生物科學(xué)的發(fā)展對生物課程內(nèi)容的影響

1、生物科學(xué)的發(fā)展對生物課程內(nèi)容的影響劉 植 義（河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院·石家莊·050016）21世紀(jì)初中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的制訂，主要是從初中生發(fā)展的需要、社會需求和生物科學(xué)發(fā)展三個方面綜合考慮的。本文試從生物科學(xué)的發(fā)展說明確定課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。20世紀(jì)是自然科學(xué)發(fā)展史上最為輝煌的時代，生物科學(xué)是自然科學(xué)發(fā)展中最迅速的學(xué)科。因?yàn)樯飳W(xué)科與人類生存、人民健康、社會發(fā)展密切相關(guān)，必然成為21世紀(jì)初的主導(dǎo)科學(xué)。如果說，20世紀(jì)主導(dǎo)科學(xué)是物理學(xué)，21世紀(jì)將是生物科學(xué)。一、現(xiàn)代生物科學(xué)的發(fā)展與研究熱點(diǎn)在20世紀(jì)生物科學(xué)的發(fā)展有許多重大突破，提出許多新觀念、新思想、新成果和新技術(shù)。特別

2、是20世紀(jì)50年代以來，隨著數(shù)理科學(xué)廣泛而深刻地深入生物科學(xué)以及一些先進(jìn)的儀器設(shè)備和研究技術(shù)的問世，生物科學(xué)已經(jīng)從基本上是靜態(tài)的、以形態(tài)描述與分析為主的學(xué)科演化發(fā)展成動態(tài)的、以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的定量的學(xué)科。為表達(dá)其鮮明的時代特征將其稱為生命科學(xué)。當(dāng)今的生命科學(xué)正從分析走向綜合，其特征是對分子、細(xì)胞、組織、器官及整體的全方位的綜合研究。如果說，20世紀(jì)生物學(xué)是分析的世紀(jì)，21世紀(jì)生命科學(xué)將從分析走向綜合，將是統(tǒng)一生物學(xué)的世紀(jì)，并將形成嶄新的生命觀。新課程的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)首先設(shè)計了“生物體的結(jié)構(gòu)層次”主題就是從整體觀的角度安排的。目前，生命科學(xué)正向微觀、宏觀和應(yīng)用三個方向縱深發(fā)展。1 宏觀方面20世紀(jì)以來，生

3、態(tài)學(xué)作為生命科學(xué)的一個分支，對人類生存的大環(huán)境進(jìn)行研究，已成為生命科學(xué)中最為活躍的研究方向之一。特別是20世紀(jì)后期，生命科學(xué)的宏觀研究不僅是傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)的范疇，而且擴(kuò)展到對整個生物圈的研究。為什么當(dāng)今特別重視生物圈的研究？以前人們對生物圈缺少認(rèn)識和關(guān)心，對其中的森林亂砍濫伐，對草原隨意開墾，對各種動物亂捕濫殺，并把大量的廢物以及有毒物質(zhì)任意傾倒和排放，致使這個大環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞和污染，生物圈面臨崩潰的危險。由此使人們感到21世紀(jì)人類面臨的首要問題就是：人類的生存和發(fā)展。人類生存的唯一的家園是地球。人在地球上生活離不開地球的環(huán)境條件和其他各種生物，因此，人要生存下去并得到持續(xù)發(fā)展，必須愛護(hù)地球，關(guān)

4、愛其他生物，保持人與自然的和諧發(fā)展。另外，隨著人類認(rèn)識自然和影響自然過程的能力的發(fā)展，人們越來越深刻認(rèn)識到簡單地“征服自然”、“向大自然界索取”給人類帶來的許多困擾。目前面臨的人口、環(huán)境、能源、污染、水土流失這一系列困擾人類的問題，在一個局部范圍內(nèi)都是不可能得到解決的，就像到處引起災(zāi)害的厄爾尼諾現(xiàn)象一樣，只有把地球看作一個整體來研究，才有可能獲得突破性進(jìn)展。21世紀(jì)對付面臨的各種挑戰(zhàn)，改善人類的生存條件，謀求與大自然的和諧，就必須更深入地研究人與生活在地球上的其他200多萬種生物之間的相互關(guān)系，必須更深刻地了解時空、物質(zhì)、信息的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制。為了挽救危機(jī)，早在1971年聯(lián)合國就制訂了“人與生物圈”

5、（MAB）的研究計劃，謀求協(xié)調(diào)人與生物圈的關(guān)系，合理地開發(fā)和利用生物資源，維護(hù)和改善自然環(huán)境，化害為利，逐步創(chuàng)造出一個適于人類和各種生物生存的美好環(huán)境。根據(jù)這種思想，國外一些學(xué)者提出“地球村”、“地球飛船”等提法，說明地球是一個大家庭。這種意識不僅在自然科學(xué)，而且在社會科學(xué)、文化、道德等方面都會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。新課程的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)確定以“人和生物圈”為主線安排學(xué)習(xí)內(nèi)容，不僅是時代的要求和社會發(fā)展的需要，也符合生命科學(xué)研究的主導(dǎo)方向和初中學(xué)生的認(rèn)知水平。目前關(guān)于生物圈的模擬研究，無論是美國建造的“生物圈2號”，還是日本搞的“第二個生物圈計劃”，建造一個完全封閉的“小地球”，經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)是失敗的。由

