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遗传与进化

必修2《遗传与进化》常见问题析疑

来源:网络转摘 发布时间:2012-01-31 浏览次数: 【字体:

必修2《遗传与进化》常见问题析疑

人民教育出版社 课程教材研究所 李 红 陈 香

在《遗传与进化》模块的教学中,教师们对假说演绎、类比推理等科学方法感到陌生,在教学中不知如何把握;对于现代基因的概念、基因概念发展的历程以及目前关于生物进化观点的争论等生物学热点问题也十分关注,希望了解最新动态。本文就教师们普遍关注的主要问题做一些解答,希望对教师们的教学有所帮助。

1.如何进行“假说—演绎法”的教学?

孟德尔的豌豆杂交实验是进行“假说—演绎法”教学的典型案例。这里就以孟德尔一对相对性状的杂交实验为例,对“假说—演绎法”的教学提一些建议。

本案例教学的重点在于深刻地理解孟德尔假说。在孟德尔提出这个假说时,生物学界还没有认识到配子形成和受精过程中染色体的变化。孟德尔根据实验现象提出的遗传因子在体细胞中成对存在,在配子中单个出现,是超越时代的一种非凡设想。如果按照遗传学史进行教学,学生学习孟德尔一对相对性状的杂交实验时,还没有学过减数分裂的知识。所以在进行“假说”的教学时,希望教师能给予学生一定的时间,让学生充分理解和领会。教材中“性状分离比的模拟实验”,对学生理解孟德尔的假说也是十分必要的。

本案例教学的难点,在于让学生理解孟德尔研究过程中的哪个步骤是演绎。学生看到的是,孟德尔提出假说后,就设计测交实验进行检验了,那么哪一步是演绎呢?事实上,观察、实验所检验的常常不是假说本身,而是假说的推论,即从假说中逻辑地推导出来的描述个别现象或事件的推论。如果孟德尔要直接验证他的假说,只能用显微观察的方法,确定遗传因子的真实存在和遗传因子的传递方式,这在当时是不可能的。那么,孟德尔设计的测交实验,实际上检验的是“推论”。这个“推论”,就是根据假说对测交实验所进行的演绎推理得到的论题——杂合子生成配子时具有对性关系的遗传因子分离,也就是课本中提到的测交实验结果所要证实的推论:(1)F1究竟是不是杂合体(Dd)?(2)如果是杂合体,生成配子时具有对性关系的遗传因子果真分离吗?

建议教学流程如下。(1)提出问题:学生阅读,配以教师展示和讲解。学生了解孟德尔一对相对性状的杂交实验,包括实验现象和提出的问题。(2)建立假说:教师介绍孟德尔的假说,学生讨论并提问,了解假说的内容。教师通过边绘制边讲解遗传图解,帮助学生进一步理解孟德尔的假说。(通过性状分离比的模拟实验,让学生加深对孟德尔假说的理解。)(3)演绎推导:教师设问:如果我们就是当年的孟德尔,该如何验证自己的假说?教师将测交实验的亲本组合告诉学生,请学生假设自己就是当年的孟德尔,用自己的假说对测交实验的理论结果进行演绎推理,推导出理论上的预期。(4)实验检验:教师告诉学生测交实验的真实结果,判断假说真伪。教师启发学生思考测交后代的性状分离比例为什么会是1:1呢?当学生绘制遗传图解时,纠正他们可能出现的错误。(5)得出结论:子一代的遗传组成;形成配子时子一代遗传因子的分离行为。(6)师生共同揭示“分离定律”的论点及实质。例题分析和学生练习。

2.“类比推理”方法在科学研究中有什么重要作用?

类比推理方法是以比较为基础的一种科学研究方法。通过对两个或两类研究对象进行比较,找出它们之间的相同点或相似点,并以此为依据,把对某一个或某一类对象的有关知识和结论,迁移到另一个或另一类对象(人们要研究的对象)上去,从而推论出它们的其他属性或规律也可能相同或相似的结论;或者由两个对象的规律相似,而推论出它们的属性相同或相似的结论。这种逻辑推理方法和科学研究方法,叫做类比推理方法。用公式可以表示为:

  根据:A类对象具有a,b,c,d属性、规律;

   B类对象具有a’,b’,c’属性、规律;

  其中a’,b’,c’分别与a,b,c相同或相似。

   推出结论:B类对象(指要研究的对象)可能也具有d’属性,并且d’与d相同或相似。

类比推理方法在科学研究中具有重要作用。类比推理方法可以为模拟实验提供逻辑基础;类比推理方法有助于提出科学假说(如课本中萨顿假说的提出);运用类比推理方法可以在技术上有所发明;运用类比推理方法能够推进不同科学领域研究方法的移植或渗透。

但是类比推理方法也有它的局限性。由类比推出的结论具有或然性。在进行类比推理的过程中,要充分运用分析和综合、归纳和演绎的方法,这样有助于增强由类比推出的结论的可靠性;同时要以唯物辩证法原理为指导,对不同的自然事物和现象进行比较,对其进行矛盾分析,不仅要从定性方面掌握其相似性和差异性,还要定量地研究和比较它们的关系。在充分地了解了两个或两类对象的相似性和差异性的基础上进行类比推理,会提高结论的可靠程度。

3.利用科学史素材进行教学时应注意哪些问题?

