高中生物遗传与进化模块逻辑体系简论cmex.docx
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1、高中生物物“遗传传与进化化”模块块逻辑体体系简论论浙江温州州市教育育教学研研究院 余自强强摘要:现现代遗传传学的理理论体系系,是一一个以科科学事实实为逻辑辑起点的的公理化化体系。同同时,遗遗传学的的发展,为为小进化化的研究究提供了了逻辑基基础。普普通高中中生物课课程标准准(实验验)“遗遗传与进进化”模模块的内内容体系系,就是是按逻辑辑规则构构建的。在在遗传学学和进化化论的发发展过程程中,科科学家运运用了多多种科学学方法,具具有很高高的科学学认识教教育价值值。教材材的编写写,可以以按逻辑辑线索进进行,也也可以按按学科发发展的历历史线索索进行。抽抽象思维维与形象象思维的的结合,是是本模块块的重要要
2、思维训训练价值值之所在在。关键词:高中生生物课程程;“遗遗传与进进化”模模块;逻逻辑体系系;小进进化关于生物物课程内内容体系系的建构构,作者者曾在高高中生物物课程内内容建构构及稳态态与环境境模块的的分析一一文中作作过讨论论,认为为像“遗遗传与进进化”模模块的内内容,可可以按形形式逻辑辑的方法法,确定定若干科科学事实实或概念念作为逻逻辑起点点,通过过演绎推推理构建建一个公公理化的的体系。1本文拟对此做一具体分析。一、现代代遗传学学理论的的构建科学研究究首先要要通过观观察和实实验获得得感性认认识。孟孟德尔正正是通过过豌豆杂杂交实验验,获得得了大量量经验材材料。但但是,感感性材料料的获得得只是认认识
3、的第第一步,认认识的真真正任务务在于达达到理性性认识。这这就需要要用科学学的方法法去处理理这些材材料。如如何处理理?首先先要概括括总结出出这些经经验材料料所反映映的事物物的本质质和变化化规律。这这需要科科学抽象象。所谓谓科学抽抽象,就就是人们们运用思思维能力力,透过过事物的的各种现现象,抽抽取出事事物的本本质属性性及其变变化发展展规律。科科学抽象象是一个个复杂的的思维过过程。第第一步是是以经验验材料为为基础形形成概念念,就是是从“感感性上的的具体”上上升到“抽抽象的规规定”。所所谓“感感性上的的具体”,就就是人们们在科学学实践中中形成的的混沌的的表象;所谓“抽抽象的规规定”,就就是通过过一定的
4、的方法抽抽象出事事物的本本质属性性。孟德德尔正是是从豌豆豆大量具具体的遗遗传性状状(如花花的颜色色、子叶叶是否饱饱满、植植株的高高矮等)中中,抽象象出“相相对性状状”的概概念,并并进一步步把它区区分为“显显性性状状”和“隐隐性性状状”。第第二步,是是运用概概念进行行判断和和推理,建建构规律律、原理理,就是是从“抽抽象的规规定”上上升为“思思维中的的具体”。“思思维中的的具体”不不同于“感感性上的的具体”,感感性材料料已不再再是各种种事实的的混沌的的总和,而而是受一一定规律律支配的的有组织织的知识识。孟德德尔就是是依据显显性性状状和隐性性性状等等概念,总总结出了了分离现现象和自自由组合合现象。整
5、整个过程程从逻辑辑方法的的角度看看,是一一个归纳纳推理的的过程:前提是是若干科科学事实实,结论论是从前前提中通通过推理理得到一一般规律律。在科科学认识识活动中中,科学学抽象与与逻辑方方法是同同一认识识过程中中的两个个侧面。一一方面,认认识过程程是一个个不断抽抽象形成成科学概概念的过过程;另另一方面面,认识识过程是是一个运运用逻辑辑方法进进行判断断和推理理的过程程。认识了分分离现象象和自由由组合现现象后,孟孟德尔没没有停步步,他开开始建立立遗传因因子假说说。在科科学研究究中,当当对科学学事实的的认识达达到一定定程度后后,就必必须通过过理论思思维的能能动作用用,运用用各种理理论思维维方法进进行整理
6、理和加工工,建立立科学假假说。这这是将研研究引向向深入的的重要环环节和一一般方法法。在孟孟德尔所所处的时时代,科科学界盛盛行的理理论思维维方法是是牛顿的的方法。牛牛顿在自自然哲学学的数学学原理中中提出的的第一条条科学方方法规则则,就是是简单性性原则。2对“简单性原则”概念的界定,学术界至今尚无一致意见。牛顿和孟德尔所运用的简单性原则的含义,是事物内部的简单性,即认为在对自然的认识中,最简单的解释总是比较可取的。正如爱因斯坦所说:“我们所谓的简单性,并不是指学生在精通这种体系时产生的困难最小,而是指这种体系所包含的彼此独立的假设或公设最少。”3近代科学中,道尔顿首先在19世纪初按照简单性原则,把
