生命科学的结构与研究方法

1、生命科學的結構與研究方法鄭先祐 (Ayo)台南大學 環境與生態學院 教授 1生命科學的結構與研究方法第一部 科學本体篇Joy of ResearchScience as a way of knowing摩登的陷阱第二部 生命科學(生物學)的結構篇生命科學的定義與內容生命科學的結構第三部 研究方法篇2第一部 科學本体篇the Joys of Research 研討會- Albert Einstein 誕生百年紀念Ernst Mayr1926 獲得Ph.D. 學位。1946 參與成立 the society for the study of Evolution.1947 出版Journal of

2、Evolution.1953 獲得Alexander Agassiz Professorship in Zoology in Harvard University.1982 出版 The Growth of Biological Thought.3What is the Science?A. Einstein:Science is the attempt to make the chaotic diversity of our sense-experience correspond to a logically uniform system of thought.Ernst Mayr:Scie

3、nce is not an accumulation of facts, rather science is the search for an understanding of the world around us. 4第一部 科學本体篇研究不只在puzzle solving，更重要的是在探求ultimate (演化上和歷史上)的問題。在這價值上，我們建立我們的生命哲學。這些問題的挑戰，使我們的生活更富有，也使我們更能瞭解人類生存的意義。5Science as a way of knowing- XXXa project of the education committee of theA

4、merican Society of Zoologistscosponsored byThe American Society of NaturalistsThe Society for the Study of EvolutionThe Biological Sciences Curriculum StudyThe American Institute of Biological SciencesThe American Association for the Advancement of ScienceThe Association for Biology Laboratory Educa

5、tionThe National Association of Biology TeachersThe Genetics Society of America 6ASZ的教育改善計劃問題：美國科學教育的功能，有嚴重的下降趨勢。原因：大學的科學教育太偏重片斷的知識，特別是摩登的知識。整体性與歷史性的科學架構，卻被忽略。學生因而沈溺在知識海中，無法認識過去，也無法推求未來。屈服於必要是摩登的誘惑。7ASZ的教育改善計劃計劃： 從1983年起，每年一個科目。探討這一個科目教學方法與內容。第一年計劃(1984)：Evolutionary Biology 第二年計劃(1985)：Human Ecolog

6、y 第三年計劃(1986)：Genetics (遺傳學)第四年計畫(1987)：Developmental Biology 第五年計畫(1988)：Form and Function 第六年計畫(1989)：Cell and Molecular Biology第七年計畫(1990)：Neurobiology and Behavior(1990-1991)= a conceptual framework for Biology8摩登(modern)的陷阱這是一個知識爆炸的時代。知識成長的速率 學習的速率。每位教授都有能力，以新知識將學生沉溺於知識海中。9摩登(modern)的陷阱肇致的問題：學生

7、無能力獨立自主，開創未來。就算緊跟新知識，其實已經是落後至少5-10年。任何新知識都須要經過考驗。緊跟新知識，有可能是捕風捉影。polywater 為例。10摩登的陷阱- 知識的爆炸與學習速率。- polywater 為例圖表3. Polywater 研究過程與成果的整理。於1962年至1974年間，有關polywater的研究報告(文獻)之數量。前蘇聯、美國、及其它西方國家，各發表的篇數總合，列於其國名之後的括弧中。原資料取自Franks (1981), p.120。11Polywater 的研究報告Haynes, J. M. and P. J. McElroy (1969) Anomalo

8、us water. Nature 224:393-394.Donohue, J. (1969) Structure of “polywater”. Science 166:1000-1002.(Anonymous) (1969) Polywater. Scientific American 221:90-9Allen, L. C. and P. A. Kollman (1970) A theory of anomalous water. Science 167: 1443-1454.Allen, L. C. and P. A. Kollman (1971) Theoretical eviden

9、ce aganinst the existence of polywater. Nature 223:550-551.12檢討Polywater案件的文獻：Schaffer, S. (1976) Polywater research and pathological science. M.A. thesis, Harvard University.Franks, F. (1981) Polywater. The Mit Press,Branscomb, L. M. (1985) Integrity in Science. American Scientist 73(5):421-42313生命

10、世界的組成架構 - 是無法切割的。 - 非of、by、for某個學科14化約主義(Reductionism)vs.整合主義(Holism)物理學：探索宇宙最微小的粒子。生物學：探索分子(基因)的生物學。掌握分子(基因)就掌握生命。生命科學就是分子生物學。分子(基因)生物學 vs. 生態學(emergent properties)15化約主義 (Reductionism) vs.整合主義 (Holism)化約主義探索宇宙最微小的粒子 (物理學)。分子(基因)生物學整合是過程，化約至極是目的。整合主義複雜與混沌(物理學)emergent properties(生態學)化約是方法，整合是目的。16化

11、約主義的問題1. 化約原本是方法，不是目的。掌握分子(基因)就掌握生命，這是一種未被證實的信仰。2. 生命最小的單位是生物個体。3. 生命延續的最小單位是族群。4. 維持生命生活的最小功能單位是生態体系。5. 每個生命組成的位階，都有其emergent properties。17第二部 生命科學的結構篇生物學(Biology) 的定義Bio + logy = 以有生命之物為研究材料或對象。研究與學習 生命各層次的形態與功能。生物學的特質: 地區性、特有性、歷史性、親緣性、與複雜性。18博物館與生物學的研究博物館的收藏，於生物學的研究，具有根本的重要。隨著生物學的發展，博物館的標本館藏將會愈豐盛

