逍遥学能 2014-08-22 13:20
普通高中《生物课程标准》中提到，自然界是一个统一的整体，自然科学中的物理学、化学、生物学等各门学科，其思想方法、基本原理、研究内容有着密切的联系。同时，生物学与数学、技术科学、信息科学相互作用，共同发展。此外，生物科学与人文社会科学也是相互影响的。加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的本质、科学的思想方法和统一的科学概念和过程，建立科学的自然观，逐步形成正确的世界观。
1 生物学与物理学和化学的关系密切
自然科学是研究自然界的物质结构、形态、性质和运动规律的科学，数学、物理学、化学、生物学、天文学和地质学等，属于自然科学的基础理论科学范畴。从研究内容看，物理学主要研究物质的机械运动、电磁运动和原子运动等最基本运动形式，化学主要是研究物质的分解与化合等较高级运动形式，生物学则是研究生命活动和延续等物质运动的最高级形式，因此，生物学与物理学和化学的关系极为密切。此外，生命界的发生和发展与宇宙和地球的演变密不可分，所以生物学与地质太空学也有着密切联系。
事实上，自然界是一个统一的整体，有关自然的知识具有普遍的适用性，如原子和分子。尤其是某些概念和原理在学科间互相应用的现象随处出现，如系统与反馈、物质与能量、空间与时间、结构与功能、动态与平衡等概念。仅以物质与能量这个概念而言，无论是原子、分子、细胞、生物体乃至生态系统，都是自然界存在的不同的物质运动形式，物质的机械运动、电磁运动和原子运动分别以机械能、电能和核能为动力，物质的分解反应和化合反应以其化学能的转换为动力，生命物质的新陈代谢活动则是以ATP提供的能量为动力。在任何一个非生命物质系统或生命物质系统中，能量总是伴随着物质变化而转换，但是，不论能量形式发生怎样的转换，其系统内的能量总和始终保持不变，这就是能量守恒定律。不同学科间存在的这种科学概念和原理的统一性表明，这些学科的科学思想和方法具有一致性，即用唯物辩证的自然观作指导来观察和研究自然。
正因为自然科学各个学科的科学思想和方法是一致的，所以，生物学家与物理学家和化学家思考问题的方式和进行科学探究的过程也是统一的。例如，他们把未知的具体问题作为探索科学奥秘的重要对象，将观察和实验作为科学探究的基本方法，许多有效的工具也在不同学科中共同使用等。在科学探索的过程中，他们十分尊重事实、注重证据和关注价值因素，把研究成果的社会应用置于科学探索的过程中。他们通过观察发现和提出问题；根据已有的学识和经验，经过深思熟虑而作出假设；通过查阅各种信息资料，对假设的逻辑含义进行推断；精心设计调研或实验方案，找出和控制可变因素；反复实验并收集、分析和解读数据，运用逻辑和证据作出答案或解释；利用各种图表等建立模型，用于交流得出的科学结论，并对不同的观点或批评意见作出反应，等等。
此外，在自然科学领域中，不同学科知识相互渗透的现象极为普遍。仅以人体生理学基础知识而言，许多生理现象或本质是用物理学知识加以解释的。例如，用流体力学的压强解释血压的生成及影响因素，用热的传导、对流和辐射解释皮肤调节体温的散热方式，用渗透和弥散解释水和胆固醇等的吸收，用扩散解释肺换气和组织换气，用凸透镜的成像原理解释眼球的折光成像，用动作电位解释神经传导等。同样，细胞内发生的一系列高度有序的化学反应是用化学知识解释的。例如，用糖类、蛋白质和脂类化学知识阐述糖代谢、蛋白质代谢和脂肪代谢，用酶学知识阐述细胞代谢的特征，用核酸化学阐明遗传信息的编制、传递和表达，用ATP与ADP相互转化的反应机制解释生命活动的能源供应。总之，生物学与物理学和化学有着极为密切的关系。
2 生物学与数学、信息科学和技术科学协同发展
数学是研究现实世界的空间形式和数量关系的科学，数学分析、数理统计和数理逻辑是生命科学研究的重要工具和方法。纵观生命科学发展的历史，数学对生命科学研究和发展的重要作用是不言而喻的。
