高中生物学生命信息观的渗透

高中生物学生命信息观的渗透

高中新课程强调发展学生的核心素养，这是课程标准的基本理

念。生命观念是生物学学科核心素养之一，是学生理解和解释生物

学相关事件和现象的意识、观念和思想方法，能够指导认识生命、

探究生命活动规律，因此发展生命观念，在教学中具有重要的地位。

在课程标准提出四条观念的示例基础上，可以进一步提炼生命观念,

如很多学者提出的生命的系统观、生态观、信息观等口冏，研究这

些重要的生命观念，有助于落实课程标准的基本理念。

一、对生命信息观的理解

（一）生命的信息观是重要的生命观念

人们通常将可以传播的消息、情报、指令、数据与信号等称作

信息。现代科学研究表明，生物是由生命载体与生命信息两大要素

组成的，构成生命的物质和能量是变化的、流动的，但物质和能量

的组织形式却是保持稳定的，这种稳定的组织形式就是生命信息。

这就要求我们不仅要把生命看作是一种运动，还要认为生命是一种

运动的组织形式。⑷信息是生命世界的基本要素，离开生命的信息

属性去讨论生命活动，基本是无从下手的；信息只能被生物获取和

利用；脱离生物体讨论信息的存在和作用也是没有意义的。因此，

从某种意义上说，没有信息就没有生命，没有生命也就没有信息、。

信息在生命系统（小到细胞，大到生态系统）中很重要，贯穿

于现代生命科学从微观到宏观的全部研究之中；生命的信息观与课

程标准中生命的物质与能量观结合后，是对生命的更准确的概括和

总结，即生命是物质、能量和信息的统一体，可以成为课程标准有

益的补充，可为学生认识生命提供重要指引。因此笔者粗浅地认为，

生命的信息观是建立在信息作为生命的组织形式的重要作用基础

上的，是对生命的信息属性（包括生命系统中信息类型、调节过程、

信息作用效果等）的抽象。生命的信息观是理解生物学问题所必需

的，能够指导人们运用信息理论分析生命活动和更准确地认识生命。

（二）生命信息观的历史溯源

回望生物学的发展历程，长期以来认识生命的主流观点是机械

式的物理主义还原论，即用物质和能量解释一切生命活动。但这并

不能准确描述生命，因此，要从一个新的角度解释生命现象。在这

一过程中，魏斯曼试图解释遗传现象并创立了“种质论”，提出“种

质”是不灭的、世代相继的，而“体质”是由“种质”产生的，受

环境影响，但不能影响“种质”。尽管魏斯曼的这一观点是错误的，

但其原始的生命信息观的核心思想影响了生物学的发展。自此以后,

生物学的研究框架逐渐从只对参与生命活动的物质和能量进行研

究，加入了对信息的研究。

（三）信息观影响了生物学名词和概念的发展

现在已广泛使用在生物学中的一些词汇，实际上来源于信息学。

例如，“转录”一词。该词的英文单词为transcription,可以直译

为抄写或誉写，在DNA双螺旋结构发现之前，一般用这个词表示

将声音信息从一张唱片或一盒磁带转移到空白唱片或磁带的过程，

即“转录”，后来生物学就借用了这个概念，用以描述DNA上的

遗传信息转移到RNA上的过程。类似的情况还有很多，如“翻译”