6、此說明，在目前現(xiàn)有條件下，人類還無法模擬出類似地球可供人類長期生存的生態(tài)環(huán)境，地球是人類唯一的家園。21世紀(jì)生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)是地球變化和生物多樣性。地球變化的研究涉及地球變暖、臭氧層的破壞、沙漠化、海洋污染、野生物種減少等問題。生物多樣性包括物種多樣性、遺傳多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性。保護(hù)生物多樣性是實(shí)現(xiàn)人與生物和諧發(fā)展的重要措施。生物多樣性是自然界豐富多彩的生物資源的標(biāo)志，因此，保護(hù)野生生物就是保護(hù)人類自己。鑒于生物多樣性的重要意義，因此在課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)上安排了“生物的多樣性”主題。為了保護(hù)生物的多樣性，世界各國都建立了自然保護(hù)區(qū)。在此基礎(chǔ)上聯(lián)合國教科文組織又提了生物圈保護(hù)區(qū)的概念，它不同于自然保

7、護(hù)區(qū)，其主要特點(diǎn)在于明確保護(hù)區(qū)不是一個堡壘式或要塞式的莊園，而是一個開放的資源管理的戰(zhàn)略基地。這樣擺脫了保護(hù)區(qū)概念中消極保護(hù)的一面，賦予保護(hù)區(qū)以多功能的作用。實(shí)踐證明，這種設(shè)想是正確的，它的建立即把生物多樣性及生物資源的保護(hù)同它們的可持續(xù)利用緊密結(jié)合起來，同時實(shí)現(xiàn)自然保護(hù)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。當(dāng)前生態(tài)學(xué)在實(shí)際研究中最多的是所謂“生態(tài)農(nóng)業(yè)”和建立“生態(tài)村”。過去人們把第一次綠色革命發(fā)展起來的農(nóng)業(yè)叫“石油農(nóng)業(yè)”，因?yàn)樗囈陨姘l(fā)展的一切（如機(jī)械耕作、電力、農(nóng)藥、化肥等），實(shí)際上大多來自石油等能源和石油化工產(chǎn)品，因而給社會和環(huán)境帶來許多新問題。于是人們開始轉(zhuǎn)向生態(tài)農(nóng)業(yè)，也就是說，強(qiáng)調(diào)生物與環(huán)境、

8、資源相協(xié)調(diào)，充分認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)自身的多樣化，強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的生物過程，充分發(fā)揮其自我調(diào)節(jié)和自我維持能力，重視生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量多層次、多途徑的轉(zhuǎn)化和利用，因而生態(tài)農(nóng)業(yè)是最經(jīng)濟(jì)和最高效的農(nóng)業(yè)。為了21世紀(jì)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有必要了解生物與環(huán)境的關(guān)系，生態(tài)系統(tǒng)的作用等內(nèi)容，因此在課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計了“生物與環(huán)境”的學(xué)習(xí)主題。2 微觀方面過去的生物學(xué)，對生命的認(rèn)識僅僅是從個體水平上對生物進(jìn)行形態(tài)的描述和分析，以后隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，才開始以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)逐漸深入到生命本質(zhì)的研究。今天，人類已經(jīng)能夠深入到細(xì)胞內(nèi)部，對它的極其細(xì)微的結(jié)構(gòu)和化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行研究，取得了許多突破性的成就。1953年，對遺傳物質(zhì)DNA分子

9、雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，是生物科學(xué)發(fā)展史上的一個里程碑，開創(chuàng)了現(xiàn)代生物學(xué)的全新時代，奠定了在分子水平上研究生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)。分子生物學(xué)的誕生，有助于闡明生命活動的規(guī)律，揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)。分子生物學(xué)的發(fā)展不可避免地影響到生命科學(xué)各個學(xué)科領(lǐng)域，改變了整個生物學(xué)的面貌；同時對醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)及其應(yīng)用產(chǎn)生了巨大影響。生物學(xué)的全新面貌突出地表現(xiàn)在出現(xiàn)了一系列新的分支科學(xué)，如分子遺傳學(xué)、分子細(xì)胞學(xué)、分子分類學(xué)、分子神經(jīng)解剖學(xué)等等，其中作為生命體基本單位的細(xì)胞和作為生命活動最高形式的神經(jīng)活動是現(xiàn)代生物學(xué)研究的最活躍的領(lǐng)域。由于這兩門學(xué)科采用了分子生物學(xué)的新的研究思想和新的研究手段而獲得新的生命力，研究步伐大大加快。

