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(hào)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(duì)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(huì)責(zé)任。細(xì)胞作為生物體生命活動(dòng)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(shí)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(duì)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(jí)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(dòng)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(dòng)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(chǔ)存和釋放，高效節(jié)約地保障細(xì)胞各項(xiàng)生命活動(dòng)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(dòng)力，進(jìn)而維持生命系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)態(tài)。

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

動(dòng)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(dòng)、發(fā)展與變化時(shí)動(dòng)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(dòng)，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(duì)空間環(huán)境的合拍。生命系統(tǒng)是“活的”、靈動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)。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(duì)穩(wěn)定。細(xì)胞所生活的內(nèi)環(huán)境也是處于相對(duì)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(duì)穩(wěn)態(tài)與絕對(duì)變化。穩(wěn)態(tài)機(jī)制的存在有助于生物體相對(duì)獨(dú)立于外界條件，從而大大提高生物體對(duì)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(huì)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(huì)與外界發(fā)生物質(zhì)、能量和信息的交換。

對(duì)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(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。如光合作用中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和能量的儲(chǔ)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(hào)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(dòng)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(duì)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(shì)。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(duì)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(shí)，是一個(gè)相對(duì)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(dòng)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)。