現(xiàn)代生物學認知必須以系統(tǒng)觀為指導

伍賢進，李愛民，李勝華，曾軍英

(懷化學院 生物與食品工程學院，懷化 418008)

生物學是研究生物的組成、結構、功能、發(fā)生發(fā)展規(guī)律及與環(huán)境相互關系的科學[1]。生物學科的發(fā)展經(jīng)歷了博物學、實驗生物學、分子生物學等階段，目前已進入了系統(tǒng)生物學時期[2-3]。生物學科的發(fā)展歷程反映了人類認知生命運動規(guī)律的理念歷經(jīng)了整體觀、還原觀，目前已進入到了系統(tǒng)觀[2-4]。系統(tǒng)觀已成為科學研究的最佳指導思想[2]，探索運用系統(tǒng)觀的基本原理和方法來指導中學生物學教學和高校相關課程建設、教學改革已取得了一定成效，其在提高中學、大學生物學教學效率的作用也得到了很好地證明[5-8]。但這些研究與探索一般是基于具體生物學知識或課程教育與學習開展的。關于利用系統(tǒng)觀指導生物學認知的一般原理和共性方法尚缺乏必要的研究。為了指導廣大生物科技工作者和生物知識學習者更好地運用系統(tǒng)觀來開展生物學認知，本文根據(jù)系統(tǒng)觀的基本理念，闡明了生物系統(tǒng)的基本特點和用系統(tǒng)觀指導生物學認知的一些基本觀點與方法。

1 生物系統(tǒng)的基本特點

自然界物質(zhì)以是否具有生命為標準可分為生物和非生物兩大系統(tǒng)。生物系統(tǒng)從微觀到宏觀基本可分亞細胞、細胞、組織、器官、個體、種群和群落等7個相互作用、聯(lián)系與依賴的基本層級[1,3]，其中任一層級均可以是一個相對獨立的子系統(tǒng)，均具有其特定的功能。因為生物與非生物的界限十分明確，故生物系統(tǒng)完全可以認為是一個獨立于非生物系統(tǒng)外的完整系統(tǒng)，但無論是整個生物系統(tǒng)或其內(nèi)任何一個子系統(tǒng)均隨時與周圍的環(huán)境進行著物質(zhì)、能量與信息交流。因此，生物系統(tǒng)是一個復雜巨系統(tǒng)。

1.1 生物系統(tǒng)的目的性

生物系統(tǒng)無論從整體還是從各子系統(tǒng)看，其目的性均十分明確，那就是確保其固有生物功能的正常發(fā)揮，保證各類生物種類正常繁衍，維持整個生物系統(tǒng)結構的穩(wěn)定和發(fā)展。

1.2 生物系統(tǒng)的整體性

生物系統(tǒng)的整體性表現(xiàn)在任一級生物系統(tǒng)的性質(zhì)、功能均由其構成局部的相關特性決定，但均在整體意義上獲得了其構成局部所沒有的性質(zhì)與功能，且這種性質(zhì)或功能也不是其構成局部相關屬性的簡單相加而成。

1.3 生物系統(tǒng)的層次性

在生物系統(tǒng)內(nèi)，亞細胞、細胞、組織、器官、個體、種群及群落等這一從微觀到宏觀、從簡單到復雜的發(fā)展過程是依次遞進的，也是生物世界長期進化的結果。任一較高層級的生物系統(tǒng)均是由其下一層級子系統(tǒng)經(jīng)過有機組合而成，即使是生物體的基本結構和功能的細胞也是其內(nèi)各種亞細胞結構和有關物質(zhì)經(jīng)過有序組織而成。生物系統(tǒng)的層次性還表現(xiàn)為各層級子系統(tǒng)在整個生物系統(tǒng)中的位置均是相對穩(wěn)定、不可僭越的，各層級之間物質(zhì)、信息、能量交換的基本路徑也是相對穩(wěn)定、依層次進行的。

1.4 生物系統(tǒng)的相關性

生物系統(tǒng)內(nèi)各級子系統(tǒng)間或某一級子系統(tǒng)內(nèi)的要素間均存在著一對一、一對多、多對一、多對多等復雜的交互關聯(lián)，生物系統(tǒng)內(nèi)不存在任何絕對孤立的子系統(tǒng)或要素，均是關聯(lián)的統(tǒng)一體。生物系統(tǒng)的這種關聯(lián)性構成了統(tǒng)一的生物世界。

