來源：生物學(xué)通報(bào)，2004,39（10）：24-26.

鄭春和?。ū本┦械谒闹袑W(xué)　北京　100034）

    普通高中《生物課程標(biāo)準(zhǔn)》中提到，自然界是一個(gè)統(tǒng)一的整體，自然科學(xué)中的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等各門學(xué)科，其思想方法、基本原理、研究?jī)?nèi)容有著密切的聯(lián)系。同時(shí)，生物學(xué)與數(shù)學(xué)、技術(shù)科學(xué)、信息科學(xué)相互作用，共同發(fā)展。此外，生物科學(xué)與人文社會(huì)科學(xué)也是相互影響的。加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)、科學(xué)的思想方法和統(tǒng)一的科學(xué)概念和過程，建立科學(xué)的自然觀，逐步形成正確的世界觀。

1　生物學(xué)與物理學(xué)和化學(xué)的關(guān)系密切

       自然科學(xué)是研究自然界的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)和地質(zhì)學(xué)等，屬于自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論科學(xué)范疇。從研究?jī)?nèi)容看，物理學(xué)主要研究物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)和原子運(yùn)動(dòng)等最基本運(yùn)動(dòng)形式，化學(xué)主要是研究物質(zhì)的分解與化合等較高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式，生物學(xué)則是研究生命活動(dòng)和延續(xù)等物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最高級(jí)形式，因此，生物學(xué)與物理學(xué)和化學(xué)的關(guān)系極為密切。此外，生命界的發(fā)生和發(fā)展與宇宙和地球的演變密不可分，所以生物學(xué)與地質(zhì)太空學(xué)也有著密切聯(lián)系。

       事實(shí)上，自然界是一個(gè)統(tǒng)一的整體，有關(guān)自然的知識(shí)具有普遍的適用性，如原子和分子。尤其是某些概念和原理在學(xué)科間互相應(yīng)用的現(xiàn)象隨處出現(xiàn)，如系統(tǒng)與反饋、物質(zhì)與能量、空間與時(shí)間、結(jié)構(gòu)與功能、動(dòng)態(tài)與平衡等概念。僅以物質(zhì)與能量這個(gè)概念而言，無論是原子、分子、細(xì)胞、生物體乃至生態(tài)系統(tǒng)，都是自然界存在的不同的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式,物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)和原子運(yùn)動(dòng)分別以機(jī)械能、電能和核能為動(dòng)力，物質(zhì)的分解反應(yīng)和化合反應(yīng)以其化學(xué)能的轉(zhuǎn)換為動(dòng)力，生命物質(zhì)的新陳代謝活動(dòng)則是以ATP提供的能量為動(dòng)力。在任何一個(gè)非生命物質(zhì)系統(tǒng)或生命物質(zhì)系統(tǒng)中，能量總是伴隨著物質(zhì)變化而轉(zhuǎn)換，但是，不論能量形式發(fā)生怎樣的轉(zhuǎn)換,其系統(tǒng)內(nèi)的能量總和始終保持不變,這就是能量守恒定律。不同學(xué)科間存在的這種科學(xué)概念和原理的統(tǒng)一性表明，這些學(xué)科的科學(xué)思想和方法具有一致性，即用唯物辯證的自然觀作指導(dǎo)來觀察和研究自然。

       正因?yàn)樽匀豢茖W(xué)各個(gè)學(xué)科的科學(xué)思想和方法是一致的，所以，生物學(xué)家與物理學(xué)家和化學(xué)家思考問題的方式和進(jìn)行科學(xué)探究的過程也是統(tǒng)一的。例如，他們把未知的具體問題作為探索科學(xué)奧秘的重要對(duì)象，將觀察和實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)探究的基本方法，許多有效的工具也在不同學(xué)科中共同使用等。在科學(xué)探索的過程中，他們十分尊重事實(shí)、注重證據(jù)和關(guān)注價(jià)值因素，把研究成果的社會(huì)應(yīng)用置于科學(xué)探索的過程中。他們通過觀察發(fā)現(xiàn)和提出問題；根據(jù)已有的學(xué)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過深思熟慮而作出假設(shè)；通過查閱各種信息資料，對(duì)假設(shè)的邏輯含義進(jìn)行推斷；精心設(shè)計(jì)調(diào)研或?qū)嶒?yàn)方案，找出和控制可變因素；反復(fù)實(shí)驗(yàn)并收集、分析和解讀數(shù)據(jù)，運(yùn)用邏輯和證據(jù)作出答案或解釋；利用各種圖表等建立模型，用于交流得出的科學(xué)結(jié)論，并對(duì)不同的觀點(diǎn)或批評(píng)意見作出反應(yīng)，等等。

