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以生命系统的视角提炼生命观念

[日期:2017-11-28] 来源:《中学生物教学》2017年10月  作者:吴成军 [字体: ]

摘要:生命是以系统的方式存在于自然界的,以生命系统的组成、结构、功能、运行、发展、主体与环境的关系等特点为研究方向,提炼出的生命观念有生命的物质观,物质、能量和信息观,结构与功能观,稳态与调节观,适应与进化观和生态观。

    关键词:系统  生命系统  生命观念

 

生命观念是指对生命的组成、结构、功能、运行规律及发展变化的本质特征进行抽象和概括后所形成的一种对生命现象、事实的认识结论和思维方式。准确提炼生命观念的具体内涵并在中学生物学教学中进行落实,是发展学生生物学核心素养的重要任务。

系统是自然界和人类社会存在的基本方式,人类以社会系统作为生存和相互联系的纽带,生命则以生命系统的方式存在于自然界。细胞是最基本的生命系统,在此基础之上形成的组织、器官、系统、个体,都可以看成是不同层次的生命系统。除此之外,由个体形成的种群和群落,以及与无机环境一起构成的生态系统,也是生命系统存在的不同层次,这体现出生命系统的层次性。生命系统不同于物理系统和社会系统,有其组成物质的独特性、结构和功能的特殊性、运行的规律性和调节机制的复杂性等特点,系统内部不同结构之间及系统与外界环境之间进行着物质、能量和信息的交换,具有一定的开放性。因此,用系统的视角看待生命系统,分析生命系统的独特特点,有助于正确认识生命观念的核心内涵,建立起现代科学的思维方式和形成辩证唯物主义观点。以系统的组成、结构、功能、运行、发展、主体与环境的关系等特点来审视生命系统,从中提炼生命观念,可以认为生命观念具有以下内涵:生命的物质观,结构与功能观,物质、能量和信息观,稳态与调节观,适应与进化观,生态观(图1)。

 

            图1   以生命系统的特点提炼出的生命观念


在上述生命观念中,“生命的物质观”是“结构与功能观”的基础;“生命的物质观”和“结构与功能观”是其他生命观念的基础,在此基础上才有“物质、能量和信息观”和“稳态与调节观”,它们反映了生命系统的运行机制和规律;“适应与进化观”则是生命系统发展的必然结果,反映了生命系统适应外界环境的基本要求;生态观则着眼于整个生态系统,强调了主体与环境之间的关系,是涉及到人与自然关系的哲学观念。它们之间的关系如下图所示。 

 

               图2  生命观念之间的关系


1.生命的物质观

从系统的组成成分来看,自然界是物质的,生命系统也是物质的,但构成生命系统的物质有其独特性,主要表现在三个方面:(1)共同的物质基础;(2)物质有序的组合;(3)物质运动的特殊性。

生命系统有共同的物质基础。首先,从物质组成来看,主要有以下特点:构成生命的元素主要是C、H、O、N、S、P等,它们是构成有机分子的重要元素;生命系统中含量最多的有机化合物是蛋白质,而蛋白质是生命活动的主要承担者;蛋白质、核酸和多糖都是以碳元素为基本骨架形成的。其次,从生命活动共同的物质基础来看,ATP是生命活动的“能量通货”,酶是生命活动中的催化剂,葡萄糖是绝大多数生命的能源物质,核酸是生命的遗传物质,结构蛋白是生命活动的主要表现形式,等等。这一切都显示出构成生命的物质与无机环境截然不同,体现出生命物质的有机特性。

构成生命系统的物质是高度有序的,主要体现在两个方面:(1)结构都是物质构成的,相同的结构具有基本相同的物质组成,如细胞膜所具有的磷脂双分子层结构都是由磷脂和蛋白质分子有规律地构成的; (2)下级结构有序形成上级结构。如细胞构成组织,组织形成器官,器官形成系统,系统组成个体,在这里,每一种结构单位的组成都是有序的,并具有相应的功能。

