趣話高中生物學教學中的“數量”觀

朱滿員

(浙江省嘉興市海鹽高級中學 嘉興 314300)

生物學的研究經歷了從現象到本質，從定性到定量的發(fā)展過程。現行高中生物學教材大多遵循“從結構到功能”的經典陳述，教師也多按此“結構功能觀”組織教學。但不容忽視的是，很多情況下數量也能決定性質。例如，劑量決定了毒物的毒性，原子最外層的電子數決定了元素的性質，種群數量決定了生物的益或害等。因此，在高中生物學教學中添加些“數量”觀，能讓學生對所熟知的生物學現象或概念獲得新的理解。

1 統(tǒng)計熱力學原理

統(tǒng)計熱力學研究的是大量粒子所構成的體系的微觀運動狀態(tài)，用大量粒子某一性質的微觀統(tǒng)計平均值來闡釋系統(tǒng)的宏觀性質。埃爾溫·薛定諤曾在《生命是什么》一書表達了這樣一個觀點： 生命有機體是可以用物理和化學定律來解釋的，即物理結構決定化學反應，化學反應決定生理功能。而物理學定律是以統(tǒng)計熱力學為根據的，它們的精確性是以大量原子的介入為基礎的[1]。這個統(tǒng)計熱力學原理很普遍，生物體也不出其右。

2 在生物學教學中重構“數量”觀

數量決定功能最經典的實例莫過于磷脂與生物膜的關系： 脂雙層的形成是由磷脂分子的物理性質和化學性質所決定的[2]，而膜的選擇透性與流動性則需要大量的磷脂分子的相互合作才得以體現。因此，從“數量”觀視角能更好地理解生物體的一些特性。

2.1 以“量”換“精” 一個成人約有2×1014個細胞組成，為什么機體需要那么多細胞參與構建呢？由于機體是一個開放的系統(tǒng)，在不斷地與外部世界進行著各種交換。這種相互作用就勢必要求生物體必須提高自身的精確性，以期與外界“協(xié)調、同步”。根據統(tǒng)計熱力學原理，進行合作的細胞數越大，相對誤差越小，精確度就越高，有機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。多細胞生物用數量換取了“精確性”。

2.2 以“量”換“序” 代謝是細胞中的一切化學反應的總稱，可視為細胞中不計其數的分子在特定條件下的相互作用。化學反應的專一性依賴于分子結構之間的基于弱鍵(氫鍵)的精確互補，而這種基于弱鍵的精確互補又需要分子有足夠大的空間，蛋白質等生物大分子就能滿足這種大空間的需求。據測定，所有的細胞中都存在著大量的蛋白質、核酸、多糖等各種生物大分子,它們大約占用細胞容積的20%～30%[2]。與此同時，這種“大分子擁擠”的環(huán)境猶如春運時的火車站，勢必要求大分子以“團隊”的方式工作，以增加特定分子間相互作用的概率，使化學反應得以有條不紊的進行。對于多細胞生物體來說，每個細胞仍很小，但細胞的聚集體可以足夠大。所以，細胞的策略是用數量換取“有序性”，以“量”維“穩(wěn)”(如遺傳物質的穩(wěn)定、內環(huán)境的穩(wěn)定、物種的穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定等)。這樣的多細胞有機體既能感受到外界宏觀的變化，又能使體內環(huán)境保持相對穩(wěn)定，從而建立起有序的功能，呈現出有規(guī)律的生命現象。

2.3 以“量”換“效” 細胞代謝的高效性不僅可以通過細胞體積變小來實現，還可以通過細胞分化來提升。如果將細胞的分化也看作細胞間的分工，那么細胞分工無形中提高了每種細胞的代謝效率，同時細胞通過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”中又強化了分工。細胞間的分工同樣要求參與合作的細胞數量要足夠多，以滿足細胞能完全“投身”于一種功能，成為某種類型的細胞。例如，上皮細胞承擔保護、吸收功能；神經細胞能接受刺激、產生和傳導興奮；肌細胞專職收縮運動；紅細胞攜氧，白細胞免疫防衛(wèi)等。同理，人類的大腦能高效地處理繁雜的外部信息及自我意識的產生，是基于數量巨大的神經元及其之間復雜的聯(lián)系。

