劉競男 張迎春

（陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西西安710119）

從系統(tǒng)觀的非線性和協(xié)同性認(rèn)識生物模塊教學(xué)
——以人教版“分子與細(xì)胞”模塊為例

劉競男 張迎春

（陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西西安710119）

我國高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)的核心任務(wù)是提高學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)，這不僅包含知識和技能的增加，還包含科學(xué)思想的形成。系統(tǒng)觀是高中生物模塊的主要科學(xué)思想，為學(xué)生認(rèn)識生命世界的復(fù)雜性提供了新的視角。通過對“分子與細(xì)胞”模塊中系統(tǒng)觀的非線性和協(xié)同性特征的研究，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識細(xì)胞是一個有機(jī)組合的整體，其功能的展現(xiàn)是基于細(xì)胞的非線性和協(xié)同性，理解細(xì)胞復(fù)雜性的本質(zhì)，認(rèn)識模塊體系中隱含的系統(tǒng)科學(xué)思想，改變傳統(tǒng)的思維方式，從而更全面地提升生物科學(xué)素養(yǎng)。

系統(tǒng)觀；非線性；協(xié)同性；高中；生物

一、問題的提出

生命科學(xué)是21世紀(jì)自然科學(xué)的帶頭學(xué)科已成為不爭的事實，其原因不僅限于生物學(xué)革命所帶來的生物工程技術(shù)和生態(tài)學(xué)發(fā)展對人類的影響，更重要的是當(dāng)代生物科學(xué)的思想和方法，已對其他學(xué)科以至整個社會產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響?；谖覈鴮?chuàng)新人才培養(yǎng)的社會需求，中學(xué)生物教學(xué)中提高學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵不僅有知識和技能，更重要的是科學(xué)觀。

我國高中生物課程是以模塊教學(xué)呈現(xiàn)的，對模塊教學(xué)的理論分析，李紅曾從系統(tǒng)的層次性、整體性、開放性和動態(tài)性解讀了“分子與細(xì)胞”模塊教材［1］；余自強(qiáng)運用系統(tǒng)思想構(gòu)建了“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”的內(nèi)容并分析模塊的科學(xué)方法［2］等。但從生命復(fù)雜性角度深入認(rèn)識高中生物模塊的研究還不夠，導(dǎo)致在新課程模塊教學(xué)中仍有部分教師僅關(guān)注知識目標(biāo)，難以認(rèn)識到模塊體系中隱含的科學(xué)思想和方法，不能全面地提升學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。本文旨在從系統(tǒng)觀的非線性和協(xié)同性兩點來認(rèn)識高中生物模塊的科學(xué)素養(yǎng)內(nèi)涵，以期領(lǐng)悟模塊教學(xué)的本質(zhì)。

二、從系統(tǒng)觀的視角進(jìn)入細(xì)胞世界

20世紀(jì)40年代以來，系統(tǒng)觀念作為重要的科學(xué)思想，已逐漸滲入各個研究領(lǐng)域。在教學(xué)中深入理解系統(tǒng)觀念的內(nèi)涵及教材中隱含的系統(tǒng)思想，對改變學(xué)生思維方式有重要意義。錢學(xué)森說過“不管哪門學(xué)科都離不開系統(tǒng)思想的指導(dǎo)”。［3］美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)，從幼兒園到12年級的教學(xué)活動，要培養(yǎng)所有學(xué)生對“系統(tǒng)、秩序和組織”相關(guān)概念和過程的理解和能力，使學(xué)生學(xué)會從系統(tǒng)的角度思考和分析問題。［4］這是教育發(fā)達(dá)國家和地區(qū)力圖在基礎(chǔ)教育中貫穿系統(tǒng)科學(xué)思想的典型表現(xiàn)。我國的課程標(biāo)準(zhǔn)和教材日益重視科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，已將系統(tǒng)科學(xué)思想隱含于教材中。

1．認(rèn)識細(xì)胞——有機(jī)組合的整體

細(xì)胞作為生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，是高中生物模塊必修一的主體內(nèi)容。正確地認(rèn)識細(xì)胞是學(xué)生構(gòu)建完整知識體系的基礎(chǔ)，在教學(xué)中教師如何擺脫重知識的傳統(tǒng)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生理解細(xì)胞作為生命物質(zhì)的與眾不同，便顯得尤為重要。在著名物理學(xué)家薛定諤著作的《生命是什么？》一書中在熵原理的基礎(chǔ)上，指出非生命的物質(zhì)簡單而生命的物質(zhì)卻極其復(fù)雜。［5］人們逐漸認(rèn)識到生命世界不是能用牛頓經(jīng)典機(jī)械觀可以描述出的，它是由大量要素組成的具有大量自由度的復(fù)雜體系，不僅是在物理—化學(xué)層次，更是在較高的生命組織和整體系統(tǒng)層次上的活動，既有偶然性也有必然性。而系統(tǒng)觀念的產(chǎn)生以其系統(tǒng)綜合的思維方式改變了傳統(tǒng)科學(xué)觀邏輯分析的思維方式，為人們理性而深刻地認(rèn)識生命復(fù)雜世界提供了新的視角。