物质是运动的,构成生命系统物质的运动体现着有规律的变化,即新陈代谢。光合作用和呼吸作用是生命系统最基础的两大代谢,电子和[H]在其中传递,化合物在其中有规律地转化,与此同时,生命系统每时每刻都在进行ATP的合成与分解,生命的物质运动总是与能量转换相伴。“今天的你已不是昨天的你”这句话就比较形象地说明了物质是在不断变化的道理。生命的物质运动一旦停止,就意味着死亡。

2.结构与功能观

生命的物质观是结构与功能观的基础,物质组成结构,结构体现一定的功能。从系统论的观点来看,结构是指系统内部要素在空间和时间方面的耦合关系与联接方式,各要素只有通过结构才能组成有机整体;功能则是指系统与外部环境之间相互作用的关系,系统只有通过功能才能呈现出与外界的联系方式。结构与功能分别从内部和外部反映对象的整体性质。它们两者之间存在着对立统一的关系。一方面结构是功能的基础,不同的结构具有不同的功能;另一方面功能是结构的外部表现,在一定的条件下反过来影响结构的变化。现代系统研究的早期开拓者贝塔朗菲指出,在生命系统中,结构是表现,功能是本质。生命系统的结构与功能观包括三个方面:(1)结构决定功能;(2)结构与功能是统一和相适应的,是进化的必然结果;(3)整体结构的功能大于局部结构的功能,即整体大于部分之和。

从分子水平看,蛋白质和核酸是最能体现生命特性的大分子物质,他们的空间结构决定其功能特性。例如,蛋白质的功能表达依赖于空间结构,高温、强酸或强碱破坏了蛋白质的空间结构,其功能就无从表达;DNA分子的双螺旋结构决定它的复制、转录,以及翻译的稳定性,某些物理、化学或病毒因子会影响DNA分子的结构,其功能表达就会出现变化。在生命系统中,结构决定功能也会呈现复杂的特征,如低温不会破坏蛋白质的空间结构,但影响其功能表达,这表明空间结构的不变是相对的,而正常的变化是实现功能的基础。例如,酶的空间结构的变化会表达出催化化学反应的特性;Na-K泵的磷酸化,就会导致其空间构象的改变,从而实现其运输Na+K+的功能。

从细胞水平看,细胞壁、细胞膜、细胞质中的细胞器、细胞核各有分工,其结构特点明显地体现出与功能相适应的特点。例如,植物细胞的细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,这样的细胞壁既坚固又具有透性,与细胞壁具有支持和保护细胞的形态、结构的功能密切相关;细胞膜的流动镶嵌模型结构能够很好地实现“与外界环境分隔开、控制物质的进出、进行细胞间的信息交流”的功能;线粒体、叶绿体、核糖体和高尔基体等细胞器的结构更是明显地体现出各自的功能特性,等等。除细胞水平外,其他层次的生命系统也体现出了结构与功能相适应的观念。结构与功能的统一性是适应环境的表现,是进化的必然结果。

“整体大于部分之和”是系统论的核心思想,生命系统的结构与功能观也体现了这种思想。以细胞为例,细胞中的各个结构是有机组合并形成一个统一的整体,如分泌蛋白的形成是核糖体、内质网、高尔基体通力合作的结果。离开了细胞这一整体结构,细胞器是不能实现其功能的;同理,组织、器官、系统都是相互协调,共同协作,才能完成个体的各种复杂的功能;组成生态系统的各种结构和成分相互协调,完成生态系统的整体功能,一旦生态系统崩溃,其结构和成分就不复存在。总之,在理解生命系统的结构与功能观时,即要有部分的分析,也要有整体的综合,才能从局部与整体的高度看待各种复杂的生命现象。

3.物质、能量和信息观

世界是物质、能量和信息三大要素组成的。对于生命系统来说,物质是本源的存在,能量是运动的存在,信息是联系的存在,物质与能量相伴而生,信息以物质和能量为媒介,穿越时间和空间进行传递。任何一个生命系统都是物质、能量和信息的统一体,它们相互依存、相互制约。系统的自组织理论认为,一个远离平衡的开放系统,通过与环境进行物质、能量和信息的交换,即通过物质、能量和信息的耗散,从而就可能自发组织起来,实现从无序到有序的转变,形成具有一定组织和秩序的动态结构。由此可见,物质、能量和信息是生命系统的重要特征。

