以系統論的視角聚焦細胞層次生命觀念的培育

孟凡龍 崔 鴻

（1.華中師范大學生命科學學院 湖北武漢 430079）

（2.揚州大學附屬中學東部分校 江蘇揚州 225003）

本文是2018年江蘇省“十三五”教育科學規劃青年專項重點資助課題“指向生命觀念的高中生物學科學史教學范式研究”（課題編號為C-a/2018/02/23）的研究成果。

系統是若干相互聯系、相互作用、相互依賴的要素結合而成的，具有一定的結構和功能，并處在一定環境下的有機整體，如生命系統、物理系統、社會系統。系統論是研究系統的一般模式、結構和規律的學問，它用數學方法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統的原理、原則和數學模型，是具有邏輯和數學性質的一門科學。系統論認為，系統的基本屬性包括整體性、相關性、層次性、動態性和目的性，其核心思想是系統的整體觀念。系統論的創立者美籍奧地利人、理論生物學家L.V.貝塔朗菲強調：任何系統都是一個有機的整體，系統中各要素之間相互關聯，構成了一個不可分割的整體。要素是整體中的要素，如果將要素從系統整體中割離出來，它將失去要素的作用，即“整體大于部分之和”。

生物學是靈動的、發展的生命科學，培養學生的生物學學科核心素養是中學生物學課程的價值追求。生物學核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。生命觀念是生物學核心素養的基礎和支柱，是指對觀察到的生命現象及其相互關系或特征進行解釋后的抽象，是經過實證后的想法或觀點。生命觀念的形成依賴于科學思維和科學探究，其終極價值是形成一定的社會責任。細胞作為生物體生命活動的基本結構和功能單位，是最基本的生命系統，因此，教師應盡可能地引導學生以系統論的視角看待細胞，分析生命系統的獨特性質，正確認識生命觀念的核心內涵。

1 基于系統整體性，理解細胞的結構與功能觀

整體性是系統最基本與本質的特征。系統是多方面復雜因素的綜合，它不是各個部分的機械組合或簡單相加，系統的整體功能是各要素在孤立狀態下所沒有的性質。系統中各要素不是孤立地存在著，每個要素在系統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，如果將要素從系統整體中割離出來，它將失去要素的作用。如在學習分泌蛋白的形成時，教師要強調核糖體、內質網、高爾基體、線粒體等細胞器的通力合作，它們相互協調，共同協作，來完成細胞中各種復雜的化學反應。任何一種或幾種單獨的細胞器，離開細胞這個統一的整體，將無法正常實現其整體功能。

系統的組成成分即要素種類、數量、時序性、空間結構不同，其功能也不同，如分析蛋白質的結構多樣性時，從組成肽鏈的氨基酸的種類、數目、排列順序上的不同，以及構成蛋白質的肽鏈在數目和空間結構上的不同角度展開，進而決定蛋白質功能的多樣性。系統與要素的雙向構建性，系統與要素間的相互規定的相互作用，使得它們都獲得了整體意義上的全新規定性，如端粒酶與細胞生活、細胞器的損傷與溶酶體的關系、線粒體與細胞的關系。

細胞的結構與功能觀包括結構決定功能、結構與功能是統一而相適應的、整體結構的功能大于局部結構的功能三個方面。如在分析酶的結構與功能時，教師要全面把握：高溫、強酸、強堿會破壞蛋白質類酶的空間結構，使其喪失催化功能，而低溫不會破壞其的空間結構，但卻影響其功能表達。且酶在催化生物體內化學反應的過程中會出現空間結構的暫時改變。又如，Na-K泵在實現Na+和K+跨膜運輸的過程中會改變其空間構象。這些說明了生命系統中的結構決定功能的特性是相對的，也體現了生命系統的復雜性和獨特性。

總之，在理解細胞的結構與功能觀時，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胞中各種復雜的生命現象。

2 基于系統層次性，理解細胞的物質與能量觀

層次性是由于組成系統的諸要素的種種差異包括結合方式上的差異，系統組織在地位與作用、結構與功能上表現出的具有質的差異的等級秩序性。每個系統都是一個具有復雜層次的有機體，層次可按物質的質量、能量、運動狀態、空間尺度、時間順序、組織化程度等多種標準劃分，不同層次具有不同的性質和特征，既有共同的規律，又各有特殊規律。如在分析細胞中的物質組成時，教師要引導學生理解：細胞中含有原子（元素）水平、分子水平、細胞器水平、整體水平等不同層次水平，生命系統是物質的，生命活動依賴于物質的運輸和變化，物質的運輸和變化往往與能量供應、流轉相伴隨。

原子是化學變化中的最小粒子，元素是具有相同核電荷數的一類原子的總稱，原子中當質子數和電子數相同而中子數不同時可以形成同位素，利用放射性同位素顯示某種原子在生物體內的來蹤去跡，即同位素示蹤，如科學家將14CO2引入植物體內，發現了CO2轉變為糖的全過程。生物體內最主要的4種原子是C、H、O、N，當原子之間形成離子鍵或共價鍵時就形成了分子，如水分子。細胞可以利用少數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車廂有序連掛而成，同時蘊含著能量，細胞將不同分子創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，以及細胞結構，如細胞膜上的磷脂分子、蛋白質分子和多糖分子。

細胞中的各種化學反應并不能創造或破壞原子，只是破壞原子間已有的化學鍵，形成新的化學鍵，將原子重新組合，進而實現細胞中物質與能量的轉換。如細胞中少量的ATP與ADP相互轉化進行能量的儲存和釋放，高效節約地保障細胞各項生命活動的能量供應，是生命系統中物質和能量的直觀體現。細胞中光合作用和呼吸作用在將無機物和有機物相互轉化的同時，總是伴隨著能量形式的改變。