奧地利理論生物學(xué)家貝塔朗菲作為一般系統(tǒng)論的奠基人，對系統(tǒng)觀基本思想的形成做出了巨大貢獻(xiàn)。他從研究生物學(xué)復(fù)雜生命系統(tǒng)中提出，任何系統(tǒng)都是一個有機(jī)組合的整體，整體大于各部分之和，即“1＋1＞2”。［6］細(xì)胞也是一個完整的生命系統(tǒng)，是由眾多元素、生物分子以及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)有機(jī)組合的整體。整體由許多部分組成，并且各個部分之間是相互有機(jī)聯(lián)系的。細(xì)胞作為一個整體，由許多生物分子及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)組成，細(xì)胞中的各個亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)之間、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中各個生物分子之間，并不是孤立存在而是相互依賴，相互制約。如分泌蛋白的合成和運輸，細(xì)胞中核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細(xì)胞器都相互配合聯(lián)系，線粒體在能量供給方面間接與其他組分有著密切的關(guān)聯(lián)，共同完成細(xì)胞整體的功能。若將這些細(xì)胞器提純分離，盡管各個細(xì)胞器都完整，但已然不能發(fā)揮“細(xì)胞分泌蛋白質(zhì)”這個細(xì)胞系統(tǒng)的整體功能。

細(xì)胞并不是直接整合其內(nèi)在各個部分的結(jié)果，不是各生物分子及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的機(jī)械組合或簡單相加，而是表現(xiàn)出一種獨有性質(zhì)——“涌現(xiàn)”性。涌現(xiàn)性是整體具有而其部分以及部分之和不具有的特性。細(xì)胞的涌現(xiàn)性表現(xiàn)在一個完整的細(xì)胞代謝或其他細(xì)胞功能是依靠細(xì)胞核和各種細(xì)胞器相互分工協(xié)作、有機(jī)搭配組合時才能實現(xiàn)的，而并非某個單獨的細(xì)胞組成部分可以體現(xiàn)出來。正如我們將一棟磚瓦房視為一個系統(tǒng)，把它拆成一堆磚瓦便僅僅是堆積物，是1＋1＝2的關(guān)系，就不再具有房屋整體的功能，如遮風(fēng)避雨、提供生活的場所。功能是系統(tǒng)最重要的整體涌現(xiàn)性，一切系統(tǒng)的功能都不是由組成部分簡單疊加而展現(xiàn)的。只要是系統(tǒng)，其部分與部分之間便是存在著復(fù)雜的相互作用，是非線性的，系統(tǒng)的功能就是系統(tǒng)中各個組成部分相互協(xié)同的結(jié)果。［7］生命產(chǎn)生是在化學(xué)進(jìn)化準(zhǔn)備了核苷酸、氨基酸之類化學(xué)大分子后才成為可能的，但是將這些分子拼湊起來是不能產(chǎn)生生命活性的，只有它們經(jīng)過復(fù)雜的相互作用才能產(chǎn)生生命的整體功能。

由此，我們要理解細(xì)胞系統(tǒng)，要把握它的整體功能，必須分析其組成要素間的相互作用，而理解這種相互作用對于系統(tǒng)觀是不容忽視的。系統(tǒng)觀逐漸發(fā)展深刻揭示了系統(tǒng)中這種相互作用的本質(zhì)，非線性和協(xié)同性是系統(tǒng)觀在其發(fā)展歷程中逐漸被重視的重要特性。細(xì)胞是一個基本的生命系統(tǒng)，它除了具有層次性、整體性、開放性、動態(tài)性，還具有生命系統(tǒng)的非線性和協(xié)同性，這是系統(tǒng)整體功能展現(xiàn)的基礎(chǔ)。

