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高中生物“遗传的分子基础”教学研究 柳忠烈（北京市海淀区教师进修学校，中学高级教师）老师们好！本次讲座的主题是“遗传的分子基础”教学研究。下面就这一主题的教学，与大家进行探讨，希望共同切磋，提高我们的教学水平。 一、该主题的学科知识的深层次理解 （一）本主题内容的知识结构 本主题围绕“基因”这一概念来展开。“基因”不仅是整个遗传与进化模块最核心的生物学概念，也是整个生命科学最最核心的概念。无论是将来从事生物专业或与生物相关的一些理科专业的人，还是作为一个从事和生物专业不相关专业的普通公民，“基因”一词都是将来无法回避的词汇，也是普通公民科学素养当中应该占有一席之地的内容。由于分子生物学的迅猛发展，带动了生物学和医学成为自然科学的领军学科，因而催生了许多新技术，对人类生活的影响也日益增大，如转基因食品、基因工程药物、基因诊断、基因治疗等，使人类生活与“基因”的关系越来越紧密。 课标要求：知识性目标均属于理解水平，技能性目标为独立操作水平。 具体内容标准 活动建议 1. 总结人类对遗传物质的探索过程 2. 概述 DNA 分子结构的主要特点 3. 说明基因和遗传信息的关系 4. 概述 DNA 分子的复制 5. 概述遗传信息的转录和翻译 1. 搜集 DNA 分子结构模型建立过程的资料，并进行讨论和交流 2. 制作 DNA 分子双螺旋结构模型 本主题主要内容包括下面几点： A. 人类认识 DNA 是细胞生物的遗传物质的过程以及这一过程的启示。 B. DNA 双螺旋结构模型的建立过程及 DNA 分子复制机制的证实。 C. 基因是 DNA 上有遗传效应的片段。 D. 基因所具有的功能 储存遗传信息、传递和表达遗传信息。 （二）该主题内容的知识在整个学科知识体系中的地位及相互关系 遗传与进化模块中遗传学部分是按照人类认识和发现遗传物质的基本过程为逻辑主线来编排的，这使学生对遗传学知识的学习与人类认知的过程基本相吻合，对于培养学生科学素养是非常有利的。 学生学习了孟德尔遗传定律以及遗传的染色体学说之后，带着“基因究竟是什么？基因究竟如何工作？”这样两个重要的疑问，进入这一主题的学习之中的。 基因概念的学习也是将来学习必修二中的基因突变、基因重组等内容，学习选修三中的基因工程，以及了解 PCR 、基因诊断等技术的基础。 （三）该主题内容的学科知识的深入理解 遗传的分子基础属于分子遗传学的内容。分子遗传学是建立在遗传学发展的两个重要基础之上的。第一个是孟德尔遗传定律的揭示，第二个是遗传的染色体理论的提出。这两个前提都属于经典遗传学（或有人称之为传递遗传学）的内容。该主题内容是经典遗传学学习的延续，也是分子遗传学学习的起始。 孟德尔遗传规律让人们从融合遗传中摆脱出来，建立了颗粒遗传思想，并认识到亲子代之间性状遗传所遵循的规律。这对于遗传学的建立和发展起到了非常重要的推动作用。这也是人们把孟德尔尊称为遗传学之父的原因。 遗传的染色体理论使孟德尔提出的遗传因子不再是无实质的因子，而是定位于细胞核中，定位于染色体上，染色体是承载基因的物理实体。摩尔根在此做了突出的贡献，使人们得以认识基因在染色体上呈线性排列，以及基因的重新组合。 这两个重要的成就被广泛接受，遗传学家一致认为染色体必定由某种多聚物组成，以符合其作为一连串基因的角色。但这种多聚物是什么呢？有 3 种选择： DNA 、 RNA 、蛋白质。 1941 年比德尔和塔特姆提出“一个基因一个酶”假说（教材受容量所限，忽略了这一段著名的科学史），这对于分子遗传学来讲，回答了一个重要问题：基因和蛋白质之间的关系。这个假说至少有三个方面是不完全正确的：一个酶可以由多条多肽链组成，而一个基因携带的信息只能形成一条多肽链。多数基因携带的信息所产生的多肽并不都是酶。可以看到，有些基因的产物不是多肽而是 RNA 。对这个假说的现代叙述应该是：大多数基因含有产生一条多肽的信息。尽管在当时这个假说有瑕疵，但对于科学家们认识遗传物质起到了推动作用。 这部分内容的学习务必要为学生建立对遗传学发展过程主要脉络的认识，这样才能够让学生体会“鲜活”的遗传学发展过程，理解科学发展的艰辛历程，激发对科学探索的热爱之情。 （四）该主题内容的拓展等 想谈两个方面：一个方面是谈谈本主题内容的教育价值，另一方面谈谈本主题内容对基因工程和生物进化研究的推动。 1. 主题内容的教育价值 （ 1 ）科学知识 总结人类认识遗传物质的过程，认识基因的本质及基因与蛋白质之间的关系，帮助学生在分子水平上建立对生命延续性的认识 这一主题的学习触及到生命最本质的内容 遗传信息的延续，触及到最本质的知识 遗传信息传递的中心法则。这有利于学生在本质上更透彻地认识生命。 复杂多样的生物都具有基本的维持生命的生化系统，遗传信息都是储存在 DNA 的碱基链中，遗传信息能转录为 RNA 链，之后 RNA 链上的遗传信息翻译成氨基酸链，氨基酸链构建和维持生物体的生命活动。完整构建复杂生命体的各种结构是依赖于 DNA 和蛋白质对基因表达的精确调控来实现的。