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| 生物系統 |
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生物系統的概念是指從系統論的角度與觀念來看生物體與生物界，將生物不同層次的結構體系看做「系統」。 生態系統是維持人類環境的最基本單元，生態系統功能主要體現於兩個方面：一是生態服務功能(service);二是價值功能(goods)。這兩種功能是人類生存和發展的基礎。[1]
簡介
20世紀是自然科學發展史上最為輝煌的時代，生物科學是自然科學中發展最迅速的學科。因為生物科學與人類生存、人民健康、社會發展密切相關，必然成為21世紀初的主導學科。在20世紀生物科學的發展中有許多重大突破，出現了許多新觀念、新思想、新成果和新技術。特別是20世紀50年代以來，隨着數理科學廣泛深入地滲透到生物科學以及一些先進的儀器設備和研究技術的問世，生物科學已經從基本上是靜態的、以形態描述與分析為主的學科演化發展成動態的、以實驗為基礎的定量的學科。為表達其鮮明的時代特徵將其稱為生命科學。當今的生命科學正從分析走向綜合，其特徵是對分子、細胞、組織、器官及整體的全方位的綜合研究。如果說，20世紀生物學是分析的世紀，21世紀生命科學將從分析走向綜合，將是統一生物學的世紀，並將形成嶄新的生命觀。「生物體的結構層次」主題就是從整體觀的角度安排的，現生命科學在微觀、宏觀和應用3個方面取得了飛速的發展。 1999年曾邦哲將農業與生態系統的生物系統科學（biosystem science）重新定義為分子、細胞、器官和生態各層次生物系統的系統論和實驗、計算方法的系統生物科學研究體系。從系統論方法研究生物系統，也就是系統生物學（systems biology），最早開創於貝塔郎菲的一般系統論、理論生物學與「有機體生物學」，貝塔郎菲並闡述了「有機體」為「系統」或「整體」的概念，以及採用開放系統論來研究生物系統的數學模型，探索胚胎髮育、心理學中的「完形」、「圖式」與「突現」的系統非加和性與同型性研究。2000-2003年，國際上終於形成了實驗、計算方法整合研究細胞、分子生物系統的整個現代系統生物科學體系。
宏觀方面
20世紀以來，生態學作為生命科學的一個分支，對人類生存的大環境進行研究。已成為生命科學中最為活躍的研究領域之一。特別是20世紀後期，生命科學的宏觀研究不僅是傳統生態學的範疇，而且擴展到對整個生物目的研究。為什麼當今特別重視生物目的研究？以前人們對生物圈缺少認識和關心，對森林亂砍濫伐，隨意開墾草原，對野生動物亂捕濫殺，並把大量的廢物以及有毒物質任意傾倒和排放，致使這個大環境遭到嚴重破壞和污染，生物圈面臨崩潰的危險。由此使人們感到21世紀人類面臨的首要問題就是：人類的生存和發展。人類在地球上要生存下去，並得到持續發展，離不開地球的環境條件和其他各種生物。因此，必須愛護地球，關愛其他生物，保持人與自然的和諧發展。另外，隨着人類認識自然和影響自然過程的能力不斷提高，人們越來越深刻地認識到簡單地「征服自然」、「向大自然索取」會給人類帶來許多困擾，如面臨的人口、環境、能源、污染和水土流失等一系列問題，在一個局部範圍內都是不可能得到徹底解決的，就像引起全球災害的厄爾尼諾現象一樣，只有把地球看作一個整體來研究，才有可能獲得突破性的進展。21世紀人類要對付面臨的各種挑戰，其中改善人類的生存條件，謀求與大自然和諧發展是首先要解決的問題，因而必須更深入地研究人與其他生物之間的相互關係，必須深刻地了解時空、物質和信息的運轉機制。