2．細(xì)胞功能展現(xiàn)的基礎(chǔ)——非線性和協(xié)同性

非線性是相對于傳統(tǒng)的線性觀而言，線性觀不存在互為因果的相干效應(yīng)，強(qiáng)調(diào)事物的簡單性，掩蓋了世界本質(zhì)，特別是掩蓋了復(fù)雜現(xiàn)象的真實。而非線性研究正在扭轉(zhuǎn)這種簡單化，非線性指兩個量之間沒有像正比那樣的直線關(guān)系。［8］從系統(tǒng)非線性角度看，整個生命世界就是一個復(fù)雜的非線性世界，生物體特別是高等生物是自然界中最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，生物體內(nèi)許多系統(tǒng)都是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。對于認(rèn)識細(xì)胞這個生命系統(tǒng)，其整體功能無法由組成細(xì)胞的生物分子及細(xì)胞器等簡單疊加而展現(xiàn)，是因為不同的生物分子結(jié)構(gòu)、功能之間有著復(fù)雜的、網(wǎng)絡(luò)般的非線性相互關(guān)系。

協(xié)同性是開放系統(tǒng)在外部一定條件的作用下，其內(nèi)部諸要素、諸層次和諸子系統(tǒng)之間通過非線性相互作用而形成的效應(yīng)。［9］學(xué)生在認(rèn)識細(xì)胞過程中應(yīng)關(guān)注的深層次的本質(zhì)特點是細(xì)胞中各部分精細(xì)結(jié)構(gòu)巧妙的協(xié)作，應(yīng)認(rèn)識到協(xié)同性是一切功能系統(tǒng)普遍具有的自然機(jī)理，深刻理解生命活動。面對復(fù)雜系統(tǒng)——細(xì)胞，我們應(yīng)該用現(xiàn)代生物系統(tǒng)科學(xué)的視角認(rèn)識它，不僅考察細(xì)胞內(nèi)個別組成部分的結(jié)構(gòu)與功能，還要將細(xì)胞作為一個整體來研究。而研究其整體涌現(xiàn)性，便要關(guān)注子系統(tǒng)間產(chǎn)生怎樣的協(xié)同作用從而形成有序的功能結(jié)構(gòu)。簡而言之，協(xié)同產(chǎn)生有序?qū)崿F(xiàn)整體涌現(xiàn)功能。

根據(jù)生物學(xué)發(fā)展的規(guī)律和學(xué)生認(rèn)識事物的特點，生物課程標(biāo)準(zhǔn)從義務(wù)教育階段至高中階段，要求學(xué)生認(rèn)識生命現(xiàn)象應(yīng)深入生命活動本質(zhì)。然而在“分子與細(xì)胞”模塊中，盡管學(xué)生現(xiàn)在甚至未來學(xué)到了細(xì)胞內(nèi)生物分子結(jié)構(gòu)的大量信息，卻仍然難以理解細(xì)胞這個系統(tǒng)的本質(zhì)和生命活動的本質(zhì)。理解細(xì)胞系統(tǒng)各個部分如何非線性相互作用及其形成的協(xié)同作用，是教學(xué)的難點，與理解這些部分本身具有同等的重要性。系統(tǒng)科學(xué)近30年來關(guān)注結(jié)構(gòu)與功能概念，物質(zhì)、能量和信息概念，這些新概念的介入為生命科學(xué)注入新的活力，強(qiáng)調(diào)生命系統(tǒng)的復(fù)雜性。［10］

（1）細(xì)胞結(jié)構(gòu)層次上的非線性和協(xié)同性。從細(xì)胞的結(jié)構(gòu)層次來看，大量生物分子物質(zhì)構(gòu)成亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而眾多亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)又相互聯(lián)系形成一個完整的細(xì)胞系統(tǒng)。線性是互不相干的獨立貢獻(xiàn)，而非線性是一種復(fù)雜的相互作用，正是這種相互作用使得整體不再等于各部分簡單地相加，而可能出現(xiàn)不同于“線性疊加”的無限多樣性、豐富性、奇異性和多變性。例如，在“組成細(xì)胞的分子”中，多種元素和化合物種類繁多，但它們之間并非一成不變而是其含量和比例一直處于不斷變化之中，非線性便是這些分子無限多樣性和多變性的根源。而對于遺傳信息的攜帶者——核酸，正是由于其脫氧核苷酸排列順序的非線性特征，核酸才能承載大量而又復(fù)雜多變的遺傳信息。

在“細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)”中，學(xué)生通過對亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的剖析，認(rèn)識亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)之間協(xié)同性的意義，即它不僅強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間的“協(xié)同”作用，還強(qiáng)調(diào)各部分之間的競爭關(guān)系。細(xì)胞器各有自身膜結(jié)構(gòu)而相互獨立，各司其職，在彼此相互分離和競爭的前提下，這些有膜亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)由于膜的相似性又共同構(gòu)成了細(xì)胞的生物膜系統(tǒng)，使得細(xì)胞內(nèi)各種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)之間協(xié)同和合作，從而隨時改變細(xì)胞系統(tǒng)的無序度，為了共同的目的不斷改變其各自結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同性，推動了系統(tǒng)的運動、變化和發(fā)展。協(xié)同性是系統(tǒng)中有序形成的內(nèi)驅(qū)力，其中居于主導(dǎo)地位，起著序參量作用的細(xì)胞核控制細(xì)胞代謝和遺傳。