在最原始的简单生命体中， RNA 执行了高等生物体中 DNA 和蛋白质的功能。 （ 2 ）科学思想和方法 人类认识遗传物质的本质及功能中，有一系列经典的、星光璀璨的生物学实验，里面蕴含了科学思想和方法教育的独特价值。例如，肺炎双球菌转化实验、噬菌体侵染细菌实验、 DNA 双螺旋结构模型的建立过程、 DNA 半保留复制的证实实验，遗传密码的破译过程等。这些实验和探究过程将科学家们思考和解决生物学问题的思想历程，那些探索过程中观点的碰撞和争论，正是使学生的思维能够尽可能接近科学家思维过程，学习和体会科学方法的最好素材。 （ 3 ）科学态度、科学精神和科学价值观 实事求是、敢于怀疑、敢于求真、敢于创新等科学态度和精神，生命物质观、生命活动中辩证统一观等科学世界观，是科学素养的重要组成部分。深入挖掘科学家们的科学态度、科学精神和科学世界观，把它们渗透到生物学教学中，对于培养学生科学素养具有积极的教育意义。 2. 分子生物学兴起对生物学分支学科的巨大影响 这里简单谈谈对基因工程和生物进化研究的推动。为什么要谈这两点？因为它们的重要意义。对基因的研究和操控将来可能极大地改变人类的生产和生活，这是分子生物学领域最活跃的内容之一。分子生物学和进化生物学两个庞大而繁荣的学科从各自独立发展到逐渐交融，使生物进化方面的研究脱胎换骨，目前已能够从分子方面解释很多进化的问题。 （ 1 ）对基因工程的催生和推动 基因工程主要内容为转基因技术，它的诞生和发展是建立在三项重要的理论突破基础上的。 第一、 DNA 是遗传物质的证实 1944 年， Avery 首次在美国的一次学术会议上报道了肺炎链球菌的转化。事实上， Avery 的工作不仅用实验证实了生物的遗传物质是 DNA 而不是蛋白质，而且还证明了 DNA 可以转移，即一个生物的特征性状可以在生物之间进行转移。 第二、 DNA 双螺旋结构模型的建立 1953 年，美国分子生物学家 Watson 和英国物理学家 Crick 合作研究，构建了 DNA 分子的双螺旋结构模型，揭开了遗传物质的结构之谜。 第三、 DNA 复制和基因表达机理的破译 从 1958 年起， Meselson 等又相继阐明了 DNA 分子的半保留复制机理， Crick 提出蛋白质合成的中心法则，并提出了遗传信息流的中心法则： DNARNA 蛋白质。这使人们看到了通过 DNA 在异种生物间的转移，从而操控性状的可能性。 （ 2 ）对进化生物学发展的影响 生物进化论是从古至今所提出的最具有说服力且影响最广泛的思想纲领之一。进化论具有里程碑式的意义，它是人类历史上最伟大的发现之一，它把先前相互隔离的生物学研究领域结合起来，统一起来。分子生物学的兴起，使人们对于进化的研究手段丰富起来，对进化的认识清晰起来，使进化思想越来越深入人心。 首先，分子生物学为进化论的发展提供了重要的证据。 分子生物学创立之后，使进化论发展更为迅速。它为进化论的发展提供了比传统学科如古生物学、比较解剖学、分类学、胚胎学、生物地理等更为理想的证据。 分子生物学能为生物进化提供传统学科无法提供的证据，可以克服传统学科提供证据存在的局限性。分子生物学可以通过对现存生物和古生物化石中的同源蛋白质和核酸组成成分变化情况分析测定，可以获悉各种生物生存、生活的历史年代，可以从分子水平上绘制生物进化的系统树，比传统学科确定的更加精确。 运用分子生物学方法绘制的生物进化系统树还包含有各种生物分歧的年代信息。例如，有学者对哺乳动物和爬行动物的细胞色素 C 进行了分析测定，在 104 个氨基酸中，平均相差 14.3 个，即置换率为 13.7%, 由此可推算出哺乳动物与爬行动物的分歧时间为 2.74 亿年。按照这种方法还可以确定其他生物之间的分歧年代。生物进化论研究表明，分子生物学方法确定的生物之间的年代分歧是非常准确的。 其次，分子生物学使进化论的理论内容更加充实和完善。 分子生物学诞生以后，随着生物大分子核酸和蛋白质的结构和功能研究的不断深入，生物学家对生物进化的研究，不再全部倾注于肉眼可视的表型水平上的探讨，有些生物学家已经开始把研究的视线转向分子水平的进化研究。最早提出分子进化学说的是日本群体遗传学家木村资生，他在 1968 年提出了中性突变漂变假说 ，简称 “ 中性学说 ” 。此后 ,1969 年 , 美国学者金（ JKKing ）和朱克斯（ THjukes ）亦发表了主张中性学说的论文，题 为 “ 非达尔文主义 ” 。他们认为 ，突变绝大多数为中性，不影响蛋白质和核酸的功能，对生物个体的存在既无利，亦无害，突变在群体中通 过 “ 遗传漂变 ” 随 机地固定下来或消失，认为在分子水平上，自然选择不起任何作用，生物进化速率是由中性突变速率决定的，也就是说，由核苷酸和氨基酸的置换速率决定的。 中性学说是对达尔文主义和现代达尔主义的补充和完善。因为达尔文主义和中性学说对生物进化问题的研究，不属于同一层次。达尔文主义是在个体水平上进行的研究，中性学说是建立在分子生物学基础上，属于分子水平上的研究，由于研究的层次不同，方法各异，在研究结果上出现分歧，甚至相悖现象也是顺情合理，合乎逻辑的。