以物質(zhì)與能量視角認(rèn)識生命本質(zhì)，促進(jìn)生命觀念形成*

陳俠（北京教育學(xué)院朝陽分院北京100026）

1 生命觀念是生物學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵組分

核心素養(yǎng)培養(yǎng)是落實(shí)“立德樹人”根本任務(wù)的落腳點(diǎn)。培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)是中學(xué)生物學(xué)課程的價(jià)值追求，也是新的教育改革背景下中學(xué)生物學(xué)課程預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。生物學(xué)核心素養(yǎng)包含4個(gè)方面，生命觀念、理性思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任。4個(gè)方面的素養(yǎng)不是彼此孤立的，而是具有內(nèi)在邏輯關(guān)系的統(tǒng)一整體。“生命觀念”是指對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象，是經(jīng)過實(shí)證后的想法或觀點(diǎn)。生命觀念是生物學(xué)核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)和支柱；生命觀念的終極價(jià)值是形成一定的社會(huì)責(zé)任，促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展；生命觀念的形成依賴于觀察、實(shí)驗(yàn)、探究等活動(dòng)基礎(chǔ)上對生命現(xiàn)象、事實(shí)的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識過程，依賴于對大量生物學(xué)現(xiàn)象、事實(shí)的比較與歸納、分析與推理，對概念、原理、規(guī)律的抽象與概括等理性思維活動(dòng)；理性思維和科學(xué)探究互為倚重，理性思維是科學(xué)探究的重要內(nèi)涵，科學(xué)探究是理性思維的實(shí)證過程。彼此之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 生物學(xué)核心素養(yǎng)間的關(guān)系

與其他學(xué)科相比，生命觀念是生物學(xué)科最基本的素養(yǎng)體現(xiàn)，也是生物學(xué)科對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的突出貢獻(xiàn)，具有不可替代性。生命觀念還能夠促進(jìn)學(xué)生形成科學(xué)的自然觀和世界觀，指導(dǎo)探究生命規(guī)律，解決實(shí)際問題。

2 通過物質(zhì)與能量代謝實(shí)現(xiàn)自我更新是生命的本質(zhì)特征

生命系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，需要不斷與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換，實(shí)現(xiàn)自我更新。新陳代謝（簡稱代謝）是生物與外界進(jìn)行物質(zhì)交換與能量交換的全過程。細(xì)胞是代謝的基本單位，每一個(gè)細(xì)胞都要從環(huán)境中汲取物質(zhì)與能量，在內(nèi)部進(jìn)行各種各樣的化學(xué)反應(yīng)。細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)主要包括物質(zhì)的合成（又稱合成代謝）和物質(zhì)的分解（又稱分解代謝）。合成代謝是吸能反應(yīng)，分解代謝是放能反應(yīng)。代謝是生物最基本的特征，是生命存在的前提。代謝一旦停止，生命就隨之停止，結(jié)果便是生命體的分解。因此，是否具備代謝系統(tǒng)是判斷生物與非生物的根本依據(jù)，是否進(jìn)行代謝活動(dòng)是判斷是否有生命現(xiàn)象的根本依據(jù)。

2.1 細(xì)胞通過分解代謝獲取生命所必須的能量正常情況下，為了維持、更新和修復(fù)生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，細(xì)胞或生物體每時(shí)每刻都在進(jìn)行著能量的消耗。例如細(xì)胞中物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，細(xì)胞組分的合成，細(xì)胞調(diào)控物質(zhì)的產(chǎn)生及運(yùn)轉(zhuǎn)，細(xì)胞增殖、生長、分化等生命活動(dòng)時(shí)刻需要能量；生物體的運(yùn)動(dòng)、自我修復(fù)、繁殖、對外界的應(yīng)激反應(yīng)等生命活動(dòng)時(shí)刻需要能量。此外，不同層次生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是高度有序的，在每一個(gè)層次上都能看到精美的次序，例如生命大分子蛋白質(zhì)和核酸,動(dòng)、植物細(xì)胞結(jié)構(gòu),生物體器官系統(tǒng)的組成等。生命結(jié)構(gòu)的有序性是生命活動(dòng)表現(xiàn)出復(fù)雜有序的規(guī)律性的前提和基礎(chǔ)。細(xì)胞需要持續(xù)的能量供給，才能保持生物學(xué)的有序性。

