Transcript 生命科學的結構與研究方法 鄭先祐 (Ayo) 國立台南大學 環境與生態學院 生態科學與技術學系 教授

生命科學的結構與研究方法
鄭先祐 (Ayo)
國立台南大學 環境與生態學院
生態科學與技術學系 教授
環境生態研究所 + 生態旅遊研究所
生命科學的結構與研究方法

第一部 科學本体篇
– 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
2
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
3
What is the Science?

A. Einstein:
– 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
4
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
5
§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
6
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
7
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
(1990-1991)=> a conceptual framework for Biology
生命科學
8
§「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
9
§「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
10
§摩登的陷阱
-- 知識的爆炸與學習速率
。
-- polywater 為例
100
美國(227)
50
20
(
文
獻
數
量
10
篇
數
5
U.S.S.R(75)
其它國家(210)
)
2
1962
1964
1966
1968
年
1970
1972
1974
代
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
11
Polywater 的研究報告





Haynes, J. M. and P. J. McElroy (1969)
Anomalous water. Nature 224:393-394.
Donohue, J. (1969) Structure of “polywater”.
Science 166:1000-1002.
(Anonymous) (1969) Polywater. Scientific
American 221:90-9
Allen, L. C. and P. A. Kollman (1970) A theory of
anomalous water. Science 167: 1443-1454.
Allen, L. C. and P. A. Kollman (1971) Theoretical
evidence aganinst the existence of polywater.
Nature 223:550-551.
生命科學
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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):421-423
生命科學
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生命世界的組成架構
-- 是無法切割的。
-- 非「of、by、for」某個學科
Emergent 特質(transcending processes)
簡單
分 胞
子 器
複雜
細
胞
組
織
器
官
系
統
個
體
族
群
群
落
生
態系
生物
界
生態學
生理學
行為學
生命科學
14
§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
15
化約主義 (Reductionism) vs.
整合主義 (Holism)
整合主義
化約主義



探索「宇宙最微小」
的粒子 (物理學)。
分子(基因)生物學

複雜與混沌(物理學)

整合是過程，化約至
極是目的。

emergent
properties(生態學)
化約是方法，整合是
目的。
生命科學
16
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
17
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
18
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
19
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
20
美國生物學的發展過程