达尔文主义和现代达尔文主义，它们研究的层次虽然不同，但是它们都研究的是生物体宏观表型性状上生物进化问题，而且二者均以自然选择学说为基础。因此，它们的理论内容没有相悖，现代达尔文主义只是比达尔文主义理论更加科学、研究的问题更加深刻、透彻。后者是前者的延续和发展。中性学说同前二者相比，研究的是完全脱离表型性状（当然表型性状与遗传分子有一定关系）分子水平上的生物进化。由于研究的问题相差甚大，出现了相反的研究结果。前者认为，生物进化的主导因素是自然环境，生物进化的方向与自然环境有必然的联系，生物进化的速率受环境和生物的世代等因素的影响。后者认为，生物进化的主导因素是中性突变本身，生物进化方向，由生物大分子随机自由组合决定的。生物进化速率由组成生物大分子的核苷酸和氨基酸置换速率决定的。 对于极其复杂的生物进化过程及其机理，单纯在表型上研究（个体和群体表型），显然是不够的，还需要在分子水平上进行探讨。生物进化论，只有从不同层次，不同方位，采用不同的方法进行研究，才能形成比较完整的科学理论。 第三，分子生物学能为进化论研究提供新的研究方法，促进了进化论的发展。 生物学家运用分子生物学技术和方法，不仅可获得许多重要的生物进化证据，获得分子水平上生物进化的理论，而且通过分子生物学研究过程中形成的方法论，还可以指导生物进化论研究。为进化论研究提供新的研究技术和方法。例如，分子间杂交，这是分子生物学研究中的基本技术和方法。在此之前，由于不同物种之间不能进行杂交而影响着生物进化论的研究，生物学家们将分子间的杂交技术和方法运用于进化论研究之后，就可以在不同的物种间进行杂交试验 , ，可以对不同物种的同源蛋白质组成的氨基酸顺序和基因顺序进行比较，确定不同物种之间的亲缘关系，而且还可以准确计算出分子进化过程和进化速度。分子生物学技术和方法在生物进化论研究中的使用，使进化论研究，由过去长期形成的定性研究发展成为定量研究和定性、定量相结合的研究新模式，推动了生物进化论的快速发展。 第四，分子生物学使生物进化论研究者的思维方法得到启示。 19 世纪，达尔文创立了生物进化论 , 揭示了生物界历史发展的基本规律。达尔文创立的进化论，不仅轰动了生物界，而且在生物界以外的社会许多领域，产生了一定的影响，使许多生物学家饶有兴趣地来探讨生物进化问题，本世纪三十年代，杜布赞斯基等人提出了综合进化论之后，许多生物学家对群体水平上研究生物进化产生了浓厚的兴趣，纷纷从群体水平上探讨生物进化问题。分子生物学问世之后，木村资生，金、朱克斯提出的中性学说，为生物学家研究生物进化提供了新的思路，即在分子水平上探讨生物进化问题，揭示生物进化的规律性。中性学说迄今虽然仍有争议，褒贬有异，但它给予进化论研究者思维方法上的启示是共认不讳的。它启迪人们站在不同层次，不同角度，使用不同方法思考问题，解决问题是具有积极意义的。 二、该主题教学的重点、难点 重点：总结人类探索遗传物质的过程， DNA 分子结构及复制，基因的表达。 难点：肺炎双球菌转化实验和噬菌体侵染细菌实验的分析， DNA 半保留复制过程，遗传信息的转录和翻译过程。 下面就人类探索遗传物质的过程， DNA 分子的复制和遗传信 息的表达三个重点内容，谈谈教学策略、学生学习的常见问题及学习目标的检测。 三、主题内容的教学策略、学生学习的常见问题及学习目标的检测 （一）人类探索遗传物质过程 建议分配在两课时内来完成。这部分有两个经典实验，建议最好每一课时单独分析一个经典实验，而不要急于在一课时完成。 1. 知识和能力目标定位 “总结人类对遗传物质的探索过程”属于应用性的内容。因此，这一部分内容的教学不应简单地要求学生记住对遗传物质探索过程的史实，而应通过对科学过程的分析，领悟科学实验的思想、方法。肺炎双球菌的转化实验以及噬菌体侵染细菌的实验要充分展开，进行具体的分析。烟草花叶病毒感染烟叶的实验在实验设计的思想与方法上 与 DNA 是 遗传物质的实验是类似的，可以从简。 2. 分析学情，进行必要的铺垫 带领学生进入两个经典实验的讨论之前都需要进行必要的知识铺垫。这一点十分必要。教师如果忽视了学生已有的知识起点，往往会导致教学脱离学生认知的基础，无法产生共鸣而导致低效教学的出现。学生在完全没有知识背景的实验面前，需要跨越哪些认识上的障碍，这应当是我们努力准确把握的。 我认为在肺炎双球菌实验的讨论之前，应当进行的铺垫是： （ 1 ） 人类对遗传物质的探究历史： 生殖细胞 染色体 蛋白质或 DNA （简要） （ 2 ） 科学家对遗传物质所具有的基本特点的推测（必要） 遗传学家们认识到，遗传物质这种特殊分子必须具备以下基本特点： A. 它必须携带生物的各种遗传信息。 B. 它必须能精确地复制，这样才能稳定地传递遗传信息。 C. 它必须能够变异。如果没有变异生物就不能改变、适应，进化也不会发生。 （ 3 ） Griffith 和 Avery 的细菌学研究背景（极简要） Avery 的大部分研究生涯奉献给了肺炎双球菌。 （ 4 ） 肺炎双球菌野生型及其毒性产生的机理，突变株丧失毒性的原因（必要） S 型肺炎双球菌的细胞由相当发达的荚膜（黏液外壳）包裹着。