1.5 生物系統(tǒng)的適應性

適者生存是生物生存與發(fā)展的基本規(guī)則。各級生物系統(tǒng)相對穩(wěn)定的形態(tài)、結構、機能是對相對穩(wěn)定環(huán)境長期適應的結果，而他們對環(huán)境變化的應激性反應又使其適應性更加靈活和完備。各級生物系統(tǒng)的適應性就是在這種穩(wěn)態(tài)與動態(tài)密切配合的統(tǒng)一中實現(xiàn)的，遺傳和變異則是生物系統(tǒng)適應性形成的內(nèi)在機制。

1.6 生物系統(tǒng)的開放性

每一級生物系統(tǒng)均有特定的機制來保證其與外界的隔離，使其自成體系、獨立存在。但各級生物系統(tǒng)也均需要與周邊生物或非生物環(huán)境發(fā)生相互關聯(lián)和作用，進行物質(zhì)、能量及信息的交換。而且生物系統(tǒng)與非生物環(huán)境的相互作用還形成了更大的系統(tǒng)即生態(tài)系統(tǒng)。因此，無論從哪個層級看，生物系統(tǒng)均是一個開放系統(tǒng)。

1.7 生物系統(tǒng)的演化發(fā)展性

目前的生物系統(tǒng)就是生物與非生物、生物與生物長期相互作用演化發(fā)展的結果，而且生物系統(tǒng)內(nèi)每一個子系統(tǒng)也都有其演化發(fā)展過程。從各級生物系統(tǒng)的開放性來看，生物系統(tǒng)將永遠是一個動態(tài)系統(tǒng)，總是在不斷地演化發(fā)展。

1.8 生物系統(tǒng)的自組織性

分析各級生物系統(tǒng)內(nèi)在要素的組織特點發(fā)現(xiàn)，其均是通過線性或非線性或二者兼有的作用機制組織起來的，而且均具有從外界吸收物質(zhì)、能量、信息并將其整合到自身系統(tǒng)中的能力，均具有吸納、整合下級子系統(tǒng)或要素構成自身系統(tǒng)的能力。各級生物系統(tǒng)的這種整合、組織特性是其內(nèi)部特性決定的，一般不需要特定外界條件的干預就能自發(fā)地完成，故屬于典型的自組織行為。

2 進行生物學系統(tǒng)認知要把握的基本思維方法

生物學知識記錄或解釋了各級生物系統(tǒng)特性、發(fā)生發(fā)展規(guī)律及其與環(huán)境的相互關系，主要包括分類、形態(tài)、結構、生理、生化與分子生物學、遺傳、進化和生態(tài)共8個方面[1,3]。用系統(tǒng)觀指導生物學認知關鍵要建立科學高效的生物系統(tǒng)認知思維方法。

2.1 在邏輯演繹上以功用為基點

生物系統(tǒng)的特征決定了其基本認知過程只能是科學的邏輯思維，“執(zhí)果索因”的分析法和“由因?qū)Ч钡木C合法是認知生物知識的基本邏輯思維方法。但生物運動的復雜性經(jīng)常使我們面對觀察或測試結果時難以分清“因”和“果”，而且同一個觀測結果于此是“因”，但于彼則可能又是“果”，這就經(jīng)常導致分析和綜合不知從何入手。破解這一癥結的關鍵就是在推理或演繹時始終堅守生物功用(功能或作用)這一基點，既將其作為邏輯思維的出發(fā)點，也作為邏輯思維的歸宿點。