       此外，在自然科學(xué)領(lǐng)域中，不同學(xué)科知識(shí)相互滲透的現(xiàn)象極為普遍。僅以人體生理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)而言，許多生理現(xiàn)象或本質(zhì)是用物理學(xué)知識(shí)加以解釋的。例如，用流體力學(xué)的壓強(qiáng)解釋血壓的生成及影響因素，用熱的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射解釋皮膚調(diào)節(jié)體溫的散熱方式，用滲透和彌散解釋水和膽固醇等的吸收，用擴(kuò)散解釋肺換氣和組織換氣，用凸透鏡的成像原理解釋眼球的折光成像，用動(dòng)作電位解釋神經(jīng)傳導(dǎo)等。同樣，細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的一系列高度有序的化學(xué)反應(yīng)是用化學(xué)知識(shí)解釋的。例如，用糖類、蛋白質(zhì)和脂類化學(xué)知識(shí)闡述糖代謝、蛋白質(zhì)代謝和脂肪代謝，用酶學(xué)知識(shí)闡述細(xì)胞代謝的特征，用核酸化學(xué)闡明遺傳信息的編制、傳遞和表達(dá)，用ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)機(jī)制解釋生命活動(dòng)的能源供應(yīng)?？傊?，生物學(xué)與物理學(xué)和化學(xué)有著極為密切的關(guān)系。

2　生物學(xué)與數(shù)學(xué)、信息科學(xué)和技術(shù)科學(xué)協(xié)同發(fā)展

       數(shù)學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)世界的空間形式和數(shù)量關(guān)系的科學(xué)，數(shù)學(xué)分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)理邏輯是生命科學(xué)研究的重要工具和方法?？v觀生命科學(xué)發(fā)展的歷史，數(shù)學(xué)對(duì)生命科學(xué)研究和發(fā)展的重要作用是不言而喻的。

       早在古希臘的科學(xué)發(fā)展時(shí)期，柏拉圖曾依據(jù)動(dòng)物的棲息環(huán)境，使用數(shù)學(xué)的二歧式分枝法對(duì)其進(jìn)行分類。后來，他的學(xué)生亞里士多德認(rèn)為，要確定動(dòng)物之間的親緣關(guān)系，研究動(dòng)物生活的環(huán)境、結(jié)構(gòu)、習(xí)性、運(yùn)動(dòng)形式和生殖方式，就會(huì)發(fā)現(xiàn) “它的生成和組合”總是具有“一種美妙的形式”。為此，他依據(jù)動(dòng)物血液是否紅色，將其分為無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物；再依據(jù)生殖方式的不同，對(duì)520多種動(dòng)物進(jìn)行分類，構(gòu)建了一個(gè)生物梯級(jí)略圖，并使用屬（genus）和種(species)作為兩個(gè)分類術(shù)語（起源于希臘語“形式”一詞）。此后，亞里士多德的繼承者和崇拜者們?cè)谘芯看x問題的實(shí)驗(yàn)中，還試圖運(yùn)用定量方法分析喂食-體重-排泄物之間的數(shù)量關(guān)系。上述事實(shí)表明，早在生物學(xué)發(fā)展的準(zhǔn)備和奠基階段，數(shù)學(xué)的思維方式和方法就已經(jīng)應(yīng)用到生物研究中，并對(duì)生物學(xué)的發(fā)展起著推動(dòng)作用。