荚膜由多糖构成，其作用是保护细菌不受被感染的动物的正常抵抗机制所杀死，从而使人或小鼠致病（对人，它能导致肺炎；对小鼠，则导致败血症）。但在加热到致死程度后， S 型细菌便失去致病能力。由于荚膜多糖的血清学特性不同、化学结构各异， S 型又可分成许多不同的亚型，如 S 、 S 、 S 等。而 R 型细胞没有合成荚膜的能力，所以在它繁殖到足够产生任何危害之前，就被宿主细胞的白细胞所 吞噬了，因而不能使人或小家鼠致病。它不能合成荚膜的原因在于一个控制 UDPG- 脱氢酶的基因发生了突变， R 、 S 两型可以相互转化 。 （ 5 ） 菌落的概念（简要） （ 6 ） 20 年代提出的“四核苷酸理论”使人们对 DNA 产生了“它是个高度重复 4 种碱基的愚蠢的分子，不能产生在遗传物质中所必需的多样性”的错误认识，并长时间转移了人们的研究视线。（简要）这是一个被忽略的，然而对 DNA 研究带来相当大的羁绊的一个观点。 Avery 和赫尔希均是对核酸是遗传物质的观点抱着相当的怀疑开始的。 我认为在噬菌体侵染细菌实验的讨论之前，应当进行的铺垫是： T2 噬菌体的化学组成（必要） 约有 60% 蛋白质和 40% 的 DNA T2 噬菌体（病毒）结构及繁殖方式（必要） Hershey 的噬菌体小组背景（简要） Delbrck 、 Luria 与 Hershey 是噬菌体小组的核心成员，其中 Delbrck 对噬菌体一级生长的研究， Delbrck 与 Luria 的涨落实验， Hershey 和 Chase 的判 决性实验均以噬菌体为材料进行。 Delbrck 与 噬菌体可谓“一见钟情”，噬菌体碰上了 Delbrck 经过长期物理学方法论训练的有准备的头脑。噬菌体在分子生物学中的地位，犹如氢原子在玻尔量子 力学模型中的地位（氢原子只有一个核外电子和一个核内质子）。噬菌体作为生物学研究材料有着极大的优越性：它易于繁殖，在半小时内，就能依赖一个细菌细胞繁殖出数百个子代噬菌体；在培养基中，因为它们分解细菌而出现透明的噬菌斑，因而易于计数；噬菌体只含有蛋白质外壳和核酸内含物两种生物大分子，结构异常简单。噬菌体的研究特性符合 Delbrck 的 想法：“在每一个机体中所发现的许多高度复杂和特殊的分子，其起源有一种极大的简单性。”这部分内容的教学是学生近距离接触和感受 Delbrck 这位伟大的科学家的机会之一。 3. 教学处理 DNA 是主要的遗传物质 （ 1 ）肺炎双球菌转化实验的教学 Griffith 所做工作的分析： 实验的关键步骤： 1928 年，英国微生物学家格里菲思（ F.Griffith ）将肺炎双球菌 S 在特殊条件下进行离体培养，从中分离出 R 型。当他把这种 R 型的少量活细菌和大量已被杀死的 S 混合注射到小鼠体内以后，出乎意外，小鼠却被致死了。剖检发现，小鼠的血中有 S 细菌。 结果的逻辑推理： 上述实验结果可以有 三种解释 ： S 细菌可能并未完全杀死。但这种解释不能成立，因为单独注射经过处理的 S 时并不能致死小鼠； R 型已转变为 S 型。这一点也不能成立，因为剖检发现的是 S 不是 S ， R 型从 S 突变而来，理应转化为 S ； R 型从杀死的 S 获得某种物质，导致类型转化，从而恢复了丧失的合成荚膜的能力。 Griffith 肯定了这种解释。这就是最早发现的转化现象。 注意逻辑分析过程中三个要点：第一，提出合理的假设，第二，对假设做出判断（是否合理，是否逻辑上成立），第三，寻求可能的解释。 进一步实验： 三年之后的研究发现，在有加热杀死的 S 型细菌存在的条件下，体外培养 R 型的培养物，也可以产生这种转化作用。此后不到两年，又发现 S 型细菌的无细胞抽提物加到生长着的 R 型培养物上，也能产生 R 向 S 的转化（ RS ）。 实验结论： 于是，格里菲思认为加热杀死的 S 型细菌培养物或其无细胞抽提物中，一定存在着某种导致细菌类型发生转化的物质，称为 “ 转化因子 ” （ transforming principle ）。 Avery 、 MacLeod 和 McCarty 等人所做研究的分析： 1944 年，在纽约洛克菲勒研究所，美国生物化学家埃弗里（ O T Avery ）及其同事麦克劳德（ C Macleod ）、麦卡蒂（ M McCarty ），为了弄清楚引转化的物质的化学本质，开始了研究工作。 他们起先认为，肺炎双球菌 S 型跟 R 型的区别在于荚膜有无，既然 R 型转化为 S 型时产生了新的有毒多糖荚膜，而多糖又是通过蛋白质酶类合成的 ，同时 他们根据染色体物质的绝大部分是蛋白质的事实，曾一度推断蛋白质很可能是 “ 转化因子 ” 。 可供思考的研究思路（建议启发学生讨论）： S 型菌提取液各种已知成分进行逐一去除，观察去除某种成分后的提取液的转化能力 S 型菌提取液各种成分的逐一分馏，逐一观察某种成分所具有的转化能力 实验过程分析： 他们使用一系列的化学法和酶催化法，把各种蛋白质、类脂、多糖和核糖核酸从抽提物中去掉之后，却发现抽提物的剩余物质仍然保持把 R 型转化为 S 型的能力。 