10、由此，分子生物學(xué)（包括分子遺傳學(xué)）、細(xì)胞生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)（或腦科學(xué)）已發(fā)展成當(dāng)代生命科學(xué)研究的三大熱點(diǎn)。（1）分子生物學(xué)的發(fā)展分子生物學(xué)是在分子水平研究生命活動及其規(guī)律的科學(xué)。它的主要研究內(nèi)容是生物大分子（主要是蛋白質(zhì)、核酸和糖類）的結(jié)構(gòu)、功能及其相互組織和相互作用。在核酸的研究上，由于發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性，說明DNA分子實(shí)質(zhì)上是一種可塑的分子。它的局部構(gòu)象的變化或?qū)е码p螺旋的松開，或是成為DNA與蛋白結(jié)合時，對DNA的識別或結(jié)合的標(biāo)志等，實(shí)際上不存在一種可以代表DNA“結(jié)構(gòu)”的單一結(jié)構(gòu)，生命現(xiàn)象是豐富的，駕馭細(xì)胞活動的DNA必然具有多樣性的形態(tài)。DNA的功能不僅具有自我復(fù)制和指導(dǎo)蛋白質(zhì)合

11、成的作用，還具有酶的活性，起某種催化作用。目前科學(xué)家的目光已由DNA的研究轉(zhuǎn)向了RNA的研究。由于RNA結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其種類的多樣性，決定RNA具有多種生物學(xué)功能。RNA不僅在蛋白質(zhì)合成上起重要作用，而且具有催化作用（核酶ribozyme）、調(diào)控基因表達(dá)、抑制轉(zhuǎn)譯（反義RNA）、DNA和RNA剪接（snRNA）等重要功能。因此，關(guān)于RNA功能研究已成為分子生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。關(guān)于蛋白質(zhì)的研究一直被科學(xué)家們所重視。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，幾乎一切生命活動都要依靠蛋白質(zhì)（酶）來進(jìn)行。研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)具有重要意義。目前，人們除要闡明由氨基酸形成的并有一定順序的肽鏈結(jié)構(gòu)以外，特別重視肽鏈折

12、疊成特定的三維空間結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗啪哂心撤N生物活性，成為功能蛋白質(zhì)。由此，新生肽鏈的折疊問題也是分子生物研究的核心問題。有些科學(xué)家把從多肽鏈的氨基酸序列到蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系稱為第二部遺傳密碼。目前已發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)新生肽的折疊和成熟不是自發(fā)進(jìn)行的，而是在分子伴侶蛋白（SHP蛋白）幫助下和“折疊酶”催化下進(jìn)行折疊的。此外，對蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的研究還表明，蛋白質(zhì)分子在一定程度上是處于運(yùn)動之中，蛋白質(zhì)的功能不僅與分子的空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而且必須依賴于結(jié)構(gòu)的運(yùn)動性。蛋白質(zhì)分子（酶）“結(jié)構(gòu)域domain”的發(fā)現(xiàn)，說明活性部位能發(fā)生構(gòu)型變化，具有一定程度的柔性和可運(yùn)動性。這是蛋白質(zhì)分子發(fā)揮其功能所必須的。

13、關(guān)于蛋白質(zhì)合成的研究，目前研究的熱點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)合成后的分棟、運(yùn)輸?shù)教囟ǖ攸c(diǎn)（細(xì)胞核和各種細(xì)胞器）以及蛋白質(zhì)的修飾加工。特別有趣的是從這一極的認(rèn)識進(jìn)而到其另一極即蛋白質(zhì)的降解。溶蛋白小體(proteasome)的發(fā)現(xiàn)說明，生物體本身具有調(diào)節(jié)自身細(xì)胞蛋白歸宿的能力。在糖類的研究上有許多新的研究成果。糖類是生物體內(nèi)除蛋白質(zhì)、核酸以外的又一類重要的生物分子，尤其是一類重要的信息分子。目前研究表明，在多細(xì)胞生物的細(xì)胞表面覆蓋一層糖鏈，通常稱為糖被。它是由糖蛋白、糖脂和蛋白聚糖（統(tǒng)籌為糖復(fù)合物）構(gòu)成的。在細(xì)胞表面形成分支的糖鏈宛如天線，它們在細(xì)胞間不僅起粘附作用，而且傳遞信息，可以作為激素等信息分子的

14、接受體。過去分子生物學(xué)是在核酸及其表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)水平上闡明生命現(xiàn)象?，F(xiàn)在來看，只用核酸和蛋白質(zhì)來闡明多細(xì)胞的生命現(xiàn)象是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因?yàn)槿祟惔蠹s有4050億個細(xì)胞，這些細(xì)胞組成了許多細(xì)胞集團(tuán)。每個集團(tuán)的細(xì)胞以不同的方式相互粘附，細(xì)胞與基質(zhì)之間也存在著相互識別和相互作用、集團(tuán)之間也有相互識別、相互作用和相互制約，調(diào)節(jié)和控制著高等生物沿著固有的空間軸和時間軸井然有序的發(fā)展。如此復(fù)雜的發(fā)展過程需要極其巨大的“生物信息”，這些信息的傳遞是由糖鏈分子來承擔(dān)的。由于糖類對生命活動異常重要，因而誕生了糖生物學(xué)（glycobiology），同時發(fā)展出了“糖工程學(xué)”。綜合以上分子生物學(xué)的研究進(jìn)展，進(jìn)入21世紀(jì)，生

