从“生长素的发现”中学习达尔文的科学思维

摘 要：本文介绍了达尔文发现生长素的思路和过程，以及他的发现对后人的启发，总结了卡尔文的科学思维方式。学习达尔文的科学思维方式对提高生物学教学质量、推进素质教育具有较好的启发性。

关键词：科学思维 达尔文 生长素 生物教学

中图分类号：G622.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0195-02

1 科学思维的概念和达尔文的贡献

科学思维包括严密的逻辑性、辩证地分析与综合、以及理论与实践相统一等三个方面。培养学生的科学思维是素质教育的核心内容。查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Robert Darwin， 1809-1882）无疑是具有科学思维方式的杰出科学家代表。他破译了生命进化的历史记录，解释了生物多样性的起源，以不可争辩的事实和严谨的科学论断提出物种的变异和遗传、生物的生存斗争和自然选择等重要论点，提出了著名的生物进化论学说。进化论不仅是生命科学研究的核心问题，对其他自然学科以及人类学、心理学、哲学等学科也具有重要影响。因此，恩格斯将“进化论”列为19世纪自然科学的三大发现之一。他的思维模式对现代科学思维的形成就有重要影响。“生长素的发现”是体现达尔文科学思维方式的经典案例，他为生长素的发现作出了开创性贡献。

2 达尔文发现生长素的过程及其科学思维

1836年，达尔文他在随“小猎犬号”轮船环球旅行时，随身带了几只鸟，为了喂养这些鸟，他在船舱中种了一种叫草芦（Phalaris arundinacea L）的草（禾本科虉草属中的一个种）。船舱很暗，只有窗户处能够透射进阳光，达尔文注意到，草芦幼苗有向窗户方向弯曲生长的现象。植物向光性是日常生活中的常见现象，普通人往往知其然而不问其所以然，达尔文则对这一现象进行了长期的观察和思考。但后来几十年间，达尔文忙着创建进化论，直到其晚年，才着手进行一系列实验研究向光性的问题。1880年，达尔文出版了《植物的运动力》一书，总结了他关于植物向光性的实验结果。简介如下。

达尔文发现，如果垂直照光，草芦的胚芽鞘是垂直向上生长的。但是如果单侧照光，草芦的胚芽鞘的上端就朝向照光一侧弯曲。如果切掉胚芽鞘的顶端，单侧照光就不会使胚芽鞘弯曲。这说明胚芽鞘向光弯曲与其顶端生长点有关。如果在胚芽鞘的顶端套上不透明的锡箔小帽，单侧照光也不会使胚芽鞘弯曲，则进一步说明胚芽鞘向光弯曲与其顶端受单侧照光有关（图1）。

胚芽鞘顶端套上锡箔小帽后不再弯曲是否是由锡箔小帽的压力造成的呢？达尔文又给胚芽鞘顶端套上了同等重量的透光小帽，结果发现，此时单侧照光又可以使胚芽鞘向光弯曲。说明胚芽鞘向光弯曲与顶部所套小帽的重量无关，而与其顶端是否单侧照光有关（图2）。

胚芽鞘向光弯曲与其下端单侧照光是否有关呢？卡尔文给草芦胚芽鞘的下端套上不透明的鞘，只露出顶端（达尔文当时是将胚芽鞘下端埋入细沙，露出尖端），发现胚芽鞘依然向光弯曲生长。这说明胚芽鞘向光弯曲与下端是否见光无关（图3）。

根据上述实验，达尔文推测，在胚芽鞘的顶端分泌一种信号物质，向下输送到会弯曲生长的部分，是这种信号物质导致了胚芽鞘向光弯曲。

3 达尔文的发现对后人的启发

在达尔文的启发下，1913年丹麦科学家博伊森-詹森（Boysen-Jensen）进行了类似的实验。博伊森-詹森分别在燕麦胚芽鞘顶端的背光面或向光面插入深度为胚芽鞘横断面一半的云母片阻断这种信号物质的运输，结果发现：只有背光一侧插入云母片时，燕麦胚芽鞘才丧失向光性（图4上）。如果将胚芽鞘尖端切下，在胚芽鞘切口上放一片能够透过小分子物质的明胶薄片，然后再将胚芽鞘尖端放在明胶片上，其向光性仍能发生（图4上）。

1918年匈牙利的科学家帕尔（Paal）则发现，如果将燕麦胚芽鞘的顶端切下，然后再将它放在胚芽鞘切口的一侧，即便在黑暗条件下，胚芽鞘也会弯曲生长（图4下）。

以上两人的实验证实的确有达尔文提出的信号物质从胚芽鞘上端往下端运输。当一侧的信号物质多余另一侧时，信号物质多的一侧生长快，导致胚芽鞘向信号物质少的一侧弯曲。当时人们还不知道背光一侧的生长素为什么多于向光一侧，现在已证明是由于向光一侧的生长素被光分解所致。

荷兰科学家温特（F.W.Went）1928年第一次成功地从燕麦胚芽鞘中分离到这种物质，他把燕麦胚芽鞘尖端切下，放在琼脂薄片上，约1h后，移去芽鞘尖端，将琼脂切成小块，再把这些琼脂块放在去顶的胚芽鞘一侧，置于暗中，胚芽鞘就会向放琼脂块的对侧弯曲，但放纯琼脂块，则不会弯曲（图5）。这证明了琼脂块中有芽鞘尖端扩散下来的某种促进生长的物质。温特称该物质为生长素（auxin）。1934年荷兰科学家科戈（F.Kogl）提取并分离到了这种物质，经鉴定其化学结构为吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）。1942年哈根·斯密特（Haagen-Smit）等又从碱性水解的玉米粉和未成熟的玉米籽粒中分别提取到了IAA。IAA由此成为最早发现并普遍存在的一种重要植物激素，卡尔文为生长素的发现做出来开创性的贡献。

从生长素的发现过程可以看出，达尔文的科学思维方式具有严密的逻辑性、严谨的推论方法和严格的事实依据。他对人类的贡献不仅是提出了进化论的观点，更重要的是他对后世的科学思维的形成产生了深远的影响，大大促进了现代科学的进步。

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