于是，他们进行了 S 型菌提取液的分馏工作，运用一系列的化学和酶催化方法，相继地、有选择地破坏其中一种成分并测验其余物质的转化作用，发现蛋白质以及多糖、类脂都不能起转化作用， 只有提取液中的 DNA ，即使浓度低达 6 亿分之一，加在 R 型菌的培养物中，仍然具有使 R 型向 S 型转化的效力 。不仅如此，从一个 R 型菌转化而成的 S 型菌及其 后代中提取的 DNA 也能够将 R 型转化为 S 型 。结果的逻辑分析： 他们列举了 6 点证据：（ 1 ）纯化的、具有高度活性的转化因子，其化学元素分析与计算出来的 DNA 组成非常接近；（ 2 ）纯化的转化因子在光学、超离心、扩散和电泳等性质上与 DNA 相似；（ 3 ）其转化活性不因抽提去除蛋白质或脂质而损失；（ 4 ）可以破坏、消化蛋白质的胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶不影响其转化活性；（ 5 ）分解、消化核糖核酸 (RNA) 的核糖核酸酶对转化活性无影响；（ 6 ）相反，在加入分解、消化 DNA 的 DNA 酶后，转化活性即行丧失。 实验结论： 1944 年，他们非常谨慎地发表了他们的结果，结论是：肺炎双球菌转化作用的遗传物质是 DNA 。 质疑： 可是， Avery 等人在 1944 年所作的试验和结论，不仅没有使科学界立即接受 DNA 是遗传物质的正确观念，反而引起了科学界许多人的极大惊讶和怀疑。 当时主要有 两种代表性的否定意见 ：第一种认为，即使活性转化因子就是 DNA ，也可能只是通过对荚膜的形成有直接的化学效应而发生的作用，不是由于它是遗传信息的载体而起作用的， 即认为 DNA 的转化作用是生理性的而不是遗传性的 ；第二种否定意见则根本不承认 DNA 是遗传物质，认为不论纯化的 DNA 从数据上看是如何的纯净，它仍然可能 藏留着一丝有沾污性的蛋白质残余 ，说不定这就是有活性的转化因子。 反质疑： 科学界的怀疑、否定，不但没有能动摇 Avery 等人继续探索的坚定信心，反而加强了他们的信念，为进一步明确、探索而奋斗。特别是他们在 1949 年 所进行的实验，给了第一种怀疑论者以致命一击。 他们从粗糙型（即 R 突变型）品系中分离出一个新的更加粗糙、更加不规则的突变型 ER ，并且发现从 R 品系细胞中提取出来的 DNA 可以完成 ER 向 R 的转化 。这样，就证明了在以往实验中作为受体的 R 品系本身还带有一种转化因子 。这种转化因子能把 R 品系仍然还具有的一点点残余的合成荚膜的能力转授给那个荚膜缺陷更甚的 ER 品系。 不仅如此，他们还发现，将 从 S 品系（作为给体）提取的 DNA 加到 ER 品系（作为受体）中，也能实现 ER 向 R 的转化 。 如果把这种 第一轮的 R 转化物抽取一些加以培养，然后再加进 S 给体的 DNA ，便会出现 R 向 S 的转化 。这些发现使得那些曾抱有“ DNA 仅仅是在多糖荚膜合成中作为一种外源化学介质进行干扰而导致转化作用”信念的人们，无言以对，只得认输。 在同一年内，他们的其他实验还表明， 肺炎双球菌的 DNA 不但带有为荚膜形成所需要的信息，而且还带有对青霉素产生抗性的细胞结构的形成所需要的信息 。荚膜的形成和对青霉素的抗性似乎是由不同的 DNA 分子控制着。当这些实验结果在 PNAS 上发表之后，一切认为 DNA 的 转化作用是生理性的而不是遗传性的各种奇谈怪论便消失无踪了。 针对第二种否定意见， Avery 等于 1946 年用蛋白水解酶、核糖核酸酶和 DNA 酶分别处理肺炎双球菌的细胞抽提物。结果表明，前两种酶根本不影响抽提物的生物学效能，然而只消碰一碰后者，抽提物的转化活性便立即被完全破坏掉。这一结果进一步证明了 DNA 作为遗传信息载体的功能。他们继续对转化因子进行化学提纯。 到 1949 年时，已经 能把附着在活性 DNA 上 的蛋白质含量降低到 0.02 。 尽管如此， 在 1949 年， 这些实验结果仍然没能使怀疑论者相信 DNA 是 遗传变化的原因所在。甚至到 1950 年，有人仍 对 Avery 的 转化因子试验结论持怀疑态度，认为“在活性因子的纯化过程中，越来越多的附着在 DNA 上 的蛋白质被去掉了，但很难消除这样的可能性，即可能还有微量的蛋白质附着在 DNA 上 ，虽然无法通过所采用的各种检验法把它们侦察出来，因此对 DNA 本身是否就是转化介质还存在一些疑问”。 （ 2 ）噬菌体侵染细菌实验的教学 实验的出发点： 已清楚的问题： A.T2 噬菌体能够感染大肠杆菌以及其侵染的周期规律。 B. 在感染期间噬菌体基因进入宿主细胞。 C. 基因指导合成了新的噬菌体颗粒。 不清楚的问题： A. 进入宿主细胞的基因究竟是蛋白质，还是 DNA ？ B. 基因如何进入大肠杆菌细胞？ 实验的关键步骤： 实验的第一部分：用 35 S 和 32 P 分别标记噬菌体的蛋白质和 DNA ，获得仅标记蛋白质和 DNA 的噬菌体。 实验的第二部分：对感染细胞的标记类型进行推断，揭示基因的特性。 