（2）細(xì)胞功能層次上的非線性和協(xié)同性。從細(xì)胞的功能層次來看，非線性描述的是一個開放的細(xì)胞系統(tǒng)，無時無刻不在與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換，以維持自身功能的穩(wěn)定性，阻止系統(tǒng)向無序退化或促成系統(tǒng)內(nèi)部新質(zhì)的形成。生物大分子物質(zhì)蛋白質(zhì)和核酸之間聯(lián)系復(fù)雜，蛋白質(zhì)高度有序的功能是由核酸編碼的，而核酸的復(fù)制與翻譯又是由蛋白質(zhì)催化和表達(dá)的，在生命過程中蛋白質(zhì)和核酸之間這種非線性相互作用，表現(xiàn)為互為因果的雙向聯(lián)系。

協(xié)同導(dǎo)致有序，系統(tǒng)本身通過非線性作用不斷協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)間的彼此關(guān)系而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使系統(tǒng)由無序狀態(tài)走向有序狀態(tài)，從而形成新的結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)系統(tǒng)的整體涌現(xiàn)性。細(xì)胞代謝是細(xì)胞生命活動的基礎(chǔ)，既包含吸能反應(yīng)又包含放能反應(yīng)，兩者之間非線性的相互作用從而產(chǎn)生協(xié)同性使得細(xì)胞代謝在能量的獲得與釋放形成有序的能量流。在細(xì)胞呼吸的能量供應(yīng)活動中，由于細(xì)胞處于多變的非線性環(huán)境，細(xì)胞采用的有氧和無氧呼吸方式也相互協(xié)調(diào)和配合。細(xì)胞系統(tǒng)就是依靠物質(zhì)和能量的輸入輸出，從簡單到復(fù)雜，從無序到有序。

生命是一個能記載和表達(dá)生物信息、積累信息、保持和傳遞信息的信息系統(tǒng)，其信息容量越豐富，生物越具有多樣性。細(xì)胞間信息交流的方式多種多樣，如通過胞間連絲、受體配體結(jié)合及糖被識別信號等，各種信息間交流也是非線性，并不是簡單地信息相互疊加，而是眾多信息的相互作用表現(xiàn)出整體涌現(xiàn)性。涌現(xiàn)的產(chǎn)生和消失不可能使物質(zhì)能量增多或減少，卻能產(chǎn)生新的信息或消除原有信息。細(xì)胞信息量的增多并產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)乃是細(xì)胞系統(tǒng)自發(fā)地對其子系統(tǒng)進(jìn)行組織和協(xié)調(diào)的固有能力，是有序性的重要體現(xiàn)，也是依靠與外界進(jìn)行物質(zhì)交換和能量交換形成的。

（3）整體細(xì)胞系統(tǒng)的非線性和協(xié)同性。細(xì)胞是一個典型的非線性動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)，包含數(shù)億個分子、數(shù)百種生化反應(yīng)。子系統(tǒng)之間通過非線性相互作用產(chǎn)生協(xié)同現(xiàn)象和相干效應(yīng)，通過各種形式的信息反饋來控制和強(qiáng)化這種自身組織結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代科學(xué)關(guān)于非線性的認(rèn)識指明了系統(tǒng)的運動、發(fā)展根源于系統(tǒng)自身的能動性——非線性作用。例如，復(fù)雜的細(xì)胞分化是非線性的，其基礎(chǔ)是不同蛋白質(zhì)的合成，蛋白質(zhì)的專一合成有賴于基因選擇性表達(dá)，基因既按時空選擇性表達(dá)，又依賴核、質(zhì)之間、胚胎的不同部位之間的信息傳遞，從而啟動一些機(jī)制，關(guān)閉另一些機(jī)制，每個環(huán)節(jié)都不是簡單的線性聯(lián)系而是充斥著相互交錯的復(fù)雜聯(lián)系和無限的多變性。非線性復(fù)雜相互作用不限于單純的作用與反作用，而在于其中有精細(xì)的調(diào)控來實現(xiàn)生成與轉(zhuǎn)化。由此，有序的基因表達(dá)進(jìn)程又受到各個層次的調(diào)控，有轉(zhuǎn)錄層次的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯層次的調(diào)解等。復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展具有太多的不確定性，細(xì)胞系統(tǒng)非線性的典型特征是往往存在突變行為。例如，細(xì)胞癌變存在時空隨機(jī)性和不確定性，往往由于致癌因子的多樣復(fù)雜性，細(xì)胞可能隨機(jī)受到外界環(huán)境的某個因子影響造成某個堿基的替換或增減，這種不可預(yù)測的突變就是非線性的。