       事實(shí)上，數(shù)學(xué)在生命科學(xué)各個(gè)重大發(fā)展時(shí)期都起著促進(jìn)作用。例如，哈維的《心血循環(huán)論》是經(jīng)典生物學(xué)時(shí)期（16世紀(jì)初—19世紀(jì)中后）的典型代表，這篇論文的突出研究課題是“心臟的每次搏動(dòng)向全身輸送多少血液”，而且他首創(chuàng)把實(shí)驗(yàn)與定量方法結(jié)合起來應(yīng)用于血液循環(huán)研究，并根據(jù)他用放大鏡進(jìn)行的觀察推測(cè)全身有一個(gè)“不能直接觀察的血管交織網(wǎng)”。顯然，實(shí)驗(yàn)與定量方法相結(jié)合應(yīng)用于生物學(xué)研究，是生物學(xué)發(fā)展過程中的一個(gè)顯著進(jìn)步，這種研究方法在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)領(lǐng)域也應(yīng)用得很少。孟德爾被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)生物學(xué)時(shí)期（19世紀(jì)中后—20世紀(jì)初）的先驅(qū)者，他使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示出相對(duì)性狀分離和不同性狀自由組合的遺傳實(shí)質(zhì)。孟德爾的杰出貢獻(xiàn)，一方面是孟德爾定律是基因傳遞的基本規(guī)律，另一方面他是第1位將概率原理用于預(yù)測(cè)遺傳雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)家，他所創(chuàng)立的《植物雜交試驗(yàn)》原理至今仍廣泛地應(yīng)用于遺傳學(xué)研究。1953年，Watson和Crick首次提出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，奠定了現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，開辟了生命科學(xué)的新紀(jì)元。這個(gè)雙螺旋結(jié)構(gòu)以其簡(jiǎn)潔和美的三維空間構(gòu)像，成為當(dāng)代生物學(xué)和社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)代象征。顯然，建立模型的數(shù)學(xué)思維方式和方法，是促使沃森和克里克取得研究成功的重要方面之一。

       同樣，生物科學(xué)發(fā)展的需要對(duì)數(shù)學(xué)研究也有巨大的推進(jìn)作用。例如，生態(tài)學(xué)的研究方法可分為：野外研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)學(xué)模型研究三大類。在生態(tài)學(xué)發(fā)展的歷史中，野外研究是最先產(chǎn)生的基本方法，野外進(jìn)行數(shù)量調(diào)查的特殊性促進(jìn)了數(shù)量統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展，種群生物統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)及生物數(shù)學(xué)分類法則應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)學(xué)模型研究是利用數(shù)學(xué)手段，描述種群數(shù)量動(dòng)態(tài)及機(jī)制，以及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)規(guī)律，并進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)種群行為和數(shù)量動(dòng)態(tài)，或者估算出生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力指標(biāo)。例如，模擬一次傳染病在種群中大流行的后果，或模擬一種有毒污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響等，都要求進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)處理和定量預(yù)測(cè)，這對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)及動(dòng)態(tài)分析研究提出一系列新的課題。

       大家知道，信息、材料和能源，被譽(yù)為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的三大支柱，生物學(xué)與信息科學(xué)和技術(shù)科學(xué)也有十分密切聯(lián)系。

       信息科學(xué)是以信息論為基礎(chǔ)，與電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等學(xué)科相聯(lián)系而發(fā)展起來的一門新興的科學(xué)，其任務(wù)是研究各種信息的性質(zhì)，受控機(jī)械、生物和人類對(duì)相關(guān)信息的獲取、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理、利用和控制的一般規(guī)律，以及設(shè)計(jì)和制作各種信息器械，以便將人腦從自然力的束縛下解放出來，提高人類認(rèn)識(shí)自然和保持與自然和諧發(fā)展的能力。信息技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。從20世紀(jì)60年代至今，電子信息技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，并已深入千家萬戶和關(guān)聯(lián)到每個(gè)人的生活。與此同時(shí)，激光信息技術(shù)的優(yōu)越性能使其得到迅速發(fā)展，已經(jīng)形成對(duì)電子信息技術(shù)的補(bǔ)充和強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。從20世紀(jì)70年代開始的生物信息技術(shù),已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里研制出生物計(jì)算機(jī)模型。生物計(jì)算機(jī)亦稱DNA計(jì)算機(jī),它的工作原理是以瞬間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，利用酶的催化作用將反應(yīng)過程進(jìn)行分子編碼，當(dāng)信息在特制的生物芯片中沿著蛋白質(zhì)分子鏈傳遞時(shí)，會(huì)引起分子鏈中單鍵與雙鍵結(jié)構(gòu)順序的改變，從而對(duì)問題以新的DNA編碼形式加以解答。生物計(jì)算機(jī)一旦研究成功，必將推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)向著智能化方向發(fā)展。

