鄭先祐 (Ayo) 台南大學 環境與生態學院 教授

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1 鄭先祐 (Ayo) 台南大學 環境與生態學院 教授 http://mail.nutn.edu.tw/~hycheng
生命科學的結構與研究方法 鄭先祐 (Ayo) 台南大學 環境與生態學院 教授

2 生命科學的結構與研究方法 第一部 科學本体篇 第二部 生命科學(生物學)的結構篇 第三部 研究方法篇 Joy of Research
Science as a way of knowing 摩登的陷阱 第二部 生命科學(生物學)的結構篇 生命科學的定義與內容 生命科學的結構 第三部 研究方法篇 生命科學導論

3 第一部 科學本体篇 §the Joys of Research 研討會 -- Albert Einstein 誕生百年紀念
Ernst Mayr 1926 獲得Ph.D. 學位。 1946 參與成立 the society for the study of Evolution. 1947 出版Journal of Evolution. 1953 獲得Alexander Agassiz Professorship in Zoology in Harvard University. 1982 出版 The Growth of Biological Thought. 生命科學導論

4 What is the Science? A. Einstein: Ernst Mayr:
Science is the attempt to make the chaotic diversity of our sense-experience correspond to a logically uniform system of thought. Ernst Mayr: Science is not an accumulation of facts, rather science is the search for an understanding of the world around us. 生命科學導論

5 第一部 科學本体篇 研究不只在「puzzle solving」，更重要的是在探求ultimate (演化上和歷史上)的問題。在這價值上，我們建立我們的「生命哲學」。這些問題的挑戰，使我們的生活更富有，也使我們更能瞭解人類生存的意義。 生命科學導論

6 §Science as a way of knowing-- XXX
a project of the education committee of the American Society of Zoologists cosponsored by The American Society of Naturalists The Society for the Study of Evolution The Biological Sciences Curriculum Study The American Institute of Biological Sciences The American Association for the Advancement of Science The Association for Biology Laboratory Education The National Association of Biology Teachers The Genetics Society of America 生命科學導論

7 ASZ的「教育改善計劃」 問題：美國科學教育的功能，有嚴重的下降趨勢。
原因：大學的科學教育太偏重片斷的知識，特別是「摩登的」知識。整体性與歷史性的科學架構，卻被忽略。學生因而沈溺在「知識海」中，無法認識過去，也無法推求未來。屈服於必要是「摩登的」誘惑。 生命科學導論

8 ASZ的「教育改善計劃」 計劃： 從1983年起，每年一個科目。探討這一個科目教學方法與內容。
第一年計劃(1984)：Evolutionary Biology 第二年計劃(1985)：Human Ecology 第三年計劃(1986)：Genetics (遺傳學) 第四年計畫(1987)：Developmental Biology 第五年計畫(1988)：Form and Function 第六年計畫(1989)：Cell and Molecular Biology 第七年計畫(1990)：Neurobiology and Behavior ( )=> a conceptual framework for Biology 生命科學導論

9 §「摩登」(modern)的陷阱 這是一個知識爆炸的時代。 知識成長的速率> > > 學習的速率。
每位教授都有能力，以「新知識」將學生沉溺於「知識海」中。 生命科學導論

10 §「摩登」(modern)的陷阱 肇致的問題： 學生無能力獨立自主，開創未來。 就算緊跟「新知識」，其實已經是落後至少5-10年。
任何「新知識」都須要經過「考驗」。緊跟「新知識」，有可能是「捕風捉影」。 polywater 為例。 生命科學導論

11 §摩登的陷阱 -- 知識的爆炸與學習速率。 -- polywater 為例
圖表3. Polywater 研究過程與成果的整理。於1962年至1974年間，有關polywater的研究報告(文獻)之數量。前蘇聯、美國、及其它西方國家，各發表的篇數總合，列於其國名之後的括弧中。原資料取自Franks (1981), p.120。 生命科學導論

12 Polywater 的研究報告 Haynes, J. M. and P. J. McElroy (1969) Anomalous water. Nature 224: Donohue, J. (1969) Structure of “polywater”. Science 166: (Anonymous) (1969) Polywater. Scientific American 221:90-9 Allen, L. C. and P. A. Kollman (1970) A theory of anomalous water. Science 167: Allen, L. C. and P. A. Kollman (1971) Theoretical evidence aganinst the existence of polywater. Nature 223: 生命科學導論

13 檢討Polywater案件的文獻： Schaffer, S. (1976) Polywater research and pathological science. M.A. thesis, Harvard University. Franks, F. (1981) Polywater. The Mit Press, Branscomb, L. M. (1985) Integrity in Science. American Scientist 73(5): 生命科學導論