2.4 以“量”換“續(xù)” 生物界中所能見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、獨立、不混雜的。單個基因只能形成兩種狀態(tài)，如高或矮以及是或否，不連續(xù)的基因何以實現性狀的連續(xù)性呢？數量或許能夠解決這個問題。如果某個性狀受到5個基因調控，那么經過排列產生的組合數量將會很多(35種)，而這些排列組合導致的身高變化就會趨于連續(xù)。如果再把環(huán)境因素考慮在內，例如營養(yǎng)對于身高的影響或日照對膚色的作用，那么身高、胖瘦、膚色等都能表現出平緩的連續(xù)性[3]。

同理，對于一個酶分子而言，只存在“有活性”與“無活性”兩種狀態(tài)，不具有連續(xù)性。只有當酶成為一個“群體”時，因受溫度與pH的影響，有些酶失活，有些酶仍有活性，才表現出來酶“群體”活性隨溫度或pH變化的連續(xù)曲線。

2.5 以“量”定“閾” 在淋巴細胞的成熟過程中，由于基因的重排，使得不同的B、 T淋巴細胞表面有不同的抗原受體，但這些受體一般不會對自身抗原進行反應。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，以誘導相應的B、 T細胞凋亡，從而避免自身免疫的發(fā)生。另外，在細胞免疫發(fā)生時，活化的毒性T淋巴細胞在使靶細胞裂解的同時也會對機體組織造成損害。所以，機體并不直接儲備大量的效應細胞。原始淋巴細胞的低數量是人體“防衛(wèi)”與“損傷”權衡的結果。同理，機體也不會因為一個入侵者就輕易啟動免疫應答。有研究表明，免疫系統(tǒng)對抗原是否應答取決于反應性T、 B淋巴細胞的相對數量，同時也依賴于T、 B細胞抗原受體親和力的閾值，僅一個入侵者還不足以達到該閾值。記憶細胞則相當于是高親和力、低閾值的一群細胞，基于此，它才能對少量的二次入侵者作出快速的反應。一般認為，中等劑量的抗原容易誘發(fā)免疫應答，若抗原在閾值以下，則就沒必要發(fā)動免疫應答。

閾值又叫臨界值，是指一個效應能夠產生的最低值或最高值。生物體對外界的所有刺激都設定了一個閾值，只有達到特定閾值的刺激才能引發(fā)生物體的反應。例如，一般人的眼睛可以感知波長在400～760nm之間的可見光；人耳能感受到頻率為20～20000Hz范圍的振動；神經細胞的閾電位是-55mV，只有達到閾強度的刺激才能使神經產生動作電位。這是生物體避免環(huán)境“噪音”的一種有效手段。試想，如果空氣中一個分子撞到臉上人體都有所察覺，人腦將消耗巨大的能量來處理這些無關痛癢的刺激而無暇處理至關重要的信息。人腦的重要功能之一是通過數量來為各種外界刺激設定一個閾值，這是大腦節(jié)約“內存”與能量的重要方法。

3 數量觀豐富了生命觀念與科學思維

生物學學科的核心素養(yǎng)之一是生命觀念，生命觀念除了結構與功能觀、進化與適應觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質與能量觀等，筆者認為數量觀也是生命觀念中的重要組成部分。結合數量觀才能更好地在宏觀與微觀的界點上理解生物的多樣性、統(tǒng)一性、獨特性和復雜性。

科學思維要求師生能基于生物學事實和證據運用歸納和概括、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、闡釋生命現象及規(guī)律。在高中生物學教學中增加“數量”的觀念，不僅能多一個看問題的視角，還能完善學生的生命觀，培養(yǎng)學生的科學思維。