《稳态与环境》教材简介与教学分析

教材简介与教学分析施忆[e-mail]1.究竟是什麽(本体论问题)3.如何去做？(方法论问题)2.为什么要这样做?(价值论问题)侧重：◆居高临下(来源于思考)◆见微知著(来源于案例)期望：一、解读《稳态与环境》模块⒈《稳态与环境》模块地位分子与细胞遗传与进化稳态与环境必修三模块稳态与调控生物与环境稳态与环境引出了一条从生物个体、种群、群落到生态系统的不同层次上思考“稳态与环境”的主线。生物个体、种群、群落、生态系统是不同层次的生命系统。生命系统都存在稳态。生命系统都是开放的系统，与其环境之间不断进行着物质、能量和信息的交流。在不断变化的环境中，生命系统能够通过自我调节实现稳态。稳态与环境是本模块的两大核心概念。两者彼此又相互关联。⒉何谓“稳态”？（1）稳定与稳态例1：桌面上的硬币稳定不稳定但是值得注意的是以往的认识依据了以下的观点:牛顿第一定律认为：物体在没有外力作用时，静者恒静，动者恒动。稳定性是事物固有的，根本属性；而运动或变化是外力强加的。这是机械的静态稳定观，即稳定等于无变化。结论一：稳定性一般是指系统具有的抗干扰性，从而保持自身原状的性质。一个系统抵抗外来的或内部的干扰的能力越强，就表示该系统的稳定性越强。例2：反映在生物体上——每天都有成千上万的微生物进入我们的体内，但绝大多数人都没有生病。——人们每天饮水量不同，出汗多少不等，但体温、体内的pH值、血液粘稠度等基本上是恒定的。这些事例用静态的稳定观都无法解释！“生命体必须处于这样一种状态：不为其周围的、常常是有害的强大力量所毁坏、溶解或分解。在这种明显矛盾的情况下，只有机体能对外界刺激发生兴奋并具有改变自己的能力从而调节它对刺激的反应时，才能保持它的稳定。正是因为它是可变的——轻微的不稳定，是使机体保持真正稳定的必要条件”——来希特（C.Richet）结论二:现代的稳定观不再是牛顿认为的静态稳定性，而是动态的稳定、发展状态的稳定。静中有动，动中有静，是对立统一。（2）稳态的概念简单地理解：稳态即为动态稳定。○稳定的概念首先是由贝尔纳（C.Bernard）提出的。他认为（1857）：细胞外液是细胞生活的直接环境，其整体构成机体的内环境。内环境具有自我保持稳定的特性。内环境稳定是机体各种生理活动的共同目标。○后由坎农（W.B.Cannon)进一步明确（1926）：内环境并不是处于静止的、固定不变的状态，而是动态的稳定。内环境的任何微小变化会触发机体调节机制的活动，从而消除或减少这些变化。他将这种由代偿性调节反应所形成的稳定状态称为稳态（homeostasis).并指出稳定的相对性。在1932年坎农出版的专著《躯体的智慧》中提出：“这个词不是表示某种固定不变的事物，表示一种停滞状态，它表示这样一种情况：一种可变的而又保持相对恒定的情况。”（3）稳态的普遍性稳态在自然界中普遍存在。在生物学中，稳态也不局限于内环境的范畴，而是适用于生命科学的一大基本概念。分子水平上有基因表达的稳态调节、酶活性的稳态调节，器官水平上如血压、心率的稳态，宏观水平上如种群数量的稳态、生态系统的稳态。贝塔朗菲（L.Bertalanffy）在《一般系统论》一书中说，系统观的中心问题是对稳定性的理解。注意：系统分析方法是本模块的重要方法。（4）生物体稳态的机制稳态通过调节而实现：贝尔纳：主要通过神经调节坎农：神经调节和体液调节共同作用。控制论：探测器、控制中心和受控部分。控制中心和受控部分间有反馈调节作用。现代观点：神经免疫内分泌调节网络“所有的生命系统都存在于一定的环境中，在不断变化的环境条件下，依靠自我调节机制维持其稳态”。——《普通高中生物课程标准》（5）环境的概念主体存在的场所，即把某个主体的外界称为这个主体的环境。主体一般是指个体或个体的集群，此外，把单个的细胞、组织等当作主体来研究也是不少的。——《生物学词典》（科学出版社）二、本模块的教育价值本模块“有助于学生认识发生在生物体内部和生物与环境之间的相互作用，理解生命系统的稳态，认识生命系统结构和功能的整体性；领悟系统分析、建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用；形成生态学观点和可持续发展的观念。