趣話高中生物學(xué)教學(xué)中的“數(shù)量”觀

朱滿員

(浙江省嘉興市海鹽高級(jí)中學(xué) 嘉興 314300)

生物學(xué)的研究經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質(zhì)，從定性到定量的發(fā)展過(guò)程?，F(xiàn)行高中生物學(xué)教材大多遵循“從結(jié)構(gòu)到功能”的經(jīng)典陳述，教師也多按此“結(jié)構(gòu)功能觀”組織教學(xué)。但不容忽視的是，很多情況下數(shù)量也能決定性質(zhì)。例如，劑量決定了毒物的毒性，原子最外層的電子數(shù)決定了元素的性質(zhì)，種群數(shù)量決定了生物的益或害等。因此，在高中生物學(xué)教學(xué)中添加些“數(shù)量”觀，能讓學(xué)生對(duì)所熟知的生物學(xué)現(xiàn)象或概念獲得新的理解。

1 統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)原理

統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)研究的是大量粒子所構(gòu)成的體系的微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用大量粒子某一性質(zhì)的微觀統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)闡釋系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。埃爾溫·薛定諤曾在《生命是什么》一書(shū)表達(dá)了這樣一個(gè)觀點(diǎn)： 生命有機(jī)體是可以用物理和化學(xué)定律來(lái)解釋的，即物理結(jié)構(gòu)決定化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)決定生理功能。而物理學(xué)定律是以統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)為根據(jù)的，它們的精確性是以大量原子的介入為基礎(chǔ)的[1]。這個(gè)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)原理很普遍，生物體也不出其右。

2 在生物學(xué)教學(xué)中重構(gòu)“數(shù)量”觀

數(shù)量決定功能最經(jīng)典的實(shí)例莫過(guò)于磷脂與生物膜的關(guān)系： 脂雙層的形成是由磷脂分子的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)所決定的[2]，而膜的選擇透性與流動(dòng)性則需要大量的磷脂分子的相互合作才得以體現(xiàn)。因此，從“數(shù)量”觀視角能更好地理解生物體的一些特性。

2.1 以“量”換“精” 一個(gè)成人約有2×1014個(gè)細(xì)胞組成，為什么機(jī)體需要那么多細(xì)胞參與構(gòu)建呢？由于機(jī)體是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，在不斷地與外部世界進(jìn)行著各種交換。這種相互作用就勢(shì)必要求生物體必須提高自身的精確性，以期與外界“協(xié)調(diào)、同步”。根據(jù)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)原理，進(jìn)行合作的細(xì)胞數(shù)越大，相對(duì)誤差越小，精確度就越高，有機(jī)體在與外部世界的相互作用中，就越能分享“精確的定律”的好處。多細(xì)胞生物用數(shù)量換取了“精確性”。

2.2 以“量”換“序” 代謝是細(xì)胞中的一切化學(xué)反應(yīng)的總稱(chēng)，可視為細(xì)胞中不計(jì)其數(shù)的分子在特定條件下的相互作用?；瘜W(xué)反應(yīng)的專(zhuān)一性依賴于分子結(jié)構(gòu)之間的基于弱鍵(氫鍵)的精確互補(bǔ)，而這種基于弱鍵的精確互補(bǔ)又需要分子有足夠大的空間，蛋白質(zhì)等生物大分子就能滿足這種大空間的需求。據(jù)測(cè)定，所有的細(xì)胞中都存在著大量的蛋白質(zhì)、核酸、多糖等各種生物大分子,它們大約占用細(xì)胞容積的20%～30%[2]。與此同時(shí)，這種“大分子擁擠”的環(huán)境猶如春運(yùn)時(shí)的火車(chē)站，勢(shì)必要求大分子以“團(tuán)隊(duì)”的方式工作，以增加特定分子間相互作用的概率，使化學(xué)反應(yīng)得以有條不紊的進(jìn)行。對(duì)于多細(xì)胞生物體來(lái)說(shuō)，每個(gè)細(xì)胞仍很小，但細(xì)胞的聚集體可以足夠大。所以，細(xì)胞的策略是用數(shù)量換取“有序性”，以“量”維“穩(wěn)”(如遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定、內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定、物種的穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定等)。這樣的多細(xì)胞有機(jī)體既能感受到外界宏觀的變化，又能使體內(nèi)環(huán)境保持相對(duì)穩(wěn)定，從而建立起有序的功能，呈現(xiàn)出有規(guī)律的生命現(xiàn)象。

2.3 以“量”換“效” 細(xì)胞代謝的高效性不僅可以通過(guò)細(xì)胞體積變小來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可以通過(guò)細(xì)胞分化來(lái)提升。如果將細(xì)胞的分化也看作細(xì)胞間的分工，那么細(xì)胞分工無(wú)形中提高了每種細(xì)胞的代謝效率，同時(shí)細(xì)胞通過(guò)分工也提升了合作的效率，這些效率的提升在環(huán)境的“犒賞”中又強(qiáng)化了分工。細(xì)胞間的分工同樣要求參與合作的細(xì)胞數(shù)量要足夠多，以滿足細(xì)胞能完全“投身”于一種功能，成為某種類(lèi)型的細(xì)胞。例如，上皮細(xì)胞承擔(dān)保護(hù)、吸收功能；神經(jīng)細(xì)胞能接受刺激、產(chǎn)生和傳導(dǎo)興奮；肌細(xì)胞專(zhuān)職收縮運(yùn)動(dòng)；紅細(xì)胞攜氧，白細(xì)胞免疫防衛(wèi)等。同理，人類(lèi)的大腦能高效地處理繁雜的外部信息及自我意識(shí)的產(chǎn)生，是基于數(shù)量巨大的神經(jīng)元及其之間復(fù)雜的聯(lián)系。

