科學(xué)哲學(xué)融入中學(xué)生物學(xué)教學(xué)
——以基因概念的發(fā)展為例*

易 琴 謝建平

（西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院現(xiàn)代生物醫(yī)藥研究所 重慶 400715）

生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)。中學(xué)生物學(xué)課程不僅要介紹科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)知識，還具有提高學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力的重大使命。

科學(xué)哲學(xué)（philosophy of science）是通過研究科學(xué)理論和活動(dòng)，探究科學(xué)本質(zhì)，理清科學(xué)邏輯結(jié)構(gòu)，獲得科學(xué)知識和經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)方法論［1］。它與哲學(xué)形而上學(xué)、認(rèn)識論和邏輯學(xué)有著密切的關(guān)系。將科學(xué)哲學(xué)融入中學(xué)生物學(xué)教學(xué)，對于把握生物學(xué)學(xué)科概念、性質(zhì)和規(guī)律具有指導(dǎo)意義。生物科學(xué)的研究是從現(xiàn)象到本質(zhì)。本文系統(tǒng)分析基因概念的發(fā)展，融入科學(xué)哲學(xué)理念，明確科學(xué)本質(zhì)，從而形成對基因概念的科學(xué)把握。

1 生物學(xué)中的哲學(xué)思想

新課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出中學(xué)生物學(xué)課程是以提高學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨的基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)核心素養(yǎng)需要學(xué)生掌握科學(xué)知識，理解生物科學(xué)、生物技術(shù)和社會的相互關(guān)系。生物學(xué)哲學(xué)思想對于理解科學(xué)概念和認(rèn)識生命活動(dòng)規(guī)律，有著非常重要的意義。

從病毒到高等哺乳動(dòng)物，生物體內(nèi)多種元素組成糖類、蛋白質(zhì)、核酸等各種化合物，構(gòu)成了生物的物質(zhì)基礎(chǔ)。從細(xì)胞到個(gè)體，乃至生物圈的結(jié)構(gòu)層次說明生命是有實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)基礎(chǔ)。

生物體中也存在著許多量變到質(zhì)變的生命活動(dòng)。例如，致癌物會引起細(xì)胞遺傳物質(zhì)的改變，而癌癥的出現(xiàn)，是癌細(xì)胞持續(xù)生長并不斷發(fā)展，由量變到質(zhì)變的積累過程。在有絲分裂過程中，分裂間期完成DNA 分子的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成，為分裂期進(jìn)行活躍的物質(zhì)準(zhǔn)備，量在不斷積累；分裂間期結(jié)束后，進(jìn)入到分裂期，將親代細(xì)胞的染色體精確地平均分配到2 個(gè)子細(xì)胞中，保持遺傳性狀的穩(wěn)定性，達(dá)到質(zhì)變。

2 基因概念的發(fā)展

2.1 工具的基因 孟德爾利用豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，解釋了生物遺傳和變異的內(nèi)在機(jī)制。1909年，約翰遜（W.L.Johannsen）給孟德爾的“遺傳因子”起了一個(gè)新名字，叫做“基因”（gene）。這一時(shí)期的基因，更像一種抽象的符號，不涉及具體的物質(zhì)概念［2］。科學(xué)哲學(xué)角度看孟德爾學(xué)說若是一種工具主義假設(shè)，則基因只是一個(gè)決定性狀的符號，沒有明確的遺傳單位。若這一學(xué)說具有真實(shí)性，基因是可以被測試的［3］。在孟德爾定律之后，基因逐漸有了可被檢驗(yàn)的科學(xué)內(nèi)涵。

2.2 物質(zhì)的基因

2.2.1 基因和染色體關(guān)系的確立 基因是否具有物理實(shí)在性？許多科學(xué)家進(jìn)行了思考。例如，1903年美國遺傳學(xué)家薩頓（W.S.Sutton）根據(jù)基因和染色體在細(xì)胞中存在平行現(xiàn)象，提出了基因與染色體一一對應(yīng)的假說。從科學(xué)哲學(xué)角度看，薩頓假說是支持孟德爾理論的一個(gè)關(guān)鍵輔助假說。