       生物科學(xué)成為當(dāng)今世界自然科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)先學(xué)科有兩個(gè)主要原因:一是從20世紀(jì)50年代以來，分子生物學(xué)取得的一系列成就，使生物學(xué)在自然科學(xué)中的地位發(fā)生變化；二是生物技術(shù)的發(fā)展為人類創(chuàng)造了巨大財(cái)富。一般認(rèn)為，現(xiàn)代生物技術(shù)通常包括基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)及其酶工程。其中，以克隆和DNA重組為核心技術(shù)的基因工程發(fā)展得最快，并帶動(dòng)了細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程的發(fā)展。此外，基因診斷與治療技術(shù)、克隆動(dòng)物技術(shù)、生物芯片技術(shù)、生物材料技術(shù)、生物能源技術(shù)和生物凈化技術(shù)等都屬于現(xiàn)代生物技術(shù)的范疇?，F(xiàn)代生物技術(shù)實(shí)際上是一門綜合技術(shù)，與生物技術(shù)相關(guān)聯(lián)的學(xué)科有：分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)、化學(xué)工程學(xué)及醫(yī)藥學(xué)等。作為現(xiàn)代生物技術(shù)領(lǐng)域，它可分為：農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、醫(yī)藥生物技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)和海洋生物技術(shù)等?？茖W(xué)界普遍認(rèn)識(shí)到，生物技術(shù)將是21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力,它將在農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、能源、治理環(huán)境污染、纖維與包裝材料和醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域形成巨大的產(chǎn)業(yè)，將為人類提供不可估量的利益。

3　生物學(xué)與人文社會(huì)科學(xué)相互影響

       人類創(chuàng)造的文化，除科學(xué)文化外還有人文文化，人文社會(huì)科學(xué)則是人文文化的象征。人文社會(huì)科學(xué)是由人文科學(xué)、社會(huì)科學(xué)以及兩者交叉構(gòu)成的邊緣學(xué)科共同組成的學(xué)科群，它以人的社會(huì)存在為研究對(duì)象，以闡述人的本質(zhì)和人類社會(huì)發(fā)展規(guī)律為宗旨，其主干學(xué)科大致包括：政治學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、軍事學(xué)、法學(xué)、哲學(xué)、語言學(xué)、文藝學(xué)、歷史學(xué)、人類學(xué)、社會(huì)學(xué)、宗教學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)、管理學(xué)、新聞與傳播學(xué)、情報(bào)與文獻(xiàn)學(xué)、體育科學(xué)及人文地理學(xué)等。從人文社會(huì)科學(xué)的這個(gè)龐大的學(xué)科群不難看出，生物學(xué)與其他許多學(xué)科有著直接或間接的關(guān)系,而且在人類創(chuàng)造文化的歷史長(zhǎng)河中,生物學(xué)與人文社會(huì)科學(xué)之間相互影響和相互促進(jìn),兩者將在交叉滲透和相互交融中走向發(fā)展的新世紀(jì)。