本模块是以人类对基因的本质、功能及其现代应用的研究历程为主线展开的,从孟德尔到摩尔根再到沃森和克里克等,从拉马克到达尔文再到现代生物进化理论,让学生从浓郁的历史感中获取丰富的营养,因此有许多科学史的内容。

在利用科学史素材进行教学时,应注意以下几个问题。(1)科学史是供学生分析和讨论的材料,不是基础知识,不能“为史而史”。应及时对基本概念和原理进行归纳和梳理,不要让它们淹没在科学史的“海洋”中。(2)注意引导学生体会科学发现过程中的科学方法、科学态度和科学精神,思考科学的本质。(3)不必要求学生记住每位科学家的工作,但是应该让学生了解,现代科学研究中,一项重大的科学发现,往往是许多科学家努力的结果。藉此对学生进行团队精神、合作精神的教育。

4.《从杂交育种到基因工程》一章的编写意图是什么?

本模块的编写遵循遗传学的发展史展开,介绍了人们对基因的认识历程。人们在研究基因的过程中,也一直在利用基因的有关知识,利用遗传学原理为人类的生产生活服务。关于应用的内容,在前五章中较少涉及,以免在遗传学史的主线上叉出太多旁支,影响主干,而是将有关应用的介绍集中于本章。本章内容通过截取三个具有代表性的阶段,即杂交育种、诱变育种和基因工程,再现了人类对其他生物利用和改造的历程,体现了科学与技术的互动。

《杂交育种与诱变育种》从古人驯化野生动物、栽培植物的历史谈起,引入选择育种的方法,并指出其局限性。然后介绍了杂交育种的概念及其在生产生活中的应用,引导学生思考杂交育种的局限性。进而介绍诱变育种的方法及重要作用,引导学生思考诱变育种的优势,讨论诱变育种的局限性。教材通过递进式地介绍育种的发展历程,说明超越已有技术的局限是育种技术不断完善与发展的动力和原因,有利于学生认识科学技术的本质。

《基因工程及其应用》简要介绍了基因工程的原理,列举实例介绍了基因工程在作物育种、药物研制、环境保护等方面的应用,最后将重点放在对转基因生物和转基因食品安全性的讨论上。使学生对基因工程有一个基本的认识,但又没有过多地展开介绍,避免与选修课中基因工程的内容重复。

教学时,应注意“到位而不越位”,关于基因工程的内容,选修3《现代生物科技专题》中设有专题,本章讲清楚最基本的原理和方法,举例说明其应用即可,不要过多涉及技术细节,对应用范围的介绍也不求全面。

5.基因概念的发展经过了怎样的历程?

遗传学之父孟德尔在对八年植物杂交实验进行统计分析的基础上,通过推理提出生物的性状是由遗传因子决定的,由此产生了基因的雏形概念。1903年,美国学者萨顿发现孟德尔假设的一对遗传因子,它们的分离与减数分裂中同源染色体的分离非常相似,进而推论出基因就在染色体上。1909年,丹麦生物学家约翰逊将孟德尔的“遗传因子”起名为“基因”,但是他只提出了基因这一名词,并没有提出基因的物质概念。

1909年,摩尔根和他的学生们开始潜心研究果蝇的遗传行为,于1926年出版了巨著《基因论》,用实验证实了基因确实存在于染色体上,并进一步诠释了基因概念,即基因以直线的形式排列在染色体上,能发生突变,能随同源染色体交叉互换而进行重组,基因不仅是决定性状的功能单位,而且还是一个突变单位和重组单位,确立了“三位一体”的基因概念。至此,基因概念得到了极大的扩充和丰富,但是基因的物质结构和化学组成如何?基因是如何决定生物性状的?人们对此仍然一无所知。

20世纪中期,人们发现染色体主要是由蛋白质和DNA组成的,但对哪一种是遗传物质有着激烈的争论。1944年,艾弗里首次用肺炎双球菌转化实验证实:DNA是遗传物质的载体。1952年,赫尔希和蔡斯用噬菌体侵染大肠杆菌实验进一步证实了艾弗里的观点。1953年,美国生物学家沃森和英国物理学家克里克提出了DNA的双螺旋结构模型,进一步说明基因的本质是DNA,它控制着蛋白质的合成,从而决定生物性状。