2.4 以“量”換“續(xù)” 生物界中所能見(jiàn)的一切都擁有近乎完美的連續(xù)性，如身高、體重，甚至智商等人類(lèi)性狀都符合平緩連續(xù)的正態(tài)分布曲線，但控制這些性狀背后的基因卻是離散、獨(dú)立、不混雜的。單個(gè)基因只能形成兩種狀態(tài)，如高或矮以及是或否，不連續(xù)的基因何以實(shí)現(xiàn)性狀的連續(xù)性呢？數(shù)量或許能夠解決這個(gè)問(wèn)題。如果某個(gè)性狀受到5個(gè)基因調(diào)控，那么經(jīng)過(guò)排列產(chǎn)生的組合數(shù)量將會(huì)很多(35種)，而這些排列組合導(dǎo)致的身高變化就會(huì)趨于連續(xù)。如果再把環(huán)境因素考慮在內(nèi)，例如營(yíng)養(yǎng)對(duì)于身高的影響或日照對(duì)膚色的作用，那么身高、胖瘦、膚色等都能表現(xiàn)出平緩的連續(xù)性[3]。

同理，對(duì)于一個(gè)酶分子而言，只存在“有活性”與“無(wú)活性”兩種狀態(tài)，不具有連續(xù)性。只有當(dāng)酶成為一個(gè)“群體”時(shí)，因受溫度與pH的影響，有些酶失活，有些酶仍有活性，才表現(xiàn)出來(lái)酶“群體”活性隨溫度或pH變化的連續(xù)曲線。

2.5 以“量”定“閾” 在淋巴細(xì)胞的成熟過(guò)程中，由于基因的重排，使得不同的B、 T淋巴細(xì)胞表面有不同的抗原受體，但這些受體一般不會(huì)對(duì)自身抗原進(jìn)行反應(yīng)。究其原因是這些自身抗原在血液和淋巴器官中以某種水平持續(xù)表達(dá)，以誘導(dǎo)相應(yīng)的B、 T細(xì)胞凋亡，從而避免自身免疫的發(fā)生。另外，在細(xì)胞免疫發(fā)生時(shí)，活化的毒性T淋巴細(xì)胞在使靶細(xì)胞裂解的同時(shí)也會(huì)對(duì)機(jī)體組織造成損害。所以，機(jī)體并不直接儲(chǔ)備大量的效應(yīng)細(xì)胞。原始淋巴細(xì)胞的低數(shù)量是人體“防衛(wèi)”與“損傷”權(quán)衡的結(jié)果。同理，機(jī)體也不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)入侵者就輕易啟動(dòng)免疫應(yīng)答。有研究表明，免疫系統(tǒng)對(duì)抗原是否應(yīng)答取決于反應(yīng)性T、 B淋巴細(xì)胞的相對(duì)數(shù)量，同時(shí)也依賴于T、 B細(xì)胞抗原受體親和力的閾值，僅一個(gè)入侵者還不足以達(dá)到該閾值。記憶細(xì)胞則相當(dāng)于是高親和力、低閾值的一群細(xì)胞，基于此，它才能對(duì)少量的二次入侵者作出快速的反應(yīng)。一般認(rèn)為，中等劑量的抗原容易誘發(fā)免疫應(yīng)答，若抗原在閾值以下，則就沒(méi)必要發(fā)動(dòng)免疫應(yīng)答。

閾值又叫臨界值，是指一個(gè)效應(yīng)能夠產(chǎn)生的最低值或最高值。生物體對(duì)外界的所有刺激都設(shè)定了一個(gè)閾值，只有達(dá)到特定閾值的刺激才能引發(fā)生物體的反應(yīng)。例如，一般人的眼睛可以感知波長(zhǎng)在400～760nm之間的可見(jiàn)光；人耳能感受到頻率為20～20000Hz范圍的振動(dòng)；神經(jīng)細(xì)胞的閾電位是-55mV，只有達(dá)到閾強(qiáng)度的刺激才能使神經(jīng)產(chǎn)生動(dòng)作電位。這是生物體避免環(huán)境“噪音”的一種有效手段。試想，如果空氣中一個(gè)分子撞到臉上人體都有所察覺(jué)，人腦將消耗巨大的能量來(lái)處理這些無(wú)關(guān)痛癢的刺激而無(wú)暇處理至關(guān)重要的信息。人腦的重要功能之一是通過(guò)數(shù)量來(lái)為各種外界刺激設(shè)定一個(gè)閾值，這是大腦節(jié)約“內(nèi)存”與能量的重要方法。

3 數(shù)量觀豐富了生命觀念與科學(xué)思維

生物學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一是生命觀念，生命觀念除了結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)與能量觀等，筆者認(rèn)為數(shù)量觀也是生命觀念中的重要組成部分。結(jié)合數(shù)量觀才能更好地在宏觀與微觀的界點(diǎn)上理解生物的多樣性、統(tǒng)一性、獨(dú)特性和復(fù)雜性。

科學(xué)思維要求師生能基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納和概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律。在高中生物學(xué)教學(xué)中增加“數(shù)量”的觀念，不僅能多一個(gè)看問(wèn)題的視角，還能完善學(xué)生的生命觀，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。