通過加強細胞生物學發展史的教學培養學生的科學思維

李文林 孫平新 呂林潔 張樹忠

通過加強細胞生物學發展史的教學培養學生的科學思維

李文林 孫平新 呂林潔 張樹忠

【摘要】細胞生物學是在細胞和亞細胞水平揭示細胞和細胞器基本結構和功能，是細胞生命活動基本規律的科學，是現代生物學的重要支柱和重疊核心學科之一。如果以顯微鏡的發明和用顯微鏡觀察生物標本作為細胞生物學發展的萌芽階段，目前細胞生物學已經經歷了超過400多年的發展歷程。在細胞生物學的教學中，除了向學生傳授該學科的核心知識之外，加強細胞生物學學科的發展史及核心知識形成歷程的教學同樣重要。不僅利于學生理解細胞生物學的核心知識體系，同時有助于學生認識學科發展的普遍規律、培養學生的科學思維。

【關鍵詞】細胞生物學；發展史；科學思維；教學方法

作者單位：200433上海，第二軍醫大學基礎部細胞生物學教研室

Training Scientific Thinking of Medical Students by Strengthen Teaching Cell Biology Development History

LI Wenlin SUN Pingxin LV Linjie ZHANG Shuzhong Second Military Medical University Institute of Basic Medicinal Science Cell Biology Department, Shanghai 200433, China

[Abstract]Cell biology studies cell structures and functions at cellular or subcellular level. Cell biology is one of the backbone disciplines of modern life science by interrogating the fundamental mechanisms of cells. From the invention of microscopes, a hallmark event in the development of cytology, cell biology has a history of more than 400 years. In our cell biology teaching practice, in addition to convey its core principles to students, we believe that it is equally important to help students understand the developmental history of cell biology and its knowledge. The history of cell biology is not only useful for students to understand the core principles of this discipline, but also can benefit medical students by helping them comprehend the common strategy for the development of a discipline and training their scientific thinking.

[Key words]Cell biology, Development history, Teaching method, Scientific thinking

細胞生物學是在細胞和亞細胞水平揭示細胞和細胞器的基本結構和功能，是細胞生命活動基本規律的科學。在醫學院校，細胞生物學是醫學生完成了解剖學和組織胚胎學的學習之后進一步在細胞水平認識機體生命和疾病規律的核心學科，因此細胞生物

學也是銜接個體生物學和分子生物學的橋梁學科。在細胞生物學的教學中，除了講解學科的核心知識之外，加強細胞生物學學科的發展史及核心知識形成的思維歷程的教學。能夠使學生更好的理解和掌握細胞生物學的核心知識；同時幫助學生認識生命科學發展和進步的普遍規律，培養科學思維和創新能力。

1　細胞生物學學科的發展歷程及其規律性

細胞生物學學科的發展史往往容易在教學中被忽視，很多細胞生物學的教材中也缺少對這段發展史的介紹。我們在細胞生物學的緒論教學中重點講解細胞生物學學科的形成過程，并歸納其發展的規律性。細胞生物學學科的發展大體經歷了6個階段：包括細胞學的萌芽階段（16世紀末～19世紀初）；細胞學的創立階段（19世紀初～19世紀中）；經典細胞學階段（19世紀中～20世紀初）；實驗細胞學階段（20世紀初～20世紀中）和現代細胞生物學階段（20世紀中～至今）。細胞學的萌芽階段是以顯微鏡的發明這一技術性進步為標志，顯微鏡的發明為觀察細胞奠定了基礎。隨著對細胞和生物組織的觀察和認識的深入，逐步建立了細胞學說這一概念性的進步；細胞學說明確了細胞生物學的核心概念：即一切生物體都是由細胞組成、細胞是生物體結構和功能的基本單位、細胞是生命的基本單位、細胞來源于已經存在的細胞[1]。隨著顯微鏡技術的提高、組織切片技術和染色技術的發展及細胞培養和電子顯微鏡的應用，學科經歷了快速發展的經典細胞學階段和實驗細胞學階段，并積累了大量關于細胞形態結構和生理功能的知識。隨著上世紀中葉分子生物學的發展，尤其是DNA雙螺旋模型和遺傳密碼子的破譯，推動了在分子水平認識細胞的本質，學科發展進入了現代細胞生物學階段。通過對細胞生物學學科發展史的學習不僅可以為學生展示學科發展的縱深脈絡，更重要的是幫助學生理解學科發展的規律性。通過細胞生物學學科發展史可以清晰的看到本學科發展歷程中的2大推動力：（1）技術進步的推動作用。（2）概念性進步的推動作用。這2方面互相交替著推動了細胞生物學的發展。技術進步提高了人們對細胞進行觀察和操作的能力；而概念性進步則拓展和解放了人們的思維。通過這些內容的教學，使學生明白保持與時俱進的頭腦，將新技術和新知識應用到具體工作中往往會帶來事半功倍的效果。