15、物大分子結(jié)構(gòu)與功能的前沿研究已從單個大分子結(jié)構(gòu)的研究轉(zhuǎn)向大分子體系的研究；從晶體結(jié)構(gòu)的研究轉(zhuǎn)向溶液中天然構(gòu)象及其動態(tài)變化的研究。當(dāng)前有關(guān)大分子之間體系的研究，涉及三個領(lǐng)域：（1）蛋白質(zhì)體系（包括酶）；（2）蛋白質(zhì)核酸體系；（3）蛋白質(zhì)脂質(zhì)（包括糖類）體系。其中，蛋白質(zhì)與核酸之間的識別和相互作用，是當(dāng)前分子生物學(xué)引人矚目的“生長點(diǎn)”。當(dāng)今生物學(xué)已進(jìn)入分子生物學(xué)時代，蛋白質(zhì)、核酸、糖類等生物大分子的知識已在新聞媒體廣泛傳播，幾乎家喻戶曉。在這種形勢下，新課程標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)教材應(yīng)縮減有關(guān)形態(tài)學(xué)的知識，加強(qiáng)分子生物學(xué)的內(nèi)容，原初中教學(xué)大綱和教材不敢涉及DNA等知識，現(xiàn)在看來應(yīng)有所體現(xiàn)。在制訂高中生物課程標(biāo)

16、準(zhǔn)時應(yīng)更加全面地反映分子生物學(xué)研究進(jìn)展的有關(guān)內(nèi)容。（2）分子遺傳學(xué)的發(fā)展遺傳學(xué)是專門研究基因的科學(xué)，其發(fā)展主線是認(rèn)識基因。從認(rèn)識基因的存在、闡明基因的本質(zhì)和研究基因的作用到分離基因、操作基因和改變基因，一直是20世紀(jì)生物學(xué)乃至整個科學(xué)領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)之一，而且一至位于科學(xué)發(fā)展的前沿，其在生物學(xué)中領(lǐng)先發(fā)展的勢頭經(jīng)久不衰，可以預(yù)言這種勢頭在21世紀(jì)將有增無減。由于基因與人類的健康、作物的增產(chǎn)以家禽的改良密切相關(guān)，因此研究基因有重要意義。所以，對有關(guān)基因的研究已成為絕大多數(shù)生物分支科學(xué)的發(fā)展前沿，估計今后10年乃至幾十年的時間里會有越來越多的重要基因克隆的消息。重要基因和功能的闡明，使遺傳學(xué)與人類生存

17、和發(fā)展的關(guān)系更加密切。例如，在醫(yī)學(xué)方面已發(fā)現(xiàn)人類眼睛形成的基因（pax6基因）、老年癡呆癥基因、精神分裂癥基因、與發(fā)胖有關(guān)的基因（ob和db基因）等等。研究基因還有重要的理論意義，比較基因?qū)W對闡明生物的進(jìn)化及其系譜關(guān)系可以提供有利的證據(jù)。通過對基因的研究發(fā)現(xiàn)，基因?qū)ι挠绊懖皇菃我坏?，有必要擴(kuò)展到基因組進(jìn)行研究。因此，從90年代開始，研究基因組已成為國際生物學(xué)界最熱門而研究對象?！盎蚪M學(xué)”（genomics）在不到10年時間里，已從一門以測定基因組全序列為目標(biāo)的方法學(xué)成為包括結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和功能基因組學(xué)的完整學(xué)科。開展這方面研究是人所共知的“人類基因組計劃”（GHP）。這項(xiàng)被稱為與原子彈的“

18、曼哈頓計劃”和登月球的“阿波羅計劃”相比擬的宏偉工程，自1990年正式啟動以來，經(jīng)過全球科學(xué)家們的共同努力，2000年6月26日向世界宣布“人類基因組工作草圖”已基本繪制完成，標(biāo)志著人類認(rèn)識自身新紀(jì)元的開始。當(dāng)然，人類基因組測序的完成并不等于工作的結(jié)束，還要認(rèn)清上面有多少基因，以及這些基因是如何發(fā)揮作用的，于是科學(xué)界思索人類基因組序列和結(jié)構(gòu)弄清以后下一步工作，因而誕生了“后基因組計劃”（post-genome project）。人們認(rèn)為人類基因組計劃只是完成一個以測序?yàn)橹鞯慕Y(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究是不夠的，要真正理解基因的功能，必須開展功能基因組的研究，這也許是整個21世紀(jì)的任務(wù)。展望前景，“人類基因

19、組計劃”的徹底完成將為生命科學(xué)重大規(guī)律的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，從而帶動整個生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，導(dǎo)致生命科學(xué)研究的重大突破。目前至少有18種生物的完整基因組被破譯，約有40個完整基因組正在破譯之中。這標(biāo)志著遺傳學(xué)已進(jìn)入一個以序列信息為基礎(chǔ)的新時期，改變了過去經(jīng)典遺傳的研究方法，從表型到基因型，建立了反向遺傳學(xué)，從基因型到表現(xiàn)型的研究方法，開拓了一個以序列為基礎(chǔ)的生物學(xué)的新世紀(jì)。在研究基因作用過程中必然引伸到兩個重大問題：一是基因的表達(dá)是如何調(diào)控的？這也是當(dāng)今分子生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一；另一個是蛋白質(zhì)的作用問題。目前發(fā)現(xiàn)，雖然對功能基因組研究有重大意義，但是，由于生物功能的體現(xiàn)者蛋白質(zhì)有其自身特有的活動規(guī)律