14 生命世界的組成架構 -- 是無法切割的。 -- 非「of、by、for」某個學科
生命科學導論

15 §化約主義(Reductionism) vs.整合主義(Holism)
物理學：探索「宇宙最微小」的粒子。 生物學：探索「分子(基因)」的生物學。 掌握「分子(基因)」就掌握「生命」。 「生命科學」就是「分子生物學」。 分子(基因)生物學 vs. 生態學(emergent properties) 生命科學導論

16 化約主義 (Reductionism) vs. 整合主義 (Holism)
探索「宇宙最微小」的粒子 (物理學)。 分子(基因)生物學 整合是過程，化約至極是目的。 整合主義 複雜與混沌(物理學) emergent properties(生態學) 化約是方法，整合是目的。 生命科學導論

17 化約主義的問題 1. 「化約」原本是「方法」，不是「目的」。掌握「分子(基因)」就掌握「生命」，這是一種未被證實的「信仰」。
2. 「生命」最小的單位是「生物個体」。 3. 「生命」延續的最小單位是「族群」。 4. 維持生命生活的最小功能單位是「生態体系」。 5. 每個生命組成的位階，都有其「emergent properties」。 生命科學導論

18 第二部 生命科學的結構篇 §生物學(Biology) 的定義 Bio + logy = 以「有生命之物」為研究材料或對象。 研究與學習
生命各層次的「形態與功能」。 生物學的特質: 地區性、特有性、歷史性、親緣性、與複雜性。 生命科學導論

19 博物館與生物學的研究 博物館的收藏，於「生物學」的研究，具有根本的重要。 隨著生物學的發展，博物館的標本館藏將會愈豐盛。
生物學的研究，都應盡可能的留下其研究使用的生物材料(存証)。 生命科學導論

20 生物研究必要有存證的標本 理由： 1. 生命現象往往可能會因種而異。 2. 使用的生物，其種類鑑定有可能會出錯。
3. 同一種的生物，將來有可能會再分為若干種。 4. 學名亦有可能被誤用，而可能於日後被更改。 5. 若有標本的保留，才有可能考證其種類。 生命科學導論

21 美國生物學的發展過程 目 錄 第一部 Natural History to Biology
資料來源：Rainger, R., K. R. Benson, and J. Maienschein (eds.) (1988) The American Development of Biology. The University of Pennsylvania Press 目 錄 第一部 Natural History to Biology 1. Museums on Campus: A Tradition of Inquiry and Teaching , established on campuses。 2. From Museum Research to Laboratory Research: The Transformation of Natural History into Academic Biology. 生命科學導論

22 美國生物學的發展過程 第二部 Centers of Cooperation
3. Organizing Biology: The American Society of Naturalists and its “Affiliated Societies”, 4. Summer Report and Scientific Discipline: Woods Hole and the Structure of American Biology, 5. Whitman at Chicago: Establishing a Chicago Style of Biology? 生命科學導論

23 美國生物學的發展過程 第三部 Working at the Boundaries of Biology
6. Charles Otis Whitman, Wallace Craig, and the Biological Study of Animal Behavior in the United States, 7. Vertebrate Paleontology as Biology: Henry Fairfield Osborn and the American Museum of Natural History. 8. Organism and Environment: Frederic Clements‘s Vision of a Unified Physiological Ecology. 9. Mendel in America: Theory and Practice, 10. Cellular Politics: Ernest Everett Just, Richard B. Goldschmidt ant the Attempt to Reconcile Embryology and Genetics. 生命科學導論

24 表6. 地球上各界與各類生物的已知種類的大約數目。資料摘譯自Stiling (1992), p.18。
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25 圖7. 於各個分類位階，陸域與海域生態体系的龐雜度之比較。資料取自Ray (1985) Amer. Zool., 24:452-468。
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26 §生命科學的內容 「個體」是生命的基本單位，但族群才能延續生命，且群落才能維持生活。 生物學的時間與空間 (圖8)。
生物組成與分類的位階 (圖9)。 生命的延續 (基因型與表現型) (圖10)。 生命科學導論

27 圖8. 生物學的時間與空間的範圍。中間方形區是指「生物個体」的生物學。時間量度以年為單位；空間則以公尺為單位。基本資料取自Kohn (1989), p.1096。
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28 圖9. 生物的組成與分類的位階。clade 包含：種以上的各個分類位階。原資料摘取自Kohn (1989), p.1097。
生命科學導論

29 圖表10. 一般生命的延續過程。「生命」起自「基因型」(genotype, 受精卵, G1)，經過t1時間，發展成「個体」(表現型，phenotype，P1)；再經過t2時間發展成為「成熟的個體」(P2)，經過t3時間產生「配子」(精子或卵子，G2)；再經過t4時間結合成「受精卵」(G‘1)，另一個新生命的開始，進入另一個循環。 生命科學導論

30 §生命科學的結構 二元結構：生物材料 與 組成的位階(圖11)。 生物學的根基：演化學、分類學、親緣遺傳學。
整合的生物學：社區生物學、生態体係生物學。 -- 深淺結構 生命科學導論