基因概念發(fā)展的轉(zhuǎn)折是摩爾根（T.H.Morgan）通過研究果蠅這一模式生物，提出了遺傳連鎖交換定律，繪制出“染色體圖”，正式建立“染色體遺傳理論”。此時(shí)的“基因”代表著一個(gè)有機(jī)實(shí)體，從抽象的符號轉(zhuǎn)變成了穩(wěn)定的客觀存在［4］。

在科學(xué)哲學(xué)中，社會歷史環(huán)境是科學(xué)研究中不可或缺的影響因素。摩爾根和他的學(xué)生斯圖蒂文特（A.H.Sturtevant）、繆勒（H.J.Muller）和布里奇斯（C.B.Bridges）都是“實(shí)驗(yàn)主義者”，他們認(rèn)為，只有通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論才具有意義，這也是科學(xué)哲學(xué)家公認(rèn)的觀點(diǎn)。通過分析摩爾根提出的基因概念，發(fā)現(xiàn)基因此時(shí)代表著遺傳上的物質(zhì)重組單位。

2.2.2 基因結(jié)構(gòu)的確立 1941年，比德爾（Beadle.G.W）等以紅色鏈孢菌［粗糙脈孢菌（Neurospora crassa）］為研究對象，發(fā)現(xiàn)基因控制生物體內(nèi)反應(yīng)過程，并提出了一個(gè)基因一個(gè)酶的觀點(diǎn)；1944年，埃佛里（Avery）通過肺炎雙球菌實(shí)驗(yàn)，表明DNA 是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)化的分子，但這一觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)并不受歡迎；1951年，赫爾希（Herskey）和蔡斯（Chase）使用放射性標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行了噬菌體感染實(shí)驗(yàn)，證明了蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)［5］；1952年，富蘭克林（Franklin）拍攝了DNA 晶體X-射線衍射照片；1952年，查哥夫（Chargaff）發(fā)現(xiàn)了DNA 分子中堿基組成的定量關(guān)系并命名為Chargaff 法則；1955年，本茲爾（Benzer）提出的順反子（cistron）概念，即結(jié)構(gòu)基因。這些新發(fā)現(xiàn)使生物學(xué)家又重新理解基因概念。正是在這樣的背景下，沃森（Watson）和克里克（Crick）建立了DNA 雙螺旋模型，揭示出基因是DNA 分子上有遺傳效應(yīng)的多核苷酸片段。

2.3 當(dāng)代分子生物學(xué)中的基因概念 隨著基因工程技術(shù)、DNA 體外重組技術(shù)快速發(fā)展，人們對基因概念有了更深的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)基因、斷裂基因、重疊基因、印記基因、跳躍基因和假基因（表1）等。

2.4 基因組計(jì)劃后的基因概念 2003年4月14日，人類基因組計(jì)劃（human genome project，HGP）完成了人基因組的序列測定。在人類基因組時(shí)代，基因結(jié)構(gòu)正常的核苷酸序列稱為開放閱讀框（open reading frame，ORF），ORF 可以編碼完整多肽鏈，無終止密碼子阻斷翻譯。在一定程度上，這時(shí)的基因意味著基因組中的ORF。

國際人類基因組單體型圖計(jì)劃（The International HapMap Project）是繼人類基因組計(jì)劃之后的又一個(gè)重大研究計(jì)劃。HapMap 計(jì)劃發(fā)起于2002年，建立了人類全基因組遺傳多態(tài)圖譜［9］，根據(jù)這張圖譜可以更加深入研究基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。此時(shí)的基因可以根據(jù)單核苷酸多態(tài)性進(jìn)行基因分型。在2003年9月又啟動(dòng)了ENCODE（encyclopedia ofDNA elements，DNA 元件百科全書），ENCODE 項(xiàng)目改變了人類對基因的看法，曾經(jīng)的“垃圾基因”并非真正的垃圾［10］?；蚣瓤梢跃幋a蛋白質(zhì)，也可以是為RNA 提供轉(zhuǎn)錄模板的DNA 片段。