“反馈”“编辑”“编码”“信息携带者”等。

“基因”一词的内涵意义也在生命信息观的发展中经历了许多

转变。孟德尔豌豆杂交实验是用想象中的“遗传因子”进行解释的；

约翰逊提出“基因”一词，可以替代孟德尔的“遗传因子”，但实

际上并没有解释它的本质；摩尔根确认基因位于染色体上；薛定谤

在著名的《生命是什么？》一书中借用摩尔斯电码来假设基因也采

用了某种编码；自20世纪50年代DNA双螺旋结构确立、生物学

进入分子水平的解释模式以来，生物学与信息学密切融合，基因有

了实体一一DNA片段；DNA上的核甘酸序列可以看作是不带标点

的信息，DNA复制时会发生信息的误植（即突变），而这些信息

都可以按照密码子表被解码，解码过程中存在纠错机制（密码子冗

余现象）。由此发现，基因序列本身与其效应之间没有必然的联系，

就基因本身而言只是一种符号。⑸“基因”此时已经不仅仅是DNA

片段（物理实体）的含义，更加入了信息的含义。现在再说某某基

因，如苏云金杆菌抗虫蛋白基因，已经可被清晰地理解为能够编码

抗虫蛋白的一段脱氧核甘酸片段，这样，这一概念就包括了它的物

质属性和信息属性。因此，它的功能也是可以被预测的（符合信息

的可预测性）。

二'在教学过程中渗透生命信息观的意义

从学科本位看，生命的信息观广泛体现在生命科学各个分支学

科的研究之中。在细胞生物学中，分子水平的研究重点在于细胞各

个组分丰富的“通讯行为”；在生理学中，激素、神经递质和其他

细胞产物，通常被称为信号，研究的热点是信号通路；在分子生物

学中，研究遗传信息的转录、翻译等过程以及这些过程的调控，最

终实现对代谢过程和发育过程的控制；在进化生物学中，对生物进

化历程的研究，可理解为是在分析内外因的作用下基因（包含遗传

信息）代代传递的数量和精确程度；在生态学中，种群内部、群落

中的各种生物、生态系统各种成分之间的关系，都离不开复杂的信

息传递过程；等等。因此，在生命信息观的统领下，用信息学中的

知识指导教学，不仅有利于学生解释生物学现象，还有利于学生掌

握分析生物学问题的科学方法。

生物学发展到今天，已经形成了很多概念。目前，高中生物学

课程强调概念教学，并选择了生物学中最基本的重要概念作为教学

内容，但对生物学的整体把握而言仍然是相对分散的。在课堂上发

展学生的生命观念，能在一定程度上解决这一问题。建立生命观念

的课堂，一定是注意概念整合、观念融合的课堂。⑵9视生命的信

息观为重要的生命观念，再深入挖掘教科书中的生命信息观，有利

于整合从基因到细胞、到个体、到生态系统的不同结构层次有关信

息调节、调控机制的概念。

生命的信息观可与其他生命观念（如物质与能量观、稳态与平

衡观等）综合在一起，这样就能整合更多的概念，从而更深刻地认

识和理解生命的系统性、复杂性、统一性和多样性。例如，系统中

信息的传递保证了系统功能的有序性，实现了系统的稳态，从而使

生物能够与环境和谐共处。⑹生命的信息观还能指导人们认识客观

世界发展的规律，对人生产生启迪。

从社会发展的进程看，当今社会是信息社会，当今时代是信息

时代，信息素养已经成为每个公民必不可少的基本素养，中国学生

发展核心素养体系中也明确将信息素养纳入其中。让学生认真体会

并发展生命的信息观，能够帮助他们从不同的学科视角发展信息素

养，这可以为学生将来在相关领域，如仿生学、人工智能或信息技

术等方面的研究和发展，提供有益的思考方向。

三、高中生物学教科书中对信息观的渗透

人教版《普通高中教科书生物学》全面贯彻了课程标准的发展

学科核心素养的理念。整套教科书从信息的基本概念、形式、传递

过程、作用及对人类生活各个方面的影响等多个角度，全面渗透了

生命的信息观（表1）。

表1人教版普通高中教科书渗透信息观的示例

教科书册次生命的信息观在教科书中的部分渗透点