31 圖11. 生物學的結構。 生命科學導論

32 §生命科學的結構 傳統的入門與發展之道：垂直切割。 選擇材料，熟悉材料。 分類學、形態學 (解剖學與組織學)、生理學、自然歷史學、地理學。
昆虫學者、蕨類學者、鳥類學者、蝶類學者、..... 。 生命科學導論

33 §DNA 結構的發現 DNA is the molecule of heredity. Watson and Crick
* In 1953, they published their double helix model for DNA。 * did no experiments。 * they spent their time thinking about DNA。 * Pauling graciously congratulated Watson and Crick。 In 1962, awarded Nobel Prize。 生命科學導論

34 §DNA 結構的發現 Double helix 的力量: 改變「生物學」傳統的入門與發展之道。 傳統的領域已面臨發展的瓶頸。
橫式切割: 「分子生物學」與「生態學」的興起。 生命科學導論

35 §1980年代以來的反省與批判 Science as a way of knowing -- XXX 現況：「個体」生物學成為「棄嬰」。。
沈溺於「知識海」中，不知何去何從。 片斷瑣碎, 缺整體的認知。 現況：「個体」生物學成為「棄嬰」。。 傳統生物學的復興：功能形態學、系統分類學、發生(展)生物學, ....。 新的整合：蜥蜴生態學、生物社會學、行為生態學、生理生態學、 ....。 注重長期與整合, 並將「橫式切割」向「垂直切割」的方向作些調整。 生命科學導論

36 圖12. Darwin 與 Einstein 要完成其個別研究的成果, 他們各別提出的「計劃書」。按此計劃書的內容, 於現代的國家研究補助的制度下, 是否可通過「審查」。
Proposal of C. Darwin 生命科學導論

37 圖12. Darwin 與 Einstein 要完成其個別研究的成果, 他們各別提出的「計劃書」。按此計劃書的內容, 於現代的國家研究補助的制度下, 是否可通過「審查」。
Proposal of A. Einstein 生命科學導論

38 TIP § 垃圾大戰 的 大學教育 平時上課：教授丟垃圾，學生代表撿垃圾！ 考試前：圾圾copy，各自回家作垃圾分類！
進入考場：掃瞄垃圾場，傾倒垃圾！ 傾倒完畢，如釋重負！ 清倒夫 vs. 拾荒者 TIP 獨特的清倒夫能力！ 徹底的垃圾分類！ 捨得垃圾！ 生命科學導論

39 TIP 你個人的情況？ 讀過多少本書(完整的)？ 屈服於「摩登」的誘惑？ 知識間是否有矛盾？空白？有無問題？ 清倒夫？ 拾荒者？
清倒夫？ 拾荒者？ 企圖心？願景？ Darwin？ Einstein？ TIP 作禪打坐，靜思。 捕捉剎那！ 生命科學導論

40 生物學的結構與研究方法 第三部 研究方法篇

41 第三部 研究方法篇 §兩大學派 1. Reductionism (化約主義) 2. Holistism (整合主義) §三個基本原則
1. natural causality (自然成因) 2. uniformity in space and time (一致性) 3. common perception (無個人間的差異) 生命科學導論

42 典型的研究過程 包含兩個階段: 描述階段與功能(functional)階段。
生命科學導論

43 典型的研究過程 生命科學導論

44 §兩種途徑與兩類因素 1. 途徑：a posteriori (後成式)。 2. 途徑：a priori (先驗式)。
1. 因素：proximate (近因式)。 2. 因素：ultimate (極因式)。 生命科學導論

45 §四種方向 1. 功能 (functions)。 2. 發展 (developments)。 3. 地理 (geographical)。
4. 演化歷史 (evolutionary history)。 生命科學導論

46 §四種方向 例子：雄性白頭翁為何在春天唱歌? 1. survival value：雄性白頭翁唱歌, 吸引雌性而能完成生殖活動。
2. causation：因為光周期增長, 致使其体內 hormone level 改變 (內因與外因)。 3. development：雄性白頭翁唱歌, 因其發育成熟, 及向父母或鄰居學習而來 4. evolutionary history：雄性白頭翁唱歌是如何由其祖先演變而來的。 生命科學導論

47 §研究的力量泉源 整體結構的知識 (基礎與能力的建立)。 新知識的消化、整合與批判。 自然材料的認知與体驗 (知識與經驗，相輔相成)。
執著，可忍受長期的「無聊」；等待與保握「機緣」。 徹底瞭解某一領域，證明「有研究能力」，成為「專家」。 同時亦要保持高度的自由，隨時有能力轉換研究主題(甚至是全新的)，以避免陷入「象牙(專家)城堡」。 生命科學導論

48 問題與討論 追求摩登的知識，有何問題？為何說是一種陷阱？ 按你個人的情況，如何提升你個人的學習與研究的力量？
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