20、，僅僅從基因的角度來研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。例如，蛋白質(zhì)的修飾加工、轉(zhuǎn)運(yùn)定位、結(jié)構(gòu)變化、蛋白質(zhì)之間的相互作用，蛋白質(zhì)與其他分子的相互作用等活動，均無法在基因組水平上獲得答案。由此，1994年提出蛋白質(zhì)組（proteome）的概念：即基因組表達(dá)的所有蛋白質(zhì)。于是誕生了從整體水平上研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的組成及其活動規(guī)律的新興學(xué)科蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)也發(fā)展成為一門前沿科學(xué)。根據(jù)以上研究進(jìn)展，“基因”已成為人所共知的名詞述語，在課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和教材上不僅應(yīng)提出基因，而且要強(qiáng)調(diào)基因組的整體作用，介紹“人類基因組計劃”的偉大意義。另外，在強(qiáng)調(diào)基因的作用的同時，注意不要出現(xiàn)“基因決定一切

21、論”的錯誤觀點(diǎn)。（3） 細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展自80年代以來，由于分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)研究的進(jìn)展和基因工程、反向遺傳學(xué)方法的應(yīng)用，在細(xì)胞學(xué)上取得許多重大成果。目前細(xì)胞生物學(xué)的研究熱點(diǎn)主要在：（1）在細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能活動中，真核細(xì)胞基因組的結(jié)構(gòu)及其表達(dá)是細(xì)胞研究的中心問題；（2）基因產(chǎn)物如何構(gòu)建成細(xì)胞結(jié)構(gòu)，以及如何調(diào)節(jié)和行使細(xì)胞功能的。綜觀近年來細(xì)胞生物學(xué)的研究進(jìn)展有以下幾方面：從細(xì)胞結(jié)構(gòu)上看，整個細(xì)胞猶如一種復(fù)雜的膜系統(tǒng)串連在一起，細(xì)胞表面的質(zhì)膜和細(xì)胞中的內(nèi)膜（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜、線粒體膜、溶酶體膜以及細(xì)胞核的核膜等），它們都有相互聯(lián)系，彼此轉(zhuǎn)化的密切聯(lián)系。生物膜系統(tǒng)使細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核在形

22、態(tài)上和功能上聯(lián)成一個完整的統(tǒng)一體。細(xì)胞膜的作用不僅保持細(xì)胞和細(xì)胞器的完整性、相對獨(dú)立性和穩(wěn)定性；許多極為重要的生命活動都與膜系統(tǒng)有關(guān)。例如，能量的轉(zhuǎn)化和流動是在生物膜上進(jìn)行的；細(xì)胞與周圍環(huán)境、細(xì)胞間的物質(zhì)交換也是通過膜實(shí)現(xiàn)的；此外，細(xì)胞內(nèi)外、細(xì)胞間的信息傳遞，也離不開膜的作用。因此，對細(xì)胞膜系統(tǒng)的研究是細(xì)胞生物學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。此外，近年來還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)有微管、微絲系統(tǒng)（骨架系統(tǒng)）。過去對細(xì)胞基質(zhì)（cell matrix）的結(jié)構(gòu)幾乎一無所知，以前認(rèn)為細(xì)胞器似乎是懸浮在溶液狀的基質(zhì)中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在基質(zhì)中還有微管、微絲及中等纖維存在。由此，人們才認(rèn)識到基質(zhì)中含有一定程序的立體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)形成了縱橫交

23、錯的“骨架”，總稱為“細(xì)胞骨架”（cytoskeleton）。細(xì)胞骨架對細(xì)胞器的空間分布、功能活動和細(xì)胞運(yùn)動有著密切關(guān)系。細(xì)胞骨架的發(fā)現(xiàn)是超微結(jié)構(gòu)研究方面的一大進(jìn)步。此外，還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)有核骨架，它與DNA復(fù)制、基因表達(dá)調(diào)控、RNA剪接、修飾和運(yùn)輸?shù)榷加兄匾饔?。關(guān)于細(xì)胞功能的研究，雖然細(xì)胞中各種結(jié)構(gòu)都有各自相對專一的功能，但它們是相互聯(lián)系的，彼此協(xié)調(diào)一致，完成一個細(xì)胞的整體功能。綜合地講，在一個細(xì)胞里的生命活動主要體現(xiàn)三個方面：（1）物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，即舊物質(zhì)的分解，新物質(zhì)的合成；（2）能量的轉(zhuǎn)換和流動，包括能量的轉(zhuǎn)換，從光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能 ；能量的流動，即從分解的物質(zhì)釋放，又流動到需要能量的部位進(jìn)