       在人文社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域中，哲學(xué)與生物學(xué)的相互影響是最突出的。古希臘的柏拉圖和亞里士多德的哲學(xué)觀，左右著他們對(duì)大自然及其生物的觀察和認(rèn)識(shí)，他們及后輩學(xué)者對(duì)物種和屬的概念及其動(dòng)物分類的研究，都帶有各自明顯的哲學(xué)觀念。同樣，古希臘-羅馬世界的人體解剖學(xué)和藥物學(xué)研究，對(duì)當(dāng)時(shí)盛行的神創(chuàng)論和自然主義哲學(xué)產(chǎn)生很大的沖擊力。18世紀(jì)末到19世紀(jì)，哲學(xué)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，辯證法與唯物主義相結(jié)合使哲學(xué)成為具有強(qiáng)大生命力的真正科學(xué)的哲學(xué)，特別是馬克思主義哲學(xué)對(duì)自然科學(xué)和人文社會(huì)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。與此同時(shí)，細(xì)胞學(xué)、實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)、微生物學(xué)、生理解剖學(xué)、生物進(jìn)化論和遺傳學(xué)等學(xué)科的崛起或迅速發(fā)展，也為辯證唯物論提供了充分的科學(xué)證據(jù)。

       隨著當(dāng)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，生物學(xué)與人文社會(huì)科學(xué)的關(guān)系更加密切。人文社會(huì)科學(xué)研究涉及到許多社會(huì)熱點(diǎn)問題，如人口與計(jì)劃生育問題，晚婚、優(yōu)生和優(yōu)育問題，獨(dú)生子女教育問題，營(yíng)養(yǎng)與智力開發(fā)問題，老年性疾病和防止衰老問題，環(huán)境污染問題，癌癥和艾滋病等疾病的防治問題等，深入研究和解決這些問題則與生物科學(xué)研究和發(fā)展進(jìn)程有著直接關(guān)系。20世紀(jì)末至本世紀(jì)初，試管嬰兒、核移植、轉(zhuǎn)基因、克隆、人類基因組計(jì)劃和人類單體型計(jì)劃等現(xiàn)代生物技術(shù)相繼取得的成果，已經(jīng)對(duì)世界各國(guó)的政治家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、科學(xué)家、法律學(xué)家、社會(huì)學(xué)家和倫理學(xué)家提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，克隆器官和基因診斷與治療則給病患者及家庭帶來福音。此外，許多國(guó)家將腦科學(xué)研究作為本世紀(jì)頭10年的重點(diǎn)課題，隨著腦科學(xué)研究對(duì)腦功能奧秘的揭示，人們對(duì)感知、運(yùn)動(dòng)控制、學(xué)習(xí)記憶、情緒、游泳及意識(shí)等方面的認(rèn)識(shí)將產(chǎn)生重大的突破，從而必將導(dǎo)致教育學(xué)、心理學(xué)乃至思維科學(xué)等發(fā)生一場(chǎng)根本性的變革。

       進(jìn)入21世紀(jì)，人類社會(huì)面臨的人口、糧食、資源和環(huán)境方面的形勢(shì)是十分嚴(yán)峻的。21世紀(jì)中期，世界人口將突破100億大關(guān)。到2040年前后，我國(guó)人口才能穩(wěn)定在16億左右。隨著人口迅速增長(zhǎng)和人類生產(chǎn)活動(dòng)的擴(kuò)張，環(huán)境惡化和全球生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。如何保護(hù)全球生態(tài)平衡，協(xié)調(diào)人與自然的和諧關(guān)系，提高生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與科技結(jié)合的綜合效益，已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)研究的主要任務(wù)。為此，生態(tài)學(xué)更加注重宏觀與微觀研究相結(jié)合，逐步向定量化、模型化和工程化方向發(fā)展，生態(tài)工程學(xué)、自然資源生態(tài)學(xué)、人類生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)和城市生態(tài)學(xué)等許多應(yīng)用生態(tài)學(xué)的分支學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí)，生態(tài)學(xué)更加強(qiáng)調(diào)與其他自然科學(xué)和人文社會(huì)科學(xué)的相互滲透，尤其是在防治環(huán)境污染和保護(hù)生物多樣性方面進(jìn)行多學(xué)科綜合研究，才能使得人類維護(hù)生態(tài)平衡和保護(hù)生物多樣性的計(jì)劃得以實(shí)施，使人類與自然和諧而持續(xù)發(fā)展的愿望得到實(shí)現(xiàn)。