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 -- 1868-1902, established on campuses。
• 2. From Museum Research to Laboratory Research:
The Transformation of Natural History into
Academic Biology.
生命科學
21
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”, 1883-1923.
• 4. Summer Report and Scientific Discipline: Woods
Hole and the Structure of American Biology, 18821925.
• 5. Whitman at Chicago: Establishing a Chicago
Style of Biology?
生命科學
22
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, 1898-1925.
• 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, 1900-1919
• 10. Cellular Politics: Ernest Everett Just, Richard B.
Goldschmidt ant the Attempt to Reconcile Embryology
and Genetics.
生命科學
23
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。
生 物 界 與 種 類
一、Animal Kingdom (動物界)
Chordates (脊索動物類)
Arthropods (節肢動物類)
Molluscs (軟体動物類)
Echinoderms (棘皮動物類)
Segmented worms (環節動物類)
Flatworms (扁形動物類)
Nematodes and relatives (線虫類)
Coelenterates (腔腸動物類)
Bryozoans and relatives (苔癬動物類)
Sponges (海綿動物類)
miscellaneous small groups (其他類)
二、Plant Kingdom (植物界)
Fowering plants (顯花植物類)
Gymnosperms (裸子植物類)
Ferns and fern allies (厥類)
Bryophytes (苔蘚類)
Green algae (綠藻類)
Brown and red algae (紅褐藻類)
三、Fungus Kingdom (真菌類)
True fungi (真菌類)
Slime molds (黏菌類)
四、Protistan Kingdom (原生物類)
Protozoans, plant flagellates, distoms
五、Moneran Kingdom (原核類)
Blue-green algae (藍綠藻)
Bacteria (細菌類)
六、Virus (病毒類)
總 計
生命科學
已知種類的大約數目
各類的之數目 各界的總數目
1,043,900
43,000
838,000
107,250
6,000
8,500
12,700
12,500
5,300
3,750
4,800
2,100
328,320
286,000
640
10,000
23,000
5,280
3,400
40,400
40,000
400
30,000
30,000
3,030
1,400
1,630
200
1,445,850
24
Species
分
陸域
類
位
海域
階
Phylum
0%
100%
百分率 (%)
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。
生命科學
25
§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
26
8
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。
地球：生物界
生物學
6
台灣生態
4
空
1km
2
間
的
生物体
1m
0
小型生物
量
度
大型生物
-2
無脊椎動物
1mm
原生物
-4
胞器
1um -6
細胞
病毒
蛋白質
-8
小分子
1A -10
-16
-14 -12
1 微秒
-10
-8
-6
1分
-4
-2
0
2
1天
1年
4
6
8
10
1 百萬年
時 間 的 量 度
生命科學
27
組成的位階
分類的位階
Biosphere
Ecosystem
Clade
Community
複雜
Species
Population
Deme
Organism
Organism
Organ System
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。
Organ
Tissue
Cell
Organelle
Macromolecule-gene
Molecule
生命科學
簡單
28
圖表10. 一般生命的
延續過程。「生命」
起自「基因型」
(genotype, 受精卵, Phenotype space
G1)，經過t1時間，
t2
發展成「個体」(表
P1
現型，phenotype，
P1)；再經過t2時間
t1
發展成為「成熟的
個體」(P2)，經過t3
時間產生「配子」 Genotype space
(精子或卵子，G2)；
再經過t4時間結合
成「受精卵」(G‘1)，
G1
另一個新生命的開
始，進入另一個循
環。
生命科學
P‘2
P2
t‘2
P‘1
t3
t‘1
t’3
t“1
G‘2
t‘4
G2
t4
G‘1
G“1
29
§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
30
整合的生物學
--生態体系生物學
--群落(社區)生物學
真菌界
原核類
植物界
病毒類
動物界
原生物
族群生物學
個体生物學
生理與解剖學
組織生物學
細胞生物學
分子生物學
系統分類學
圖11. 生物學的結構。
親緣遺傳學
生
物
學
的
根
基
演化生物學
生命科學
31
§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
32
§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
33
§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。
– DNA 與相關分子的研究, 開啟新的天地。
– 橫式切割: 「分子生物學」與「生態學」的興
起。
生命科學
34
§1980年代以來的反省與批判

Science as a way of knowing -- XXX
– 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
35
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
目的 This proposal is for the P. I., a geologist by
training, to solve the problem of speciation.
方法 Collect every possible fact and formulate an
all-inclusive theory.
時期 20 年。
生命科學
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 A. Einstein
目的 This proposal is for the study of the nature of
space and time.
方法 Conduct thought experiments in armchair,
supported by abstract mathematics.
時期 1 lifetime.
生命科學
37
生物學的結構與研究方法
第三部 研究方法篇
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
39
典型的研究過程
包含兩個階段: 描述階段與功能(functional)階段。
描述階段============================================
接受「零假說」
測量與比
較各種生
態体系
發覺有非逢
機的差異
提出可驗証的
「零假說」
設計並執行
驗證的實驗
分
析
與
驗
証
「
零
假
說
」
拒絕「零假說」
功能階段============================================
生命科學
40
典型的研究過程
功能階段============================================
接受「零假說」
推測其可能造
成差異的原因
對可能的因果關係, 提出
可驗証的「零假說」
設計並執行
驗証的實驗
分
析
與
驗
証
「
零
假
說
」
結論
提出因果互動關係的詮釋
=====================
拒絕「零假說」
=============================
按結論再提出新的描述或功能研究的問題
生命科學
新的開始
41
§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
42
§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
43
§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
44
§研究的力量泉源
1.
2.
3.
4.
5.
6.
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
45
§ 台灣生物學的發展