24、行利用。（3）信息的傳遞，其中包括遺傳信息的傳遞，即從DNARNA蛋白質(zhì)（基因的表達(dá)），也可以從DNADNA（基因的復(fù)制）；生長發(fā)育信息的傳遞，即從細(xì)胞外（第一信號）細(xì)胞膜（受體）細(xì)胞質(zhì)（第二信號）某一生化反應(yīng)或細(xì)胞核（相應(yīng)的基因被調(diào)節(jié)）。這個信號系統(tǒng)包括細(xì)胞內(nèi)外的通訊聯(lián)系、細(xì)胞間通訊、細(xì)胞的化學(xué)信號分子產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及通過細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)信號的傳遞。另外，神經(jīng)傳導(dǎo)也是一個信息傳遞過程，從接受信息（感官）傳遞信息（神經(jīng)）貯存信息（腦）利用信息（產(chǎn)生反應(yīng)）。細(xì)胞的生命活動就是物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、能量的流動和信息傳遞的統(tǒng)一體。關(guān)于細(xì)胞內(nèi)調(diào)控系統(tǒng)的研究。目前研究較多有：（1）細(xì)胞周期的調(diào)控；現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在G1早

25、期的DNA合成受一些肽類生長因子調(diào)節(jié)；G2晚期受控于成熟促進(jìn)因子（MPF）所控制，它們都受相應(yīng)基因調(diào)控。（2）細(xì)胞生長發(fā)育的控制。生命活動最基礎(chǔ)的問題是發(fā)育生物學(xué)。它已成為現(xiàn)代生物學(xué)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。受精卵如何由單個細(xì)胞通過形態(tài)發(fā)育最終成為多器官的生命體？發(fā)育過程一極是細(xì)胞數(shù)量增加，功能分化，組織和器官的形成；另一極則是細(xì)胞不斷地出現(xiàn)凋亡，形態(tài)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，而二者均為精細(xì)調(diào)控的過程，涉及到信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞周期和基因表達(dá)的時、空調(diào)節(jié)等生命科學(xué)的最基礎(chǔ)問題。這方面的研究已取得很大進(jìn)展。由于細(xì)胞凋亡和癌變問題與人類的健康和壽命關(guān)系非常密切，因而引起科學(xué)家的關(guān)注。由于細(xì)胞是生物體的結(jié)構(gòu)與功能的基本單位，

26、有關(guān)細(xì)胞生物學(xué)的知識是異常重要的。由此，在新課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)及教材中，有必要加強(qiáng)細(xì)胞生物學(xué)的內(nèi)容。例如，在細(xì)胞結(jié)構(gòu)上為了說明能量的轉(zhuǎn)換與流動，不僅講解葉綠體的基本知識，而且增加了有關(guān)線粒體的內(nèi)容；在細(xì)胞分裂中增加了染色體變化的內(nèi)容；在細(xì)胞功能方面，說明細(xì)胞是物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞的統(tǒng)一體。在制訂高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)時將會更多的反映細(xì)胞生物學(xué)的研究成果。（4）腦科學(xué)的研究腦科學(xué)（思維科學(xué)或神經(jīng)生物學(xué)）是生命科學(xué)研究的又一前沿領(lǐng)域。目前科學(xué)家們把腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)從生命科學(xué)里單獨(dú)出來，因?yàn)?它是更高一個層次的研究，是最深的奧秘的探索。探索和揭示腦的奧秘具有高度的復(fù)雜性，蘊(yùn)含著深奧的哲理

27、，以及對人類有特殊重要的意義，所以已成為當(dāng)代自然科學(xué)面臨最大挑戰(zhàn)之一。近30年來，腦科學(xué)出現(xiàn)了爆炸性的發(fā)展，特別是近10年來發(fā)展更為迅速，被譽(yù)為“腦的10年”。如果說，生命科學(xué)以分子為基礎(chǔ)正醞釀著重大突破，并將為農(nóng)業(yè)、醫(yī)療醫(yī)藥和人類健康帶來新的革命；那么，腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)的研究進(jìn)展與突破，將為人類教育、社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和信息技術(shù)帶來革命。有關(guān)腦科學(xué)的研究進(jìn)展，將在高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中適當(dāng)介紹；在初中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中涉及不多。不過，在標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置了“動物的運(yùn)動與行動”主題。為今后學(xué)習(xí)腦科學(xué)奠定基礎(chǔ)。此外，值得我們關(guān)注的還有生物信息學(xué)的誕生，它是以計算機(jī)為工具，用數(shù)學(xué)和信息

28、科學(xué)的觀點(diǎn)、理論和方法去研究生命現(xiàn)象，對生物信息進(jìn)行儲存、檢索和分析的科學(xué)。它是當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之一，也將是21世紀(jì)自然科學(xué)的核心領(lǐng)域之一。基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)正在蓬勃發(fā)展，在生物信息學(xué)發(fā)展帶動下，必將能夠揭示各種生命現(xiàn)象的奧秘，并帶動各個學(xué)科的巨大發(fā)展。3 應(yīng)用方面當(dāng)今生命科學(xué)研究的另一個特點(diǎn)是基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的結(jié)合。生命科學(xué)本身就與醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)有著不可分割的聯(lián)系，它既是這些應(yīng)用學(xué)科的基礎(chǔ)，也能從應(yīng)用學(xué)科中獲取基礎(chǔ)研究的源頭活水，為理論研究提出重大的研究課題。科學(xué)的目的在于認(rèn)識世界，技術(shù)的目的在于利用、改造和保護(hù)自然，造福人類。生命科學(xué)要為人類造福轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，必須與技術(shù)相結(jié)

