以系统论的视角聚焦细胞层次生命观念的培育

孟凡龙 崔 鸿

（1.华中师范大学生命科学学院 湖北武汉 430079）

（2.扬州大学附属中学东部分校 江苏扬州 225003）

本文是2018年江苏省“十三五”教育科学规划青年专项重点资助课题“指向生命观念的高中生物学科学史教学范式研究”（课题编号为C-a/2018/02/23）的研究成果。

系统是若干相互联系、相互作用、相互依赖的要素结合而成的，具有一定的结构和功能，并处在一定环境下的有机整体，如生命系统、物理系统、社会系统。系统论是研究系统的一般模式、结构和规律的学问，它用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门科学。系统论认为，系统的基本属性包括整体性、相关性、层次性、动态性和目的性，其核心思想是系统的整体观念。系统论的创立者美籍奥地利人、理论生物学家L.V.贝塔朗菲强调：任何系统都是一个有机的整体，系统中各要素之间相互关联，构成了一个不可分割的整体。要素是整体中的要素，如果将要素从系统整体中割离出来，它将失去要素的作用，即“整体大于部分之和”。

生物学是灵动的、发展的生命科学，培养学生的生物学学科核心素养是中学生物学课程的价值追求。生物学核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。生命观念是生物学核心素养的基础和支柱，是指对观察到的生命现象及其相互关系或特征进行解释后的抽象，是经过实证后的想法或观点。生命观念的形成依赖于科学思维和科学探究，其终极价值是形成一定的社会责任。细胞作为生物体生命活动的基本结构和功能单位，是最基本的生命系统，因此，教师应尽可能地引导学生以系统论的视角看待细胞，分析生命系统的独特性质，正确认识生命观念的核心内涵。

1 基于系统整体性，理解细胞的结构与功能观

整体性是系统最基本与本质的特征。系统是多方面复杂因素的综合，它不是各个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的性质。系统中各要素不是孤立地存在着，每个要素在系统中都处于一定的位置上，起着特定的作用。要素是整体中的要素，如果将要素从系统整体中割离出来，它将失去要素的作用。如在学习分泌蛋白的形成时，教师要强调核糖体、内质网、高尔基体、线粒体等细胞器的通力合作，它们相互协调，共同协作，来完成细胞中各种复杂的化学反应。任何一种或几种单独的细胞器，离开细胞这个统一的整体，将无法正常实现其整体功能。

系统的组成成分即要素种类、数量、时序性、空间结构不同，其功能也不同，如分析蛋白质的结构多样性时，从组成肽链的氨基酸的种类、数目、排列顺序上的不同，以及构成蛋白质的肽链在数目和空间结构上的不同角度展开，进而决定蛋白质功能的多样性。系统与要素的双向构建性，系统与要素间的相互规定的相互作用，使得它们都获得了整体意义上的全新规定性，如端粒酶与细胞生活、细胞器的损伤与溶酶体的关系、线粒体与细胞的关系。

细胞的结构与功能观包括结构决定功能、结构与功能是统一而相适应的、整体结构的功能大于局部结构的功能三个方面。如在分析酶的结构与功能时，教师要全面把握：高温、强酸、强碱会破坏蛋白质类酶的空间结构，使其丧失催化功能，而低温不会破坏其的空间结构，但却影响其功能表达。且酶在催化生物体内化学反应的过程中会出现空间结构的暂时改变。又如，Na-K泵在实现Na+和K+跨膜运输的过程中会改变其空间构象。这些说明了生命系统中的结构决定功能的特性是相对的，也体现了生命系统的复杂性和独特性。

总之，在理解细胞的结构与功能观时，既要有部分的分析，也要有整体的综合，才能从局部和整体的高度看待细胞中各种复杂的生命现象。

2 基于系统层次性，理解细胞的物质与能量观

层次性是由于组成系统的诸要素的种种差异包括结合方式上的差异，系统组织在地位与作用、结构与功能上表现出的具有质的差异的等级秩序性。每个系统都是一个具有复杂层次的有机体，层次可按物质的质量、能量、运动状态、空间尺度、时间顺序、组织化程度等多种标准划分，不同层次具有不同的性质和特征，既有共同的规律，又各有特殊规律。如在分析细胞中的物质组成时，教师要引导学生理解：细胞中含有原子（元素）水平、分子水平、细胞器水平、整体水平等不同层次水平，生命系统是物质的，生命活动依赖于物质的运输和变化，物质的运输和变化往往与能量供应、流转相伴随。

原子是化学变化中的最小粒子，元素是具有相同核电荷数的一类原子的总称，原子中当质子数和电子数相同而中子数不同时可以形成同位素，利用放射性同位素显示某种原子在生物体内的来踪去迹，即同位素示踪，如科学家将14CO2引入植物体内，发现了CO2转变为糖的全过程。生物体内最主要的4种原子是C、H、O、N，当原子之间形成离子键或共价键时就形成了分子，如水分子。细胞可以利用少数种类的小分子脱水合成许多种生物大分子，犹如一列火车由许多节车厢有序连挂而成，同时蕴含着能量，细胞将不同分子创造性地组合形成了各种化合物，如ATP中的磷酸分子、核糖分子和腺嘌呤分子，以及细胞结构，如细胞膜上的磷脂分子、蛋白质分子和多糖分子。

细胞中的各种化学反应并不能创造或破坏原子，只是破坏原子间已有的化学键，形成新的化学键，将原子重新组合，进而实现细胞中物质与能量的转换。如细胞中少量的ATP与ADP相互转化进行能量的储存和释放，高效节约地保障细胞各项生命活动的能量供应，是生命系统中物质和能量的直观体现。细胞中光合作用和呼吸作用在将无机物和有机物相互转化的同时，总是伴随着能量形式的改变。