——《普通高中生物课程标准》⒈知识方向的教育价值（1）从系统的视角认识生命活动的规律和本质。中学生物课程初中阶段高中阶段侧重于让学生了解生命现象侧重于让学生理解生命活动的本质和规律认识生命活动的本质和规律从细胞水平上认识生命系统的物质基础和结构基础从基因水平上认识生命系统的发生和发展从个体和群体水平上认识生命系统内部的调节机制以及与环境的关系《分子与细胞》模块《遗传与进化》模块《稳态与环境》模块本模块在帮助学生认识生命活动的本质与规律上，应当阐明的要点有：○揭示生命系统是开放系统，与外界环境之间不断进行着物质交流、能量转换和信息传递。○揭示生命系统时刻处于动态变化过程之中，而且动态变化是在一定范围内进行的，否则就会解体，导致系统崩溃。○揭示稳态是生命系统能够独立存在的必要条件。生物体内的各种代谢过程都将维持自身的稳态作为目标。○揭示稳态维持靠的是生命系统内部的自我调节机制。（2）深入理解稳态、调节、环境等核心概念。本模块在深入理解这些核心概念上，应当把握的要点有：○稳态并不意味着稳定不变，而是指一种可变的相对稳定的状态。这种状态是靠完善的调节机抵抗外界环境的变化来维持的。○各个层次的生命系统都存在稳态。○就人体而言，稳态是通过神经、内分泌和免疫调节网络来维持的。这里强调了免疫调节在稳态维持中的作用。科学方法教育侧重点：系统分析方法模型方法⒉在能力培养方面的价值什么是系统分析方法“系统论”是指奥地利科学家贝塔朗菲（L.Bertalanffy）在1970年代创立的“一般系统论”（generalsystemtheory）。尽管贝塔朗菲是以生物学家的身份去思考、研究并提出系统论的，但他的系统论并不仅仅适用于生命科学，而且适用于物理学、心理学、经济学和社会科学等各门学科。系统论随后，系统这一概念逐渐得到了包括生物学家在内的许多科学家的认同，唤起了一大批研究者的关注。2002年3月，美国《科学》周刊登载了系统生物学专集。该专集导论中的第一句话这样写道：“如果对当前流行的、时髦的关键词进行一番分析，那么人们会发现，‘系统’高居在排行榜上。”系统生物学的灵魂——整合系统科学的核心思想是：“整体大于部分之和”；系统特性是不同组成部分、不同层次间相互作用而“涌现”的新性质；对组成部分的分析并不能真正地预测高层次的行为。如何通过研究和整合去发现和理解涌现的系统性质，是系统生物学面临的一个带根本性的挑战。整合的层面1.系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等等）的整合2.从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合3.研究思路和方法的整合4.学科的整合系统生物学的基础——信息一般说来，生物信息以这样的方向进行流动：DNA→mRNA→蛋白质→蛋白质相互作用网络→细胞→器官→个体→群体。信息的角度前分子生物学时代生命是活力分子生物学时代生命是机器后基因组时代生命是信息系统分析方法根据系统论的观点，构成系统的关键不是其组成的物质，而是组成部分的相互作用或部分之间的关系。这些相互作用或者关系，从本质上说就是信息。系统分析一方面要了解生物系统的结构组成，另一方面是要揭示系统的行为方式。传统的方法假设一个复杂的系统可以分割为许多不会互相干扰的子系统，因此只要将子系统研究清楚，就能了解复杂系统的行为。如果子系统仍然很复杂，就用同样的策略在子系统中再继续分割，再一一击破。这一套方法学固然使我们很成功地由分子层次解释反应运作的原理，而造成生物学上的突破。20世纪生物学经历了由宏观到微观的发展过程，由形态、表型的描述逐步分解、细化到生物体的各种分子及其功能的研究。1953年沃森和克里克提出的DNA双螺旋模型是生物学进入分子生物学时代的标志，70年代出现的基因工程技术极大地加速和扩展了分子生物学的发展。