生命的存在过程就是物质代谢、能量转化和信息调控的对立统一过程。生命系统的能量最终来自于太阳能,通过光合作用进行物质合成和转化,并储存能量。从物质来看,光合作用将无机物转化为有机物;从能量来看,将光能转换为电能,并进一步转换为化学能;从信息的角度看,光本身就是一种信息分子,可以激活叶绿体囊膜上的叶绿素分子进行电子的跃迁和转移。与光合作用对应的是呼吸作用,光合作用与呼吸作用是对立统一的两个基础的生命活动,光合作用和呼吸作用受到遗传信息和生理信息的指导。基因的表达与调控是最基础和最重要的遗传信息。在细胞中,哪些基因表达,什么时候表达,表达的程度如何,都是遗传信息调控的产物,基因的表达出现异常,就会出现相应的病理变化;对于个体而言,激素分子的分泌及发生作用,神经系统对外界的感知及发生的反应,都是个体生存的基础。

生态系统也是一个生命系统,在生态系统中,能量依托于物质,沿着食物链和食物网流动,物质在无机环境和生物群落之间进行循环。种与种内的交流,不同种群之间的交流,种与无机环境的交流,都离不开信息传递。自然界中的花开花落、鸟类迁徙、鱼类洄游、哺乳动物的发情周期、哺乳动物的季节性换毛、人类的青春期发育,等等,无不是信息调节的产物。总之,生命系统时刻与环境进行着信息、物质和能量的交换,它自身也不断地进行信息、物质和能量的处理,以维持自身的生存和发展。

总体来看,生命系统的物质、能量和信息观包含以下内涵:(1)物质和能量总是相伴相随的,物质的合成与分解总是伴随着能量的储存和释放,光合作用和呼吸作用是最基础的物质和能量代谢;(2)ATP是生命活动的直接供能物质,是生命系统中物质和能量的直观体现;(3)能量可以推动物质的转变、运动和空间结构的变化,也可以推动信息的产生、加工和传递;(4)物质和能量的变化离不开信息驱动,细胞中的各种生化反应都需要信息的指导,如遗传信息、生理信息和神经感知、传导和传递信息等,离开这些信息,生命就会变得无序而死亡。

4.稳态与调节观

自组织是系统的显著特征,即系统在特定的内外条件下,从混沌到有序,从有序程度低到有序程度高,并稳定在一定有序程度上的自我完成过程。生命系统的自组织行为表现为自稳定、自修复、自适应、自学习等行为。用生物学专业术语来说,自组织主要表现为生命系统的稳态和调节观,即生命系统是稳态的,而稳态是通过调节来实现的。

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。现代生命科学已从分子、细胞、器官、个体、生态系统等各个层次上阐明了生命活动中普遍存在着动态稳定,即稳态的现象。稳态不意味着一成不变,实际上任何系统的稳态都是在一定范围之内波动的,如唾液淀粉酶的活性范围是pH 6.2~7.4,人体血细胞生活的pH范围是7.35~7.45,人体的体温维持在37 ℃左右,生态系统具有抵抗力稳定性和恢复力稳定性,可以有效地保持生态系统在一定的范围内波动等。

稳态是通过调节来实现的,而调节依赖于生命系统对内部和外界环境的刺激所作出的各种反应。在分子水平上,存在基因表达的稳态调节、酶活性的稳态调节;在细胞水平上,一个细胞是分裂还是分化,是衰老还是淍亡,都是调节的结果;在器官水平上,有心脏节律的稳态调节激素水平的稳态调节、血糖和水盐平衡的稳态调节;在个体水平上人体稳态的调节,是通过神经—体液-免疫系统的调节而得以实现的;在宏观水平上,有种群数量的稳态调节、生态系统的平衡调节,等等。调节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节的结果。

