生物学的世界观概论

所谓世界观，其实就是对世界的根本看法。世为时间，界为空间，观为观念。人们曾认为地球是宇宙的中心，人类是地球的主人。西方人最初认为万物都是为了人类生活这个目的而由“神”创造出来的。可是，哥白尼提出了日心说，说太阳才是中心；达尔文提出了进化论，说人类不是由“神”创造的。“地心说”“日心说”“进化论”这些观点在本质上反映了人们看待世界的方式，所以就称之为世界观。

我把生物学的世界观总结为结构功能观、物质能量观、稳态平衡观和进化适应观。这4个观念不仅是我们认识生物这门学科的一套基本工具，还是我们理解过去、预判未来的一幅思维导图。在下文中，我会举例来解释这4个抽象的名词。

镰刀型细胞贫血病的故事

20世纪初，一个非洲青年因身体不适来到了赫里克医生的诊所，他的症状包括发烧、肌肉酸痛、四肢无力，且否认最近有外伤和剧烈运动。医生使用了当时能使用的所有治疗发烧和疼痛的药物，可是病人没有一点好转。赫里克医生感到很奇怪，通过对患者血液细胞的检查，发现他的红细胞不是正常的盘状，而是镰刀的形状。

大家都知道，红细胞对我们来说非常重要，它负责运输氧气。正常的红细胞能够把氧气运输到全身各个细胞中去，让细胞进行有氧呼吸，分解储存在细胞内的葡萄糖等有机物，从而释放大量的能量供人体进行生命活动。中国成人体内的红细胞数目的正常范围是（3.5～5.5）×1012/L，人体通过制造新的红细胞来补充死去的红细胞这一方式，使得红细胞的数量处于动态平衡之中。正常人体的红细胞为盘状，能穿过很细的毛细血管。然而，镰刀状的红细胞变形能力差，在流到很细的毛细血管附近时，由于无法通过，会堵塞毛细血管，引起患者的局部缺氧，从而感觉疼痛，严重时甚至可能导致死亡。

从理论上讲，镰刀型细胞贫血病突变的产生概率在各个人群中是一致的，但有数据显示，撒哈拉沙漠以南的非洲人患镰刀型细胞贫血病的概率远高于其他人群。为什么镰刀型细胞贫血病在非洲人中患病率最高呢？

非洲撒哈拉沙漠以南的绝大部分区域属于热带雨林气候或热带草原气候，高温高湿的气候条件极利于疟疾的传播。疟疾已经成为当地居民健康的最大威胁，使非洲每年死亡几十万人。科学家发现，杂合基因型的镰刀型细胞贫血病基因携带者能够在降低疟疾感染率的同时，将贫血的症状维持在较低水平。因为在杂合基因型的镰刀型细胞贫血病基因携带者中，既可以产生正常的血红蛋白，又能产生失活的血红蛋白。这使得个体本身既不会表现出明显的贫血症状，又使得单个红细胞的含氧量低于正常值，导致疟原虫无法在这样的红细胞中寄生，因此镰刀型细胞贫血病反而让患者不容易得疟疾。

得了镰刀型细胞贫血病反而有助于抵抗疟疾，这真是一件有趣的事情。不利的镰刀型细胞基因突变居然也是有好处的，可以转变为防止疟疾流行的一种可行的解决方案。其实，不仅仅是镰刀型贫血病，很多疾病，像糖尿病、高血压、高胆固醇等，都曾经帮助人类战胜如饥荒、瘟疫、缺水、极寒天气、中毒等不利环境。生命是一个极其复杂的动态演化过程，生病有时候只是这个过程中的一种妥协，生命选择致病性突变的最终目的是换来整个种群的延续。所以，从某种意义上来说，进化其实是生命的一种“不得已”的权宜之计，它选择的不是最好的，而是最适应环境的，是“两害相权取其轻”的自然选择的结果。下面我来总结一下镰刀型细胞贫血病案例里面涉及的生物学观念。

生态系统中的生物学观念

由植物、动物、微生物和周围的非生物环境的相互作用形成的统一整体，称为生态系统，一片森林、一片草原、一片湖泊、一块农田，都可以看成是一个生态系统。在生态系统中，也能够体现出结构功能观、物质能量观、稳态平衡观和进化适应观，下面我们分别来讲解。

生态系统由生产者、消费者、分解者和非生物的物质和能量组成。生产者，如大多数的植物，可以通过光合作用将光能转变成储存在有机物中的化学能，所以，生产者在生态系统中是必需的成分。消费者，如大多数的动物，能加快生态系统的物质循环，也能帮助植物传播花粉和种子，在生态系统中有比较重要的作用。分解者能将动植物的遗体、动物的粪便等进行分解，形成无机物，进一步为生产者提供物质和能量。在生态系统中，生产者、消费者、分解者这些成分相互关联、相互作用，使得生态系统成为一个统一的整体。

生产者和消费者之间通过捕食关系形成了食物链和食物网，这是生态系统的营养结构，生态系统的功能——物质循环和能量流动就是沿着食物链进行传递的。所以，结构是功能的基础，结构决定其功能的实现，这体现了结构功能观。