為了挽救危機，早在1971年聯合國就制訂了「人與生物圈」（MAB）的研究計劃，謀求協調人與生物圈的關係，合理地開發和利用生物資源，維護和改善自然環境，化害為利，逐步創造出一個適於人類和各種生物生存的美好環境。根據這種思想，國外一些學者提出「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，而且在社會科學、文化及道德等方面都產生了深遠的影響。 21世紀生態學研究的熱點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、海洋污染及野生物種減少等問題。地球生態環境的惡化直接影響人類的生存條件。因此，當前人們的生產開始轉向生態農業、生態工業，強調保護環境，實現生物與環境、資源的協調發展，充分認識生態系統自身的多樣化，重視生態系統的生物過程，充分發揮其自我調節和自我維持能力，實現生態系統中物質和能量多層次、多途徑的轉化和利用。由於保護地球的生態環境是涉及人類生存和社會持續發展的大問題，有必要讓中學生了解生物與環境的關係以及生態系統的作用等內容，因此在課程內容標準中設計了「生物與環境」的學習主題。保護生物的多樣性是實現人與生物和諧發展的重要措施。生物多樣性是自然界豐富多彩的生物資源的標誌，人類的生存離不開其他生物，所以，保護生態多樣性就是保護人類自己。
微觀方面
過去的生物學，對生命的認識僅僅是從個體水平上對生物進行形態描述和分析，以後隨着科學技術的發展，才開始以實驗為基礎逐漸深入到生命本質的研究。20世紀人類已經能夠深入到細胞內部，對它的極其細微的結構和化學物質進行研究，取得了許多突破性的成就。1953年，對遺傳物質DNA分子雙螺旋結構的發現，是生物科學發展史上的一個里程碑，開創了現代生物學的全新時代，奠定了分子水平上研究生命現象的基礎。分子生物學的誕生，有助於闡明生命活動的規律，揭示生命現象的本質。分子生物學的發展不可避免地影響到生命科學各個學科領域，改變了整個生物學的面貌；同時對醫學和農業科學及其應用產生了巨大影響。在新的分支科學中，細胞生物學和神經生物學（或腦科學）的研究發展非常迅速。由此，它們和分子生物學（包括分子遺傳學）一起成為了當代生命科學研究的三大熱點。
分子生物學
分子生物學是在分子水平上研究生命活動及其規律的科學，分子生物學實驗是一門實踐性很強的學科,在生物類專業人才培養中占有十分重要的地位。 它的主要研究內容是蛋白質、核酸和糖類等生物大分子的結構、功能及其相互組織和互相作用。研究發現，DNA分子結構具有多態性，是一種可塑的分子。它的功能不僅具有自我複製和指導蛋白質合成的作用，還有酶的活性，起某種催化作用。科學家的目光已由DNA轉向RNA的研究。由於RNA結構的複雜性及其種類的多樣性，決定了RNA具有多種生物學功能。它不僅在蛋白質合成上起重要作用，而且具有催化、調控基因表達、抑止轉譯、DNA和RNA剪接等重要功能。關於蛋白質的研究一直被科學家們所重視。人們除了要闡明肽鏈的一級結構以外，特別重視肽鏈如何摺疊成為有功能作用的三維結構的蛋白質研究。除此以外，還發現蛋白質分子在一定程度上是處於運動之中，它們的功能與分子空間構型的運動性密切相關。關於蛋白質合成的研究熱點己轉到蛋白質合成後的分揀、運輸到特定地點，以及蛋白質的修飾加工和降解。近年來，糖類的研究有許多新的研究成果，它們在細胞間不僅起黏附作用，而且能傳遞信息，是一類重要的信息分子。過去的分子生物學是在核酸和蛋白質水平上闡明生命現象，但顯然是不夠的。因為多細胞生物是由許多細胞集團組成的，它們以不同方式通過糖鏈分子相互黏附，彼此之間均有相互識別、相互作用和相互制約的關係，傳遞着各種不同的「生物信息」。因而不能忽視糖類物質的作用。 由以上看出，進入21世紀，分子生物學對生物大分子結構與功能的前沿研究，已從單個大分子結構的研究轉向生物大分子體系的研究；從晶體結構的研究轉向溶液中天然構象及其動態變化的研究。由於分子生物學已深入到生命活動本質的探索，蛋白質、核酸及糖類等生物大分子的知識越來越多地在新聞媒體上廣泛傳播，幾乎家喻戶曉。