细胞间可以通过信号识别和胞间连丝等方式进行

必修1信息交流，表现了生命系统信息交流方式的多样性。

对分泌蛋白合成过程的论述——“当合成一段肽链

后，这段肽链会与核糖体一起转移到粗面内质网上继

续其合成过程”，明确指出信号肽被内质网识别并起

引导作用，并也指出生物膜系统在信息传递中的作

用。

简单表述了细胞分化与遗传信息的选择性表达之

间关系，说明了信息对细胞生命历程的影响。

整本书通过对遗传现象及分子基础的详细讲述，用

中心法则阐释信息的作用和生命世界的统一性，结合

必修2必修1对物质观、能量观的学习，学生可充分理解“生

命活动不仅需要物质和能量，也需要信息，生命是物

质、能量和信息的统一体”。

整本书都渗透了个体层面生命系统稳态的维持，是

选择性必修

一个复杂但精细的过程，信息流在生命活动中有重要

1

作用，要求学生能从信息的角度阐释生命的本质。

本册设置了独立的一节专门讨论生态系统中的信

选择性必修息传递，说明信息传递在生态系统中的重要意义，同

2时对利用信息传递原理促进农业生产进行了分析，展

示了生命信息观的实际应用。

选择性必修有关基因工程的论述，表明人类已经可以利用已有

3的生物信息学知识，帮助人类更好地生存。

四'在生物学教学中渗透生命信息观的途径和策略

发展学生的生命信息观，不能仅仅在于学生能找到生命活动中

的各种信息，更重要的应该是理解并能运用它解释有关生物学问题。

要做到这一点，就要在教学时，有意识地从对信息的认识、使用、

理解等角度展开教学，综合运用概念图、探究式教学等教学策略渗

透生命的信息观。

（-）了解生命活动中的信息及其形式

目前，世界上已经公开发表的、关于信息的定义有几十种，并

没有形成一个统一的、完整的、系统的而又公认的概念。信息论的

创始人香农（C.E.Shannon）在研究通信理论时认为，信息是一种

消息、；控制论的创始人维纳指出：信息是我们适应外部世界，并且

使这种适应被外部世界所感到的过程中，同外部世界进行交换的内

容。⑺从本质上讲，信息是一种资源，而且是一种非物质性的资源，

它存在于物质运动和事物运行的过程中。教学时不能把信息和信息

分子混同起来，信息分子必须在信息传递过程中才能表达信息。

生命哲学层面认为个体生命信息主要包括遗传信息（也称基因

信息）、生理信息和意识信息三种【3,4］；对生命活动有重要影响

的信息还包括生物与生物、环境与生物之间交换的信息，最终依靠

个体生命信息起作用。

（二）使用信息传输的模型解释生物学现象

香农和韦弗（W.Weaver）共同提出的通信系统模型包括信源

（信息产生）、信道（信息传输）、信宿（信息接收）、噪声（干

扰信息）、反馈（信息调控模式）等几个基本环节（见图1）,传

输模型中的任何一个环节出现问题以及噪声的干扰，都可能会导致

信息传输的失败。

图1香农一韦弗信息通信模型

这几个环节在高中生物学内容中都多有体现。例如，“下丘脑

一垂体一靶腺”轴所控制的激素分泌过程，就是一个经典的信息传

输的反馈模型。我们可以把这个过程拆解成下面的分析：下丘脑可

分泌释放激素，因此可作为垂体的信源；垂体可分泌促激素，因此

可作为靶腺的信源；反过来，垂体和靶腺可作为信宿；相应腺体分

泌的激素则可以认为承载了相关信息，通过体液运输（信道）的形

式完成了信息的传递过程，同时这一过程受反馈调节机制控制。而

格雷夫斯（Graves）甲亢的患病机理是机体内含有针对促甲状腺激

素受体的抗体（可通俗地将这个抗体理解为该信息传递通路中的噪

声），从而加强了甲状腺激素分泌，反馈调节机制在这一分泌过程

中是失效的，因此导致一系列病症。教学时，讲清楚这些关键环节，

就可以使学生对生命活动中的信号转导机制有更清晰的认识，更好

地理解各种生理状况形成的原因。