这种方法能真正解释生命现象吗?DNA个体水平：细胞水平：分子水平：蛋白质现代生物学家眼中的生命还原论——20世纪生命科学的主流基因蛋白质功能蛋白质复合物信号转导网络真实的生命世界生命是什么？还原论：生命遵循基本的物理和化学规律分子生物学复杂性科学：生命涉及网络、层次、非线性系统生物学生命是什么？线性思维复杂性思维生物学认识论的转变整体观局部观生物学认识论的转变系统生物学的基本工作流程(系统分析方法)选择可控生物系统定性和定量的测量计算和数学建模系统分析或系统方法，就其本质而言，是一种根据客观事物所具有的系统特征，从事物的整体出发，着眼于整体与部分，整体与结构及层次，结构与功能、系统与环境等的相互联系和相互作用的现代科学方法。“这是一种根据系统概念，根据系统的性质和关系，把现有的发现有机地组织起来的模型。”系统分析是明确系统的边界后，在分析系统组成要素的基础上，分析系统各组分间相互影响的定量关系，建立系统的数学模型，并利用计算机圣系统结构优化，使系统具有功能整合作用的问题分析方法。系统分析一般步骤第一阶段：定性分析——划分边界，确定组分，分析层次、明确问题及研究目标；第二阶段：定量研究——定量研究各组分间的影响关系，建立系统数学模型；第三阶段：模型分析——确定系统模型的参数，进行模型实验，优化功能；第四阶段：结构优化——优化系统结构，实行系统调控，实现优化的系统功能。根据系统的本质及其基本特征，可以将系统分析的内容相对地划分为系统的整体分析、结构分析、层次分析、相关分析和环境分析等几个方面。一、整体分析整体性是系统的最基本的属性或特征之一。因而，整体分析也就构成系统分析的一个主要内容。系统的整体体现了各个组成要素所没有的新质、新功能和整体运行规律，这就是“整体大于各部分之和”的原理（加和定理）；另一方面，作为系统整体的组成要素的性质和功能也不同于它们在独立时的性质与功能，当它们作为系统的一部分与周围环境发生作用时，并不是代表孤立的要素本身，而是代表系统整体。二、结构分析结构分析是系统分析的一个组成部分。所谓的系统的结构是指系统内部诸要素的排列组合方式。同样一些要素，排列组合的方式不同，就可能具有完全不同的性质、特征与功能。三、层次分析系统论认为，任何复杂的系统都具有一定的结构层次。系统结构的层次性既指等级性，又指侧面性。前者是指任何一个复杂系统，都可以从纵向把它划分为若干等级，即存在着不同等级的系统层次关系，其中低一级的结构是高一级结构的有机组成部分。后者是指任何同一级的复杂系统，又可以从横向上分为若干相应联系，相互制约，又各自独立的平行部分。四、相关分析系统论告诉我们，构成系统的各个子系统、单元和要素之间以及它们与环境之间是相互联系和相互作用的，这一特征叫做系统的相关性。相关性体现在:1.要素之间的不可分割的联系。在系统整体中，各要素并不是孤立存在的，而是由系统的结构联结在一起，相互依存、相互作用。如果其中一项发生变化，就会影响其他要素也发生变化。2.要素与系统整体相适应，一旦要素改变，整体必然发生改变；同样，系统整体发生改变，系统要素也必然发生变化。3.系统与环境的关系方面。即系统的改变引起环境的变化，环境的变化也会导致系统的变化；系统创造自己的环境，环境又规定着自己的系统。4.系统发展的协同性。协同性是指系统发展变化中各部分发展变化的同步性，即系统的变化必然引起各要素以及环境的变化，这种变化又不是杂乱无章的，而是有规律可循的，这个规律就是同步性。五、环境分析一个系统总是处于更大的系统之中，成为更大系统的子系统，因而更大的系统则构成该子系统的生态环境。系统与环境的相互联系和相互作用表现在：一方面，环境是系统的存在和发展的前提条件，环境影响、制约，甚至决定系统的性质与功能；另一方面，系统的存在和发展也改变着周围的环境，系统作用的不同将引起环境发生变化。系统与环境这种不断进行着的物质、能量和信息的交换，使系统具有环境适应性特征。本模块的系统分析方法的侧重点：○重在领悟系统分析方法的思想，初步学会从系统的整体出发，分析整