伍賢進(jìn)，李愛(ài)民，李勝華，曾軍英

(懷化學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，懷化 418008)

生物學(xué)是研究生物的組成、結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)生發(fā)展規(guī)律及與環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)[1]。生物學(xué)科的發(fā)展經(jīng)歷了博物學(xué)、實(shí)驗(yàn)生物學(xué)、分子生物學(xué)等階段，目前已進(jìn)入了系統(tǒng)生物學(xué)時(shí)期[2-3]。生物學(xué)科的發(fā)展歷程反映了人類認(rèn)知生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理念歷經(jīng)了整體觀、還原觀，目前已進(jìn)入到了系統(tǒng)觀[2-4]。系統(tǒng)觀已成為科學(xué)研究的最佳指導(dǎo)思想[2]，探索運(yùn)用系統(tǒng)觀的基本原理和方法來(lái)指導(dǎo)中學(xué)生物學(xué)教學(xué)和高校相關(guān)課程建設(shè)、教學(xué)改革已取得了一定成效，其在提高中學(xué)、大學(xué)生物學(xué)教學(xué)效率的作用也得到了很好地證明[5-8]。但這些研究與探索一般是基于具體生物學(xué)知識(shí)或課程教育與學(xué)習(xí)開(kāi)展的。關(guān)于利用系統(tǒng)觀指導(dǎo)生物學(xué)認(rèn)知的一般原理和共性方法尚缺乏必要的研究。為了指導(dǎo)廣大生物科技工作者和生物知識(shí)學(xué)習(xí)者更好地運(yùn)用系統(tǒng)觀來(lái)開(kāi)展生物學(xué)認(rèn)知，本文根據(jù)系統(tǒng)觀的基本理念，闡明了生物系統(tǒng)的基本特點(diǎn)和用系統(tǒng)觀指導(dǎo)生物學(xué)認(rèn)知的一些基本觀點(diǎn)與方法。

1 生物系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

自然界物質(zhì)以是否具有生命為標(biāo)準(zhǔn)可分為生物和非生物兩大系統(tǒng)。生物系統(tǒng)從微觀到宏觀基本可分亞細(xì)胞、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體、種群和群落等7個(gè)相互作用、聯(lián)系與依賴的基本層級(jí)[1,3]，其中任一層級(jí)均可以是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，均具有其特定的功能。因?yàn)樯锱c非生物的界限十分明確，故生物系統(tǒng)完全可以認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立于非生物系統(tǒng)外的完整系統(tǒng)，但無(wú)論是整個(gè)生物系統(tǒng)或其內(nèi)任何一個(gè)子系統(tǒng)均隨時(shí)與周圍的環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)、能量與信息交流。因此，生物系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)。

1.1 生物系統(tǒng)的目的性

生物系統(tǒng)無(wú)論從整體還是從各子系統(tǒng)看，其目的性均十分明確，那就是確保其固有生物功能的正常發(fā)揮，保證各類生物種類正常繁衍，維持整個(gè)生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和發(fā)展。

1.2 生物系統(tǒng)的整體性

生物系統(tǒng)的整體性表現(xiàn)在任一級(jí)生物系統(tǒng)的性質(zhì)、功能均由其構(gòu)成局部的相關(guān)特性決定，但均在整體意義上獲得了其構(gòu)成局部所沒(méi)有的性質(zhì)與功能，且這種性質(zhì)或功能也不是其構(gòu)成局部相關(guān)屬性的簡(jiǎn)單相加而成。

1.3 生物系統(tǒng)的層次性

在生物系統(tǒng)內(nèi)，亞細(xì)胞、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體、種群及群落等這一從微觀到宏觀、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程是依次遞進(jìn)的，也是生物世界長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果。任一較高層級(jí)的生物系統(tǒng)均是由其下一層級(jí)子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)有機(jī)組合而成，即使是生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)胞也是其內(nèi)各種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和有關(guān)物質(zhì)經(jīng)過(guò)有序組織而成。生物系統(tǒng)的層次性還表現(xiàn)為各層級(jí)子系統(tǒng)在整個(gè)生物系統(tǒng)中的位置均是相對(duì)穩(wěn)定、不可僭越的，各層級(jí)之間物質(zhì)、信息、能量交換的基本路徑也是相對(duì)穩(wěn)定、依層次進(jìn)行的。