表1 基因概念發(fā)展［6-8］

2.5 基因表達(dá)中的組蛋白修飾 基因表達(dá)受多種因素調(diào)控，其中組蛋白甲基化是目前最為穩(wěn)定的修飾，它通過改變自身性質(zhì)影響基因表達(dá)過程。此外它的N 末端還可發(fā)生乙?；⒎核鼗?、磷酸化、ADP 核糖基化等多種修飾，對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的維持具有重要作用；與DNA 損傷修復(fù)和DNA 復(fù)制等基因表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)［11］。

從最初表示抽象的符號、代表基因組中的一段DNA 序列，到最后基因表達(dá)中的組蛋白修飾，人們對基因的結(jié)構(gòu)和功能了解得越來越多，基因逐漸成為遺傳學(xué)中的一個(gè)重要詞匯。

3 中學(xué)生物學(xué)教材關(guān)于基因概念的介紹及不足

我國現(xiàn)行有5 種版本的高中生物學(xué)教材，本文以人民教育出版社出版的《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·生物》（簡稱人教版）為例，解析教材中基因概念相關(guān)知識，以期更好地促進(jìn)中學(xué)生物學(xué)遺傳學(xué)內(nèi)容教學(xué)。

人教版必修2《遺傳與進(jìn)化》以遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)—遺傳的基本規(guī)律—伴性遺傳—生物的變異—人類遺傳病與優(yōu)生—現(xiàn)代生物進(jìn)化理論簡介為主線。該主線按照先物質(zhì)、后規(guī)律的順序展開，屬于知識邏輯體系的范疇。教材開篇即提及了150年前孟德爾以豌豆為材料，推理發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)的兩大基本遺傳規(guī)律：“基因分離定律”和“自由組合定律”，并提出了“遺傳因子”的概念。約翰遜用“基因”一詞替代了孟德爾的“遺傳因子”。這是關(guān)于基因概念最初的介紹，還處于工具的基因。之后教材相關(guān)內(nèi)容為基因在染色體上，薩頓的假說和摩爾根的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識到了基因與染色體行為存在著明顯的平行關(guān)系，提出染色體是基因的載體。接著再到J.D.Watson 和F.Crick 構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，確定了基因的化學(xué)本質(zhì)是具有遺傳效應(yīng)的DNA 片段［4］，更新了基因的概念。

在教材的第5 章第3 節(jié)“人類遺傳病”中，以資料搜集和分析鏈接的形式介紹了人類基因組計(jì)劃及其影響。至此，基因概念介紹完畢。從基因概念的發(fā)展和以上中學(xué)生物學(xué)教材對比分析，教材中關(guān)于基因概念的介紹重點(diǎn)放在了孟德爾的遺傳發(fā)現(xiàn)和研究以闡述遺傳的基本規(guī)律，以及講述減數(shù)分裂和受精過程中細(xì)胞結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化從而揭示遺傳的細(xì)胞基礎(chǔ)，對于DNA 序列的基因概念及人類基因組計(jì)劃介紹較少。