物质作为能量的载体，使得能量沿着食物链从第一营养级传递到最高级营养级。在此过程中，由于呼吸消耗、分解者分解等过程，能量呈现出单向传递、逐级递减的特点。因此，生态系统需要来自外界的能量补充，才能维持生态系统的正常功能。而碳、氢、氧、氮、磷等元素能够从非生物群落到生物群落不断进行循环，能量作为动力促进这一循环过程的进行。所以物质和能量之间是相互依存、相互促进的，这体现了物质能量观。

在大草原上，如果兔子太多，草就会变少。但是，如果兔子多了，狼就会多，使得兔子不会太多。因此，草原上草的量会恢复或者接近原来的水平。所以，生态系统的结构和功能是处于一定平衡中的，生物的种类保持相对稳定，物质和能量的输入和输出保持相对稳定，生产—消费—分解的各个过程保持相对稳定，生态系统具有良好的自我调节能力，这体现了稳态平衡观。

荒漠中的仙人掌长有肥厚的肉质茎，叶呈针状，气孔在晚上才开放，这是为了让仙人掌减少水分的散失。骆驼刺植株很矮，但根却能长达15米，发达的根系可以帮助植物有效吸收水分。蜥蜴和蛇外表皮有鳞片，可以减少水分的蒸发。某些啮齿类动物以固态尿酸盐而不是含尿素的尿液的形式排泄含氮废物，也是为了减少水分的流失。这些生物发展出了适应荒漠生存环境的本领。其实，不只是荒漠，草原、森林等生态系统中，生物的生理、行为等都有与其环境相适应的特征，而这些是长期的生物与生物之间、生物与环境之间协同进化的结果，这体现了进化适应观。

ATP中的生物学观念

ATP（腺嘌呤核苷三磷酸，简称腺苷三磷酸）是生命体内非常重要的一种小分子，它是生物体直接的能量来源。为什么ATP是直接能源物质而葡萄糖却不是呢？根据结构决定功能的生物学观念，我们要想回答某个物质为什么有这样的作用，就要先从它的结构入手去分析。

1分子ATP由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸基团组成。在第1个磷酸和第2个磷酸、第2个磷酸和第3个磷酸之间是由2个高能磷酸键连接在一起的，高能磷酸键的水解能释放出大量的能量。而ATP之所以能够快速地提供能量，就是因为ATP很容易水解。ATP为什么容易水解呢？从结构上我们可以看到3个磷酸基团横着排列在一起，而磷酸基团是带负电的，我们把每个磷酸基团都想象成带1个负电的球，3个带负电的球挤在一起，同性相斥，最外面的那个球非常容易掉下去，也就是说，最外面那个高能磷酸键是最容易被水解的。所以，ATP高能磷酸键的结构决定了ATP容易水解这一性质，进一步决定了ATP能够充当直接能源物质这一功能。这体现了结构功能观。

ATP水解形成ADP（腺苷二磷酸），可以释放能量，用于各项生命活动。比如，ATP释放的能量可以转化为纤毛和鞭毛的摆动、肌细胞的收缩、细胞分裂期间染色体的运动等活动需要的机械能，也可以转化为生物体内神经系统传导冲动和某些生物产生电流的电能，还可以转化成萤火虫发光时的光能……ATP会消耗完吗？体内的ATP消耗殆尽后怎么办？如果ATP消耗完了，那我们将无法学习、无法工作、无法生活，甚至连基本的生命活动都不能维持了。实际上，ATP是不会消耗完的。

成年人每天所需的能量等同于水解100～150mol ATP获得的能量， 100～150mol ATP的质量为50～75kg，这差不多就是一个成年人的体重了，显然人体内不可能含有那么多ATP。实际测得人体内细胞中的ATP含量只有0.1mol，而且几乎一直维持在这个水平上，那么多的能量是从哪里来的呢？其实，人体不停地生产和消耗ATP，在消耗后马上补充。ATP永远维持在一个动态平衡的状态之中，人体也有了源源不断的能量，这就是稳态平衡观。通过计算我们可以知道，每一个ATP分子，每天在人体内要被生产和消耗2000～3000次，相当于每小时循环约百次。

ATP的重新生产要依靠ADP与磷酸在酶的催化作用下重新合成，合成过程需要吸收外界的能量。这个能量来自光合作用的光能和细胞呼吸产生的能量。所以，物质分解伴随着能量释放、物质合成伴随着能量储存的过程，就是物质能量观。

ATP水解第1个磷酸形成ADP，水解第2个磷酸形成AMP（腺苷一磷酸），而AMP是腺嘌呤核糖核苷酸，是组成RNA的结构单元。这是一件很有趣的事情，ATP是能量物质，而RNA是最古老的与遗传相关的分子，这两者在最基本的小分子结构组成上居然是一致的，这展示了进化的一致性。而且无论动物、植物还是微生物，都是以ATP为直接能源物质，这展示了进化的保守性。这些都可以体现进化适应观。

在绪论中，我们以镰刀型细胞贫血病、生态系统和ATP为例，很好地诠释了生物学的四大世界观：结构功能观、物质能量观、稳态平衡观和进化适应观。