細(xì)胞所需要的一切能量，從根本上來自于食物分子中的化學(xué)鍵能，因此食物分子充當(dāng)了細(xì)胞的生命燃料。植物細(xì)胞通過光合作用制造自己的生命燃料，動(dòng)物細(xì)胞通過食用別的生物獲取生命燃料。植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞中的生命燃料主要通過細(xì)胞呼吸（氧化）而產(chǎn)生能量。動(dòng)、植物細(xì)胞中不同的食物分子氧化的過程是很相似的，它們都是先轉(zhuǎn)化為某種中間產(chǎn)物，然后進(jìn)入糖酵解或檸檬酸循環(huán)，經(jīng)過一系列的循環(huán)反應(yīng)產(chǎn)生大量ATP滿足生命需求。例如，以糖作為燃料分子時(shí)，首先要由多糖分解為葡萄糖，通過糖酵解形成的丙酮酸進(jìn)入線粒體，形成乙酰輔酶A進(jìn)入檸檬酸循環(huán)，以蛋白質(zhì)為燃料分子時(shí)，氨基酸脫氨基形成丙酮酸進(jìn)入線粒體，以脂肪分子為燃料時(shí)，甘油通過甘油酸磷酸變成丙酮酸，脂肪酸代謝形成乙酰輔酶A等。隨著各種燃料分子的系列氧化反應(yīng)，細(xì)胞就從儲(chǔ)存在燃料分子中的化學(xué)鍵中獲得了能量。這些能量以“高能”化學(xué)鍵的形式儲(chǔ)存在活化的ATP載體分子中，被各種生命活動(dòng)隨時(shí)提取。細(xì)胞代謝獲取生命活動(dòng)能量的簡要過程如圖2所示。

圖2 細(xì)胞通過分解代謝獲取生命能量

2.2 細(xì)胞通過合成代謝構(gòu)建、更新和修復(fù)生命機(jī)體代謝作用是生命的核心，它有2個(gè)重要方面。除了從食物中收集能量的分解代謝外，還包括各種生物合成途徑，建造細(xì)胞的各種成分。細(xì)胞和生物體原有的結(jié)構(gòu)物質(zhì)（結(jié)構(gòu)蛋白、脂質(zhì)、多糖等）和功能物質(zhì)（酶、抗體、激素、信息分子等）不斷地被分解，生長、繁殖等生理活動(dòng)需要新的原料構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此，細(xì)胞需要不斷地合成新的生物分子以更新生命系統(tǒng)的組成成分，補(bǔ)充完善生命活動(dòng)的調(diào)控物質(zhì)。合成物質(zhì)分子所需的原料除來源于細(xì)胞從環(huán)境中吸收的食物分子外，還需要許多不存在于食物分子中或者可由食物直接產(chǎn)生的分子，主要以糖酵解和檸檬酸循環(huán)的中間產(chǎn)物為原料進(jìn)行合成，如圖3所示。

圖3 細(xì)胞通過合成代謝構(gòu)建、更新、修復(fù)生命系統(tǒng)

