_细胞分化与细胞全能性_的教学思路

1、40生 物 学 通 报 2011年 第 46卷 第 7期“ 细胞分化 ” 和 “ 细胞的全能性 ” 是高中生物学 必修 1“ 分子 与 细 胞 ” 中 2个 紧 密 联 系 的 核 心 概 念 。 其具体内容标准为 :说明细胞的分化 ; 举例说 明细胞的全能性 。 由此可见 , 课程标准 是将其 定为理解水平 , 即要求学生能够陈述细胞分化的 概念内涵 (包括细胞分化的原因 、 结果 、 特征 、 意义 等 。 细 胞 分 化 能 力 的 强 弱 称 为 发 育 潜 能 (devel -opment potential , 细 胞 具 有 分 化 出 各 种 组 织 和 细 胞 , 并能发育成

2、完整个体的潜能称为细胞的全能 性 1(totipotency 。 然而 , 不少教师受教材表述的影 响 , 把这一概念作了狭义的理解 。 本文援引 分子 细 胞 生 物 学 等 专 著 的 有 关 论 述 , 试 图 对 “ 细 胞 的 全能性 ” 这一核心概念予以诠释 , 并在教学设计中 揭 示 “ 细 胞 分 化 ” 与 “ 细 胞 全 能 性 ” 之 间 的 逻 辑 关 系 。1“ 细胞分化 ” 概念内涵及层级1.1在个体发育中 , 由一个或一种细胞增殖产生 的后代 , 在形态 、 结构和生理功能上会发生稳定性 差异 。 细胞的这种特化不仅是正常发育所必需的 , 而且还能提高细胞各种生理

3、功能的效率 。1.2一般说来 , 体内各种细胞均含有物种的全部 基因 , 但基因的表达具有时空性 。 细胞之所以在形 态 、 结构和功能上发生稳定性差异 , 是因为组织特 异 性 基 因 选 择 表 达 成 了 组 织 特 异 性 蛋 白 的 缘 故 。 从理论上讲 , 已分化的细胞仍然具有发育成一个 完整个体的潜能 。1.3细胞分化是渐进性的 , 其方向的限定早于形 态差异的出现 , 且分化细胞的表型保持相对稳定 , 一般不可逆转 。之 所 以 采 用 完 整 的 陈 述 句 的 形 式 来 表 述 概 念 , 是因为这种表述方式更易于确认需要学生理 解和掌握概念的内容及意义 , 也更易于建

4、立概念 之间的联系 2。2“ 细胞分化 ” 概念教学的组织在 分 析 “ 细 胞 分 化 ” 的 概 念 内 涵 及 层 级 之 后 , 教 学 设 计 应 该 紧 紧 围 绕 着 相 应 的 概 念 条 款 展 开 , 通过列举事实 、 分析讨论 , 或者基于资料的探究等 活动 , 帮助学生深层理解这些概念内涵 , 并基于概 念理解而构建合理的知识结构 (见图 1。图 1细 胞 分 化 的 概 念 内 涵2.1列举事实 , 尝试定义 呈现人的受精卵发育 至胎儿的图片 ; 列举学生熟知的根尖分生区细胞 分 化 成 伸 长 区 、 成 熟 区 的 事 实 , 然 后 , 引 导 学 生 抽 象概

5、括出 :“ 细胞分化是指在个体发育中 , 由一个 或一种细胞增殖产生的后代 , 在形态 、 结构和生理 功能上会发生稳定性差异的过程 。” 这是广大教师 一贯坚持的做法 , 值得肯定 。 因为事实是用来帮助 学生建立和理解概念的 , 事实当然要围绕着概念 的 结 构 来 排 布 。 但 是 , 定 义 常 常 不 等 同 于 概 念 。 “ 定 义 ” 通 常 用 “ 是 ” 来 表 述 , 说 得 十 分 肯 定 。 “ 概 念 ” 描 述 一 类 事 物 的 本 质 , 有 时 并 不 用 “ 是 ” 来 描述 3。 在引导学生下定义之后 , 教师还应该设置 下列问题 , 吸引学生深入思考

6、细胞分化的结果和 生 物 学 意 义 。 1 在 人 的 个 体 发 育 过 程 中 , 假 若 没 有细胞分化 , 受精卵能发育成胎儿吗 ? 为什么 ? 2 细胞在形态 、 结构上出现特化 , 对于细胞完成其生 理 功 能 有 何 意 义 ? 3 从 遗 传 的 角 度 分 析 , 受 精 卵 为什么能够发育成一个完整个体 ? 问题 3的设置 实际上是指向 “ 细胞全能性 ” 这一核心概念的丰富 内涵 , 之所以在此设置问 题 3, 一 方 面 是 因 为 不 仅 已分化的细胞具有发育成完整个体的潜能 , 未分 化的受精卵在自然条件下更容易发育成一个完整 的个体 。 也就是说 ,“ 细胞全能

