生命现象的多层次研究

（选自《大自然》1990年第三期。作者王谷岩）

人类对生命现象的认识，经历了由整体到部分、由宏观到微观、由个体到群体、由现象到本质的深化过程。人们对生命认识的深入，表现为对生命的多层次研究。正是在这样的深化过程中，现代生物学拥有了包括种群生物学、个体生物学、细胞生物学和分子生物学等诸多分支学科的完整研究体系。

人类对生命的了解，起始于对生物个体的观察与研究。人类积累的关于生命的各种知识，最终也都要在生物个体这个层次的生命活动中进行检验。作为完整的、统一的生命体，生物个体具有人们熟知的全部直观的生命特征，是人类进行生命研究的基础层次。在这个层次上，已经发展成为一门研究内容十分丰富的生物科学分支学科：个体生物学。而考察环境对生物个体的影响，研究生物个体与其周围环境的生物因素、非生物因素的相互作用，又产生了一个称为个体生态学的分支学科。

除了原始的生物以外，地球上的所有生物体都具有机能结构的一致性，即都是由细胞构成的。随着细胞的发现、深入观察和研究，人们了解到细胞是生命结构的基础，也是生命的最小功能单位。构成生物的各种细胞大小不一、形态各异，但都显示相同的生命活动属性，能从外部环境吸收养料，都能生长、繁殖、感应刺激。细胞是构成生物体的基本元件，生物体的一切生命活动都与细胞活动相关。细胞学就是在细胞层次上研究生命现象的分支学科，它的任务是探索细胞的结构与功能、生长与增殖、受精与分化、遗传与变异、病变和衰老等生命活动。细胞学与遗传学、生理学和生物化学等学科结合，还可以分析细胞的信息传递、化学反应、物质输送和能量转换。近年来，由于引入分子生物学的研究结果和研究技术，细胞学又发展成为细胞生物学，研究内容更加广泛而深入，并有细胞形态学、细胞遗传学、细胞化学、分子细胞学等分野。

一群形态和构造相似，功能相同的细胞及其细胞间质，在生物体内按照一定规律结合在一起，组成各种组织。如覆盖器官外部的上皮组织，覆盖器官内部的内皮组织和联结细胞的结缔组织，以及用以同化食物的消化组织，用以贮存养料的贮存组织，具有运输作用的血液和淋巴组织，承担对内外环境适应与协调的神经组织，承担支撑和运动功能的骨骼和肌肉组织等。组织学就是专门研究各种组织构造的分支学科，生理学则研究各种组织的功能。

几种不同类型的组织，又按一定的结构联合形成具有一定形态特征和生理功能的器官，如胃、肠、心脏、脑、肾脏、肝脏、眼、耳等。几种器官协同工作再构成一个个机能系统，如消化系统、脉管系统、呼吸系统和神经系统等。生理学和解剖学的研究内容，就包括了器官和系统的结构和功能。

综上所述，对生命现象的研究涉及到了“个体→系统→器官→组织→细胞”五个层次。在这由整体到部分的一系列层次上，生命现象突出地表现为生长发育、呼吸、消化、循环、排泄和生殖等，总的来说就是新陈代谢。新陈代谢是一切生物生命活动的基础，新陈代谢一旦停止，生命也就终结了。在这一系列层次上，生物科学还研究生物体的运动和反应（生理学）、遗传与变异（遗传学），以及生物的个体发生与发育（胚胎学）。

自然界是由物质构成的，生物体当然也不例外，只不过它们是由有生命活性的物质“原生质”构成的。尽管组成原生质的各种元素与非生命物质中的完全一样，但这些元素在生物体中组合形成的却是有生命活性的化合物分子，包括蛋白质、核酸、糖类和脂肪等生物分子。自然界中生物体的统一性，不仅表现在它们都由细胞组成，还表现在不论其简单与复杂程度如何，生物体的主要组成成份都是蛋白质和核酸。生物分子是表现生命现象的又一个重要层次，在这个层次上探索生命的奥秘，就产生了一门崭新的生物学分支学科：分子生物学。许多研究结果告诉我们，生命的奥秘归根究底在于生物分子的微观世界。

