现代生物学认知必须以系统观为指导

伍贤进，李爱民，李胜华，曾军英

(怀化学院 生物与食品工程学院，怀化 418008)

生物学是研究生物的组成、结构、功能、发生发展规律及与环境相互关系的科学[1]。生物学科的发展经历了博物学、实验生物学、分子生物学等阶段，目前已进入了系统生物学时期[2-3]。生物学科的发展历程反映了人类认知生命运动规律的理念历经了整体观、还原观，目前已进入到了系统观[2-4]。系统观已成为科学研究的最佳指导思想[2]，探索运用系统观的基本原理和方法来指导中学生物学教学和高校相关课程建设、教学改革已取得了一定成效，其在提高中学、大学生物学教学效率的作用也得到了很好地证明[5-8]。但这些研究与探索一般是基于具体生物学知识或课程教育与学习开展的。关于利用系统观指导生物学认知的一般原理和共性方法尚缺乏必要的研究。为了指导广大生物科技工作者和生物知识学习者更好地运用系统观来开展生物学认知，本文根据系统观的基本理念，阐明了生物系统的基本特点和用系统观指导生物学认知的一些基本观点与方法。

1 生物系统的基本特点

自然界物质以是否具有生命为标准可分为生物和非生物两大系统。生物系统从微观到宏观基本可分亚细胞、细胞、组织、器官、个体、种群和群落等7个相互作用、联系与依赖的基本层级[1,3]，其中任一层级均可以是一个相对独立的子系统，均具有其特定的功能。因为生物与非生物的界限十分明确，故生物系统完全可以认为是一个独立于非生物系统外的完整系统，但无论是整个生物系统或其内任何一个子系统均随时与周围的环境进行着物质、能量与信息交流。因此，生物系统是一个复杂巨系统。

1.1 生物系统的目的性

生物系统无论从整体还是从各子系统看，其目的性均十分明确，那就是确保其固有生物功能的正常发挥，保证各类生物种类正常繁衍，维持整个生物系统结构的稳定和发展。

1.2 生物系统的整体性

生物系统的整体性表现在任一级生物系统的性质、功能均由其构成局部的相关特性决定，但均在整体意义上获得了其构成局部所没有的性质与功能，且这种性质或功能也不是其构成局部相关属性的简单相加而成。

1.3 生物系统的层次性

在生物系统内，亚细胞、细胞、组织、器官、个体、种群及群落等这一从微观到宏观、从简单到复杂的发展过程是依次递进的，也是生物世界长期进化的结果。任一较高层级的生物系统均是由其下一层级子系统经过有机组合而成，即使是生物体的基本结构和功能的细胞也是其内各种亚细胞结构和有关物质经过有序组织而成。生物系统的层次性还表现为各层级子系统在整个生物系统中的位置均是相对稳定、不可僭越的，各层级之间物质、信息、能量交换的基本路径也是相对稳定、依层次进行的。

1.4 生物系统的相关性

生物系统内各级子系统间或某一级子系统内的要素间均存在着一对一、一对多、多对一、多对多等复杂的交互关联，生物系统内不存在任何绝对孤立的子系统或要素，均是关联的统一体。生物系统的这种关联性构成了统一的生物世界。

1.5 生物系统的适应性

适者生存是生物生存与发展的基本规则。各级生物系统相对稳定的形态、结构、机能是对相对稳定环境长期适应的结果，而他们对环境变化的应激性反应又使其适应性更加灵活和完备。各级生物系统的适应性就是在这种稳态与动态密切配合的统一中实现的，遗传和变异则是生物系统适应性形成的内在机制。

1.6 生物系统的开放性

每一级生物系统均有特定的机制来保证其与外界的隔离，使其自成体系、独立存在。但各级生物系统也均需要与周边生物或非生物环境发生相互关联和作用，进行物质、能量及信息的交换。而且生物系统与非生物环境的相互作用还形成了更大的系统即生态系统。因此，无论从哪个层级看，生物系统均是一个开放系统。

1.7 生物系统的演化发展性

目前的生物系统就是生物与非生物、生物与生物长期相互作用演化发展的结果，而且生物系统内每一个子系统也都有其演化发展过程。从各级生物系统的开放性来看，生物系统将永远是一个动态系统，总是在不断地演化发展。