堅守生物功用基點關鍵要把握好以下三點。一是要堅信任何生物現(xiàn)象或過程肯定有其特有的功用。如某個結構一定有對應的功能，某種功能則一定會有相應的某種結構。生物體內(nèi)的某種物質(zhì)肯定有其應有的作用，而生物的任何活動均會有其物質(zhì)基礎。某一生化反應必然要為某種或幾種生物活動提供某種物質(zhì)、能量或轉(zhuǎn)換、傳遞某種信號等。二是生物系統(tǒng)的自組織性決定了生物功用的實現(xiàn)過程必然是優(yōu)化的過程，生物功用實現(xiàn)時節(jié)省空間、節(jié)約能量、縮短過程是普遍規(guī)律。因此，必須遵循將復雜事物簡單化而不是將簡單事物復雜化的邏輯思路來推演生物運動。三是生物功用形成或發(fā)揮與生物過程或現(xiàn)象的聯(lián)系往往具有復雜綜合性特點。一一對應的情況很少或基本沒有。這就要求我們在堅守功用實現(xiàn)主線的同時，也不能忽視相關的支線。如光合作用可以說是最復雜的生物過程，但它的功用只有光能儲存和有機物合成兩個。因此，在認知光合作用有關結構、物質(zhì)或反應時，只要不斷拷問好它為兩個功用實現(xiàn)起何作用及怎樣起作用這兩個基本問題，就能從根本上保障有關知識點的掌握。

2.2 在思維方向上突出多維度思維

因為生物系統(tǒng)是開放的復雜系統(tǒng)，生物運動是生物內(nèi)外復雜因素綜合聯(lián)系的結果，這就注定了以功用為基點的邏輯推演必須要進行點、線、面相結合，時間和空間相聯(lián)系的多維度思維。

第一，在邏輯關系上要突出功用形成或?qū)崿F(xiàn)過程這一主軸主線，要以生物功用為起點或止點通過順推、倒推或二者結合的方法將生物功用形成或發(fā)揮過程所經(jīng)歷的主要場所、主要生理變化或生化反應依次羅列編排出來。

第二，在關鍵節(jié)點上要進行橫向分析，要對生物功用形成或?qū)崿F(xiàn)主軸主線中的一些關鍵節(jié)點進行解析，進而明確這些關鍵節(jié)點在功用實現(xiàn)中的作用及其發(fā)揮的機理。

第三，在時間上要把握好生物功用形成或?qū)崿F(xiàn)過程中經(jīng)歷的主要場所、生理變化或生化反應的先后順序和持續(xù)狀況。首先，在時間順序上，要從先、后及同時等三個時間關系上理清每個步驟開始和結束的時間節(jié)點，編排出時間進程表。其次，在時間跨度上，要根據(jù)大小分別從長期、中期、短期和瞬期來考慮有關進程。長期一般指以“年”為計時單位的時間跨度，如多年生生物的生長發(fā)育規(guī)律、某種生物性狀的產(chǎn)生、一個物種形成等均需要從數(shù)年甚至數(shù)萬年的時間跨度來加以考證；中期指以“月”為計時單位的時間跨度，如一年生生物的生長發(fā)育規(guī)律；短期指以“天”為計時單位的時間跨度，如研究植物光周期現(xiàn)象；瞬期指以“小時及小時內(nèi)”為計時單位的時間跨度，如研究一個生化反應。

第四，在空間認知上要以參照位點為核心來厘清其中生理變化、生化反應的空間關聯(lián)性。參照位點就是功用形成或發(fā)揮最核心、最關鍵的生物結構或子系統(tǒng)。確定了參照位點后，就要以此為中心，分別向其前、后、左、右、上、下等六個方向進行發(fā)散，將各方向所涉及的構造進行編列，以構建出生物功用形成或發(fā)揮所需的立體構造體系?？臻g認知還必須結合時間來同時進行，因為大多數(shù)情況下，時間的順序性與空間的順序性往往緊密相關，時間的先后、重疊、交叉很多時候也伴隨空間位置的先后、重疊和交叉。

2.3 在思維方式上強調(diào)非線性思維

生物系統(tǒng)的開放性和復雜性決定了其任何現(xiàn)象、原理、規(guī)律的解釋、理解必然具有多解、多樣和多變的特征。因此，生物學認知思維必須以非線性思維為主，從多方位、多層次、多途徑并進行廣泛的聯(lián)系來進行求證和解答。