结果的逻辑分析： 大部分标记的蛋白质留在外面，大部分 DNA 进入感染的细胞。 实验结论： 噬菌体的基因（传递给子代的遗传物质）是由 DNA 构成。注： DNA 是噬菌体的遗传物质是后人对此的一个通俗理解。 质疑： 随着 DNA 一起进入细胞的那些少量蛋白质可能携带基因 反质疑： A. 35 S 标记在子代噬菌体中不能够延续， 32 P 标记可在子代噬菌体中延续，说明 DNA 在亲子代噬菌体间得到传递，而蛋白质没有的到传递。 B. 将此实验结果与此前的 Avery 实验结果一起分析，有助于证实遗传物质是 DNA 4. 实验的科学思想和方法渗透 总结这两个实验，有很多值得思考的东西。从实验对象、实验思路确定、实验结果的逻辑分析等，都展示了科学的魅力。因此，对于这两个经典实验分析，千万不要急于为了完成教学任务，为了获得既定结论而进行精心算计，把学生的思路框定在老师的思维通道里。建议对于科学家在实验前已知的和未知的事实进行梳理，对于实验的目的进行分析，然后再讨论实验的过程、实验的结果及结论的获得，这样才能为学生打开一个思考的空间，引领学生的思维回到科学发现的轨道上来。还要注意科学实验结论是经历了各种怀疑和反复确定过程才尘埃落定的，因而设置必要的质疑与思考过程，是启发学生进行科学思维，训练学生科学素养所必要的。 5. 学生学习中常见的错误与问题的分析与解决策略 （ 1 ）学生可能存在的疑问：何为转化？为何称之为转化实验？ R 型如何转化为 S 型？ 建议在肺炎双球菌转化实验分析结束，获得结论之后，能够将 R 型肺炎双球菌转化为 S 的过程给学生，解开学生的疑团，并对细菌转化的概念略作补充，以便于理解基因工程当中土壤农杆菌转化法当中转化的含义。 细菌转化指某一受体菌通过直接吸收来自另一供体菌的含有特定基因的 DNA 片段，从而获得供体菌的相应遗传性状的现象。加热杀死的 S 型菌 DNA 未被破坏或未被完全破坏，其基因片段被吸收进入 R 型菌，从而使 R 型菌获得了形成 S 型菌荚膜的特性。 （ 2 ）噬菌体侵染细菌实验过程及其结果不理解或理解不到位。 噬菌体侵染细菌实验是比较难的。原因可能有三点：首先，学习之前学生缺少对于病毒的结构及其繁殖过程的认识，影响了他们的理解，因此这一部分必须要补上。其次如果实验过程中的细节处理不够得当，学生的思维可能会跟不上，导致理解不透彻。例如这个实验成功的关键之一是科学家想到了用 waring 搅拌器搅拌，那么搅拌的目的是什么？为什么会想到搅拌？这正是和本实验的目的相联系的步骤。这里需要给学生分析清楚。再如，离心后对于沉淀物和上清液的成分的分析，也是必要的。为什么要控制被标记噬菌体和未标记的细菌混合的时间长短？如何得知是否有子代噬菌体干扰了实验结果？人教版的插图的确十分直观，但这种直观让人失去了想象和思考，因而使用时还需增加思维过程才好。如果能够仔细分析这些过程，对于学生的理解应该是十分有益的。 （ 3 ）对于两个实验的思路认识不到位。 学生学习之后，往往不能够对两个实验的思路做出总结和概括，需要教师引导学生对两个实验思路进行适当分析。例如提出这样的问题：两个经典实验，总体思路都是将 DNA 和蛋白质的作用分开来进行观察，但是否思路上有所区别？ Avery 实验是把 S 型细菌提取物中的各种成分进行分离，逐一观察哪一种是使 R 型性状发生转化的因子。 Hershey 实验则直接观察 DNA 和蛋白质哪一种进入宿主菌并指导子代噬菌体颗粒的形成，则其必为基因。因此虽然总体思路相同，但还是略有一些差异。 6. 该主题学生学习目标的检测 例题 1 ：（ 2011.1 海淀区期末练习） 1952 年 “ 噬菌体小组 ” 的赫尔希和蔡斯研究了噬菌体的蛋白质和 DNA 在侵染过程中的功能，请回答下列有关问题： （ 1 ）他们指出 “ 噬菌体在分子生物学的地位就相当于氢原子在玻尔量子力学模型中的地位一样 ” 。这句话 指出了噬菌体作实验材料具有 _ 的特点。 （ 2 ）通过 _ 的方法分别获得被 32 P 和 35 S 标记的噬菌体，用标记的噬菌体侵染细菌，从而追踪在侵染过程中 _ 变化。 （ 3 ）侵染一段时间后，用搅拌机搅拌，然后离心得到上清液和沉淀物，检测上清液中的放射性，得到如图 10 所示的实验结果。搅拌的目的是 _ ，所以搅拌时间少于 1 分钟时，上清液中的放射性 _ 。实验结果表明当搅拌时间足够长以后，上清液中的 35 S 和 32 P 分别占初始标记噬菌体放射性的 80 和 30 ，证明 _ 。图中 “ 被浸染细菌 ” 的存活率曲线基本保持在 100 ，本组数据的意义是作为对照组，以证明 _ ，否则细胞外 _ 放射性会增高。 （ 4 ）本实验证明病毒传递和复制遗传特性中 _ 起着作用。 例题 2 ：（ 2011.1 海淀区期末练习） （ 1 ）结构简单，只含有蛋白质和 DNA （核酸） （ 2 ）用含 32 P 和 35 S 的培养基分别培养大肠杆菌，再用噬菌体分别侵染被 32 P 和 35 S 标记的大肠杆菌 DNA 和蛋白质的位置 （ 3 ）将噬菌体和细菌震脱 较低 DNA 进入细菌，蛋白质没有进入细菌 细菌没有裂解，没有子代噬菌体释放出来 32 P （ 4 ） DNA 说明：这是我区的老师以经典实验为背景创作的题。