1.4 生物系統(tǒng)的相關(guān)性

生物系統(tǒng)內(nèi)各級(jí)子系統(tǒng)間或某一級(jí)子系統(tǒng)內(nèi)的要素間均存在著一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多等復(fù)雜的交互關(guān)聯(lián)，生物系統(tǒng)內(nèi)不存在任何絕對(duì)孤立的子系統(tǒng)或要素，均是關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一體。生物系統(tǒng)的這種關(guān)聯(lián)性構(gòu)成了統(tǒng)一的生物世界。

1.5 生物系統(tǒng)的適應(yīng)性

適者生存是生物生存與發(fā)展的基本規(guī)則。各級(jí)生物系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、機(jī)能是對(duì)相對(duì)穩(wěn)定環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果，而他們對(duì)環(huán)境變化的應(yīng)激性反應(yīng)又使其適應(yīng)性更加靈活和完備。各級(jí)生物系統(tǒng)的適應(yīng)性就是在這種穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)密切配合的統(tǒng)一中實(shí)現(xiàn)的，遺傳和變異則是生物系統(tǒng)適應(yīng)性形成的內(nèi)在機(jī)制。

1.6 生物系統(tǒng)的開(kāi)放性

每一級(jí)生物系統(tǒng)均有特定的機(jī)制來(lái)保證其與外界的隔離，使其自成體系、獨(dú)立存在。但各級(jí)生物系統(tǒng)也均需要與周邊生物或非生物環(huán)境發(fā)生相互關(guān)聯(lián)和作用，進(jìn)行物質(zhì)、能量及信息的交換。而且生物系統(tǒng)與非生物環(huán)境的相互作用還形成了更大的系統(tǒng)即生態(tài)系統(tǒng)。因此，無(wú)論從哪個(gè)層級(jí)看，生物系統(tǒng)均是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)。

1.7 生物系統(tǒng)的演化發(fā)展性

目前的生物系統(tǒng)就是生物與非生物、生物與生物長(zhǎng)期相互作用演化發(fā)展的結(jié)果，而且生物系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)子系統(tǒng)也都有其演化發(fā)展過(guò)程。從各級(jí)生物系統(tǒng)的開(kāi)放性來(lái)看，生物系統(tǒng)將永遠(yuǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，總是在不斷地演化發(fā)展。

1.8 生物系統(tǒng)的自組織性

分析各級(jí)生物系統(tǒng)內(nèi)在要素的組織特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，其均是通過(guò)線性或非線性或二者兼有的作用機(jī)制組織起來(lái)的，而且均具有從外界吸收物質(zhì)、能量、信息并將其整合到自身系統(tǒng)中的能力，均具有吸納、整合下級(jí)子系統(tǒng)或要素構(gòu)成自身系統(tǒng)的能力。各級(jí)生物系統(tǒng)的這種整合、組織特性是其內(nèi)部特性決定的，一般不需要特定外界條件的干預(yù)就能自發(fā)地完成，故屬于典型的自組織行為。

2 進(jìn)行生物學(xué)系統(tǒng)認(rèn)知要把握的基本思維方法

生物學(xué)知識(shí)記錄或解釋了各級(jí)生物系統(tǒng)特性、發(fā)生發(fā)展規(guī)律及其與環(huán)境的相互關(guān)系，主要包括分類、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理、生化與分子生物學(xué)、遺傳、進(jìn)化和生態(tài)共8個(gè)方面[1,3]。用系統(tǒng)觀指導(dǎo)生物學(xué)認(rèn)知關(guān)鍵要建立科學(xué)高效的生物系統(tǒng)認(rèn)知思維方法。

2.1 在邏輯演繹上以功用為基點(diǎn)