上述调节过程是体温调节的一部分，如果把整个体温调节过程

按照信息传输理论进行分析，信源应为环境温度降低这一信号，信

宿是皮肤毛细血管、汗腺、骨骼肌、肝脏等，而中间过程（包含上

述调节过程）都属于信道的一部分。

运用这一模型可以很好地解释高中阶段接触到的诸如分泌蛋

白的靶向运输（信号肽假说）、神经冲动在突触处的传递、免疫调

节的各个过程（包括B细胞的分化、效应T细胞以及各种免疫信号

转导通路）、精卵细胞的识别与融合、植物细胞通过胞间连丝传递

信息、生态系统中的信息传递等生物学现象，帮助理解生命的信息

观。

激素分泌和调节的过程十分复杂但又十分有序，这是如何实现

的呢？

按照信息学的模型，在信息传递过程中必须要对传输的信息有

编码和解码的过程，并在编码过程中加密，在解码过程中解密。上

述实例中，产生特定激素的过程就是编码过程；激素作用于受体，

引起受体细胞产生特定代谢反应，就是解码过程。对不同的刺激产

生特异性的激素、作用于特异性的受体，就相当于对信息进行了加

密、解密。正是由于包含了加密、解密的过程，才不致于使细胞内

同时传递的繁复的信息乱作一团，也就不会导致代谢紊乱。

需要注意的是，前面列举的这些信息传递的例子已是简化了的,

生命活动的实际情况要复杂得多，而且不能认为信息转导过程都是

线性化的，更不能僵化地、机械地套用这一模型，因为不同对象对

应的角色并不是一成不变的。例如，基因表达系统，一般情况下可

以按照中心法则的方向认为基因是信源，转录和翻译的过程可粗略

地理解为信道，最终通过代谢活动完成这段遗传信息的使命。但在

高等动物受精卵中，来自精子和卵细胞的基因尚未开始表达之前，

卵细胞已经是一个复杂且高度结构化的系统，而这一结构在指导受

精卵中基因表达的过程中起着很重要的作用。此时受精卵中的基因,

可看成是卵细胞带过来的信息调控的信宿。

（三）依据信息传递的特点理解生命系统的复杂性

信息及信息传递有很多特点，如普遍性、客观性、概率性、衰

减性、依附性、时效性等，信息学上的这些归纳可以帮助我们更好

地理解生命系统的复杂性。

1.概率性

广义的信息学研究的是信息传递和处理及信息识别和利用的

共同规律的科学，而狭义的信息学则是指通信系统中存在的信息传

递和处理的共同规律的科学，实质上是研究概率性的科学。⑹5

中学教学有一定程度的机械、线性地理解生命的现象，究其原

因，是没有把生命活动的复杂性、系统性理解到位。例如，对信息

传递过程中的概率性的认识不足。有些学生就认为，病原体进入机

体，就一定会引起特异性免疫反应，而一旦有反应，病原体就会被

消灭。事实上，淋巴细胞（特别是B淋巴细胞）在体内经由循环系

统和淋巴系统“巡逻”，能否成功接触到病原体，进而引发特异性

免疫，是个概率问题，反映出的是信息有效传递的概率性。类似的

实例还有很多，例如，疫苗是否能起作用；突触前神经元释放神经

递质，突触后神经元是否会兴奋或抑制；等等。

2.阈值

在信息传递的概率性特点之下，要考虑信宿对信息响应的阈值。

如果传输过来的信息不足以使信宿作出响应，那么这次信息传递虽

然存在，但却不是有效的信息传递。例如，单根神经纤维的兴奋过

程中有一个概念叫作阈电位（神经元动作电位的阈值一般为-55~

-44mV）o神经纤维膜在接受刺激后从静息电位跃升，如果不能

达到阈电位或阈上电位水平，则不会产生动作电位；如果电位变化

达到阈值水平后，才会形成动作电位。网再如，可利用白细胞介素

-2（IL-2）对肾细胞癌、黑色素瘤、霍奇金氏淋巴瘤、结肠直肠癌

等进行治疗，而且具有明显的疗效。使用IL-2治疗时，剂量必须达

到剂量阈值以上才能有效（剂量阈值是指含有一定T细胞数的单位

体积内IL-2活性单位）。

此处需要注意，信息传输过程中的阈值并不是一成不变的，在

不