1957年,本泽尔以噬菌体为材料研究基因内部的精细结构,提出了顺反子、突变子和重组子的概念,一个顺反子决定一条多肽,是基因的同义词,顺反子是可分的,组成顺反子的核苷酸可以独自发生突变或重组,由此产生了突变子和重组子的概念,同时挑战了摩尔根提出的“三位一体”的基因概念,即基因是决定性状的最小单位,但不是突变和重组的最小单位。

1961年,法国遗传学家雅各布和莫诺提出了大肠杆菌乳糖操纵子模型,又进一步丰富了基因概念,他们发现有些基因不编码蛋白质,只起调控其他基因表达活性的作用。至此,人们知道,基因是可分的,不仅体现在结构上,在功能上也可分为结构基因和调控基因。

20世纪70年代后,随着学科间的渗透和实验手段的更新,基因概念又有了进一步的发展,出现了重叠基因、断裂基因、转座子、假基因等相关概念。基因具有重叠性,两个或两个以上的基因共有一段DNA序列,基因的重叠不仅节约了碱基,能更有效地利用DNA遗传信息量,更重要的可能是参与对基因的调控。

基因由数个彼此相间隔的外显子和内含子构成,这样的基因称为断裂基因,断裂基因在真核细胞中具有普遍性,在进化中的意义可能是更有利于变异和进化,增加了信息量和重组几率,此外,基因中的内含子对基因表达可能有一定的调控作用。

某些DNA序列能够从染色体的一个位点转移到另一个位点,这样的序列称为转座子,复制型转座的转座子在原位点并不切离,而是将它的序列复制到新位点,这样在原位点和新位点都有转座子的DNA序列,转座子可以引起插入突变,使插入位置的基因失活或者出现新的基因,转座子也可以从原来位置上切离,准确的切离使发生插入突变的基因发生回复突变,不准确的切离则不发生回复突变。由于转座子的特殊功能,因而成为分子遗传学研究中一个有用的工具。

假基因与正常基因具有相似的序列,但是不编码功能性产物,不产生表现型。假基因在人、动植物、微生物中广泛存在,近期的研究认为假基因是生物进化的遗迹。例如,基因每重复一次形成的两个基因,分化趋异,有用的基因作为真基因发挥功能,没用的基因成为假基因。科学家预言,随着时间的流逝,假基因终将遭到淘汰而趋于消失。

6.关于生物进化,目前存在哪些争论?

自1859年达尔文《物种起源》发表以来,生物进化理论经历了很大的发展,目前,生物进化理论主要有现代综合进化论、分子进化中性学说和间断平衡论等一些学说。各个学说对于生物进化有很多争论,争论的焦点主要是分子进化中性学说与自然选择学说之间是相互补充还是完全对立、生物进化是渐变式的还是有骤变的过程、小进化能否解释大进化等。

现代综合进化论继承和发展了达尔文的进化学说,将进化看做突变、基因重组、自然选择和隔离等因素相互作用的结果,突变和重组提供了生物进化的原材料,自然选择决定了生物进化的方向,因此又称为“现代达尔文主义”。然而,最早提出分子进化中性学说的日本遗传学家木村资生认为分子层次上的生物进化不是由与自然选择相适应的有利突变引起的,而是由选择中性或接近中性的突变的随机固定造成的。中性学说提出后,一些学者认为中性学说是对现代综合进化论的自然选择学说的完全否定,但是,也有人认为中性学说是对综合进化论的一种补充,中性学说是从分子水平来研究生物进化的,可以很好地解释分子多态性的起源,但是选择只作用于表现型,不能直接作用于分子,表现型的适应进化仍然需要用达尔文的自然选择学说来解释。

1972年,美国古生物学家艾德里奇和戈尔德提出间断平衡论,也译为断续平衡论,该理论认为化石的不连续性是历史的真实反映,生物进化过程是突变和渐变交替出现的过程,而非综合进化论主张的长期的、连续的渐变过程。间断平衡论认为大部分物种是在地质上可以忽略不计的短时间内形成的,如寒武纪大爆发,之后在选择作用下发生缓慢的变异,直到另一次快速的物种形成出现。目前,关于渐变式进化和断续式进化的证据都不少。

小进化是研究种以下的进化改变,大进化是研究种以上分类单元的进化改变,小进化和大进化在物种这一层次上相衔接。关于小进化和大进化的关系,学术界进行了激烈的争论,现代综合进化论认为小进化是大进化的基础,小进化的机制在一定程度上是可以解释大进化的,而间断平衡论认为不能用小进化的机制来解释大进化的事实。

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