早在古希腊的科学发展时期，柏拉图曾依据动物的栖息环境，使用数学的二歧式分枝法对其进行分类。后来，他的学生亚里士多德认为，要确定动物之间的亲缘关系，研究动物生活的环境、结构、习性、运动形式和生殖方式，就会发现“它的生成和组合”总是具有“一种美妙的形式”。为此，他依据动物血液是否红色，将其分为无脊椎动物和脊椎动物；再依据生殖方式的不同，对520多种动物进行分类，构建了一个生物梯级略图，并使用属（genus）和种（species）作为两个分类术语（起源于希腊语“形式”一词）。此后，亚里士多德的继承者和崇拜者们在研究代谢问题的实验中，还试图运用定量方法分析喂食一体重一排泄物之间的数量关系。上述事实表明，早在生物学发展的准备和奠基阶段，数学的思维方式和方法就已经应用到生物研究中，并对生物学的发展起着推动作用。
事实上，数学在生命科学各个重大发展时期都起着促进作用。例如，哈维的《心血循环论》是经典生物学时期（16世纪初—19世纪中后）的典型代表，这篇论文的突出研究课题是“心脏的每次搏动向全身输送多少血液”，而且他首创把实验与定量方法结合起来应用于血液循环研究，并根据他用放大镜进行的观察推测全身有一个“不能直接观察的血管交织网”．显然，实验与定量方法相结合应用于生物学研究，是生物学发展过程中的一个显著进步，这种研究方法在当时的物理学领域也应用得很少。孟德尔被认为是实验生物学时期（19世纪中后—20世纪初）的先驱者，他使用数理统计方法对豌豆杂交实验的数据进行分析，揭示出相对性状分离和不同性状自由组合的遗传实质。孟德尔的杰出贡献，一方面是孟德尔定律是基同传递的基本规律，另一方面他是第1位将概率原理用于预测遗传杂交实验结果的科学家，他所创立的《植物杂交试验》原理至今仍广泛地应用于遗传学研究。1953年，Watson和 Crick首次提出 DNA分子双螺旋结构模型，奠定了现代分子生物学发展的基础，开辟了生命科学的新纪元。这个双螺旋结构以其简洁和美的三维空间构像，成为当代生物学和社会发展的现代象征。显然，建立模型的数学思维方式和方法，是促使沃森和克里克取得研究成功的重要方面之一。
同样，生物科学发展的需要对数学研究也有很大的推进作用。例如，生态学的研究方法可分为：野外研究、实验研究和数学模型研究三大类。在生态学发展的历史中，野外研究是最先产生的基本方法，野外进行数量调查的特殊性促进了数量统计学的发展，种群生物统计学、数学生态学及生物数学分类法则应运而生。数学模型研究是利用数学手段，描述种群数量动态及机制，以及生态系统内的能量流动和物质循环规律，并进行模拟和预测种群行为和数量动态，或者估算出生态系统的生产力指标。例如，模拟一次传染病在种群中大流行的后果，或模拟一种有毒污染物对生态系统的影响等，都要求进行精确的数学处理和定量预测，这对数理统计及动态分析研究提出一系列新的课题。
大家知道，信息、材料和能源，被誉为现代科学技术发展的三大支柱，生物学与信息科学和技术科学也有十分密切联系。
信息科学是以信息论为基础，与电子学、计算机和自动化技术、数学、生物学、物理学和化学等学科相联系而发展起来的一门新兴的科学，其任务是研究各种信息的性质，受控机械、生物和人类对相关信息的获取、转换、传输、处理、利用和控制的一般规律，以及设计和制作各种信息器械，以便将人脑从自然力的束缚下解放出来，提高人类认识自然和保持与自然和谐发展的能力。信息技术的发展突飞猛进。从20世纪60年代至今，电子信息技术在各个领域中得到广泛的应用，并已深入千家万户和关联到每个人的生活 与此同时，激光信息技术的优越性能使其得到迅速发展，已经形成对电子信息技术的补充和强有力的挑战。从20世纪70年代开始的生物信息技术，已经在实验室里研制出生物计算机模型。生物计算机亦称DNA计算机，它的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，利用酶的催化作用将反应过程进行分子编码，当信息在特制的生物芯片中沿着蛋白质分子链传递时，会引起分子链中单键与双键结构顺序的改变，从而对问题以新的DNA编码形式加以解答。生物计算机一旦研究成功，必将推动计算机技术向着智能化方向发展。