2.3 細(xì)胞依賴物質(zhì)與能量代謝完成遺傳信息的儲(chǔ)存、傳遞和表達(dá)，控制生命延續(xù)生命在自然界歷史長河中的世代更新是通過生物的遺傳變異和進(jìn)化實(shí)現(xiàn)的。首先，生物的遺傳信息儲(chǔ)存在自己的核酸分子序列中。要保證每一個(gè)細(xì)胞能夠有效地儲(chǔ)存物種的全部遺傳信息，作為遺傳信息載體的核酸分子要通過大量復(fù)制進(jìn)行分配，這個(gè)過程是基于有機(jī)小分子作為原料及ATP供應(yīng)能量的合成代謝反應(yīng)。其次，遺傳信息的世代傳遞主要通過細(xì)胞分裂完成。細(xì)胞分裂也是建立在細(xì)胞結(jié)構(gòu)原料的構(gòu)建、功能調(diào)控物質(zhì)的合成及食物燃料分子氧化供能等復(fù)雜而有序的代謝基礎(chǔ)之上。第3，后代細(xì)胞獲得的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，形成生命舞臺的真正演員——蛋白質(zhì)，使生命得以顯現(xiàn)。轉(zhuǎn)錄和翻譯也都是生命能量推動(dòng)下，以及信息指導(dǎo)下的以有機(jī)小分子為原料，合成生命大分子的代謝過程?？梢姡难永m(xù)是建立在生命大分子的合成和細(xì)胞燃料氧化分解代謝基礎(chǔ)之上的。

2.4 細(xì)胞的物質(zhì)與能量代謝依賴生物膜系統(tǒng)生物膜系統(tǒng)是指細(xì)胞內(nèi)的一切膜結(jié)構(gòu)，包括細(xì)胞膜、細(xì)胞器膜和核膜等。細(xì)胞內(nèi)的一切代謝活動(dòng)都離不開生物膜系統(tǒng)。

細(xì)胞是開放的生命系統(tǒng)，細(xì)胞膜在控制細(xì)胞內(nèi)相對穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境，控制細(xì)胞與外部環(huán)境的物質(zhì)交換、能量轉(zhuǎn)換及信息傳遞等方面具有決定性作用。細(xì)胞攝取養(yǎng)分和排除廢物一般都要通過膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白主要包括2類，一類是轉(zhuǎn)運(yùn)有機(jī)小分子（糖類、氨基酸、核苷酸等）的載體蛋白，另一類是轉(zhuǎn)運(yùn)水分子、水溶性分子及離子的通道蛋白。這些膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白都具有高度的選擇性，保證細(xì)胞代謝過程中按照特定的需求進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。

細(xì)胞質(zhì)是細(xì)胞進(jìn)行代謝和生理活動(dòng)的主要場所。生物膜系統(tǒng)將細(xì)胞質(zhì)劃分為許多特定的區(qū)室，使各種代謝活動(dòng)在時(shí)間和空間上互不干擾，有條不紊地進(jìn)行，大大提高了細(xì)胞代謝的效率。一些膜性細(xì)胞器在結(jié)構(gòu)和功能上又具有一定的連續(xù)性，形成了廣闊的內(nèi)膜系統(tǒng)（主要包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復(fù)合體、溶酶體等），為細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的合成、運(yùn)輸、分選和定位提供了站點(diǎn)和交通樞紐。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是物質(zhì)供應(yīng)站，分泌蛋白、膜蛋白、內(nèi)膜系統(tǒng)中的可溶性蛋白，均是在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)還負(fù)責(zé)對合成的物質(zhì)進(jìn)行修飾，例如糖基化、酰基化、肽鏈間二硫鍵的形成及氨基酸的羥化等。高爾基復(fù)合體在細(xì)胞分泌活動(dòng)中充當(dāng)著交通樞紐的作用，許多重要大分子的運(yùn)輸和分泌都要通過高爾基復(fù)合體。高爾基復(fù)合體將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)進(jìn)一步加工、濃縮、運(yùn)輸，形成各種分泌顆粒，運(yùn)送到細(xì)胞外。高爾基體還能夠根據(jù)修飾后的溶酶體蛋白、分泌蛋白、膜蛋白等所帶有的分選信號，將不同命運(yùn)的蛋白質(zhì)分選開來，以膜泡的形式運(yùn)輸?shù)桨胁课唬惺垢髯缘拇x功能，當(dāng)然所有這些生命活動(dòng)都需要能量的推動(dòng)。