7、宏观的、高层次的、凭感官能觉察但认识还不够清楚的化学物质的多样性、复杂性,分解成数量无限多而种类比较少的微观的、低层次的、感官不能直接察觉的物质最小微粒原子(当时道尔顿的认识),再以原子之间的相互联系和相互作用,来理解、说明、解释化学物质的形态、结构、功能和属性的无限多样性、复杂性,达到对化学物质和化学变化的全面、深刻的认识,从而奠定了现代化学的基础。孟德尔在创建其遗传因子假说的过程中,有否借鉴道尔顿的原子论认识模式,我们不得而知。但他运用简单性原则取得了成功。他建立了遗传因子成对存在的模型并创造了符号体系予以表达,以有限种类基因的无限组合,解释了无限种生命形式的存在。假说虽然然具有一一定的事
8、事实基础础和知识识依据,但但毕竟不不同于科科学理论论,它带带有一定定的猜测测性和或或然性。因因此,在在建立起起假说后后,孟德德尔又运运用演绎绎推理以以测交实实验验证证其遗传传因子假假说。演演绎推理理是进行行逻辑证证明的一一种重要要方法,是是运用一一般原理理对具体体事物进进行推论论并作出出科学预预见和发发展科学学理论的的必要环环节。由此可见见,孟德德尔工作作的开拓拓性,除除了正确确选择材材料和采采用统计计方法,更更重要的的是巧妙妙地抽象象出科学学概念,建建立假说说,创造造符号体体系予以以表达并并与有计计划的实实验相结结合。这这种方法法自伽利利略和牛牛顿以来来在物理理学中一一直被使使用,但但在当时
9、时的生物物学中无无人知晓晓。这可可能是孟孟德尔的的工作没没有被与与他同时时代的最最优秀的的生物学学家所认认同的原原因。但但正是这这种方法法的建立立使遗传传学不断断取得进进展并成成为一门门真正的的科学。从逻辑方方法来分分析,遗遗传因子子假说的的逻辑起起点是分分离现象象的自由由组合现现象,概概括得出出这两个个现象时时孟德尔尔使用的的归纳方方法是简简单枚举举法,即即根据若若干对象象都具有有某种属属性而无无一反例例,于是是推论得得出该类类对象都都具有这这种属性性的结论论。简单单枚举归归纳法得得出的结结论带有有某种程程度的或或然性,不不能作为为科学理理论来使使用,只只能提供供尚需进进一步加加以研究究和验
10、证证的一种种假定。为为了从根根本上提提高结论论的可靠靠性,必必须努力力发现某某种属性性与某类类对象之之间的必必然联系系。如果果能够确确定某属属性是该该类对象象所必然然具有的的,那么么其推论论就最终终成立了了。这样样,推理理方法也也就由简简单枚举举法过渡渡到科学学归纳法法了。细细胞遗传传学和分分子遗传传学的成成果,最最终证明明了孟德德尔假说说的正确确性,因因为它们们根据对对遗传现现象和遗遗传物质质之间必必然联系系的认识识,推定定分离规规律和自自由组合合规律具具有普遍遍性。至至此,孟孟德尔假假说才被被确立为为遗传学学理论。其实,经经过分子子遗传学学的建立立这一场场“科学学革命”后后,现代代遗传学学
11、的“范范式”与与经典遗遗传学已已经完全全不同了了。现代代遗传学学的逻辑辑起点是是三个方方面的科科学事实实,一是是有性生生殖细胞胞的形成成和受精精作用(特特别是这这些过程程中染色色体的变变化);二是DDNA是是主要的的遗传物物质,每每个染色色体都是是由特定定的DNNA链和和蛋白质质组成的的;三是是遗传物物质对遗遗传信息息的储存存、传递递和表达达(分子子遗传学学中心法法则)。通通过对这这三方面面所发现现的科学学事实的的综合,建建构起了了现代遗遗传学理理论。而而前面所所述的遗遗传学的的发生发发展过程程,已经经成为历历史。二、进化化理论构构建的科科学方法法达尔文进进化论包包括两方方面的内内容,一一是肯
12、定定生物是是进化的的,二是是说明生生物进化化的机理理。对于于“生物物是进化化的”这这个结论论,达尔尔文在自自己的环环球考察察和前人人研究的的基础上上,收集集了大量量的材料料,主要要运用归归纳法得得出。后后来,又又有越来来越多的的发现提提供了新新的证据据。迄今今未遇到到反例。因因此可以以说,自自18559年达达尔文的的物种种起源发发表后,进进化论取取得了胜胜利。对对“生物物进化的的机理”,达达尔文用用自然选选择理论论解释。现现在有许许多异议议,但尚尚未有一一个理论论可以取取而代之之。对此此,我们们从科学学方法的的角度做做一分析析。自然选择择理论的的逻辑起起点是四四个科学学事实:过度繁繁殖、遗遗传
13、变异异、生存存斗争和和隔离。达达尔文以以它们为为基础,通通过与人人工选择择的类比比,依据据因果关关系而建建立起理理论体系系。在作作为逻辑辑起点的的四个科科学事实实中,过过度繁殖殖和生存存斗争,可可以通过过观察直直接证实实;对遗遗传变异异,现代代科学研研究也已已充分证证明,在在各种生生物中都都发现了了大量的的突变,遗遗传多态态现象(ppolyymorrphiism)广广泛存在在;隔离离阻断了了基因交交流,对对于小种种群来说说,确实实能使物物种分化化,这已已成为珍珍稀动物物保护中中建立“种种群通道道”的理理论依据据。现在在的争议议在选择择理论。达达尔文的的自然选选择理论论是通过过与“人人工选择择”