7、性 ” 这一概念是随 着教学进程不断建构起来的 ; 另一方面 , 其用意还“ 细胞分化与细胞全能性 ” 的教学思路苏明学 张 芳(北 京 师 范 大 学 良 乡 附 属 中 学 北 京 102488中国图书分类号 :G633.91文献标识码 :C2011年 第 46卷 第 7期 生 物 学 通 报 41在于探讨细胞分化的原因 , 起到承上启下的教学 功效 。2.2探 究 发 现 , 明 晰 原 因 美 国 地 平 线 研 究 组 (Horizon Research Team 主 席 维 斯 (Weiss 及 高 级 研 究 助 理 帕 斯 利 (Pasley 经 过 了 18个 月 的 观 察

8、 , 对 364节课详细分析 , 发现优质课堂主要有几个 特 征 4, 其 中 包 括 :1 在 课 堂 教 学 过 程 中 , 教 师 善 用 多 种 策 略 , 为 某 个 科 学 概 念 提 供 清 晰 的 阐 释 ; 2 吸 引 学 生 从 事 动 脑 筋 的 活 动 ; 3 帮 助 学 生 理 解 学科的核心概念等 。 因此 , 可以引入相关科学史对 细胞分化原因进行探讨 。资 料 1:最 早 试 图 对 细 胞 分 化 机 制 作 出 解 释 的 学 者 是 Weismann (1883, 他 根 据 当 时 对 马 蛔 虫 的研究结果 , 提出了 “ 体细胞分化是由于遗传物质 丢

9、失造成的 , 每一种组织只保留了其特有的遗传 物质 ” 的见解 。 在马蛔虫这一特例中 , 在卵裂过程 中 体 细 胞 的 染 色 体 确 实 发 生 丢 失 现 象 。 因 此 , Weismann 这 一 观 点 在 当 时 看 来 既 符 合 逻 辑 , 又 有 实际例证 , 因而被学术界所普遍接受 。 你同意上述 观点吗 ? 根据是什么 ?资料 2:1958年 Steward 等 利 用 胡 萝 卜 根 的 韧 皮部组织培养出了完整的新植株 ; 1970年 Steward 用悬浮培养的胡萝卜单个细胞培养成了可育的植 株 。资料 3:1969年 Nitch 将烟草的单个单倍体孢 子培养成

10、了完整的单倍体植株 。分 析 资 料 2和 资 料 3, 你 得 出 的 结 论 是 什 么 ? 基于对上述 3则资料的分析探究 , 学生就容易得 出以下结论 :1 高度分化的植物体细胞 , 遗传物质 并没有丢失 , 仍含有发育成一个完整个体所需的 全套基因 , 具有发育的全能性 ; 2 在二倍体染色体 组中 , 只要有一套单倍体的基因组 , 就含有该物种 的全部遗传信息 , 因此 , 植物的生殖细胞也具有发 育的全能性 。 至此 , 细胞全能性的概念内涵已昭然 若 揭 , 师 生 共 同 归 纳 (见 图 2所 示 。 学 生 仍 然 会 有 2个疑问 :1 既然已分化细胞中含有相同的遗 传

11、信息 , 为什么细胞的形态 、 结构和生理功能会出 现稳定性差异 ? 2 已分化的动物细胞是否也像植 物细胞那样具有发育的全能性 ? 针对疑问 1, 教师 可 以 列 举 事 实 , 循 循 善 诱 , 问 题 指 向 要 明 确 , 最 终 让学生领悟 “ 细胞分化是组织特异性基因表达的 结 果 ”。 例 如 :通 过 分 子 杂 交 实 验 表 明 , 在 任 何 时 间 一 种 细 胞 的 基 因 组 只 有 一 少 部 分 基 因 在 活 动 。 在幼红细胞中 , 糖酵解酶系的编码基因 、 核糖体蛋 白基因是否均能表达 ? 血红蛋白基因 、 胰岛素基因 是否都能表达 ? 细胞的形态 、

12、 结构与生理功能主要 由哪种化学物质直接体现 ? 幼红细胞最终分化成 红细胞的主要原因是什么 ? 针对疑问 2, 教师要向 学生说明 :到目前为止 , 人们还没有成功地将单个 已分化的动物体细胞培养成新个体 , 这是因为动 物细胞的发育潜能随着分化程度的提高而逐渐变 窄 。 但这种分化潜能的变化是对细胞整体而言的 , 对细胞核来说是否还保持着全能性呢 ? 进而引导 学生分析细胞核移植实验 。2.3因果分析 , 把握特征 学生一旦理解了细胞 分化的因果关系 , 就容易从中把握细胞分化的特 征 :1 渐 变 性 细 胞 在 发 生 形 态 差 异 之 前 的 一 定时间 , 细胞分化命运即已确定

