关于生命科学思想基础的分析

关于生命科学思想基础的分析刘克汉任何一门科学的确立、巩固与发展，都必须具有坚实的思想基础，不然，它的整座大厦就要彻底倒塌，生命科学也不例外。在科学的思想基础方面它既具有生命科学独特的、鲜明的个性，也具有自然科学的共性，如遵守基本的物质运动规律、与其他自然科学学科有相似的科学研究方法、有相似的哲学思考等等。它们在科学上都具有极其普遍的意义，即具有公理性。这些生命科学的思想基础，在教材中往往不再特别地提出来加以说明，而是以“隐蔽”状态存在着。因此，理解生命科学的思想基础，对于编写教材意义十分重大。对于科学课程的教学来说，我们不仅要让学生知道科学的结论是什么，更重要的是让学生从学习的过程中感受和领悟到知识的形成过程。作为一位中学生物教师，必须充分理解生命科学的思想基础。这对于教师深入地挖掘教材，吃透教学内容，恰当地处理教材和组织教学，正确地指导学生开展课内外各项学习活动，以及从理解生命科学的思想基础的角度组织好专题复习等方面，都是非常必要的。下面对有关的思想基础作一些简要分析。一、归纳与演绎归纳是一种从个别到一般的思想方法，这种思想方法在教材编写中反映得十分普遍。因为，学生在学习某一类属的生物时，不可能把这个类属所有的生物种类一一加以研究，然后，再对这个类属的生物的生命特性加以归纳，概括出该类属的共同特征。教材采用的编写方法往往是选择一种或几种代表生物作为对象进行重点研究，再在此基础上通过类比、归纳，总结出这个类属生物的共同特征。例如，以松作为代表植物，研究它的形态结构、生活习性和生殖方式之后，概括出裸子植物的主要特征；学习原生动物时，以草履虫作为代表动物，通过叙述草履虫的生态环境，用显微镜观察草履虫的形态结构和运动情况，用实验探究草履虫对刺激的反应，等等，概括出原生动物的主要特征；通过研究酵母菌、青霉、曲霉和蘑菇，概括出真菌的主要特征。哪怕是对被子植物与裸子植物的主要特征的比较，无脊椎动物与脊椎动物的比较，等等，都是用这样的方式进行的。这是一种不完全归纳法。自从人类诞生以来，人们就开始了漫长的探究生命科学的艰难历程。编写生物学教材时，不可能也没有必要完全重复生命科学原理的形成过程，而只能采撷科学上具有典型意义和重大价值的例子作为学习材料，让学生通过学习达到举一反三、触类旁通的目的。不过，像教材这样采用归纳主义实验观来编写，往往容易导致在课堂教学中重理论，轻实践，热衷于死记硬背科学结论的现象。我们必须明白，教材上所有的这些科学知识的最终来源，是人类社会生活和生产的直接经验，是科学家对所有的认识对象作的科学观察、实验和思考，是完全归纳法。因此，在教学中，应采用多种教学手段，开辟各种教学途径，拓宽教学时空，尽可能地让学生正确理解知识的最终来源，让每一个学生都学得生动活泼、主动积极。与归纳相对应的是演绎。演绎是从一般到个别的思想方法。例如，学习爬行动物以后，教材上留下这样一道思考题：人们把壁虎、蜥蜴、蛇、龟和鳖等都叫做爬行动物，想一想这是为什么。不过，教材上运用演绎少于归纳。二、能量守恒和质量守恒新陈代谢是生命最基本的特征，生物体的新陈代谢过程一旦停止，它的生命活动也就结束了。生命的新陈代谢过程，就是生物体不断地与外界环境进行物质和能量交换的过程。所以，研究一切生命活动的过程，总是离不开能量守恒定律和质量守恒定律。能量守恒定律告诉我们，能量既不能凭空创生，也不能凭空消灭，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移过程中，能的总量不变。就能量的变化形式来说，生物学中主要涉及光能、电能和化学能。化学能包括贮藏在葡萄糖、蛋白质、脂肪等复杂有机物中的化学能和作为生物体直接能源物质的中贮藏的化学能。就能量转化和转移的方式来说，主要涉及能量的固定、摄食、食物链（网）、食物的消化、吸收和能量的释放等。外界的能量进入生物体，只有两条途径化能合成作用和光合作用。而化能合成作用的规模非常有限，因此，仅从能量进入生态系统这个角度来说，光合作用的意义更大。因为生物所需要的能量几乎全部来自于太阳能，但大多数生物不能直接利用太阳能，只能靠利用贮藏在有机物中的化学能作为生活的全部能量来源，因此，那些能够进行光合作用，将光能转化为贮藏在有机物中的化学能的绿色植物，组成了名副其实的、自然界中最庞大的有机化工厂，它们被冠以生态系统中的“生产者”（当然包括那些化能合成菌在内）的雅号。