2　 細胞生物學核心知識的形成歷程和啟示

在對細胞生物學具體知識的授課過程中，除了講授知識要點之外，特別強調發掘知識的形成過程和背后的歷史性人物。許多細胞生物學的知識都經歷了科學家漫長而艱辛的探索，但是目前大多數的細胞生物學教材都忽略了這些發現和探索的過程。在教學中為學生重現細胞生物學知識的思想史和發現史，不僅會使細胞生物學的教學更有趣，也有助于幫助學生對知識點理解和科研思維的培養。例如，關于細胞膜分子結構的知識，不是單純的講解成熟的細胞膜結構模型，而是將該知識點融合于超過半個多世紀的對細胞膜分子結構的認識歷程之中。從1902年E.Overton提出細胞膜主要由脂類構成，到1972年S.J.Singer等提出細胞膜的液態鑲嵌模型的過程中，通過大量的實驗和觀察，對細胞膜的認識經歷了舊模型被推翻、新模型被建立的反復演變的過程。在這一發展過程中，對已有的模型和知識不拘泥、不盲從的批判意識起重要作用[2]。在核糖體章節，遺傳密碼子是重要的知識點之一。對該知識點，通過全面講解遺傳密碼的破譯過程來幫助學生理解和掌握。這一過程的重要歷史事件包括：（1）1954年俄國物理學家和科普作家G Gamow用數學的方法推斷3個堿基編碼1氨基酸。（2）1961年Crick第1次用T 4噬菌體實驗證明了遺傳密碼中3個堿基編碼1個氨基酸。（3）同年M.W.Nirenberg利用無細胞系統體外蛋白質合成破譯了第1個遺傳密碼子UUU。（4）最終1969年Nirenberg等人破譯了全部密碼子（獲得1968年度的諾貝爾醫學和生理學獎）[3]。再如，在線粒體章節，化學滲透學說是核心知識點。在教學中，首先回顧從上個世紀四十年代前后，雖然線粒體參與物質氧化和ADP磷酸化的功能被揭示，但是在接下來長達20多年的時間里科學家都在艱難的尋找偶聯了線粒體物質氧化和ADP磷酸化的中間分子，最終一無所獲；直到1961年英國科學家P.D. Mitchell根據前人的實驗提出了大膽的猜想：這種中間分子并不存在！同時，提出了線粒體合成ATP的化學滲透學說；該學說在接下來的15年中備受爭議，但是最終被實驗證實并獲得1978年度的諾貝爾化學獎[4]。這一發現過程直到今天仍然非常有啟示，在科學研究中需要這種看似離經叛道的“反直覺”思維。在細胞生物學的發展歷程中，有大量的重要發現源于意外或偶然事件。溶酶體是細胞內的重要細胞器，溶酶體的發現過程就純屬偶然。在上世紀50年代Christian de Duve實驗室在檢測細胞勻漿后不同組分的酸性磷酸酶活性時，意外發現新鮮分離的特定細胞組分的酸性磷酸酶活性很低，但是在該組分冷凍保存5天后再次檢測發現酸性磷酸酶活性上升。基于此，Christian de Duve大膽的推測細胞內含有一種膜包裹的含酸性磷酸酶的細胞器，這種細胞器在冷凍保存過程中膜被破壞從而釋放了酸性磷酸酶，從而發現了溶酶體[5]；同樣Christian de Duve還發現了細胞內的過氧化物酶體，并獲得了1974年度的諾貝爾醫學和生理學獎。因偶然事件導致的重大發現在細胞生物學，乃至生命科學的發展過程中還有很多。細胞生物學的研究直到今天都尚未實現精準化，即其基本規律無法用數學語言描述。這就意味著在細胞生物學，也包括其他生命科學的研究領域中意外實驗結果會時常發生，而這些意外背后有可能包含我們未知的機制和規律。前人的成功范例提醒我們抓住這些意外現實、闡釋這些意外現實，有可能帶來革命性的發現。

3　總結和體會

歷史是可以借鑒的，自然科學的發展史同樣可以借鑒。在實踐中加強細胞生物學發展史的教學，其核心目的在于為學生解釋科學發展的普遍規律，即可借鑒的規律性。這些規律性是超越了細胞生物學知識本身的思想沉淀，通過這種努力能夠提升醫學生的科學素養和思維。在實踐過程中，學生對這些具有一定歷史人文色彩的教學內容表現了高度的興趣，對細胞生物學的教學起到了良好的促進作用。有必要進一步拓展，并更多的引入細胞生物學發展史內容的教學。

參考文獻

[1] 胡以平. 醫學細胞生物學[M]. 北京：高等教育出版社，2009：292.

[2] Al-Awqati Q. One hundred years of membrane permeability: does Overton still rule[J]. Nature Cell Biology，1999，1（8）：E 201-202.

[3] Nirenberg M. Historical review: Deciphering the genetic code-a personal account[J].Trends Biochem Sci，2004，29（1）：46-54.

[4] Harold FM1. Gleanings of a chemiosmotic eye[J]. Bioessays. 2001，23（9）：848-855.

[5] Castro-Obregon S. The Discovery of Lysosomes and Autophagy[J]. Nature Education，2010，3（9）：49.

·教育實踐·

doi：10.3969/j.issn.1674-9308.2015.19.007

【文章編號】1674-9308（2015）19-0010-02

【文獻標識碼】B

【中圖分類號】G642