13、, 基因活动模式已 发 生 改 变 , 从 基 因 到 蛋 白 质 再 到 细 胞 形 态 、 结 构 、 功能特化是一个渐变过程 。 2 不可逆性 分化 细胞的表型保持相对稳定 , 以执行特定的功能 。 然 而 , 在某些条件下 , 分化细胞的基因活动模式可发 生可逆的变化 , 又回到未分化状态 。3“ 细胞全能性 ” 的概念诠释正如前文所言 , 细胞全能性是指细胞具有分 化出各种组织和细胞 , 并能发育成完整个体的潜 能 。 然而不同版本的教材表述不一 , 人教版以黑体 字非常醒目地标明 :“ 细胞的全能性是指已经分化 的细胞 , 仍然具有发育成完整个体的潜能 。 ” 中国 地图版将概念的

14、外延进一步缩小 :“ 高度分化的植 物细胞仍然有发育成完整植株的潜能 , 这是细胞 的全能性 。” 浙江科技版则以举例说明的形式来表 述 概 念 :“ 受 精 卵 具 有 分 化 出 各 种 细 胞 的 潜 能 , 这 种潜能称为细胞的全能性 。 ” 不同版本教材 , 各执 一端 , 莫衷一是 。 在此 , 我们还是援引翟中和院士 在 生命科学和生物技术 一书中的阐释 :“ 每一 个细胞 , 不论低等生物或高等生物的细胞 、 单细胞 生物或多细胞生物的细胞 、 结构简单或复杂的细 胞 、 未分化或分化的细胞 (除个别终末分化的细胞 外 、 性细胞或体细胞都包含着全套的遗传信息 , 即 全套的基

15、因 , 也就是说它们具有遗传的全能性 5。 ” 根据 分子细胞生物学 中的有关表述和翟中和先 生 的 阐 释 , 对 “ 细 胞 全 能 性 ” 这 一 核 心 概 念 作 如 下 诠 释 (见 图 2,“ 细 胞 全 能 性 ” 融 入 对 细 胞 分 化 原42生 物 学 通 报 2011年 第 46卷 第 7期因的探究中 , 试图展现概念的建构过程 , 全面反映 概 念 的 内 涵 和 外 延 , 并 揭 示 “ 细 胞 分 化 ” 与 “ 细 胞 全能性 ” 2个核心概念之间的逻辑关系 。图 2细 胞 全 能 性 的 概 念 内 涵 与 外 延主要参考文献1韩 贻 仁 . 分 子 细

16、胞 生 物 学 . 北 京 :科 学 出 版 社 ,2001:544. 2刘 恩 山 , 张 颖 之 . 课 堂 教 学 中 的 生 物 学 概 念 及 其 表 述 方 式 . 生 物 学 通 报 , 2010,45(7:41 42.3Weiss I.R. &Pasley J.D. What is high quality instruction.E-ducational Leadership,2004:61.科学教育一种重要的目标就是培养学生在科 学探究过程中所需运用的各项技能 , 学生一旦拥 有这些技能 , 便可凭借这些技能来探究周围的世 界 , 并 且 所 获 得 的 知 识 也

17、 就 能 具 有 “ 科 学 ” 的 特 质 1。 生物学教育是科学教育的一 个 重 要 组 成 部 分 。 当 前 , 在 我 国 新 课 程 改 革 中 , 初 、 高 中 生 物 学 都 提 出 了 “ 倡 导 探 究 性 学 习 ” 的 理 念 , 并 指 出 生 物 科 学 是 在 人 们 不 断 探 究 的 过 程 中 逐 步 发 展 起 来 的 。 生物学课程中的科学探究是学生积极主动地 获得生物科学知识 、 领悟科学研究方法而进行的 各种活动 2。 问题是探究的起点 , 怎样提出问题 , 则是科学探究过程中的关键 。1提出问题的重要性爱因斯坦曾说过 :“ 发现问题往往比解决问题

18、 更重要 3。 ” 美籍中国科学家李政道也强调 :“ 最重 要的是提出问题 , 否则将来就做不了第一流的工 作 。 ”“ 学源于思 , 思源于疑 ”,“ 疑乃悟之父 ”, 发现 问题 、 提出问题的过程是极具创造性的过程 , 它比 在现成的问题下寻找问题的答案更需要创造性思 维 4。 可见 , 科学探究的前提是提出一个有价值的 科学问题 。在开展科学探究性学习的指导中 , 教师面临 的首要难题是如何指导学生提出一个科学 、 可行 而又有探究价值的课题 。2提出问题的过程与方法2.1发现问题的途径 研究表明 , 在校高中生最 感兴趣的生物学主题是与实践观察 、 实际应用以 及与社会生活相关的问题 5。 日常 生 活 中 的 现 象 蕴含着丰富的科学道理 , 学生只要有