1.8 生物系统的自组织性

分析各级生物系统内在要素的组织特点发现，其均是通过线性或非线性或二者兼有的作用机制组织起来的，而且均具有从外界吸收物质、能量、信息并将其整合到自身系统中的能力，均具有吸纳、整合下级子系统或要素构成自身系统的能力。各级生物系统的这种整合、组织特性是其内部特性决定的，一般不需要特定外界条件的干预就能自发地完成，故属于典型的自组织行为。

2 进行生物学系统认知要把握的基本思维方法

生物学知识记录或解释了各级生物系统特性、发生发展规律及其与环境的相互关系，主要包括分类、形态、结构、生理、生化与分子生物学、遗传、进化和生态共8个方面[1,3]。用系统观指导生物学认知关键要建立科学高效的生物系统认知思维方法。

2.1 在逻辑演绎上以功用为基点

生物系统的特征决定了其基本认知过程只能是科学的逻辑思维，“执果索因”的分析法和“由因导果”的综合法是认知生物知识的基本逻辑思维方法。但生物运动的复杂性经常使我们面对观察或测试结果时难以分清“因”和“果”，而且同一个观测结果于此是“因”，但于彼则可能又是“果”，这就经常导致分析和综合不知从何入手。破解这一症结的关键就是在推理或演绎时始终坚守生物功用(功能或作用)这一基点，既将其作为逻辑思维的出发点，也作为逻辑思维的归宿点。

坚守生物功用基点关键要把握好以下三点。一是要坚信任何生物现象或过程肯定有其特有的功用。如某个结构一定有对应的功能，某种功能则一定会有相应的某种结构。生物体内的某种物质肯定有其应有的作用，而生物的任何活动均会有其物质基础。某一生化反应必然要为某种或几种生物活动提供某种物质、能量或转换、传递某种信号等。二是生物系统的自组织性决定了生物功用的实现过程必然是优化的过程，生物功用实现时节省空间、节约能量、缩短过程是普遍规律。因此，必须遵循将复杂事物简单化而不是将简单事物复杂化的逻辑思路来推演生物运动。三是生物功用形成或发挥与生物过程或现象的联系往往具有复杂综合性特点。一一对应的情况很少或基本没有。这就要求我们在坚守功用实现主线的同时，也不能忽视相关的支线。如光合作用可以说是最复杂的生物过程，但它的功用只有光能储存和有机物合成两个。因此，在认知光合作用有关结构、物质或反应时，只要不断拷问好它为两个功用实现起何作用及怎样起作用这两个基本问题，就能从根本上保障有关知识点的掌握。

2.2 在思维方向上突出多维度思维

因为生物系统是开放的复杂系统，生物运动是生物内外复杂因素综合联系的结果，这就注定了以功用为基点的逻辑推演必须要进行点、线、面相结合，时间和空间相联系的多维度思维。

第一，在逻辑关系上要突出功用形成或实现过程这一主轴主线，要以生物功用为起点或止点通过顺推、倒推或二者结合的方法将生物功用形成或发挥过程所经历的主要场所、主要生理变化或生化反应依次罗列编排出来。

第二，在关键节点上要进行横向分析，要对生物功用形成或实现主轴主线中的一些关键节点进行解析，进而明确这些关键节点在功用实现中的作用及其发挥的机理。

第三，在时间上要把握好生物功用形成或实现过程中经历的主要场所、生理变化或生化反应的先后顺序和持续状况。首先，在时间顺序上，要从先、后及同时等三个时间关系上理清每个步骤开始和结束的时间节点，编排出时间进程表。其次，在时间跨度上，要根据大小分别从长期、中期、短期和瞬期来考虑有关进程。长期一般指以“年”为计时单位的时间跨度，如多年生生物的生长发育规律、某种生物性状的产生、一个物种形成等均需要从数年甚至数万年的时间跨度来加以考证；中期指以“月”为计时单位的时间跨度，如一年生生物的生长发育规律；短期指以“天”为计时单位的时间跨度，如研究植物光周期现象；瞬期指以“小时及小时内”为计时单位的时间跨度，如研究一个生化反应。

第四，在空间认知上要以参照位点为核心来厘清其中生理变化、生化反应的空间关联性。参照位点就是功用形成或发挥最核心、最关键的生物结构或子系统。确定了参照位点后，就要以此为中心，分别向其前、后、左、右、上、下等六个方向进行发散，将各方向所涉及的构造进行编列，以构建出生物功用形成或发挥所需的立体构造体系。空间认知还必须结合时间来同时进行，因为大多数情况下，时间的顺序性与空间的顺序性往往紧密相关，时间的先后、重叠、交叉很多时候也伴随空间位置的先后、重叠和交叉。