14、的类类比而建建立的,因因此仅仅仅是一种种推断。人人工选择择是在有有限范围围内进行行的,而而且是实实验上可可控的原原理。把把这样一一种原理理扩展成成普遍意意义上的的原理,是是否可以以?而且且到目前前为止,人人们除了了在多倍倍体植物物中发生生的一些些例子外外,在可可以观察察的范围围内从来来没有出出现过新新物种。所所以,通通过自然然选择产产生新物物种尚缺缺乏实证证。因此此,一些些人从思思维方式式和科学学方法的的角度,对对自然选选择学说说提出了了质疑。伴伴随对生生物进化化过程中中物种演演变认识识的深入入,遗传传学家歌歌德斯密密特(RR.B.Golldshhmiddt)在在19440年提提出了“大大进化
15、”和和“小进进化”的的概念。119444年古生生物学家家辛普森森(G.G.SSimppsonn)对此此概念又又做了修修正并给给予明确确定义,认认为小进进化(mmicrroevvoluutioon)考考察进化化过程中中物种内内性状维维持或变变异的规规律,大大进化(mmacrroevvoluutioon)则则研究物物种规模模演变的的特征。达达尔文和和他以后后的许多多进化论论者把生生物个体体看作是是进化的的单位,但但小进化化的研究究表明这这样的认认识是不不对的。实实际上,进进化的单单位,对对无性生生殖的生生物是无无性繁殖殖系,对对有性繁繁殖的生生物是通通过有性性生殖联联系起来来的种群群。这样样,在遗
16、遗传学研研究成果果的直接接推动下下,达尔尔文的自自然选择择学说发发生了一一次大的的改造,主主要体现现在选择择的效果果不再是是“生”或或“死”的的问题,而而变成了了在生物物的繁衍衍过程中中,突变变基因对对种群基基因库分分布(某某突变基基因和与与它同源源的等位位野生型型基因在在种群总总基因数数中的比比例)的的影响大大小的问问题;生生物进化化的单位位不再是是生物个个体,而而是扩展展到种群群。这是是对达尔尔文进化化论的一一次重要要修正,人人们把这这次修正正后的达达尔文进进化论称称为“现现代综合合论”(tthe moddernn syynthhesiis)。现代进化化理论对对小进化化的研究究,以遗遗传平
17、衡衡定律(HHarddy-WWeinnberrg定律律,19908)为为基础,引引进适合合度(ffitnnesss)和选选择系数数(seelecctivve ccoeffficciennt)的的概念后后,为自自然选择择学说提提供了可可靠的逻逻辑基础础和定量量概念,是是自然选选择学说说的重要要发展。现现在许多多生物学学家接受受选择理理论,正正是因为为遗传学学在这个个方面的的发展。然然而,对对现代综综合论,基基于种群群遗传学学基础之之上的小小进化模模式是否否可以解解释物种种形成和和高级分分类群起起源等大大进化现现象,多多年来一一直是进进化生物物学中争争论的一一个焦点点问题。特特别是220世纪纪70
18、年年代以来来,古生生物学研研究证明明生物的的大进化化过程并并不总是是与环境境的变迁迁相一致致。例如如,我国国云南澄澄江动物物群化石石揭示的的寒武纪纪大爆发发之类的的进化现现象(还还包括大大绝灭现现象)告告诉我们们,进化化不是一一个连续续的过程程而表现现为阶段段性的过过程,最最初是以以迅速形形成几种种主要类类群的方方式爆发发性地形形成类群群的阶段段,然后后是缓慢慢的物种种形成和和在每个个类群内内对不同同栖息地地逐渐适适应的阶阶段,最最后是衰衰落和绝绝灭阶段段。因此此,进化化不仅是是由环境境的变化化和生存存斗争决决定的,它它还受生生命系统统内部因因素的制制约。特特别是大大进化,更更是如此此。从控制
19、论论的角度度看,生生命系统统的稳态态是反馈馈调节的的结果。生生命系统统可能通通过负反反馈调节节而保持持稳态,也也可能通通过正反反馈调节节打破原原有的稳稳态,从从而建立立新的稳稳态或趋趋于毁灭灭。因此此,选择择并非只只是自然然的选择择,生命命系统作作为自组组织系统统,对系系统的发发展也存存在一定定的自身身干预,如如作为进进化单位位的种群群内部的的性选择择对基因因频率的的影响等等。从热热力学的的角度看看,热力力学第二二定律揭揭示的孤孤立系统统的熵增增加,是是一个退退化的过过程。220世纪纪中叶诞诞生的非非平衡态态热力学学,说明明生命系系统在本本质上都都是开放放系统。它它们的结结构都是是耗散结结构,
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