因此，在理解细胞的物质与能量观时，教师既要引导学生把握不同层次物质的存在形式和转换原理，又要使学生理解,物质和能量总是相伴相随的，物质是能量的载体，能量是物质转换的动力，进而维持生命系统的相对稳态。

3 基于系统动态性,理解细胞的稳态与变化观

动态性是系统随时间而变化或者按确定性规律随时间演化的一种属性。系统的运动、发展与变化时动态性的反映，具体体现在：任何系统均随时间而变化、系统都有一定的生命周期、系统与外部环境不断进行物质能量和信息的交换。

生命是物质的，是一种特殊形式的物质运动，是物质、能量和信息诸变量在特定时空的“表演”。其运转有赖于生命系统有组织的守时和对空间环境的合拍。生命系统是“活的”、灵动的、开放的，内部也时刻在发生物质变化和能量转换，但多数时候又维持相对的稳定状态。细胞系统作为最基本的生命系统，其系统整体的存在方式具有一定的规律性和相似性，如每个细胞都有选择透过性膜结构、都有遗传物质、都有核糖体等结构共性，也都有运动性、都能新陈代谢、都能自我增殖和遗传等功能共性。

稳态是有序、平衡且不断变化的，是生命系统最基础的特征之一。稳态不意味着一成不变，任何系统的稳态都是在一定范围内的波动。如细胞中大多数酶的最适温度为36～38oC，最适pH为6～8，不同细胞膜上磷脂和蛋白质分子所占的比例相对稳定。细胞所生活的内环境也是处于相对稳定的状态，如血浆pH为7.35～7.45之间。

所以，在理解细胞的稳态与变化观时，教师要从教育哲学的角度,辩证地看待细胞中的相对稳态与绝对变化。稳态机制的存在有助于生物体相对独立于外界条件，从而大大提高生物体对环境生态因子的耐受范围。生命系统各层次都存在着稳态与变化，稳态的维持需要通过调控来实现。

4 基于系统相关性,理解细胞的信息与调控观

相关性是指组成系统的各个要素之间、整体之间或系统与外部环境之间相互作用、相互关联、相互制约。系统的各组分或元素只要有一个变化都会影响其他元素或组分实现其功能，它们是一个有机组合的整体，强调系统内各要素之间的空间分布及相关性。一般的系统都是开放系统，与外部环境有着紧密联系，会与外界发生物质、能量和信息的交换。

对于生命系统来说，系统相关性的维持需要物质、能量和信息三大要素，物质是本源的存在，能量是运动的存在，而信息是联系的存在，信息以物质和能量为媒介，穿越时间和空间进行传递，系统通过信息将各要素组合形成一定秩序的动态结构。如光合作用中物质的转化和能量的储存需要光信息分子激活叶绿体类囊体膜上的叶绿素分子,从而进行电子的跃迁和转移。

生命系统的正常运转离不开信息的传递，基因是最根本的生命信息，维持稳态离不开调控，调控依赖于信息传递。细胞系统内部各要素之间和系统之间的信息作用是通过细胞中遗传信息和生理信息的调控来实现的，基因的表达与调控是最基础和最重要的遗传信息。如细胞中激素分子的分泌、酶活性的调节、G蛋白偶联受体及信号转导、细胞的生命历程和细胞自噬的实现等都与基因表达的稳态调节有着直接的关系。

因此，在理解细胞的信息与调控观时，教师要从系统的整体性和相关性角度出发，将细胞中的各要素通过物质、能量和信息的耗散形成有序稳定的动态调控系统。系统依托信息的调控是实现稳态的必要手段，生命系统的稳态和对环境的适应都是调控的结果。

5 基于系统目的性，理解细胞的发育与生殖观

目的性是指系统在一定环境下，必然具有的要达到的状态的特性。每个系统都具有特殊的功能，这是不同系统区别的主要标志。目的性贯穿于系统发展的全过程，集中体现着系统发展的总倾向和总趋势。当系统的具体目标之间有矛盾时，要从系统的目的性出发进行协调。生命系统的目的是要实现细胞、个体能生长发育，细胞能分裂、个体能繁殖、群体能繁衍。

生长和增殖是生物的基本特性，无论是单细胞的生物还是多细胞的生物，每个细胞都必须进行生长和分裂。细胞通过分裂形成的新细胞必须具有与亲代细胞相似的遗传性，体现了细胞的稳态与变化观。因此，细胞分裂的前提是遗传物质的复制、各种细胞器及生物大分子的倍增与细胞体积的增大。细胞通过分裂，将复制的遗传物质均等地分配到两个子细胞中，保证了细胞遗传的稳定。细胞的分裂、分化、衰老和凋亡是其全部的生命历程，在这个过程中每个细胞都对个体的生命奉献了自己的一生。

总之，在理解细胞的发育与生殖观时，要基于系统的整体性、相关性、目的性，将细胞的生命历程与组织、器官、系统，乃至个体的生命结合在一起形成有序的整体。细胞的发育和生殖是为了新细胞诞生、生命的延续；生命是复杂的、多层次的、经亿万年进化而来的；用于研究的方法既要符合科学的基本要求，又要有自己的特色；所建立的知识，是一个相对独立的、自洽的、开放的、发展的体。系统的整体性、相关性、层次性、动态性和目的性等属性是相互联系、相互融合的。学习中，教师要引导学生从系统论视角感悟到细胞中的各种生命观念是相互渗透、相互制约、相互影响的，同时它们又相互协调、共同协作形成一个有机统一的整体系统。