在分子水平上的探索揭示，所有的生物体不仅具有组成成份的一致性，还具有微观结构的一致性：组成不同生物体的蛋白质和核酸的种类尽管不同，但构成各类蛋白质和核酸的“元件”氨基酸和核苷酸则是完全相同，可以互相通用的。分子生物学的研究结果使我们越来越清楚地意识到，只有在生物分子水平的微观层次所表现出的生命活动，才真正反映了生命的本质。例如，关于遗传现象，在宏观层次上观察到的是性状分离、组合规律；在细胞层次上了解到的是基因控制遗传性状，染色体是基因载体；只有在分子水平上，才看到主要的遗传物质是一种叫做DNA（脱氧核糖核酸）的核酸，而基因则是具有遗传效应的DNA片段，一个DNA分子含有许多基因，上一代传给下一代的遗传信息由构成基因的各种核苷酸的数目及其排列顺序表述，基因对遗传性状的控制则通过利用遗传信息来“指导”合成特定蛋白质去实现，即遗传作为一种重要的生命现象，实质上是核酸分子运动的结果。分子生物学因其阐明问题的重要性，已经成为当前生物学发展的主流，对生物学各分支学科都产生了重要的影响，派生出了分子细胞学、分子遗传学、分子免疫学、分子胚胎学、分子分类学和分子人类学等新兴分支学科，大大推进了生物科学的发展。

分子水平上的生命现象，起因于生物分子的构型及其变化，以及生物分子之间的相互作用。分子由原子组成，原子又由原子核和核外电子组成，原子结合成分子时，电子有其特定的运动规律。因此，对于生物分子的构型及其变化、分子之间的相互作用来说，生物分子中外层电子的活动起着重要的作用。也就是说，发生在分子、原子这样一些微观层次与电子活动有关的过程，很自然地就成为探索生命本质的不可缺少的一个层次。十几年前，科学家们把生命的研究推进到了这一层次，去探讨那些在分子水平上不能完全解释的问题。分子中与电子活动有关的问题需要借助物理学中的量子力学才能精确描述，为此产生了一门全新的生物学分支学科：量子生物学。借助量子生物学可以精确了解生物分子之间的相互作用力及其作用方式、电荷分布、能量传递、信息储存以及配位键和氢键的形成与断裂过程，从而提供更多有关分子水平生命现象的知识。

对生命现象的研究，由细胞又推进到分子、电子层次，这是探求生命原理完整答案所必需的。但是，我们不应该忘记，充分表现出新陈代谢、生长发育、遗传与变异等各种生命特征的，则只有生物个体这一层次。对部分或各层次机能的研究，不能代替对生物个体整体机能的研究，就像对零部件的研究，不能代替对整部机器功能的研究一样。

自然界中的生物个体尽管是以个体为单位存在，但它们从来都不是孤立的存在，生物个体之间、生物个体与环境之间都有着不可分割的联系。因此，要充分而全面地认识生命，还需要从宏观角度去深入研究这种联系。这样也就出现了“个体→种群→群落→生态系统→生物圈”等一系列宏观层次的生命研究体系。

单独的生物个体，在自然界是不能长久生存的，必须形成种群，即同种生物在特定环境空间和特定时间内的个体集群，才能长期生存。在种群中具有了生物个体所不具有的生命特征，如个体密度、年龄及性别比率、出生及死亡率、迁入及迁出率、种内和种际关系等，称为种群生命现象。种群是分类学、遗传学和生态学研究中的基本单位。

居住在一个地段或水域内的各个生物种群中的一切生物，彼此之间通过各种途径相互作用、相互影响，求得共同生存，这样就组成了一个生物群落。群落生态学常借助梯度分析法去研究生存环境、物种种群和生物群落三者之间的交叉关系。

生物个体离不开种群和群落，也不能离开环境而生存，生物群落与其生存环境组成了一个功能整体，这就是生态系统。在这一层次探讨生命活动规律，在当今生态环境日益受到破坏的情况下更有现实意义，成为重要的研究领域，生态学担当的就是这一重任。

如果不是在一个局限地段或区域，而是在整个森林内，则包括了许许多多的生态系统，这些生态系统虽然各具特点，但因为都生存于森林这一环境中又有共性，组成一个森林生物区。此外还有草原、荒漠、湖泊、河流和海洋等各种生物区。地球上所有的海洋、淡水和陆地之内的生物区又分别组成海洋、淡水、陆地三个生物环。海洋生物环、淡水生物环和陆地生物环则构成了整个生物圈，即地球上所有生态系统的总和，包括了自然界中的一切生物体及其与之相互作用的非生物环境。生物圈是一个以物质和能量流循环为其特点的大系统，它为整个地球上所有的生物体生存和繁殖提供了必需的物质和能量，生物圈内部物质和能量的循环是生命存在的根本原因与保障。显然，开展生物圈这个层次的研究，对于保护物种、保护地球生物的多样性、保护人类的生存环境是至关重要的。研究生物圈的学科范畴，可以称之为生物圈学。

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