從“生長素的發(fā)現(xiàn)”中學(xué)習(xí)達爾文的科學(xué)思維

摘 要：本文介紹了達爾文發(fā)現(xiàn)生長素的思路和過程，以及他的發(fā)現(xiàn)對后人的啟發(fā)，總結(jié)了卡爾文的科學(xué)思維方式。學(xué)習(xí)達爾文的科學(xué)思維方式對提高生物學(xué)教學(xué)質(zhì)量、推進素質(zhì)教育具有較好的啟發(fā)性。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維 達爾文 生長素 生物教學(xué)

中圖分類號：G622.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0195-02

1 科學(xué)思維的概念和達爾文的貢獻

科學(xué)思維包括嚴密的邏輯性、辯證地分析與綜合、以及理論與實踐相統(tǒng)一等三個方面。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是素質(zhì)教育的核心內(nèi)容。查爾斯·羅伯特·達爾文（Charles Robert Darwin， 1809-1882）無疑是具有科學(xué)思維方式的杰出科學(xué)家代表。他破譯了生命進化的歷史記錄，解釋了生物多樣性的起源，以不可爭辯的事實和嚴謹?shù)目茖W(xué)論斷提出物種的變異和遺傳、生物的生存斗爭和自然選擇等重要論點，提出了著名的生物進化論學(xué)說。進化論不僅是生命科學(xué)研究的核心問題，對其他自然學(xué)科以及人類學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)等學(xué)科也具有重要影響。因此，恩格斯將“進化論”列為19世紀自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一。他的思維模式對現(xiàn)代科學(xué)思維的形成就有重要影響。“生長素的發(fā)現(xiàn)”是體現(xiàn)達爾文科學(xué)思維方式的經(jīng)典案例，他為生長素的發(fā)現(xiàn)作出了開創(chuàng)性貢獻。

2 達爾文發(fā)現(xiàn)生長素的過程及其科學(xué)思維

1836年，達爾文他在隨“小獵犬號”輪船環(huán)球旅行時，隨身帶了幾只鳥，為了喂養(yǎng)這些鳥，他在船艙中種了一種叫草蘆（Phalaris arundinacea L）的草（禾本科虉草屬中的一個種）。船艙很暗，只有窗戶處能夠透射進陽光，達爾文注意到，草蘆幼苗有向窗戶方向彎曲生長的現(xiàn)象。植物向光性是日常生活中的常見現(xiàn)象，普通人往往知其然而不問其所以然，達爾文則對這一現(xiàn)象進行了長期的觀察和思考。但后來幾十年間，達爾文忙著創(chuàng)建進化論，直到其晚年，才著手進行一系列實驗研究向光性的問題。1880年，達爾文出版了《植物的運動力》一書，總結(jié)了他關(guān)于植物向光性的實驗結(jié)果。簡介如下。

達爾文發(fā)現(xiàn)，如果垂直照光，草蘆的胚芽鞘是垂直向上生長的。但是如果單側(cè)照光，草蘆的胚芽鞘的上端就朝向照光一側(cè)彎曲。如果切掉胚芽鞘的頂端，單側(cè)照光就不會使胚芽鞘彎曲。這說明胚芽鞘向光彎曲與其頂端生長點有關(guān)。如果在胚芽鞘的頂端套上不透明的錫箔小帽，單側(cè)照光也不會使胚芽鞘彎曲，則進一步說明胚芽鞘向光彎曲與其頂端受單側(cè)照光有關(guān)（圖1）。

胚芽鞘頂端套上錫箔小帽后不再彎曲是否是由錫箔小帽的壓力造成的呢？達爾文又給胚芽鞘頂端套上了同等重量的透光小帽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此時單側(cè)照光又可以使胚芽鞘向光彎曲。說明胚芽鞘向光彎曲與頂部所套小帽的重量無關(guān)，而與其頂端是否單側(cè)照光有關(guān)（圖2）。

