趣话高中生物学教学中的“数量”观

朱满员

(浙江省嘉兴市海盐高级中学 嘉兴 314300)

生物学的研究经历了从现象到本质，从定性到定量的发展过程。现行高中生物学教材大多遵循“从结构到功能”的经典陈述，教师也多按此“结构功能观”组织教学。但不容忽视的是，很多情况下数量也能决定性质。例如，剂量决定了毒物的毒性，原子最外层的电子数决定了元素的性质，种群数量决定了生物的益或害等。因此，在高中生物学教学中添加些“数量”观，能让学生对所熟知的生物学现象或概念获得新的理解。

1 统计热力学原理

统计热力学研究的是大量粒子所构成的体系的微观运动状态，用大量粒子某一性质的微观统计平均值来阐释系统的宏观性质。埃尔温·薛定谔曾在《生命是什么》一书表达了这样一个观点： 生命有机体是可以用物理和化学定律来解释的，即物理结构决定化学反应，化学反应决定生理功能。而物理学定律是以统计热力学为根据的，它们的精确性是以大量原子的介入为基础的[1]。这个统计热力学原理很普遍，生物体也不出其右。

2 在生物学教学中重构“数量”观

数量决定功能最经典的实例莫过于磷脂与生物膜的关系： 脂双层的形成是由磷脂分子的物理性质和化学性质所决定的[2]，而膜的选择透性与流动性则需要大量的磷脂分子的相互合作才得以体现。因此，从“数量”观视角能更好地理解生物体的一些特性。

2.1 以“量”换“精” 一个成人约有2×1014个细胞组成，为什么机体需要那么多细胞参与构建呢？由于机体是一个开放的系统，在不断地与外部世界进行着各种交换。这种相互作用就势必要求生物体必须提高自身的精确性，以期与外界“协调、同步”。根据统计热力学原理，进行合作的细胞数越大，相对误差越小，精确度就越高，有机体在与外部世界的相互作用中，就越能分享“精确的定律”的好处。多细胞生物用数量换取了“精确性”。

2.2 以“量”换“序” 代谢是细胞中的一切化学反应的总称，可视为细胞中不计其数的分子在特定条件下的相互作用。化学反应的专一性依赖于分子结构之间的基于弱键(氢键)的精确互补，而这种基于弱键的精确互补又需要分子有足够大的空间，蛋白质等生物大分子就能满足这种大空间的需求。据测定，所有的细胞中都存在着大量的蛋白质、核酸、多糖等各种生物大分子,它们大约占用细胞容积的20%～30%[2]。与此同时，这种“大分子拥挤”的环境犹如春运时的火车站，势必要求大分子以“团队”的方式工作，以增加特定分子间相互作用的概率，使化学反应得以有条不紊的进行。对于多细胞生物体来说，每个细胞仍很小，但细胞的聚集体可以足够大。所以，细胞的策略是用数量换取“有序性”，以“量”维“稳”(如遗传物质的稳定、内环境的稳定、物种的稳定、生态系统的稳定等)。这样的多细胞有机体既能感受到外界宏观的变化，又能使体内环境保持相对稳定，从而建立起有序的功能，呈现出有规律的生命现象。

2.3 以“量”换“效” 细胞代谢的高效性不仅可以通过细胞体积变小来实现，还可以通过细胞分化来提升。如果将细胞的分化也看作细胞间的分工，那么细胞分工无形中提高了每种细胞的代谢效率，同时细胞通过分工也提升了合作的效率，这些效率的提升在环境的“犒赏”中又强化了分工。细胞间的分工同样要求参与合作的细胞数量要足够多，以满足细胞能完全“投身”于一种功能，成为某种类型的细胞。例如，上皮细胞承担保护、吸收功能；神经细胞能接受刺激、产生和传导兴奋；肌细胞专职收缩运动；红细胞携氧，白细胞免疫防卫等。同理，人类的大脑能高效地处理繁杂的外部信息及自我意识的产生，是基于数量巨大的神经元及其之间复杂的联系。

2.4 以“量”换“续” 生物界中所能见的一切都拥有近乎完美的连续性，如身高、体重，甚至智商等人类性状都符合平缓连续的正态分布曲线，但控制这些性状背后的基因却是离散、独立、不混杂的。单个基因只能形成两种状态，如高或矮以及是或否，不连续的基因何以实现性状的连续性呢？数量或许能够解决这个问题。如果某个性状受到5个基因调控，那么经过排列产生的组合数量将会很多(35种)，而这些排列组合导致的身高变化就会趋于连续。如果再把环境因素考虑在内，例如营养对于身高的影响或日照对肤色的作用，那么身高、胖瘦、肤色等都能表现出平缓的连续性[3]。

同理，对于一个酶分子而言，只存在“有活性”与“无活性”两种状态，不具有连续性。只有当酶成为一个“群体”时，因受温度与pH的影响，有些酶失活，有些酶仍有活性，才表现出来酶“群体”活性随温度或pH变化的连续曲线。

2.5 以“量”定“阈” 在淋巴细胞的成熟过程中，由于基因的重排，使得不同的B、 T淋巴细胞表面有不同的抗原受体，但这些受体一般不会对自身抗原进行反应。究其原因是这些自身抗原在血液和淋巴器官中以某种水平持续表达，以诱导相应的B、 T细胞凋亡，从而避免自身免疫的发生。另外，在细胞免疫发生时，活化的毒性T淋巴细胞在使靶细胞裂解的同时也会对机体组织造成损害。所以，机体并不直接储备大量的效应细胞。原始淋巴细胞的低数量是人体“防卫”与“损伤”权衡的结果。同理，机体也不会因为一个入侵者就轻易启动免疫应答。有研究表明，免疫系统对抗原是否应答取决于反应性T、 B淋巴细胞的相对数量，同时也依赖于T、 B细胞抗原受体亲和力的阈值，仅一个入侵者还不足以达到该阈值。记忆细胞则相当于是高亲和力、低阈值的一群细胞，基于此，它才能对少量的二次入侵者作出快速的反应。一般认为，中等剂量的抗原容易诱发免疫应答，若抗原在阈值以下，则就没必要发动免疫应答。

阈值又叫临界值，是指一个效应能够产生的最低值或最高值。生物体对外界的所有刺激都设定了一个阈值，只有达到特定阈值的刺激才能引发生物体的反应。例如，一般人的眼睛可以感知波长在400～760nm之间的可见光；人耳能感受到频率为20～20000Hz范围的振动；神经细胞的阈电位是-55mV，只有达到阈强度的刺激才能使神经产生动作电位。这是生物体避免环境“噪音”的一种有效手段。试想，如果空气中一个分子撞到脸上人体都有所察觉，人脑将消耗巨大的能量来处理这些无关痛痒的刺激而无暇处理至关重要的信息。人脑的重要功能之一是通过数量来为各种外界刺激设定一个阈值，这是大脑节约“内存”与能量的重要方法。

3 数量观丰富了生命观念与科学思维

生物学学科的核心素养之一是生命观念，生命观念除了结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观等，笔者认为数量观也是生命观念中的重要组成部分。结合数量观才能更好地在宏观与微观的界点上理解生物的多样性、统一性、独特性和复杂性。

科学思维要求师生能基于生物学事实和证据运用归纳和概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律。在高中生物学教学中增加“数量”的观念，不仅能多一个看问题的视角，还能完善学生的生命观，培养学生的科学思维。