素材来自于 Hershey 实验的原文。本题对于实验材料、实验过程、实验结果和结论的考查均有独特的角度。其中比较有意思的是第（ 1 ）小题，非常有生物学思想的一道题，建议能够根据这一内容进行拓展，例如豌豆、果蝇、秀丽线虫、拟南芥等模式生物。第（ 3 ）小题的分析回答必须建立在图中曲线的分析基础上，特别是 “ 上清液中 35 S 和 32 P 分别占初始标记噬菌体放射性的 80 和 30 ” ，还原了实验的原始过程，非常有意义 。 “ 被浸染细菌 ” 的 存活率作为对照组的分析，是体现了科学家实验过程思维的严谨性，对于培养学生科学思维也非常有益。 （二） DNA 分子的复制 DNA 双螺旋结构模型的构建过程，也是一段充满传奇的科学史，很多老师对此非常熟悉，因此本次讲座没有就此展开。作为科学课，还是希望能够多讲些科学故事给学生，生动的故事对学生的一生都会产生巨大的影响。 课程标准当中有一个 “ 制 作 DNA 分子双螺旋结构模型 ” 的 学生活动，可 能很多 老师因为课时紧张或对此活动的重视程度不够而忽略了这一活动，但我认为这一活动还是非常有价值的。特别是能够让学生直观接触和体会 DNA 分子结构，感受物理模型建构过程，建立对 DNA 分子直观认识，因此最好能够课堂上分配些时间做，或者课下由学生完成。 DNA 分子的复制建议 1 课时完成。不要把这一内容与 DNA 分子的结构合并在一起，这样的话两部分都会太匆匆，失去味道。 1. 科学家面临曾经的有关复制的问题 DNA 被证明为绝大多数生物的遗传物质之后，其功能的实现就被广泛关注，这样的背景下， “ DNA 如何复制？以及基因与性状之间的关系是怎样的？ ” 这 样两个问题的回答就成为科学家们研究的主要方向。 有这样问题几个 DNA 复制相关问题： A. 复制的模板是整个 DNA ？还是一条链？或者完全分散的 DNA ？ B. 复制是单方向进行还是多方向进行？ C. 复制的起点是 DNA 分子的一端，还是多个起点？这些问题的提出和讨论，也是我们教学的出发点。 2. 复制方式的讨论 （ 1 ） DNA 复制的 3 种假设 半保留复制假设（ Watson 和 Crick 模型）： 1953 年 Watson 和 Crick 的原始论文中有这样一段话： “ 我们的 DNA 模型实际上是一对模板，每一模板与另一个互补。我们设想：在复制前氢键断开，两条链松开、分离，然后每条链作为形成自己新链的模板，最后我们从原先仅有的一对链得到了两对链，而且准确地复制了碱基序列 。 ” 这真是个天才的预测！这个模型曾被人们怀疑，因为最大问题就是 “ 双链是如何打开的？ ” 全保留复制假设： 这不是 DNA 复制的唯一可能方式，另一种可能的机制是全保留复制，即两条亲本链彼此结合，新合成的两条子链彼此互补结合成一条新的双链。 弥散复制假设： 当然还可能采取随机弥散型复制方式，即亲代的双链被切成双链片段，复制完成后 ， “ 新旧 ” DNA 同时存在于同一条链中，这种复制机制被认为可以避免双链 DNA 解旋的问题。 在听课当中发现，有些老师特别愿意让学生猜测，复制有哪些可能的方式。我认为这是个不太合理的问题，也不是我们教学要解决的主要问题，也很难让学生猜到（特别是弥散复制），大部分教学中这样的猜测，最终不得不由老师来给出答案。利用科学发现史进行教学，不要把学生等同于科学家，学生能够在教师创设的情境下，正确解读科学史上的经典实验已经很难能可贵，期望他们像科学家一般进行设想、设计实验、实施实验、分析实验，有些不太现实。 虽然人教版教材关于 DNA 复制的实验证据为选学内容，但作为经典实验之一，对于学生深入理解半保留复制的方式，感受科学探究的魅力，作用却是不可小视。如果能够安排到教学当中，对于培养学生科学思维，还是具有较高价值的。 （ 2 ） Taylor 实验 1957 年 Herbert Taylor 用 3 H 标记蚕豆根尖细胞的 DNA ，通过放射自显影证实了真核生物的 DNA 复制符合半保留模型。 真核细胞的每一条染色单体是由一条 DNA 双链组成，按半保留复制机制， Taylor 预期用 3 H 标记蚕豆根尖细胞的 DNA 到第二周期后不再用标记，双链复制应如图 9-3 （ a ）所示。经放射自显影后第一周期的中期（ M1 ）染色体中的两条单体都被标记；到第二周期的中期（ M2 ）染色体中仅一个单体被标记；到第三周期的中期（ M3 ）时，染色体有两类：一类是染色单体都未标记，另一类是有一个染色单体被标记，两类染色体比例相等，这一结果 图 9-3 （ b ） 和预期的情况完全符合。 （ 3 ） Meselson-Stahl 实验 实验目的：对 DNA 复制的半保留复制、全保留复制、弥散复制三种假设进行辨别 实验的假设： 半保留复制 实验过程分析： 教学当中建议不要直白地讲述实验过程及结果，可通过带领学生讨论或思考一些问题来丰满我们的教学。问题如下： A. 