胚芽鞘向光彎曲與其下端單側(cè)照光是否有關(guān)呢？卡爾文給草蘆胚芽鞘的下端套上不透明的鞘，只露出頂端（達爾文當時是將胚芽鞘下端埋入細沙，露出尖端），發(fā)現(xiàn)胚芽鞘依然向光彎曲生長。這說明胚芽鞘向光彎曲與下端是否見光無關(guān)（圖3）。

根據(jù)上述實驗，達爾文推測，在胚芽鞘的頂端分泌一種信號物質(zhì)，向下輸送到會彎曲生長的部分，是這種信號物質(zhì)導(dǎo)致了胚芽鞘向光彎曲。

3 達爾文的發(fā)現(xiàn)對后人的啟發(fā)

在達爾文的啟發(fā)下，1913年丹麥科學(xué)家博伊森-詹森（Boysen-Jensen）進行了類似的實驗。博伊森-詹森分別在燕麥胚芽鞘頂端的背光面或向光面插入深度為胚芽鞘橫斷面一半的云母片阻斷這種信號物質(zhì)的運輸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：只有背光一側(cè)插入云母片時，燕麥胚芽鞘才喪失向光性（圖4上）。如果將胚芽鞘尖端切下，在胚芽鞘切口上放一片能夠透過小分子物質(zhì)的明膠薄片，然后再將胚芽鞘尖端放在明膠片上，其向光性仍能發(fā)生（圖4上）。

1918年匈牙利的科學(xué)家帕爾（Paal）則發(fā)現(xiàn)，如果將燕麥胚芽鞘的頂端切下，然后再將它放在胚芽鞘切口的一側(cè)，即便在黑暗條件下，胚芽鞘也會彎曲生長（圖4下）。

以上兩人的實驗證實的確有達爾文提出的信號物質(zhì)從胚芽鞘上端往下端運輸。當一側(cè)的信號物質(zhì)多余另一側(cè)時，信號物質(zhì)多的一側(cè)生長快，導(dǎo)致胚芽鞘向信號物質(zhì)少的一側(cè)彎曲。當時人們還不知道背光一側(cè)的生長素為什么多于向光一側(cè)，現(xiàn)在已證明是由于向光一側(cè)的生長素被光分解所致。

荷蘭科學(xué)家溫特（F.W.Went）1928年第一次成功地從燕麥胚芽鞘中分離到這種物質(zhì)，他把燕麥胚芽鞘尖端切下，放在瓊脂薄片上，約1h后，移去芽鞘尖端，將瓊脂切成小塊，再把這些瓊脂塊放在去頂?shù)呐哐壳室粋?cè)，置于暗中，胚芽鞘就會向放瓊脂塊的對側(cè)彎曲，但放純瓊脂塊，則不會彎曲（圖5）。這證明了瓊脂塊中有芽鞘尖端擴散下來的某種促進生長的物質(zhì)。溫特稱該物質(zhì)為生長素（auxin）。1934年荷蘭科學(xué)家科戈（F.Kogl）提取并分離到了這種物質(zhì)，經(jīng)鑒定其化學(xué)結(jié)構(gòu)為吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）。1942年哈根·斯密特（Haagen-Smit）等又從堿性水解的玉米粉和未成熟的玉米籽粒中分別提取到了IAA。IAA由此成為最早發(fā)現(xiàn)并普遍存在的一種重要植物激素，卡爾文為生長素的發(fā)現(xiàn)做出來開創(chuàng)性的貢獻。

從生長素的發(fā)現(xiàn)過程可以看出，達爾文的科學(xué)思維方式具有嚴密的邏輯性、嚴謹?shù)耐普摲椒ê蛧栏竦氖聦嵰罁?jù)。他對人類的貢獻不僅是提出了進化論的觀點，更重要的是他對后世的科學(xué)思維的形成產(chǎn)生了深遠的影響，大大促進了現(xiàn)代科學(xué)的進步。

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