分子遺傳學
遺傳學是專門研究基因的科學，其發展主流是認識基因，即從認識基因的存在、闡明基因的本質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世紀生物科學研究的焦點之一，而且始終位於科學發展的前沿。通過對基因的研究發現，基因對生命的影響不是單一的，有必要擴展到基因組進行研究。因此，從20世紀90年代開始，研究基因組已成為國際生物學界最熱門的研究對象。「基因組學」（genomics）在不到10年時間裡，已從一門以測定基因組全序列為目標的方法學成為包括結構基因組學和功能基因組學的完整學科，開展這方面的研究是人所共知的「人類基因組計劃」（GHP）。這項被譽為生物科學的「阿波羅計劃」，自1990年啟動以來，已基本完成了「人類基因組工作草圖」的繪製工作。當然，這只是標誌着人類認識自身新紀元的開始，完成人類基因組測序以後，還要認清上面的基因及其作用，因而又誕生了「後基因組計劃」。這標誌着遺傳學已進入一個以序列信息為基礎的新時期，改變了過去經典遺傳學的從表型到基因型的研究方法，建立了反向遺傳學，開拓了一個以序列為基礎的生物學的新世紀。在研究基因作用過程中必然引伸到兩個重大問題：一是基因表達的調控，這也是當今分子生物學研究的熱點之一；另一是有關蛋白質的作用。研究發現，雖然對功能基因組研究有重大意義，但是由於蛋白質有其自身特有的活動規律，僅僅從基因的角度來認識生命活動是不夠的。於是在1994年提出了蛋白質組（proteome）的概念，並誕生了從整體水平上研究細胞內蛋白質的組成及其活動規律的新興學科——蛋白質組學（proteomics）。 根據以上研究的進展，「基因」已成為人們所共知的名詞術語，在課程內容標準和教材上不僅應提出基因的名詞，而且要強調基因組的整體作用，介紹「人類基因組計劃」的偉大意義。另外，在強調基因作用的同時，注意不要出現「基因決定一切論」的錯誤觀點。
細胞生物學
細胞生物學是當代生物科學中發展最快的一門前沿學科。 自20世紀80年代以來，由於分子生物學和分子遺傳學研究的進展以及基因工程、反向遺傳學方法的應用，在細胞學上取得了許多重大研究成果。在細胞結構上，由於生物膜系統的發現使細胞膜、細胞質和細胞核在形態上和功能上聯成一個完整的統一體。細胞膜的作用不僅保持細胞和細胞器的完整性、相對獨立性和穩定性；許多極為重要的生命活動，如能量轉化和流動、物質的交換以及細胞內外、細胞間的信息傳遞都離不開膜的作用。因此，對細胞膜系統的研究是細胞生物學研究的熱點之一。此外，近年來對細胞骨架（cytoske1eton）的發現是超微結構研究的一大進步，它對細胞器的空間分布、功能活動和細胞運動有着密切關係。關於細胞核骨架的研究，說明它與DNA複製、基因表達調控、RNA剪接、修飾和運輸等都有重要作用。關於細胞功能的研究，雖然細胞中各種結構都有各自相對專一的功能，但它們是相互聯繫的，彼此協調一致，完成一個細胞的整體功能。綜合地講，在一個細胞里的生命活動主要體現3個方面：①物質的轉化，即舊物質的分解，新物質的合成；②能量的轉換和流動，包括從光能轉換為化學能和能量的釋放與利用；③信息的傳遞，其中有遺傳信息的傳遞，即從DNA→RNA→蛋白質（基因的表達），也可以從DNA→DNA（基因的複製）；生長發育的傳遞，即從細胞外（第一信號）→細胞膜（受體）→細胞質（第二信號）→某一生化反應或→細胞核（相應的基因被調節）。這個信號系統包括細胞內外的通訊聯繫、細胞間通訊、細胞的化學信號轉導和以受體為介導的信號傳遞。