从能的总量不变这个角度来考虑，很多问题都容易理解了。质量守恒定律告诉我们，参加化学反应的各物质的质量总和，等于反应后生成的各物质的质量总和。显然，光合作用、呼吸作用的化学方程式，都是依据这一原理。在思考植物种子的萌发、动植物的个体发育、动物的消化作用时，也都必须依据这一原理。在考虑糖、蛋白质、脂肪等复杂有机物的代谢时，也必须应用质量守恒。总而言之，生物的一切新陈代谢过程，都是由一系列的酶促化学反应组成的，在思考所有关于新陈代谢的物质变化问题时，都要以质量守恒定律作为思想基础。三、科学分类的思想分类的思想是自然科学的一个重要思想方法。例如，化学上进行物质分类时，可以将二氧化碳这种物质的分类定位在：纯净物化合物无机化合物氧化物酸性氧化物。这时，这种物质分类就有5个层次。生命科学研究的对象极其复杂，种类极其繁多。就目前所知，植物约有40万种，动物约有150万种，还有微生物若干。所以，要研究它们，准确地识别它们，合理地利用它们，对生物进行分门别类显得尤为重要。生物分类学是从自然演化的角度，专门研究生物的种类及其相互之间的亲缘关系，从而阐明生物界的自然系统的一门学科。它着眼于生物个体，对它们在生物界的自然位置做出科学界定。它所使用的单位及该分类系统所具有的7个主要层次依次是：界门纲目科属种。生物自然分类的鼻祖林奈把生命世界分为植物和动物，这是两界系统。这个系统自18世纪以来一直沿用到20世纪50年代。后来有三界系统（1866年海克尔把生命世界分为原生生物、植物和动物），四界系统（1959年惠特克把生命世界分为原生生物、真菌、植物和动物），五界系统（1969年惠特克把生命世界分为原核生物、原生生物、真菌、植物和动物）。此外，还有两总界五界系统、六界系统等分类方法。由于中学生物学课程主要着眼于普及科学知识，只是对生命科学作一些常识性的介绍，所以，并不要求学生掌握某生物个体在自然科学系统中的具体的分类位置。因此，关于生物分类的具体内容在教材中涉及得并不多，但也有反映。例如，以往的生物教材是分为植物学和动物学的，这就是两界系统分类思想的反映，现行的生物教材中，一般把教学内容分为植物部分、动物部分以及细菌、真菌、病毒部分，这也是分类思想的反映，准确地说，这是指自然分类。有时，人们根据植物的形态和结构，把植物分为乔木、灌木、藤本植物、草本植物；根据生殖方式的不同，把植物分为被子植物与裸子植物；根据脊椎的有无，把动物分为脊椎动物、无脊椎动物；等等。这些也是分类思想的反映，准确地说，这是指人为分类。此外，为了研究和学习方便，为了进行分析、比较，人们往往从不同的目的出发，用各种不同的标准来分类。例如，根据细胞的结构特点把细胞分为原核细胞和真核细胞；在讨论新陈代谢的类型时，根据同化作用的特点把生物分为自养型生物与异养型生物，根据异化作用的特点把生物分为需氧型生物与厌氧型生物等。还有，把自然界分为生物界和非生物界，把动物和人的生命活动的调节分为激素调节和神经调节两大类，把营养物质分为糖类、蛋白质、脂肪、维生素、水和无机盐六大类，把种子的成分分为无机物和有机物，等等。这样的分类方式，是学习知识过程中的一种组织策略，运用它可以使知识掌握得更准确、更系统。四、层次结构的思想生物的复杂性之一就在于它的多层次性。从微观的角度有细胞细胞器分子原子等，从宏观的角度有组织器官系统个体种群群落生态系统生物圈。生物群落的垂直结构，也具有明显的分层现象。在这里，每一个层次都可以成为独立的研究对象和学科，这一个层次和那一个层次之间的关系是不可忽略的。例如，遗传的物质基础，从显微结构上看，主要是细胞核和染色体；从分子水平上看，主要是，是上有遗传效应的片段，是基因。这些层次有大小之分，但层次性的大小本身并没有研究水平的高下。当然，由于研究条件的限制，人类对生命现象及其本质的研究，首先总是从个体水平开始的，是从宏观再到微观。从认识生物个体，到认识组成生物体的核酸、蛋白质等生物大分子，认识遗传信息在细胞内生物大分子之间转移的“中心法则”等，是人类对生命本质在认识水平上质的飞跃。就宏观研究而言，对于生态系统中生物与生物之间、生物与无机环境之间的关系，人类的认识水平也是逐步深入，逐步提高的。生物教材在内容安排上也是有层次的。例如，初中生物课本主要侧重于生命现象的描述，高中生物课本则主要侧重于生命活动的基本原理。