1. 缺乏生物學的根基 (博物館的功能萎縮)。
2. 欠缺核心，永遠落後的迎頭趕上 (差距
有10-30年)。
3. 學術與教育的反省與批判的能力差 (停
留於中小學)。
生命科學
46
台灣兩生爬虫類的研究報告；日據年代與民國年
代文獻數量之比較。數量僅累加至1985年。
兩生爬虫類
50
英文
(
文
獻
數
量
篇
英文
70
數
日文
30
)
中文
10
1900
1920
1940
日據年代
生命科學
1960
1980
民國年代
47
台灣哺乳類的研究報告；日據年代與民國年代文
獻數量之比較。數量僅累加至1985年。
70
中文
英文
50
英文
(
文
獻
數
量
篇
日文
哺乳類
數
30
)
10
1900
1920
1940
日據年代
生命科學
1960
1980
民國年代
48
問題與討論
[email protected]

Ayo 台南站
http://mail.nutn.edu.tw/~hycheng
生命科學
49
鄭先祐 (Ayo) 簡歷

美國杜蘭(Tulane)大學 生物學系 生態學博士
(Ph.D.)

原專長於「生理生態學」之研究，於美國
Smithsonian Institution專研中美洲的特有壁虎。
回國後因應情況踏入「生態評估學」的領域，
後來再逐漸轉向於「人文社會生態學」等方面，
致力於「生態學理」的整合與實踐。

專業論文50多篇。一般報章雜誌文章100多篇。
生命科學
50
學界經歷：









臺南大學 環境與生態學院 (創院)院長 (2006- 2009)
靜宜大學 人文暨社會科學院 (創院)院長 (2004-2006)
靜宜大學 生態學系 教授 (2004-2006)
文化大學 生物學系 教授 (1989-2004)
交通大學通識課程 兼任教授 (1994-2004)
清華大學通識課程 兼任教授 (1989-2004)
美國Smithsonian Institution 博士後研究員 (1984-1985)
美國Tulane大學 生物學系 生態學博士(Ph.D.) (1984)
東海大學生物學系學士 (1975)、碩士 (1977)
生命科學
51
研究主軸 (1985 – 2007)

蜥蜴的研究，→「生態環境影響評
估」的理論與實踐的研究。
– 著書：生態環境影響評估學 (1992)

與清華大學的教授合作→文化生態
學的研究。
– 著書：人類生態與社會文明 (1994)
– 科技文明對蘭嶼達悟族文化生態的衝擊



2000 →「國家政策」的研究。
2004 → 人類生態學
2007 → 行為生態學
蜥蜴、評估、人文、政策
生命科學
52
社會參與 (1987 – 2007)


台灣環境保護聯盟，學術委員 (since 1987)、
副會長 (1990)、會長 (1991)。
台灣教授協會，環保組召集人(1993)。
– 輻射傷害與核四決策 (1994)
– 台灣生命的心聲 (1995)






看守台灣研究中心(協會)，理事與編輯
七星生態保育基金會，理事 (1998 - )
台灣綠黨，召集人(2001)
核四公投促進會，召集人(2002-2003)
非核台灣聯盟，召集人 (2004)
環境資源基金會，常務理事 (2005 - 2007)
生命科學
53
社區網絡


主任 (2002-2007)
生態主張者：Ayo網站家族的建構 (since 1997)
– Ayo 交通站 (1997)、Ayo 清華站 (1997)、Ayo 新聞
站(1997) 、Ayo Forum 站 (1999)、Ayo ReadMe 站
(1999)、Ayo 英文站 (2000)、Ayo 文化站 (2000)、
Ayo靜宜站 (2004)、Ayo台南站 (2006)

核四公投促進會網站(2002)、台灣環保聯盟網
站(2004)、非核台灣聯盟(2004)
生命科學
全球接軌
54