基于物質(zhì)與能量的視角看待繁雜的生命現(xiàn)象、事實(shí)及生命活動(dòng)，能夠認(rèn)識生命的本質(zhì)和規(guī)律，有利于物質(zhì)與能量生命觀念的形成和內(nèi)化。

3 中學(xué)生物學(xué)教材中“物質(zhì)與能量”的知識結(jié)構(gòu)

中學(xué)生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容框架下“物質(zhì)與能量”的主要觀點(diǎn)表現(xiàn)為：生命是建立在特定的物質(zhì)基礎(chǔ)之上的，蛋白質(zhì)與核酸是重要的生命物質(zhì)；能量是維持和更新生命的動(dòng)力，生物通過食物分子的氧化獲取生命的能量；細(xì)胞通過合成代謝和分解代謝實(shí)現(xiàn)生命物質(zhì)的更新與能量轉(zhuǎn)化；生物膜系統(tǒng)為細(xì)胞代謝提供了場所和必要條件。在微觀上，物質(zhì)是能量的載體，物質(zhì)的合成與分解總是伴隨著能量的吸收或釋放而進(jìn)行，在宏觀上，生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)是能量流動(dòng)的載體，物質(zhì)循環(huán)總是伴隨能量流動(dòng)而展開。

生命觀念不等同于生物學(xué)重要概念，具有跨概念性和上位性，是眾多概念的歸納、總結(jié)和提煉。生物學(xué)觀念的形成絕非一節(jié)課之功，也絕非靠貼標(biāo)簽強(qiáng)行灌輸。生物學(xué)課程的教育價(jià)值具有多維性，教學(xué)實(shí)踐中要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)側(cè)重其突出價(jià)值，不可面面俱到平均用力。生命觀念的形成也要依托教學(xué)內(nèi)容，例如中學(xué)生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容框架承載了豐富的物質(zhì)與能量視角下的生物學(xué)現(xiàn)象、事實(shí)及概念，但它們并沒有按照物質(zhì)或能量主題排列，而是分布在不同的階段和章節(jié)。為了促進(jìn)物質(zhì)與能量觀的形成、內(nèi)化與發(fā)展，教師不應(yīng)孤立地、按部就班地教教材，而要在分析教材的基礎(chǔ)上對相關(guān)內(nèi)容有整體的把握，形成物質(zhì)與能量視角下的知識結(jié)構(gòu)，突顯前、后知識的縱向聯(lián)系和橫向聯(lián)系，為落實(shí)觀念形成的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施提供思考框架，如圖4所示。

圖4 “物質(zhì)與能量”知識結(jié)構(gòu)分析

在教學(xué)實(shí)踐中要基于觀念改進(jìn)教學(xué)，促進(jìn)生命觀念形成和應(yīng)用。新課教學(xué)可以典型教學(xué)內(nèi)容為載體，凸顯生命觀念形成。例如，光合作用過程是光能啟動(dòng)的、以物質(zhì)變化為載體的復(fù)雜能量轉(zhuǎn)換過程，對“物質(zhì)與能量”生命觀念的形成具有其他內(nèi)容不可替代的地位和作用。在復(fù)習(xí)課中可以觀念形成為邏輯主線，梳理并整合教學(xué)內(nèi)容。例如以“生命系統(tǒng)的物質(zhì)與能量”為主題，可將生態(tài)系統(tǒng)、光合作用、呼吸作用等內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)整合，構(gòu)建不同層次生命系統(tǒng)中概念的聯(lián)系，促進(jìn)相應(yīng)觀念的形成。測評環(huán)節(jié)中，應(yīng)注重在任務(wù)情境中訓(xùn)練學(xué)生思考問題的視角，促進(jìn)生命觀念的內(nèi)化和發(fā)展。