12、。生物學的研究，都應盡可能的留下其研究使用的生物材料(存証)。19生物研究必要有存證的標本理由：1. 生命現象往往可能會因種而異。2. 使用的生物，其種類鑑定有可能會出錯。3. 同一種的生物，將來有可能會再分為若干種。4. 學名亦有可能被誤用，而可能於日後被更改。5. 若有標本的保留，才有可能考證其種類。20美國生物學的發展過程資料來源：Rainger, R., K. R. Benson, and J. Maienschein (eds.) (1988) The American Development of Biology. The University of Pennsylvania Pr

13、ess目 錄第一部 Natural History to Biology1. Museums on Campus: A Tradition of Inquiry and Teaching - 1868-1902, established on campuses。2. From Museum Research to Laboratory Research: The Transformation of Natural History into Academic Biology.21美國生物學的發展過程第二部 Centers of Cooperation3. Organizing Biology:

14、The American Society of Naturalists and its “Affiliated Societies”, 1883-1923.4. Summer Report and Scientific Discipline: Woods Hole and the Structure of American Biology, 1882-1925.5. Whitman at Chicago: Establishing a Chicago Style of Biology?22美國生物學的發展過程第三部 Working at the Boundaries of Biology6.

15、Charles Otis Whitman, Wallace Craig, and the Biological Study of Animal Behavior in the United States, 1898-1925.7. Vertebrate Paleontology as Biology: Henry Fairfield Osborn and the American Museum of Natural History.8. Organism and Environment: Frederic Clementss Vision of a Unified Physiological

16、Ecology.9. Mendel in America: Theory and Practice, 1900-191910. Cellular Politics: Ernest Everett Just, Richard B. Goldschmidt ant the Attempt to Reconcile Embryology and Genetics.23表6. 地球上各界與各類生物的已知種類的大約數目。資料摘譯自Stiling (1992), p.18。24圖7. 於各個分類位階，陸域與海域生態体系的龐雜度之比較。資料取自Ray (1985) Amer. Zool., 24:452-4

17、68。25生命科學的內容個體是生命的基本單位，但族群才能延續生命，且群落才能維持生活。生物學的時間與空間 (圖8)。生物組成與分類的位階 (圖9)。生命的延續 (基因型與表現型) (圖10)。26圖8. 生物學的時間與空間的範圍。中間方形區是指生物個体的生物學。時間量度以年為單位；空間則以公尺為單位。基本資料取自Kohn (1989), p.1096。27圖9. 生物的組成與分類的位階。clade 包含：種以上的各個分類位階。原資料摘取自Kohn (1989), p.1097。28圖表10. 一般生命的延續過程。生命起自基因型(genotype, 受精卵, G1)，經過t1時間，發展成個体(表

18、現型，phenotype，P1)；再經過t2時間發展成為成熟的個體(P2)，經過t3時間產生配子(精子或卵子，G2)；再經過t4時間結合成受精卵(G1)，另一個新生命的開始，進入另一個循環。29生命科學的結構二元結構：生物材料 與 組成的位階(圖11)。 生物學的根基：演化學、分類學、親緣遺傳學。整合的生物學：社區生物學、生態体係生物學。- 深淺結構30圖11. 生物學的結構。31生命科學的結構傳統的入門與發展之道：垂直切割。選擇材料，熟悉材料。分類學、形態學 (解剖學與組織學)、生理學、自然歷史學、地理學。昆虫學者、蕨類學者、鳥類學者、蝶類學者、. 。32DNA 結構的發現DNA is th

19、e molecule of heredity.Watson and Crick* In 1953, they published their double helix model for DNA。* did no experiments。* they spent their time thinking about DNA。* Pauling graciously congratulated Watson and Crick。In 1962, awarded Nobel Prize。33DNA 結構的發現Double helix 的力量: 改變生物學傳統的入門與發展之道。傳統的領域已面臨發展的瓶

20、頸。DNA 與相關分子的研究, 開啟新的天地。橫式切割: 分子生物學與生態學的興起。341980年代以來的反省與批判Science as a way of knowing - XXX 沈溺於知識海中，不知何去何從。片斷瑣碎, 缺整體的認知。現況：個体生物學成為棄嬰。傳統生物學的復興：功能形態學、系統分類學、發生(展)生物學, .。新的整合：蜥蜴生態學、生物社會學、行為生態學、生理生態學、 .。注重長期與整合, 並將橫式切割向垂直切割的方向作些調整。35圖12. Darwin 與 Einstein 要完成其個別研究的成果, 他們各別提出的計劃書。按此計劃書的內容, 於現代的國家研究補助的制度下,

21、 是否可通過審查。Proposal of C. Darwin36圖12. Darwin 與 Einstein 要完成其個別研究的成果, 他們各別提出的計劃書。按此計劃書的內容, 於現代的國家研究補助的制度下, 是否可通過審查。Proposal of A. Einstein37 垃圾大戰 的 大學教育平時上課：教授丟垃圾，學生代表撿垃圾！考試前：圾圾copy，各自回家作垃圾分類！進入考場：掃瞄垃圾場，傾倒垃圾！傾倒完畢，如釋重負！清倒夫 vs. 拾荒者 TIP 獨特的清倒夫能力！徹底的垃圾分類！捨得垃圾！38你個人的情況？讀過多少本書(完整的)？屈服於摩登的誘惑？知識間是否有矛盾？空白？有無問題？清倒夫？ 拾荒者？企圖心？願景？Darwin？ Einstein？ TIP 作禪打坐，靜思。捕捉剎那！39生物學的結構與研究方法第三部 研究方法篇40第三部 研究方法篇兩大學派1. Reductionism (化約主義)2. Holistism (整合主義)三個基本原則1. natural causality (自然成因)2. uniformity in space and time (一致性)3. common perc