29、合，才能在生產(chǎn)上發(fā)揮巨大作用。于是在70年代，隨著分子生物學(xué)的進(jìn)步，與工程技術(shù)相結(jié)合，開辟了生物工程（也叫生物技術(shù)，biotechnology）新領(lǐng)域。例如，基因重組技術(shù)、PCR技術(shù)、DNA和蛋白質(zhì)序列分析技術(shù)、分子雜交技術(shù)、細(xì)胞和組織培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)、核移植技術(shù)等，促進(jìn)了基因工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程、酶工程、染色體工程、組織工程、胚胎工程等工程的誕生和發(fā)展，已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等方面得到了廣泛應(yīng)用，并取得許多突破性進(jìn)展。目前，生命科學(xué)基礎(chǔ)研究的成果到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的距離比以往大大縮短，某些細(xì)胞因子從基因的發(fā)現(xiàn)到生物工程產(chǎn)品的開發(fā)，只需12年的時間，因此，有些科學(xué)家預(yù)言：人類將走向生物

30、經(jīng)濟(jì)的時代。21世紀(jì)，生命科學(xué)技術(shù)對社會影響最大的領(lǐng)域，將在保護(hù)人類健康、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境等方面做出不可估量的貢獻(xiàn)。（1）醫(yī)療保健方面人類基因組計劃的完成以及后基因組時代研究的進(jìn)展，將為提高人類的健康水平做出重大貢獻(xiàn)。有人說：人類基因組計劃的完成是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)革命的里程碑。首先，在疾病的診斷上，過去是從病人的癥狀推斷可能發(fā)生的疾病，21世紀(jì)可望對人類大部分疾病實(shí)現(xiàn)基因水平的診斷，再輔助以先進(jìn)的醫(yī)療器械，便可以準(zhǔn)確無誤地診斷病因，使患者得到及時治療。在治療方面，現(xiàn)在主要依靠藥物治療，未來的疾病治療是以基因治療（gene therapy）為主，即把人的正?；?qū)氩∪梭w內(nèi)，使它代替異

31、常致病基因，從而達(dá)到治療目的。隨著人類基因組計劃完成可提供正?；蛟絹碓蕉?，因而像遺傳病、惡性腫瘤、艾滋病、心血管病等都將成為可治之病。關(guān)于人的衰老原因也會從根本上得到闡明，以后將有相應(yīng)的措施和對策，使大部分人活到100歲以上，實(shí)現(xiàn)延年益壽的夢想。今后醫(yī)療發(fā)展的一個明顯趨勢是更加注意預(yù)防醫(yī)學(xué)和日常保健，這將會使重大疾病的突發(fā)率大大減少。所以當(dāng)前應(yīng)特別重視防止世界性的流性?。ㄈ绨滩?、瘋牛病、埃博拉病毒病、革登熱病等）的入侵，確保人類生命的安全。隨著隨生命活動的調(diào)節(jié)機(jī)制、病理及免疫機(jī)制、神經(jīng)活動機(jī)制等深入了解，人們越來越感到人的整體性的重要，對健康的概念已擴(kuò)大到身、心兩方面，目前認(rèn)為一個人只有身

32、體健康、心理健康、社會適應(yīng)良好和道德健康四個方面都健全，才算是真正的健康?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式：生物心理社會醫(yī)學(xué)的模式，正在取代傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)模式。這種整體醫(yī)學(xué)的觀點(diǎn)，不僅對醫(yī)學(xué)，而且對整個生命科學(xué)的發(fā)展都將起到重要指導(dǎo)作用。根據(jù)人類生存和社會發(fā)展的需要，新課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)將“健康的生活”單列一個主題，這是一個社會公民必備的科學(xué)素養(yǎng)。（2）農(nóng)業(yè)方面未來的生物技術(shù)將徹底改變農(nóng)業(yè)面貌。轉(zhuǎn)基因技術(shù)將引起一場農(nóng)業(yè)革命。轉(zhuǎn)基因技術(shù)能使動植物具有它原來沒有的全新的特性，達(dá)到改良食品特性、擴(kuò)充食品內(nèi)容，使糧食更由利于人體健康，并可以預(yù)測豐收，提高水的利用率以及減少農(nóng)藥、化肥的使用等等。隨著基因工程的進(jìn)展，轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品已進(jìn)

33、入商業(yè)耕作階段。據(jù)預(yù)測，在21世紀(jì)初，轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品將占領(lǐng)很大市場。另外，農(nóng)業(yè)基因組學(xué)在水稻基因組研究上已有所突破。它的基因組可以提供于小麥、玉米、高粱、谷子等的同源基因，這一成果將為解決人類21世紀(jì)面臨的糧食問題作出重要貢獻(xiàn)。當(dāng)然，轉(zhuǎn)基因動植物的應(yīng)用需慎重，要看是否對人類身體有影響，對自然界是否有害作用。但一般認(rèn)為，新世紀(jì)的糧食增產(chǎn)將有50%是靠基因工程創(chuàng)造的?；蚬こ淘谵r(nóng)業(yè)上大有可為。（3）環(huán)保方面環(huán)境生物技術(shù)將是21世紀(jì)人們關(guān)注的重要領(lǐng)域。生物技術(shù)在環(huán)境治理方面可以發(fā)揮不可替代的作用。它的最大特點(diǎn)是可以根據(jù)環(huán)境治理的需要，設(shè)計、構(gòu)建比天然微生物凈化環(huán)境的能力強(qiáng)和效率高得多的工程微生物（“超級