從復(fù)雜科學(xué)角度來說，生命的復(fù)雜性又一個重要特征是結(jié)構(gòu)和功能的高度有序性。細(xì)胞生命活動如細(xì)胞分裂和分化、衰老和凋亡等都體現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)各個子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)產(chǎn)生協(xié)同作用導(dǎo)致了細(xì)胞系統(tǒng)有序化。細(xì)胞系統(tǒng)的協(xié)同性也可從因素、結(jié)構(gòu)、功能和環(huán)境等四個方面來刻畫。例如在細(xì)胞的有絲分裂中，DNA和蛋白質(zhì)是組成細(xì)胞系統(tǒng)的因素，它們相互獨立地復(fù)制或合成，又相互聯(lián)系地構(gòu)成染色體等結(jié)構(gòu)。細(xì)胞內(nèi)其他成分和結(jié)構(gòu)相應(yīng)地協(xié)調(diào)配合，核膜、核仁消失，紡錘體形成，紡錘體與染色體相互牽引作用，細(xì)胞膜的流動凹陷再促使細(xì)胞分裂為兩個子細(xì)胞，共同完成有絲分裂如此有序地活動，展現(xiàn)細(xì)胞保持親子代遺傳性狀穩(wěn)定的功能。

三、啟示

高中學(xué)生認(rèn)識細(xì)胞有一定難度，需要從微觀的角度進(jìn)行思考。從系統(tǒng)觀的非線性和協(xié)同性視角出發(fā)，不僅能更科學(xué)地認(rèn)識細(xì)胞，還能逐漸形成系統(tǒng)觀念和一定的抽象思維。在生物模塊教學(xué)中，系統(tǒng)觀作為每個模塊體系的主導(dǎo)科學(xué)思想，是該體系知識總體內(nèi)在聯(lián)系的共同基礎(chǔ)，已成為模塊中的主干。從非線性和協(xié)同性形成系統(tǒng)觀念將促進(jìn)學(xué)生思維方式的轉(zhuǎn)變，從而能更全面增強(qiáng)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)，提高教師的教學(xué)水平，提升生物教學(xué)質(zhì)量，以適應(yīng)時代賦予的社會需求。因此，認(rèn)識系統(tǒng)觀念的非線性和協(xié)同性對于指導(dǎo)高中生物模塊教學(xué)有著重要且深遠(yuǎn)的意義。

［1］李紅．從系統(tǒng)的視角認(rèn)識細(xì)胞——人教版《分子與細(xì)胞》模塊教材的知識體系解讀［J］．生物學(xué)教學(xué)，2007，32（9）：33－35．

［2］余自強(qiáng)．高中生物課程內(nèi)容建構(gòu)及“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊的分析［J］．課程·教材·教法，2004，24（9）：54－58．

［3］吳今培，李學(xué)偉．系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展概論［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2010：1．

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［6］路德維?！ゑT·貝塔朗菲．一般系統(tǒng)論——基礎(chǔ)、發(fā)展與應(yīng)用［M］．林康義，魏宏森，譯．北京：清華大學(xué)出版社，1987：34－35．

［7］苗東升．論系統(tǒng)思維（六）——重在把握系統(tǒng)的整體涌現(xiàn)性［J］．系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報，2006，14（1）：1－5．

［8］魏諾．非線性科學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］．北京：科學(xué)出版社，2004：29．

［9］錢丹潔，張偉平．協(xié)同視域下的綜合課程及其實施［J］．現(xiàn)代教育科學(xué)：普教研究，2011（2）：37－39．

［10］吳彤．中國系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)三十年——回顧與展望［J］．科學(xué)技術(shù)哲學(xué)研究，2010，27（2）：1－12．

［責(zé)任編輯：陳學(xué)濤］

G633．91

A

1002－1477（2015）06－0053－04

10．16165／j．cnki．22－1096／g4．2015．06．015

2014－12－11

劉競男（1990－），女，陜西西安人，碩士研究生；［通訊作者］張迎春（1956－），女，陜西西安人，博士，教授，教育部陜西師范大學(xué)基礎(chǔ)教育課程研究中心副主任。