为何选择 15 N 作为 DNA 分子的标记元素？ 32 P 和 14 C 是否也可以作为标记元素？ 相对于 C 和 P ， 15 N 使 DNA 的分子密度显著增加，这样可以通过密度梯度离心将亲本链和子代链区分开来。 B. 如何将不同密度的 DNA 分子分离开并测定含量？ CsCl 2 密度梯度离心及其结果产生的原理： 是一种超速离心技术，是根据核酸分子的浮力密度进行分离，一般使用高浓度的重金属 CsCl 2 溶液。首先将 DNA 与离心管中的氯化铯混匀，然后长时间离心（如 23 天）。离心过程中重的铯离子慢慢向试管底部移动，在液体柱中形成连续的密度梯度。一定时间后，铯离子向底部移动的趋势与由扩散使它们重新分布的趋势相平衡，使梯度稳定。当铯梯度形成时，各个 DNA 分子同时受到向下的离心力和向上的浮力驱动，直到它们到达浮力密度与自身相等的位置，分子不再运动。相同密度的分子在离心管内形成狭窄的带。该技术足以分离不同碱基组成的 DNA 分子或含有不同 N 同位素的 DNA 分子。 （ a ）离心管在紫外光照射下的图像。此图像是在离心机旋转的情况下通过其窗口观察到的。该离心机的设计可以让实验者在不停止离心机旋转的情况下观察离心的样品。两黑色条带分别代表了能够吸收紫外线的两种不同 DNA 。 (b) 每一条带黑度的曲线图。表示了两种 DNA 的相对含量。 C. 与该实验的假设相符的实验结果应当是怎样的？请你在表格中绘出每种假设预期产生的子代 DNA 及其氯化铯密度梯度离心结果。 复制方式 亲代细菌的 DNA 亲代细菌转入 14 NH 4 Cl 为唯一氮源培养基 15 N-DNA 子一代 子二代 全保留复制 15 N-DNA 半保留复制 15 N-DNA 弥散复制 15 N-DNA 实验结果分析： 半保留复制预测的结果在哪一代结果中体现？这一结果的参照是什么？ 若是全保留复制，请你描述子一代和子二代结果。 子一代结果支持哪种假设，否定了哪种假设？ 尽可能多的使学生接触实验最原始的未经过任何加工的过程和实验数据很有意义，能够让学生感受到科学研究的真实过程，感受到科学家们的思考以及它们严谨的科学态度和创新精神。3. 复制的过程 DNA 半保留复制方式得到证实以后，人们想进一步了解复制的起点和方向。这里也有一些一般不为人熟知的科学研究历史。因为教学时间所限，都进行展开是不可能的。建议根据学生认知能力，领悟能力强的学生给些资料，不具备这方面能力的，直接给出结论。 在 DNA 复制的教学中，教师应当注意讲述的层次性、条理性和知识的准确性。如果教师能够采用传统的板图与 PPT 演示结合形式进行教学，应该会有比较好的效果，特别是板图，我认为它是非常好的信息载体。可能需要两个板图结合，一个板图是一个 DNA 分子片段复制的详解图，另一个板图是一个 DNA 分子复制产生子一代、子二代、子三代 DNA 分子的过程图。 复制的起点： DNA 在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点（复制子）。在原核生物 DNA 中，复制起始点通常为一个，而在真核生物 DNA 中则为多个。此处略作交代，可为将来学习基因工程做铺垫。 复制的方向： DNA 复制时，以复制起始点为中心，一般向两个方向进行复制（双向复制），极少数 DNA 单向复制。为半不连续复制。 复制的发生时间：细胞周期中的间期 复制的原料：四种脱氧核苷酸（准确来讲是四种脱氧核苷三磷酸 dATP 、 dGTP 、 dCTP 、 dTTP ） 复制的模板： DNA 的两条母链 复制的酶系：解旋酶、 DNA 聚合酶、拓扑异构酶、 DNA 连接酶、引物酶 复制的能量： ATP 和 dNTP 水解提供。 教学中应当注意两点： 有些教师不太注意，认为能量都是由 ATP 提供，是不够科学的。拓扑异构酶除去正超螺旋和解旋酶解旋都消耗 ATP 水解的能量，而 DNA 聚合酶催化的聚合反应（形成磷酸二酯键）所需能量则由 dNTP 水解提供。 复制的酶系不仅仅是解旋酶和 DNA 聚合酶。高二的新授课教学中可以不展开全部，但选修三学过之后，至少还要了解 DNA 连接酶，以及复制需要 RNA 引物这一事实（ PCR 需要加入 RNA 引物）。 4. 复制的意义 DNA 是遗传信息的载体， DNA 分子的精确复制，使 DNA 的遗传信息形成两个相同的拷贝，实现了 DNA 的功能之一，即储存并传递遗传信息。这对于维持遗传物质的稳定性极为重要。 5. 学生学习中常见的错误与问题的分析与解决策 略 常见问题 1 ： DNA 复制与细胞分裂时染色体行为相联系时，学生往往出现认识上的误区，例如混淆 DNA 双链与姐妹染色单体等。 解决策略：不能将 DNA 复制与细胞分裂割裂开。 DNA 复制基本上是发生在细胞周期中的间期的事件。因此教学中需要将 DNA 复制与细胞周期中的染色体行为相联系。 常见问题 2 ：复制过程的碱基计算 解决策略：明确半保留复制的含义。复制时亲代 DNA 的双链在子代中是得以保留的，每个子代 DNA 保留亲代的一条链。这样，由于亲代 DNA 的保留，复制一