因此，在理解細胞的物質與能量觀時，教師既要引導學生把握不同層次物質的存在形式和轉換原理，又要使學生理解,物質和能量總是相伴相隨的，物質是能量的載體，能量是物質轉換的動力，進而維持生命系統的相對穩態。

3 基于系統動態性,理解細胞的穩態與變化觀

動態性是系統隨時間而變化或者按確定性規律隨時間演化的一種屬性。系統的運動、發展與變化時動態性的反映，具體體現在：任何系統均隨時間而變化、系統都有一定的生命周期、系統與外部環境不斷進行物質能量和信息的交換。

生命是物質的，是一種特殊形式的物質運動，是物質、能量和信息諸變量在特定時空的“表演”。其運轉有賴于生命系統有組織的守時和對空間環境的合拍。生命系統是“活的”、靈動的、開放的，內部也時刻在發生物質變化和能量轉換，但多數時候又維持相對的穩定狀態。細胞系統作為最基本的生命系統，其系統整體的存在方式具有一定的規律性和相似性，如每個細胞都有選擇透過性膜結構、都有遺傳物質、都有核糖體等結構共性，也都有運動性、都能新陳代謝、都能自我增殖和遺傳等功能共性。

穩態是有序、平衡且不斷變化的，是生命系統最基礎的特征之一。穩態不意味著一成不變，任何系統的穩態都是在一定范圍內的波動。如細胞中大多數酶的最適溫度為36～38oC，最適pH為6～8，不同細胞膜上磷脂和蛋白質分子所占的比例相對穩定。細胞所生活的內環境也是處于相對穩定的狀態，如血漿pH為7.35～7.45之間。

所以，在理解細胞的穩態與變化觀時，教師要從教育哲學的角度,辯證地看待細胞中的相對穩態與絕對變化。穩態機制的存在有助于生物體相對獨立于外界條件，從而大大提高生物體對環境生態因子的耐受范圍。生命系統各層次都存在著穩態與變化，穩態的維持需要通過調控來實現。

4 基于系統相關性,理解細胞的信息與調控觀

相關性是指組成系統的各個要素之間、整體之間或系統與外部環境之間相互作用、相互關聯、相互制約。系統的各組分或元素只要有一個變化都會影響其他元素或組分實現其功能，它們是一個有機組合的整體，強調系統內各要素之間的空間分布及相關性。一般的系統都是開放系統，與外部環境有著緊密聯系，會與外界發生物質、能量和信息的交換。

對于生命系統來說，系統相關性的維持需要物質、能量和信息三大要素，物質是本源的存在，能量是運動的存在，而信息是聯系的存在，信息以物質和能量為媒介，穿越時間和空間進行傳遞，系統通過信息將各要素組合形成一定秩序的動態結構。如光合作用中物質的轉化和能量的儲存需要光信息分子激活葉綠體類囊體膜上的葉綠素分子,從而進行電子的躍遷和轉移。

生命系統的正常運轉離不開信息的傳遞，基因是最根本的生命信息，維持穩態離不開調控，調控依賴于信息傳遞。細胞系統內部各要素之間和系統之間的信息作用是通過細胞中遺傳信息和生理信息的調控來實現的，基因的表達與調控是最基礎和最重要的遺傳信息。如細胞中激素分子的分泌、酶活性的調節、G蛋白偶聯受體及信號轉導、細胞的生命歷程和細胞自噬的實現等都與基因表達的穩態調節有著直接的關系。

因此，在理解細胞的信息與調控觀時，教師要從系統的整體性和相關性角度出發，將細胞中的各要素通過物質、能量和信息的耗散形成有序穩定的動態調控系統。系統依托信息的調控是實現穩態的必要手段，生命系統的穩態和對環境的適應都是調控的結果。

5 基于系統目的性，理解細胞的發育與生殖觀

目的性是指系統在一定環境下，必然具有的要達到的狀態的特性。每個系統都具有特殊的功能，這是不同系統區別的主要標志。目的性貫穿于系統發展的全過程，集中體現著系統發展的總傾向和總趨勢。當系統的具體目標之間有矛盾時，要從系統的目的性出發進行協調。生命系統的目的是要實現細胞、個體能生長發育，細胞能分裂、個體能繁殖、群體能繁衍。

生長和增殖是生物的基本特性，無論是單細胞的生物還是多細胞的生物，每個細胞都必須進行生長和分裂。細胞通過分裂形成的新細胞必須具有與親代細胞相似的遺傳性，體現了細胞的穩態與變化觀。因此，細胞分裂的前提是遺傳物質的復制、各種細胞器及生物大分子的倍增與細胞體積的增大。細胞通過分裂，將復制的遺傳物質均等地分配到兩個子細胞中，保證了細胞遺傳的穩定。細胞的分裂、分化、衰老和凋亡是其全部的生命歷程，在這個過程中每個細胞都對個體的生命奉獻了自己的一生。

總之，在理解細胞的發育與生殖觀時，要基于系統的整體性、相關性、目的性，將細胞的生命歷程與組織、器官、系統，乃至個體的生命結合在一起形成有序的整體。細胞的發育和生殖是為了新細胞誕生、生命的延續；生命是復雜的、多層次的、經億萬年進化而來的；用于研究的方法既要符合科學的基本要求，又要有自己的特色；所建立的知識，是一個相對獨立的、自洽的、開放的、發展的體。系統的整體性、相關性、層次性、動態性和目的性等屬性是相互聯系、相互融合的。學習中，教師要引導學生從系統論視角感悟到細胞中的各種生命觀念是相互滲透、相互制約、相互影響的，同時它們又相互協調、共同協作形成一個有機統一的整體系統。