生物系統(tǒng)的特征決定了其基本認(rèn)知過(guò)程只能是科學(xué)的邏輯思維，“執(zhí)果索因”的分析法和“由因?qū)Ч钡木C合法是認(rèn)知生物知識(shí)的基本邏輯思維方法。但生物運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性經(jīng)常使我們面對(duì)觀察或測(cè)試結(jié)果時(shí)難以分清“因”和“果”，而且同一個(gè)觀測(cè)結(jié)果于此是“因”，但于彼則可能又是“果”，這就經(jīng)常導(dǎo)致分析和綜合不知從何入手。破解這一癥結(jié)的關(guān)鍵就是在推理或演繹時(shí)始終堅(jiān)守生物功用(功能或作用)這一基點(diǎn)，既將其作為邏輯思維的出發(fā)點(diǎn)，也作為邏輯思維的歸宿點(diǎn)。

堅(jiān)守生物功用基點(diǎn)關(guān)鍵要把握好以下三點(diǎn)。一是要堅(jiān)信任何生物現(xiàn)象或過(guò)程肯定有其特有的功用。如某個(gè)結(jié)構(gòu)一定有對(duì)應(yīng)的功能，某種功能則一定會(huì)有相應(yīng)的某種結(jié)構(gòu)。生物體內(nèi)的某種物質(zhì)肯定有其應(yīng)有的作用，而生物的任何活動(dòng)均會(huì)有其物質(zhì)基礎(chǔ)。某一生化反應(yīng)必然要為某種或幾種生物活動(dòng)提供某種物質(zhì)、能量或轉(zhuǎn)換、傳遞某種信號(hào)等。二是生物系統(tǒng)的自組織性決定了生物功用的實(shí)現(xiàn)過(guò)程必然是優(yōu)化的過(guò)程，生物功用實(shí)現(xiàn)時(shí)節(jié)省空間、節(jié)約能量、縮短過(guò)程是普遍規(guī)律。因此，必須遵循將復(fù)雜事物簡(jiǎn)單化而不是將簡(jiǎn)單事物復(fù)雜化的邏輯思路來(lái)推演生物運(yùn)動(dòng)。三是生物功用形成或發(fā)揮與生物過(guò)程或現(xiàn)象的聯(lián)系往往具有復(fù)雜綜合性特點(diǎn)。一一對(duì)應(yīng)的情況很少或基本沒(méi)有。這就要求我們?cè)趫?jiān)守功用實(shí)現(xiàn)主線的同時(shí)，也不能忽視相關(guān)的支線。如光合作用可以說(shuō)是最復(fù)雜的生物過(guò)程，但它的功用只有光能儲(chǔ)存和有機(jī)物合成兩個(gè)。因此，在認(rèn)知光合作用有關(guān)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)或反應(yīng)時(shí)，只要不斷拷問(wèn)好它為兩個(gè)功用實(shí)現(xiàn)起何作用及怎樣起作用這兩個(gè)基本問(wèn)題，就能從根本上保障有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

2.2 在思維方向上突出多維度思維

因?yàn)樯锵到y(tǒng)是開(kāi)放的復(fù)雜系統(tǒng)，生物運(yùn)動(dòng)是生物內(nèi)外復(fù)雜因素綜合聯(lián)系的結(jié)果，這就注定了以功用為基點(diǎn)的邏輯推演必須要進(jìn)行點(diǎn)、線、面相結(jié)合，時(shí)間和空間相聯(lián)系的多維度思維。

第一，在邏輯關(guān)系上要突出功用形成或?qū)崿F(xiàn)過(guò)程這一主軸主線，要以生物功用為起點(diǎn)或止點(diǎn)通過(guò)順推、倒推或二者結(jié)合的方法將生物功用形成或發(fā)揮過(guò)程所經(jīng)歷的主要場(chǎng)所、主要生理變化或生化反應(yīng)依次羅列編排出來(lái)。

第二，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上要進(jìn)行橫向分析，要對(duì)生物功用形成或?qū)崿F(xiàn)主軸主線中的一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解析，進(jìn)而明確這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在功用實(shí)現(xiàn)中的作用及其發(fā)揮的機(jī)理。