5.适应与进化观  

生物只有适应环境才能生存。生物对环境的适应,指的是这种生物和它具有的某些遗传性状提高了它在特定环境中生存和生殖的能力。具体分析,适应是指生物的结构以及这些结构所表达出来的功能有利于生物的生存。因此,结构与功能观是生物适应环境的具体表现,而适应也是进化的具体结果。从生命系统的视角看,系统的运行和发展体现了适应与进化观。系统的正常运行是适应的表现,在适应时会随着环境的变化而进行调整,种群中的这种变化逐渐积累并向一定的方向发展,就是进化,进化的最终结果是形成新的物种,同时也是新的适应的开始。

环境是多种多样的,因此适应是多种多样的,进化的方向也是多样的。例如,鱼类适应水生生活而具有鳃,陆地生活的哺乳动物具有肺这一呼吸器官,空中飞行的鸟则具有双重呼吸的特征,这都是因环境的多样而表现为适应的多样性,也是各自不同的进化方向;再如,同样营水生生活,鱼用鳃呼吸,但鲸、龟、鳖、鳄鱼等动物却可以用肺呼吸,动物中的同功器官是适应多样性的生动体现,适应的多样性正是进化的必然结果。

自然选择学说认为,适应环境的生物得以生存,而不适应环境的则被淘汰。现代生物进化理论从遗传与变异的角度进行了阐述,自然选择后生物的表型,即是否适应,但表型是由基因控制的,基因在传递过程中可能会发生突变和基因重组,这就为自然选择提供了原材料,随着选择的漫长且方向一致,变异的表型得以保留并最终在遗传上形成了生殖隔离,新物种的形成就是进化的阶段性体现。生物的进化包括种间的协同进化,也包括生物与无机环境之间的相互影响。正如系统进化观认为,进化远远不仅是简单趋向平衡和片面适应环境,而且是适应与创造之相互作用的展开,环境本身就是一个能适应和进化的活系统,因此,进化就是指有机体与环境之间的共同进化。

6.生态观 

从主体与环境关系的角度看,生态观是认知生态系统的重要观念,是生命观念的有机组成部分。

早期的生态观局限于自然生态系统,认为是“生态系统的整体观”。随着人们认识的不断深入,生态观上升到哲学世界观的范畴,认为生态观是建立在生态科学所提供的基本概念、基本原理和基本规律的基础上,并在人类—自然全球生态系统层次上用以指导人类认识和改造自然的基本思想。这时候的生态观还是局限于自然生态系统,但强调了生态观对人类的指导作用。现在的生态观有了进一步的发展,拓展到政治、经济和文化等多个领域,认为生态观是指人们在处理人与自然、人与社会关系中形成的一套对生态环境在政治、经济、文化和社会发展中所起作用的基本观点和看法。总体来看,生态观主要包括三个方面的内容:对生物与环境之间复杂关系及变化规律的认识;生态系统的运行规律;人类在全球生态系统中的地位和作用的认识。

从“生物与环境之间复杂关系及变化规律”来看,可以提炼出这样的重要概念:生物依赖于环境而生存,生物也是环境的主体;生物与生物之间有着复杂的关系,如捕食、竞争、寄生、共生,生物在生态系统中有生产者、消费者、分解者等不同角色,每种生物都有其价值,是生物多样性的重要组成部分,也是维护生态系统稳定的重要因素;生态系统具有自我调节能力,即各部分的功能在较长时间里处于互相适应、互相协调的生态平衡之中。

生态系统有自身的运行规律,各种生物的种类及数量有制约与平衡的需要,即生态系统有抵抗力稳定性和恢复力稳定性。人类不能因为自身的需要或偏好而干扰生态系统,一旦生态系统遭到破坏,损害的最终是人类自身。因此,尊重生态系统自身的运行规律,约束人类的负面行为,关系到人与自然的可持续发展。

从生态学的角度看,人类不过是地球生态系统中的一个组成成员,与其他物种一样是自然大家庭中的普通一员。人类与其他物种的关系是平等的,不能将自己视为自然的主宰,人类只有自觉地将自己视为自然大家庭中的平等成员,才能与自然协调发展。生态观是可持续发展观的重要思想基础。人类只有认识人类社会在全球生态系统中的适当地位,按照生态系统的整体运动规律来认识和处理人与自然的关系,才能避免与自然生态环境发生尖锐矛盾,人类社会经济才能得到持续发展。

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