合科學(xué)的基本要求，又要有自己的特色；所建立的知識，是一個(gè)相對獨(dú)立的、自洽的、開放的、發(fā)展的體。系統(tǒng)的整體性、相關(guān)性、層次性、動態(tài)性和目的性等屬性是相互聯(lián)系、相互融合的。學(xué)習(xí)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)論視角感悟到細(xì)胞中的各種生命觀念是相互滲透、相互制約、相互影響的，同時(shí)它們又相互協(xié)調(diào)、共同協(xié)作形成一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的整體系統(tǒng)。