34、工程菌”），它可以處理“三廢”，還能從廢棄物中“變廢為寶”，提取有用物質(zhì)。此外，在保護(hù)生物多樣性方面，克隆技術(shù)、生殖工程等可以挽救珍稀瀕危動植物，而這些均是化學(xué)、物理等環(huán)境治理手段無法比擬的。（4）工業(yè)方面生物工程的發(fā)展不僅影響食品、藥物工業(yè)的生產(chǎn)，而且還會產(chǎn)生許多新興產(chǎn)業(yè)，除發(fā)酵工程、酶工程外，還可將細(xì)菌、哺乳動物或植物作為生產(chǎn)藥物的“工廠”，如“土豆工廠”、“奶牛工廠”、“細(xì)胞工廠”等應(yīng)運(yùn)而生，開辟新的產(chǎn)業(yè)。仿生學(xué)的發(fā)展，模擬“蛙眼”、“電子耳”、“電子鼻”模擬器官、人造瓣膜、人工喉、人造關(guān)節(jié)等已在醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用。生物傳感器是另一個熱門課題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿生學(xué)和生物力學(xué)等方面的研究已取得一定

35、進(jìn)展，有人預(yù)計21世紀(jì)人工智能機(jī)械人將代替人類做許多事情，直接把生物系統(tǒng)過程連接到技術(shù)系統(tǒng)中去研究，是今后仿生學(xué)的主要發(fā)展方向。目前科學(xué)家們還利用生物分子計算機(jī)已研制開發(fā)出某些“生物芯片”，利用這種生物芯片制成的計算機(jī)是當(dāng)今各代計算機(jī)遠(yuǎn)不能相比的，生物技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用前景也非常廣闊。（5）生物技術(shù)的發(fā)展帶來的負(fù)面影響和倫理等問題科學(xué)技術(shù)是一種強(qiáng)大的生產(chǎn)力，也是一種巨大的社會歷史現(xiàn)象?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展是人類文明的重要標(biāo)志。新的科學(xué)技術(shù)成果在社會生活中推廣運(yùn)用，常常引起一些新的道德和倫理等問題。任何一個科學(xué)理論的出現(xiàn)和技術(shù)的誕生均是一個雙刃劍。生物技術(shù)的發(fā)展也不例外，必須考慮到對社會、人類和生態(tài)的

36、影響，制定一系列法律和規(guī)章制度，并用科學(xué)的態(tài)度來發(fā)展生物技術(shù)，使它真正服務(wù)于人民，造福于人類。綜觀以上生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)生物技術(shù)將成為一種常規(guī)的支撐性技術(shù)，從而徹底改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)、生活的面貌，并進(jìn)而引起社會結(jié)構(gòu)和社會生活的變革。今后，生物學(xué)新觀念、新技術(shù)、新產(chǎn)品將涌入每一個人的家庭和生活，所以生物學(xué)教育應(yīng)加強(qiáng)生物技術(shù)的教育，體現(xiàn)STS的教育思想。在新課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置“生物技術(shù)”主題是非常必要的，體現(xiàn)了新時代的特征。二、對生物學(xué)課程內(nèi)容更新的建議21世紀(jì)已進(jìn)入信息社會和知識經(jīng)濟(jì)的時代，生命科學(xué)一日千里地向前發(fā)展。當(dāng)今生命科學(xué)的特點(diǎn)是多學(xué)科交叉、多種新技術(shù)應(yīng)用所形成的全方位的研究體系。面對生命科學(xué)迅猛發(fā)展的嚴(yán)峻形勢，生物學(xué)課程內(nèi)容要不斷更新，以趕上時代的步伐。根據(jù)生命科學(xué)的發(fā)展特點(diǎn)和趨勢，建議今后編寫新教材和教學(xué)中注意以下幾點(diǎn)：1 在學(xué)術(shù)觀點(diǎn)上應(yīng)不斷變化在生物學(xué)的觀點(diǎn)上，過去強(qiáng)調(diào)生態(tài)觀和生物進(jìn)化觀，這是十分必要的。另外，當(dāng)今生命科學(xué)研究的特征是整體的綜合研究，生物體本身就是一個大系統(tǒng)（生命系統(tǒng)），因此還應(yīng)樹立整體性的觀點(diǎn)。學(xué)習(xí)生物圈的知識必須從整個地球的高度來認(rèn)識“人與生物圈”的關(guān)系，才能真正理解生物圈的重要意義；在研究細(xì)胞內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)的功能時，必須注意到它們之間的關(guān)系才能對整個細(xì)胞功能作出全面的分析；對生物體的各種生理活動的研究也必須從整體的聯(lián)系和相互作用