第三，在時(shí)間上要把握好生物功用形成或?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中經(jīng)歷的主要場(chǎng)所、生理變化或生化反應(yīng)的先后順序和持續(xù)狀況。首先，在時(shí)間順序上，要從先、后及同時(shí)等三個(gè)時(shí)間關(guān)系上理清每個(gè)步驟開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，編排出時(shí)間進(jìn)程表。其次，在時(shí)間跨度上，要根據(jù)大小分別從長(zhǎng)期、中期、短期和瞬期來(lái)考慮有關(guān)進(jìn)程。長(zhǎng)期一般指以“年”為計(jì)時(shí)單位的時(shí)間跨度，如多年生生物的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律、某種生物性狀的產(chǎn)生、一個(gè)物種形成等均需要從數(shù)年甚至數(shù)萬(wàn)年的時(shí)間跨度來(lái)加以考證；中期指以“月”為計(jì)時(shí)單位的時(shí)間跨度，如一年生生物的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律；短期指以“天”為計(jì)時(shí)單位的時(shí)間跨度，如研究植物光周期現(xiàn)象；瞬期指以“小時(shí)及小時(shí)內(nèi)”為計(jì)時(shí)單位的時(shí)間跨度，如研究一個(gè)生化反應(yīng)。

第四，在空間認(rèn)知上要以參照位點(diǎn)為核心來(lái)厘清其中生理變化、生化反應(yīng)的空間關(guān)聯(lián)性。參照位點(diǎn)就是功用形成或發(fā)揮最核心、最關(guān)鍵的生物結(jié)構(gòu)或子系統(tǒng)。確定了參照位點(diǎn)后，就要以此為中心，分別向其前、后、左、右、上、下等六個(gè)方向進(jìn)行發(fā)散，將各方向所涉及的構(gòu)造進(jìn)行編列，以構(gòu)建出生物功用形成或發(fā)揮所需的立體構(gòu)造體系?？臻g認(rèn)知還必須結(jié)合時(shí)間來(lái)同時(shí)進(jìn)行，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下，時(shí)間的順序性與空間的順序性往往緊密相關(guān)，時(shí)間的先后、重疊、交叉很多時(shí)候也伴隨空間位置的先后、重疊和交叉。

2.3 在思維方式上強(qiáng)調(diào)非線性思維

生物系統(tǒng)的開(kāi)放性和復(fù)雜性決定了其任何現(xiàn)象、原理、規(guī)律的解釋、理解必然具有多解、多樣和多變的特征。因此，生物學(xué)認(rèn)知思維必須以非線性思維為主，從多方位、多層次、多途徑并進(jìn)行廣泛的聯(lián)系來(lái)進(jìn)行求證和解答。

第一，要明確認(rèn)知對(duì)象處于哪一層級(jí)生物子系統(tǒng)中，在確定考察對(duì)象所在7個(gè)基本生物子系統(tǒng)的位置后，一般至少還要分別上溯和下移一個(gè)層級(jí)來(lái)進(jìn)行其結(jié)構(gòu)、功用等屬性的認(rèn)知。如認(rèn)知線粒體，首先要明白其屬于亞細(xì)胞生物子系統(tǒng)層級(jí)，然后圍繞其功用向下到分子水平研究那些與線粒體功用密切相關(guān)的重要分子或分子集團(tuán)的組成、形態(tài)、功能等。但這還很不夠，至少還要向上考察其所在的細(xì)胞，以明白其與其他細(xì)胞器或細(xì)胞內(nèi)其他物質(zhì)的關(guān)聯(lián)和在實(shí)現(xiàn)細(xì)胞功用中的地位與作用。在特殊情況下，這種研究還要將視野拓展到更遠(yuǎn)的子系統(tǒng)中，如處于缺氧或高溫狀態(tài)下的個(gè)體其不同器官或組織細(xì)胞中線粒體的狀況就有不同。

第二，要考慮認(rèn)知生物對(duì)象與周邊生物與非生物環(huán)境聯(lián)系的復(fù)雜性。根據(jù)生物與環(huán)境間交換內(nèi)容差異和變化，任一生物系統(tǒng)均可視為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開(kāi)放系統(tǒng)三者的辯證統(tǒng)一。首先將認(rèn)知對(duì)象作為孤立系統(tǒng)看待，以便不受干擾地明確其內(nèi)在屬性；然后將其作為封閉系統(tǒng)考慮，以考察其與外界進(jìn)行能量交換的方式和途徑，以及這種交換給認(rèn)知對(duì)象狀態(tài)和功用形成或發(fā)揮的作用和意義；最后再將其作為開(kāi)放系統(tǒng)來(lái)考慮，以考察其與外界同時(shí)進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的狀態(tài)及其對(duì)認(rèn)知對(duì)象狀態(tài)和功用形成或發(fā)揮的作用和意義。