另外，神經傳導也是一個信息傳遞過程，從接受信息（感官）→傳遞信息（神經）→貯存信息（腦）→利用信息（產生反應）。細胞的生命活動就是物質轉化、能量流動和信息傳遞的統一體。 關於細胞內調控系統的研究，研究較多的有：細胞周期和細胞生長發育的調控。生命活動最基本的問題是發育生物學。它已成為現代生物學研究的熱點和焦點。這裡涉及細胞的分化、形態的建成和細胞的調亡等重大問題。由於細胞調亡與癌變等問題，以及人類的健康和壽命非常密切，從而引起科學家們的關注。 由於細胞是生物體結構與功能的基本單位，有關細胞生物學的知識非常重要。因此，在新課程內容標準及教材中，有必要加強細胞生物學的內容。例如，在細胞結構上為了說明能量的轉換與流動，不僅要講解葉綠體的基本知識，而且增加了有關線粒體的內容；在細胞分裂中增加了染色體變化的內容；在細胞功能方面，體現細胞是物質轉化、能量轉換和信息傳遞的統一體。
腦科學研究
腦科學（思維科學或神經生物學）是生命科學研究的又一前沿領域。探索和揭示腦的奧秘具有高度複雜性，蘊含着深奧的哲理，以及對人類有特殊重要的意義，所以已成為當代自然科學面臨的最大挑戰之一。近10年來，腦科學的研究得到了飛速的發展，因而被譽為「腦的10年」。有關腦科學的研究進展，將在高中生物學課程標準和教材中適當介紹；在初中生物課程標準和教材中涉及不多。不過，在標準中設置了「動物的運動與行為」主題，為今後學習腦科學奠定基礎。
應用方面
當今生命科學研究的另一個特點是基礎研究與應用的結合，生命科學本身就與醫學、農學有着不可分割的聯繫，它既是這些應用科學的基礎，也能從應用科學中獲取基礎研究的源頭活水，為理論研究提出重大的研究課題。科學的目的在於認識世界，技術的目的在於利用、改造和保護自然，造福人類。生命科學要為人類造福轉化為生產力，必須與技術相結合，才能在生產上發揮巨大的作用。於是在20世紀70年代，隨着分子生物學的進步，與工程技術相結合，開闢了生物工程（也叫生物技術，biotechnology）新領域，相繼出現了基因重組技術、克隆技術、DNA和蛋白質序列分析技術、分子雜交技術、細胞和組織培養技術、細胞融合技術及核移植技術等新技術，促進了基因工程、蛋白質工程、細胞工程、酶工程、染色體工程、組織工程及胚胎工程等工程的誕生和發展，已在工業、農業、環保和醫療衛生等方面得到了廣泛應用，並取得了許多突破性進展。當今，生命科學基礎研究的成果到實現產業化的距離比以往大大縮短，某些細胞因子從基因的發現到生物工程產品的開發，只需1～2年的時間，因此，有些科學家預言：人類將走向生物經濟的時代。 因諾伊曼計算機模型和人工生命（artifical life）的局限（虛擬、硅電子、無結構、無自修復等），曾邦哲（曾傑）於90年代重新定義生態系統層次農業工程的人工生物系統（artificial biosystem）到細胞、分子生物系統層次的概念，在國際上首先倡導細胞分子生物系統的仿生學與基因工程整合研究的系統生物工程概念 - 就是用生物分子元件取代硅電子元件，人工設計細胞內分子系統取代人工生命的元胞質點概念、細胞間的分子通訊設計取代人工神經網絡；因而，人工生物系統（artificial biosystem）新的概念，包括了人工生命和人造生命，也包括了乾的納米計算機設計和濕的活體細胞計算機等概念。 21世紀，生命科學技術的發展將對人類的生產、生活產生巨大的影響，將會徹底改變人類生產和生活的面貌，並引起社會結構和社會生活的變革。今後，生物學新觀念、新技術和新產品將涌人每一個人的家庭和生活，所以生物學教育應加強生物技術的教育，體現STS（科學、技術和社會）的教育思想。在新課程內容標準中設置「生物技術」主題是非常必要的。