第一，要明確認知對象處于哪一層級生物子系統(tǒng)中，在確定考察對象所在7個基本生物子系統(tǒng)的位置后，一般至少還要分別上溯和下移一個層級來進行其結構、功用等屬性的認知。如認知線粒體，首先要明白其屬于亞細胞生物子系統(tǒng)層級，然后圍繞其功用向下到分子水平研究那些與線粒體功用密切相關的重要分子或分子集團的組成、形態(tài)、功能等。但這還很不夠，至少還要向上考察其所在的細胞，以明白其與其他細胞器或細胞內(nèi)其他物質(zhì)的關聯(lián)和在實現(xiàn)細胞功用中的地位與作用。在特殊情況下，這種研究還要將視野拓展到更遠的子系統(tǒng)中，如處于缺氧或高溫狀態(tài)下的個體其不同器官或組織細胞中線粒體的狀況就有不同。

第二，要考慮認知生物對象與周邊生物與非生物環(huán)境聯(lián)系的復雜性。根據(jù)生物與環(huán)境間交換內(nèi)容差異和變化，任一生物系統(tǒng)均可視為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)三者的辯證統(tǒng)一。首先將認知對象作為孤立系統(tǒng)看待，以便不受干擾地明確其內(nèi)在屬性；然后將其作為封閉系統(tǒng)考慮，以考察其與外界進行能量交換的方式和途徑，以及這種交換給認知對象狀態(tài)和功用形成或發(fā)揮的作用和意義；最后再將其作為開放系統(tǒng)來考慮，以考察其與外界同時進行物質(zhì)和能量交換的狀態(tài)及其對認知對象狀態(tài)和功用形成或發(fā)揮的作用和意義。

第三，要考慮任何生物系統(tǒng)均是復雜的肯定和否定的辯證統(tǒng)一體。生物系統(tǒng)的開放性、演化發(fā)展性和自組織性決定了其是靜止系統(tǒng)和運動系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)和非平衡系統(tǒng)的辯證統(tǒng)一。因此，在進行一個生物對象認知時，首先確信其肯定有固定的區(qū)別于其他生物對象的固有生物學屬性，認知就是要將該屬性挖掘出來，其基本的方法是通過對照設置與類似對象的比對情形。其次，要必須找出認知生物對象固有生物屬性存在或表現(xiàn)的基本條件范圍，因為一旦偏離了這一范圍，其固有屬性將不復存在，甚至認知對象也會消失或發(fā)生根本的轉(zhuǎn)化。任何生物固有屬性存在或表現(xiàn)的任何條件均可從最適、最高和最低等3個基點來進行規(guī)定。而且還要認識到絕大多數(shù)生物固有屬性存在或表現(xiàn)的基本條件肯定不止一個，因此，還要考慮這些條件的影響度及疊加綜合效應。如不同類型細胞生物膜功能正常發(fā)揮溫度范圍雖然會存在差異，但這種差異變化幅度不可能太大，這是生物膜的固有規(guī)定性決定的，也既是生物膜對溫度穩(wěn)定性的肯定方面，但具體細胞生物膜的溫度范圍又決定于其組成與結構，這種差異就是不同類型細胞生物膜的固有屬性，而且無論任何細胞超過其溫度范圍的高溫或低溫均會影響其生物膜功能的發(fā)揮，甚至會導致膜最后解體，這就是生物膜對溫度穩(wěn)定性的否定方面。

3 運用好“5W1H”分析方法開展生物學系統(tǒng)認知

5W1H分析法又稱“六何分析法”，對于解決系統(tǒng)性任務具有很強指導性和操作性，已在企業(yè)管理、工程管理方面取得了巨大的應用成效[9]，也正逐步受到教育工作者重視，用于指導教學改革、提高教育質(zhì)量[10]。根據(jù)5W1H分析法的精神實質(zhì)，結合生物學系統(tǒng)認知特點進行科學設計，完全可以用以指導生物學系統(tǒng)認知。

實施生物學5W1H分析方法，首要的是根據(jù)認知生物對象設定核心問題(What)。確定了核心問題后，再依據(jù)5W1H認知方法進行遞進式分析“是什么”或“為什么”等(表1)。

表1 生物學5W1H認知方法的基本框架Table 1 The basic framework of 5W1H bioscience analytical method

當然，表1中所列的二級問題僅是舉例，并不代表全部或必需。另外，在實施生物學5W1H分析時需要特別注意認知生物對象的功用可能不止一個的情況，這時就需要對不同功用根據(jù)重要程度進行排序，確定需要深入解析的功用，然后對每個功用均實施5W1H方法來認知。