第三，要考慮任何生物系統(tǒng)均是復(fù)雜的肯定和否定的辯證統(tǒng)一體。生物系統(tǒng)的開(kāi)放性、演化發(fā)展性和自組織性決定了其是靜止系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)和非平衡系統(tǒng)的辯證統(tǒng)一。因此，在進(jìn)行一個(gè)生物對(duì)象認(rèn)知時(shí)，首先確信其肯定有固定的區(qū)別于其他生物對(duì)象的固有生物學(xué)屬性，認(rèn)知就是要將該屬性挖掘出來(lái)，其基本的方法是通過(guò)對(duì)照設(shè)置與類似對(duì)象的比對(duì)情形。其次，要必須找出認(rèn)知生物對(duì)象固有生物屬性存在或表現(xiàn)的基本條件范圍，因?yàn)橐坏┢x了這一范圍，其固有屬性將不復(fù)存在，甚至認(rèn)知對(duì)象也會(huì)消失或發(fā)生根本的轉(zhuǎn)化。任何生物固有屬性存在或表現(xiàn)的任何條件均可從最適、最高和最低等3個(gè)基點(diǎn)來(lái)進(jìn)行規(guī)定。而且還要認(rèn)識(shí)到絕大多數(shù)生物固有屬性存在或表現(xiàn)的基本條件肯定不止一個(gè)，因此，還要考慮這些條件的影響度及疊加綜合效應(yīng)。如不同類型細(xì)胞生物膜功能正常發(fā)揮溫度范圍雖然會(huì)存在差異，但這種差異變化幅度不可能太大，這是生物膜的固有規(guī)定性決定的，也既是生物膜對(duì)溫度穩(wěn)定性的肯定方面，但具體細(xì)胞生物膜的溫度范圍又決定于其組成與結(jié)構(gòu)，這種差異就是不同類型細(xì)胞生物膜的固有屬性，而且無(wú)論任何細(xì)胞超過(guò)其溫度范圍的高溫或低溫均會(huì)影響其生物膜功能的發(fā)揮，甚至?xí)?dǎo)致膜最后解體，這就是生物膜對(duì)溫度穩(wěn)定性的否定方面。

3 運(yùn)用好“5W1H”分析方法開(kāi)展生物學(xué)系統(tǒng)認(rèn)知

5W1H分析法又稱“六何分析法”，對(duì)于解決系統(tǒng)性任務(wù)具有很強(qiáng)指導(dǎo)性和操作性，已在企業(yè)管理、工程管理方面取得了巨大的應(yīng)用成效[9]，也正逐步受到教育工作者重視，用于指導(dǎo)教學(xué)改革、提高教育質(zhì)量[10]。根據(jù)5W1H分析法的精神實(shí)質(zhì)，結(jié)合生物學(xué)系統(tǒng)認(rèn)知特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，完全可以用以指導(dǎo)生物學(xué)系統(tǒng)認(rèn)知。

實(shí)施生物學(xué)5W1H分析方法，首要的是根據(jù)認(rèn)知生物對(duì)象設(shè)定核心問(wèn)題(What)。確定了核心問(wèn)題后，再依據(jù)5W1H認(rèn)知方法進(jìn)行遞進(jìn)式分析“是什么”或“為什么”等(表1)。

表1 生物學(xué)5W1H認(rèn)知方法的基本框架Table 1 The basic framework of 5W1H bioscience analytical method

當(dāng)然，表1中所列的二級(jí)問(wèn)題僅是舉例，并不代表全部或必需。另外，在實(shí)施生物學(xué)5W1H分析時(shí)需要特別注意認(rèn)知生物對(duì)象的功用可能不止一個(gè)的情況，這時(shí)就需要對(duì)不同功用根據(jù)重要程度進(jìn)行排序，確定需要深入解析的功用，然后對(duì)每個(gè)功用均實(shí)施5W1H方法來(lái)認(rèn)知。