复杂性科学在高中生物教学中的运用

摘要:复杂性科学是20世纪后期形成的一门新兴科学,它在生命科学领域迅速掀起了对生命本质与生命现象的重新思考。在高中生物教学中,复杂性科学同样具有启示作用。

关键词:复杂性科学;生命本质;高中生物教学;开放性系统

复杂性科学是20世纪80年代兴起的一门新兴科学,它以物理学领域里非线性多向度非平衡态系统和混沌动力学研究为主要标志。尤其是在1984年,一些科学家在Ｍｏｎｔｐｅｌｌｉｅｒ举办了“复杂性科学与应用研讨会”,从此复杂性科学,尤其是“复杂性(ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ)”在学术界流行起来。物理学上考察了复杂性至少有十大特征:非线性、多样性、多变性、多层性(或多重性)、整体性、自组织与临界性、自相似性、非对称性、不可逆性、统计性等等。生命有机体的特征恰好符合复杂性特征。生命科学研究者以极其迅速的方式吸纳了复杂性科学的研究成果和思维方式,并且在生命科学多个领域里迅速掀起了对生命现象与生命本质的重新思考。作为生物教育教学工作者,了解复杂性科学研究成果,并重新认识生物教学内容中一些基本问题是十分必要的。本文运用复杂性科学研究成果对高中生物教学内容中的若干问题进行重新认识。

一、对生命本质的重新思考

生命是什么?这是一个很难下定义的概念。高中生物教材在绪论中借助于形形色色的生命形式给生命列出了六大基本特征:新陈代谢,生物体特有的组成与结构,应激性,生长、发育、生殖,遗传、变异、进化以及适应性等。这种用生命表现出来的特征给生命下定义的方法是比较常见的描述性定义法。随着高中生物教学过程中对生命本质及规律的逐渐认识,对生命内涵的认识应逐渐深入,在教学中适当渗透当代生命科学与复杂性科学对生命的理解是必要的。

尽管给生命下定义是困难的,但是理论生物学研究者还是试图抽象出生命更本质性定义。目前给生命下定义的方法很多,主要可以分为实体性定义和功能性定义两种。实体性定义是从构成生命的物质实体出发,把生命看作是一类特殊的物质实体;功能性定义是从生命的基本特征出发,把生命看作是一种特殊的现象。在功能性定义中,有人从热力学角度给生命下的定义是:生命是一个能够通过物质循环和能量流动而不断增加自身内部秩序的开放性系统。这是一个从复杂性科学研究角度对生命的重新认识。首先生命是一个开放性系统,它能够不断地吸收外界的物质与能量,增加自身的负熵,而这样的系统并不是神秘到物理学不能解释的地步。在物理学领域中,非线性多向度平衡态系统恰好符合生命这个开放性系统的特征。而且物理学界借助于热力学概念———“熵值”变化来阐释系统内部的秩序程度,从而使人们对生命有了新的认识。近年来,又有人从生命的信息传递功能角度提出生命的信息定义,强调生命的本质在于它是一个能够自我繁殖、传递信息的系统。总之,复杂性科学帮助人们冲破了过去对生命本质认识的局限性,使人们从系统的角度、开放性的角度、信息论的角度重新审视生命。

二、对“生物与非生物”统一性的重新认识 

在高中生物教学中,人们常常提到“生物大分子”,似乎蛋白质、核酸、酶这样的生物大分子就代表了“生命本质”,似乎它们就是“生命物质”。而笔者认为,一个“死去的”生命体与“活着的”生命体,其本质的区别不是蛋白质、核酸、酶是否存在,一个有机体之所以“有生命”,在于这个有机体仍然是一个开放性系统(所谓开放性系统是指一个系统能够不断地与外界环境进行物质和能量交换),而一旦这个开放性系统变成封闭性系统,则“生命”就完结了。这就是复杂性科学给我们的启示:“系统观”———生命是一个复杂的开放性系统。生命并不因为是否具备蛋白质、核酸、酶而表现为生命,比如有些病毒可能仅仅当进入到有机体内才表现出毒性,才可能复制,而脱离了生命系统,它就可能不算是生命;而生命的最初形式可能并不是蛋白质、核酸、酶构成的有机体,而仅仅是由一些简单的有机物化合而形成的开放性系统,逐渐演变而产生了后来的生命形式(近20年来新兴的“生命起源ＲＮＡ世界说”代表了这一观点)。

这种对生命本质的全新阐释,还使我们获得了一个大的“生命观”。比如说生态系统,一个生态系统算不算是一个生命?按“生命是一个复杂的开放性系统”的概念去解释,很明显,一个处于良好的物质循环和能量循环状态下的开放的生态系统,就是“活的”,就是有生命的。相反,如果这个系统的物质循环和能量流动被阻断,那么这个系统就可能面临着秩序混乱、熵值增加、从有序到无序,也就是死亡即将降临。从这个意义上讲生命可以是一个非常抽象的大概念,它可以应用于各个领域,甚至从物质的世界到精神的世界。由此,生物界与非生物界在更大意义上得到了统一。

三、对生命现象复杂性的重新认识

生命现象是复杂的。20世纪下半叶,生命科学研究主流是分子生物学。分子生物学试图借助于认识构成生命的分子基础如蛋白质和基因等,进而认识细胞或个体的活动规律。尽管分子生物学在近半个世纪取得了极为显著的成就,但是它并没有完全揭示出生命的奥秘。究其原因,可能在于它研究的生命复杂性层次仅仅处于“线性”思维和还原论水平上,这对于许多生命现象的复杂性是难以解释的。借助于复杂性科学的研究,当代生命科学认识到,生命的复杂性体现在很多方面,比如生物组成成分与结构的复杂性;组份之间的相互作用的复杂性;生物体内各种生化代谢途径和信号传导过程的层次与次序的复杂性;生命系统与环境相互作用形成适应性的复杂性等等。当代生命科学引入了很多新名词来描述这些复杂性,比如自组织、自稳态、涌现、开放性系统、网络总和等等。在此基础上开发出的新兴的生命科学分支显示出生命科学最新的发展趋势,如功能基因组学、蛋白质组学、数学生物学、系统生物学等。

目前高中阶段生物教学还没有把这些新名词引入教材中,但是在教学中遇到的许多实际问题可以用复杂性理论来解释,比如细胞癌变与衰老的复杂原因、生物机体调节的复杂性、内环境稳态形成的复杂性、生物与环境相适应的复杂性等等。在人民教育出版社新版高中生物教材(试验修订本·选修)中探讨了以血糖、体温调节和免疫调节为代表的多系统综合协调作用对内环境稳态现象形成的影响,体现出生命现象复杂性的本质。相信今后对生命现象的复杂性研究将会越来越多地体现在高中生物教学内容中。

参考文献:

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[4]人民教育出版社生物自然室.全日制普通高级中学教科书(试验修订本·选修)生物·全一册[Ｍ].2000.5-24.