生物科学成为当今世界自然科学领域的领先学科有两个主要原因：一是从20世纪50年代以来，分子生物学取得的一系列成就，使生物学在自然科学中的地位发生变化；二是生物技术的发展为人类创造了巨大财富。一般认为，现代生物技术通常包括基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质及其酶工程。其中，以克隆和 DNA重组为核心技术的基因工程发展得最快，并带动了细胞工程、发酵工程、蛋白质工程的发展。此外，基因诊断与治疗技术、克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术和生物净化技术等都属于现代生物技术的范畴。现代生物技术实际上是一门综合技术，与生物技术相关联的学科有：分子生物学、细胞生物学、微生物学、生物化学、遗传学、化学工程学及医药学等。作为现代生物技术领域，它可分为：农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术和海洋生物技术等。科学界普遍认识到，生物技术将是21世纪经济发展的新动力，它将在农业、养殖业、能源、治理环境污染、纤维与包装材料和医药工业等领域形成巨大的产业，将为人类提供不可估量的利益。
3 生物学与人文社会科学相互影响
人类创造的文化，除科学文化外还有人文文化，人文社会科学则是人文文化的象征。人文社会科学是由人文科学、社会科学以及两者交叉构成的边缘学科共同组成的学科群，它以人的社会存在为研究对象，以阐述人的本质和人类社会发展规律为宗旨，其主干学科大致包括：政治学、经济学、军事学、法学、哲学、语言学、文艺学、历史学、人类学、社会学、宗教学、教育学、心理学、管理学、新闻与传播学、情报与文献学、体育科学及人文地理学等。从人文社会科学的这个庞大的学科群不难看出，生物学与其他许多学科有着直接或间接的关系，而且在人类创造文化的历史长河中，生物学与人文社会科学之间相互影响和相互促进，两者将在交叉渗透和相互交融中走向发展的新世纪。
在人文社会科学领域中，哲学与生物学的相互影响是最突出的。古希腊的柏拉图和亚里士多德的哲学观，左右着他们对大自然及其生物的观察和认识，他们及后辈学者对物种和属的概念及其动物分类的研究，都带有各自明显的哲学观念。同样，古希腊一罗马世界的人体解剖学和药物学研究，对当时盛行的神创论和自然主义哲学产生很大的冲击力。18世纪末到19世纪，哲学获得了长足的发展，辩证法与唯物主义相结合使哲学成为具有强大生命力的真正科学的哲学，特别是马克思主义哲学对自然科学和人文社会科学的发展产生了巨大的推动作用。与此同时，细胞学、实验胚胎学、微生物学、生理解剖学、生物进化论和遗传学等学科的崛起或迅速发展，也为辩证唯物论提供了充分的科学证据。
随着当代经济和社会的发展，生物学与人文社会科学的关系更加密切。人文社会科学研究涉及到许多社会热点问题，如人口与计划生育问题，晚婚、优生和优育问题，独生子女教育问题，营养与智力开发问题，老年性疾病和防止衰老问题，环境污染问题，癌症和艾滋病等疾病的防治问题等，深入研究和解决这些问题则与生物科学研究和发展进程有着直接关系。20世纪末至本世纪初，试管婴儿、核移植、转基因、克隆、人类基因组计划和人类单体型计划等现代生物技术相继取得的成果，已经对世界各国的政治家、经济学家、科学家、法律学家、社会学家和伦理学家提出了严峻的挑战，克隆器官和基因诊断与治疗则给病患者及家庭带来福音。此外，许多国家将脑科学研究作为本世纪头10年的重点课题，随着脑科学研究对脑功能奥秘的揭示，人们对感知、运动控制、学习记忆、情绪、游泳及意识等方面的认识将产生重大的突破，从而必将导致教育学、心理学乃至思维科学等发生一场根本性的变革。
进入21世纪，人类社会面临的人口、粮食、资源和环境方面的形势是十分严峻的。21世纪中期，世界人口将突破 100亿大关。到 2040年前后，我国人口才能稳定在16亿左右。随着人口迅速增长和人类生产活动的扩张，环境恶化和全球生态系统遭到破坏。如何保护全球生态平衡，协调人与自然的和谐关系，提高生态、经济、社会与科技结合的综合效益，已经成为生态学研究的主要任务。为此，生态学更加注重宏观与微观研究相结合，逐步向定量化、模型化和工程化方向发展，生态工程学、自然资源生态学、人类生态学农业生态学和城市生态学等许多应用生态学的分支学科应运而生。与此同时，生态学更加强调与其他自然科学和人文社会科学的相互渗透，尤其是在防治环境污染和保护生物多样性方面进行多学科综合研究，才能使得人类维护生态平衡和保护生物多样性的计划得以实施，使人类与自然和谐而持续发展的愿望得到实现。