2.3 在思维方式上强调非线性思维

生物系统的开放性和复杂性决定了其任何现象、原理、规律的解释、理解必然具有多解、多样和多变的特征。因此，生物学认知思维必须以非线性思维为主，从多方位、多层次、多途径并进行广泛的联系来进行求证和解答。

第一，要明确认知对象处于哪一层级生物子系统中，在确定考察对象所在7个基本生物子系统的位置后，一般至少还要分别上溯和下移一个层级来进行其结构、功用等属性的认知。如认知线粒体，首先要明白其属于亚细胞生物子系统层级，然后围绕其功用向下到分子水平研究那些与线粒体功用密切相关的重要分子或分子集团的组成、形态、功能等。但这还很不够，至少还要向上考察其所在的细胞，以明白其与其他细胞器或细胞内其他物质的关联和在实现细胞功用中的地位与作用。在特殊情况下，这种研究还要将视野拓展到更远的子系统中，如处于缺氧或高温状态下的个体其不同器官或组织细胞中线粒体的状况就有不同。

第二，要考虑认知生物对象与周边生物与非生物环境联系的复杂性。根据生物与环境间交换内容差异和变化，任一生物系统均可视为孤立系统、封闭系统和开放系统三者的辩证统一。首先将认知对象作为孤立系统看待，以便不受干扰地明确其内在属性；然后将其作为封闭系统考虑，以考察其与外界进行能量交换的方式和途径，以及这种交换给认知对象状态和功用形成或发挥的作用和意义；最后再将其作为开放系统来考虑，以考察其与外界同时进行物质和能量交换的状态及其对认知对象状态和功用形成或发挥的作用和意义。

第三，要考虑任何生物系统均是复杂的肯定和否定的辩证统一体。生物系统的开放性、演化发展性和自组织性决定了其是静止系统和运动系统、稳态系统和动态系统、平衡系统和非平衡系统的辩证统一。因此，在进行一个生物对象认知时，首先确信其肯定有固定的区别于其他生物对象的固有生物学属性，认知就是要将该属性挖掘出来，其基本的方法是通过对照设置与类似对象的比对情形。其次，要必须找出认知生物对象固有生物属性存在或表现的基本条件范围，因为一旦偏离了这一范围，其固有属性将不复存在，甚至认知对象也会消失或发生根本的转化。任何生物固有属性存在或表现的任何条件均可从最适、最高和最低等3个基点来进行规定。而且还要认识到绝大多数生物固有属性存在或表现的基本条件肯定不止一个，因此，还要考虑这些条件的影响度及叠加综合效应。如不同类型细胞生物膜功能正常发挥温度范围虽然会存在差异，但这种差异变化幅度不可能太大，这是生物膜的固有规定性决定的，也既是生物膜对温度稳定性的肯定方面，但具体细胞生物膜的温度范围又决定于其组成与结构，这种差异就是不同类型细胞生物膜的固有属性，而且无论任何细胞超过其温度范围的高温或低温均会影响其生物膜功能的发挥，甚至会导致膜最后解体，这就是生物膜对温度稳定性的否定方面。

3 运用好“5W1H”分析方法开展生物学系统认知

5W1H分析法又称“六何分析法”，对于解决系统性任务具有很强指导性和操作性，已在企业管理、工程管理方面取得了巨大的应用成效[9]，也正逐步受到教育工作者重视，用于指导教学改革、提高教育质量[10]。根据5W1H分析法的精神实质，结合生物学系统认知特点进行科学设计，完全可以用以指导生物学系统认知。

实施生物学5W1H分析方法，首要的是根据认知生物对象设定核心问题(What)。确定了核心问题后，再依据5W1H认知方法进行递进式分析“是什么”或“为什么”等(表1)。

表1 生物学5W1H认知方法的基本框架Table 1 The basic framework of 5W1H bioscience analytical method

当然，表1中所列的二级问题仅是举例，并不代表全部或必需。另外，在实施生物学5W1H分析时需要特别注意认知生物对象的功用可能不止一个的情况，这时就需要对不同功用根据重要程度进行排序，确定需要深入解析的功用，然后对每个功用均实施5W1H方法来认知。