4 中學(xué)生物學(xué)中基因概念教學(xué)的思考

4.1 重邏輯，調(diào)順序 《遺傳與進(jìn)化》是中學(xué)生物學(xué)現(xiàn)代遺傳學(xué)理論體系的反映，對學(xué)生理解生命的延續(xù)和發(fā)展有重要意義。但學(xué)生要將不可見、不可及的染色體行為變化，與生物的性狀遺傳相結(jié)合較為困難。透過科學(xué)哲學(xué)觀，在遵循先物質(zhì)、后規(guī)律的順序基礎(chǔ)之上，針對學(xué)生的理解情況，可調(diào)整部分授課內(nèi)容的先后順序，使邏輯結(jié)構(gòu)更加清晰。例如，教材中減數(shù)分裂和受精作用為第2 章的內(nèi)容，孟德爾豌豆雜交實(shí)驗(yàn)則是開篇第1 章，在實(shí)際教學(xué)中，教師可將二者順序?qū)φ{(diào)。通過先學(xué)習(xí)減數(shù)分裂和受精作用，使學(xué)生全面認(rèn)識細(xì)胞分裂的種類、實(shí)質(zhì)和意義，奠定細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)后再學(xué)習(xí)孟德爾“遺傳因子”的提出，再到基因在染色體上等基因概念內(nèi)容的連貫學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生構(gòu)建知識的完整性，以及降低學(xué)生理解基因概念等遺傳學(xué)知識難度的梯度。減數(shù)分裂與之前學(xué)習(xí)的有絲分裂密切相關(guān)，是一種特殊方式的有絲分裂，以這樣的邏輯順序開啟對《遺傳與進(jìn)化》的學(xué)習(xí)，更有益于學(xué)生對知識的過渡和理解，促進(jìn)教學(xué)。

4.2 重本質(zhì)，轉(zhuǎn)概念 在生物科學(xué)領(lǐng)域有大量的科學(xué)概念，而學(xué)生在接受正規(guī)的科學(xué)教育之前就已經(jīng)形成了自己的一種概念，這是學(xué)生對客觀世界的樸素概念。其中有些完全與科學(xué)概念相悖，尤其以遺傳學(xué)內(nèi)容最為突出。這就需要教師及時(shí)消除學(xué)生的相異構(gòu)想，構(gòu)建科學(xué)概念。

“基因是有遺傳效應(yīng)的DNA 片段”這一內(nèi)容授課結(jié)束后，關(guān)于“DNA 或基因的化學(xué)本質(zhì)是什么？”學(xué)生仍然混為一談，不能對其進(jìn)行區(qū)分。教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)基因是帶有遺傳訊息的DNA 片段，而DNA 是一種雙鏈分子，始終具有生物學(xué)教學(xué)中真實(shí)的物理結(jié)構(gòu)。明確科學(xué)概念的本質(zhì)，也是科學(xué)哲學(xué)中重要研究內(nèi)容之一。

教材基因工程章節(jié)內(nèi)容涉及到討論轉(zhuǎn)基因生物和轉(zhuǎn)基因食品的安全性問題。其中主要有2 種觀點(diǎn)，一是轉(zhuǎn)基因食品不安全，要嚴(yán)格控制；二是轉(zhuǎn)基因食品是安全的，應(yīng)大范圍推廣。絕大多數(shù)學(xué)生出于對轉(zhuǎn)基因技術(shù)的擔(dān)憂，希望科學(xué)家能證明轉(zhuǎn)基因“絕對”安全。在學(xué)生的日常概念中，轉(zhuǎn)基因食品抗蟲害，既然蟲子食用后會導(dǎo)致死亡，人也不應(yīng)該食用。這就需要教師引導(dǎo)學(xué)生通過真正理性的討論把轉(zhuǎn)基因問題講清楚，批準(zhǔn)后上市的轉(zhuǎn)基因食品是經(jīng)過安全性實(shí)驗(yàn)的，是可以接受的［12］。馬克思主義哲學(xué)表示，人們對事物的認(rèn)識具有相對真理性，是對事物相對正確的反映。所以，人們今天對轉(zhuǎn)基因的認(rèn)識也具有相對真理性。

總之，對于基因概念的發(fā)展和定義需要不斷提出問題并解決問題。從科學(xué)哲學(xué)角度，運(yùn)用科學(xué)認(rèn)識論與方法論，通過調(diào)整教學(xué)的有效實(shí)施，以及引導(dǎo)學(xué)生對概念轉(zhuǎn)變的過程，可以訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維，在較好理解生物學(xué)概念的基礎(chǔ)上形成生命觀念。