4 “物質(zhì)與能量觀”對生態(tài)文明建設(shè)的啟示

形成生命觀念的價(jià)值在于提供解決個(gè)人和社會(huì)問題的視角和方法策略，即指向社會(huì)責(zé)任。物質(zhì)與能量代謝是生命的本質(zhì)特征，物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)維持和運(yùn)轉(zhuǎn)的鏈條。人類社會(huì)是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，生物圈的物質(zhì)與能量平衡是人類社會(huì)存在和發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。

自然生態(tài)系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)的能力。但對生物圈這個(gè)特殊的生態(tài)系統(tǒng)而言，人類社會(huì)有著不可低估的影響。世界自然基金會(huì)提出的《地球生命力報(bào)告2010》指出：“即使按照聯(lián)合國對人口增長、資源消耗和氣候變化最樂觀的預(yù)測，到2030年，人類將需要2個(gè)地球以吸收排放的CO2及滿足對自然資源的需要。”

針對社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，生態(tài)文明建設(shè)成為當(dāng)前各界討論的熱點(diǎn)之一。例如關(guān)于構(gòu)建生態(tài)城市的模式和觀念有多種解釋，暫且不去評判是非，但是基于物質(zhì)與能量對生命和生態(tài)系統(tǒng)的意義，針對個(gè)人和社會(huì)生活實(shí)踐中存在的客觀現(xiàn)象和表現(xiàn)的突出問題，生物學(xué)教師有責(zé)任幫助學(xué)生形成基本認(rèn)識：首先，用于人類生活的物質(zhì)進(jìn)口與出口要與自然生態(tài)系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，一個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的物質(zhì)要在內(nèi)部消化，否則物質(zhì)積壓的持續(xù)效應(yīng)將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)鏈的崩潰，從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)整體的崩潰。其次，能源的使用要具備可持續(xù)性，不能在無周密計(jì)劃的情況下隨意開采和無節(jié)制利用各種化石燃料。人類短短幾百年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展就幾乎將地球儲(chǔ)備了數(shù)10億年的化石燃料耗盡，這樣的速度必然是地球生態(tài)所無法承擔(dān)的，而迅速消耗礦物資源所伴隨的生物圈的物質(zhì)變化也將進(jìn)一步引起整個(gè)地球的動(dòng)蕩。因此，要維持人類社會(huì)的穩(wěn)定與發(fā)展，從物質(zhì)循環(huán)的角度看，物品的使用應(yīng)當(dāng)充分體現(xiàn)重復(fù)利用的原則，盡量減少以自然資源為原料的一次性物品的使用，減輕生物圈物質(zhì)的過度消耗；從經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能量的需求增加和亟需解決的環(huán)境問題來看，要充分利用能源，減少能源浪費(fèi)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。面對巨大的人口壓力，節(jié)約能源減少浪費(fèi)是能源利用的一個(gè)重要問題。從政府層面，各種城市規(guī)模的建設(shè)應(yīng)與其自然環(huán)境相匹配，否則必然加大資源與能源的浪費(fèi)。從每個(gè)公民的生活行為層面，節(jié)水節(jié)電、垃圾分類、綠色出行，并積極地引導(dǎo)他人，就是在為生物圈的平衡、為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)。地球是人類共同唯一的家園，保護(hù)環(huán)境、保護(hù)生態(tài)平衡是每一個(gè)公民的責(zé)任和義務(wù)。

［1］吳相鈺，陳守良，葛明德,等.普通生物學(xué).4版.北京：高等教育出版社,2014.

［2］B·艾伯茨，D·布雷，K·霍普金,等.細(xì)胞生物學(xué)精要.丁小燕、陳躍磊，等譯.北京：科學(xué)出版社，2012.

［3］時(shí)永香.細(xì)胞：一個(gè)和諧的社會(huì).北京：科學(xué)出版社，2012.

［4］吳成軍.基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的高考命題研究.中國考試，2016（10）：25.