在具体安排上，首先是关于细胞的，其次是关于生物个体的，再次是关于生物界的。五、进化论思想系统的、权威的、传统的生物进化理论是由英国生物学家达尔文于1859年正式提出来的。生物教材对此用专门的章节作了详细介绍，这里不再赘述。反映在生物教材中的进化论思想还表现在教材内容的编排体系上。例如，介绍动物时，总是先讲无脊椎动物，按照原生动物、腔肠动物、扁形动物、线形动物、环节动物、软体动物和节肢动物的顺序进行；再讲脊椎动物，按照鱼类、两栖类、爬行类、鸟类、哺乳类的顺序进行。这实际上反映了生物由简单到复杂、由水生到陆生、由低等到高等的进化规律。六、实验是科学认识基础的思想生物学属于自然科学的范畴，它的一切理论都以观察和实验为基础。实验和理论交互影响的结果，促进了科学的进步。先进精确的实验结果和理论互相对照，最终产生了新的理论，而新的理论又面临新的实验的挑战。生物教材上提及许多实验。例如，讲植物生命活动的调节时，说到燕麦胚芽鞘实验；讲动物生命活动的调节时，说到用含有甲状腺制剂的饲料喂蝌蚪的实验、摘除成年狗和小狗的甲状腺的实验、割除和移植公鸡生殖腺的实验；讲遗传的基本规律（遗传第一定律、第二定律）时，说到孟德尔的八年豌豆实验；讲显性的相对性时，提及陈桢的透明金鱼实验；讲生命的起源时，提及米勒模拟原始大气的实验；等等。其实，对于阐明生物学原理来说，这些都还是远远不够的。此外，教材还安排了一些演示实验和学生实验，并且对学生实验越来越重视。现在的主要问题是，我们相当多的教师对实验教学还缺乏足够的重视，观察、实验、实习在生物教学中的地位亟待加强。七、系统论的思想美籍奥地利生物学家、哲学家路德维格贝塔朗菲经过大量的研究，认为生命有机体就是一个整体或者系统，他还推而广之，把凡是相互作用、相互依赖的若干组成部分或要素依照一定的秩序结合而成的具有特定功能的稳定整体，都叫做系统，进而提出了在现代科学中影响极其深远的系统论思想。系统论是现代科学的理论基础之一。生物界与非生物界在化学元素组成上具有统一性。构成细胞的几十种化学元素，在自然界中都可以找到，没有一种是生命物质特有的。但是，为什么由这些元素组成的物质会出现生命的特征呢？虽然由这些元素组成的有机化合物如糖类、脂类、蛋白质、核酸、维生素等，是生命世界所特有的，但是，这些有机化合物并不具有生命的特征。只有由这些有机化合物和一些无机化合物共同组成细胞，并且保持细胞的完整性，生命的特征才能显现出来。细胞是生物体结构和功能的基本单位，细胞的完整性是生命活动的前提。因此，细胞就是一个复杂的生命系统。病毒没有细胞结构，不能独立生活，必须依赖活细胞才能生存。每一个生物体都是一个复杂的生命系统，生命现象就是生命系统活动的整体表现。可见，如果没有系统论的思想，就难以理解为什么把“生物体具有严谨的结构”作为生命的基本特征之一，就难以理解在生命起源过程中形成具有最原始的界膜所具有的重要意义，就难以理解为什么人们长期争论：在生命起源的过程中到底先出现核酸，还是先出现蛋白质。这也就是说，有序是很重要的。氨基酸是蛋白质结构的基本单位，核苷酸是核酸结构的基本单位，由它们分别构成蛋白质和核酸时，除了要有一定的化学结构，还必须具有一定的空间结构。否则，就难以理解发现蛋白质的分子结构模型、的分子结构模型，提出细胞膜结构模型、病毒结构模型的重大意义，尤其是难以理解1953年沃森和克里克建立起的模型标志着分子生物学诞生的划时代意义。新陈代谢是由一系列的酶促化学反应组成的，这些反应的顺序是极其重要的。如果发生紊乱，结果不堪设想。从这个角度，我们也就不难理解人们一步一步地深入探讨光合作用和呼吸作用的过程有什么特殊意义了。八、热爱自然、珍爱生命的思想生命是在漫长的地质历史时期自然进化的结果，是自然进化的最高表现形式。每一个生命都有自己的发生、发展、成熟、衰老和死亡的生命周期，每一个生命都是独特的。生命对于我们每一个人来说，只有一次。所以，必须珍惜自己的生命。同时，生命也离不开它的生态环境。自然界创造出来的生命的多样性就展现在我们的周围，它们就是我们非常宝贵的“基因库”，一旦消失，其损失无法补偿。所以，我们没有理由不热爱自然，珍爱生命。热爱自然，珍爱生命是我们学习生物学课程时，在态度、情感和价值观修养方面应该达到的最高培养目标。这个思想反映在生物教材中就是下列观点：热爱自己的生命，平时要加强体育锻