在“基因的表達”教學中滲透生物學思想

“基因的表達”一節內容豐富、科學性和知識性強，是對學生進行科學態度和科學精神教育，提高學生的判斷推理能力、創新思維能力和探究事物的本質能力，培養學生生物學思想的好題材。該部分教材的編寫結構嚴謹、邏輯嚴密，便于學生閱讀、理解和記憶，教師只要以教材為基礎，合理組織材料，適當編排，讓學生了解科學發現的過程，再加上講課時恰到好處的點撥啟發和因勢利導，就能使學生領會科學家的思維方法，學會嘗試探究并體驗成功，從而感受生物學是一門實驗科學的思想。筆者在這一小節的教學中做了如下這安排。

1 “基因——有遺傳效應的DNA片段”教學

教師首先通過引導學生對DNA分子結構的復習，使學生明白作為遺傳物質的DNA具有分子結構的穩定性、多樣性和物種特異性；復習DNA分子的復制使學生了解DNA能夠通過復制將遺傳信息傳遞給后代，從而保持前后代之間遺傳信息的連續性。然而，DNA作為遺傳物質，怎樣使遺傳信息在后代個體中正確表達，讓后代表現出與親代相似的性狀呢？由此引出“DNA上的基因通過指導蛋白質的合成，來控制生物的新陳代謝過程以及表現的性狀”這一課題。

那么，什么是基因呢？這還得從孟德爾說起。1865年，孟德爾發表的《植物雜交試驗》中提出了生物的性狀是由遺傳因子控制的觀點，這在當時還只是邏輯推理的產物；1902年，德國細胞學家鮑韋利在用胚胎學和細胞學的實驗方法對馬蛔蟲和海膽的染色體進行研究后，得出“染色體的行為與孟德爾遺傳因子具有平行關系”的結論；1903年，美國遺傳學家薩頓在對笨蝗精子形成過程中染色體變化的研究時，根據有絲分裂和減數分裂過程中染色體的變化規律推斷，控制生物性狀的遺傳因子存在于染色體上；1909年丹麥遺傳學家約翰遜第一次用gene這一名詞替代遺傳因子來表示遺傳的獨立單位，指出gene不僅是遺傳的基本單位，也是遺傳功能的一個基本單位，由于gene這一名詞簡捷易記，讀來上口，很快被生物學家們普遍接受，“基因”一詞即為gene的譯音而來；1908年，美國遺傳學家摩爾根在上千只果蠅培養瓶中，意外地發現了一只白眼雄果蠅(正常野生型果蠅均為紅眼)，通過一系列的試驗和遺傳分析；1909年第一次把一個具體的基因(白眼基因)定位于一個特定的染色體——X染色體上，以后通過進一步研究證明基因在染色體上呈線性排列，從而為遺傳的染色體理論提供了重要的實驗證據，開辟了一條遺傳學和細胞學直接結合的研究道路；1941年，美國生化遺傳學家比德爾用紅色面包霉(即脈孢菌)為試驗材料，用營養缺陷型的研究方法進行試驗，提出“一個基因一種酶”的論斷，雖然現在看來這種說法存在一定的局限性，但他第一次將基因與酶這種特殊的蛋白質聯系起來，也同時將基因這個遺傳單位通過酶(蛋白質)與生物的新陳代謝及其表現的性狀聯系起來，成為遺傳學研究的又一轉折；1953年4月25日，英國《自然》雜志上沃森和克里克的論文《核酸的分子結構——脫氧核糖核酸的一個結構模型》的發表，一舉將生物遺傳學研究從細胞水平推向分子水平，成為分子生物學研究的一個里程碑。至此，科學家們才真正認識到基因的本質——即基因應該是染色體上有遺傳效應的DNA片段。后來的研究證明，線粒體、葉綠體、細菌質粒以及噬菌體等結構的DNA上也存在著基因，所以，基因的定義就自然地演變為：基因——有遺傳效應的DNA片段。

然而，生物的性狀成萬上億，數目只有幾條至幾十條的染色體是如何決定如此多樣的生物性狀的呢？研究結果表明，每一條染色體只含有1個DNA分子，而每個DNA分子上卻可以有很多個基因，每個基因中又含有成百上千個脫氧核苷酸。由于不同基因的脫氧核苷酸排列順序(堿基順序)不同，因此，不同的基因就含有不同的遺傳信息，可以控制合成不同的蛋白質，從而控制生物不同的遺傳性狀。所以，生物的基因通過DNA的復制過程將遺傳信息傳遞給下一代之后，再通過基因的表達，也就必然能夠使后代表現出與親代相似的遺傳性狀。

這樣的教學安排能很好地體現出“生物學是一門實驗科學”的主體思想，讓學生在這樣的課堂環境下來探討基因與染色體、基因與蛋白質及生物性狀、基因與DNA以及基因與遺傳信息之間的關系，就使原來枯燥抽象的知識變得形象、具體而且生動，便于理解和接受。

2 “基因控制蛋白質的合成”的教學

那么，染色體上的DNA存在于細胞核中，而蛋白質的合成則是在細胞質的核糖體上。在戰爭中運籌帷幄之中的將軍要決勝于千里之外，必須有能夠準確傳達命令的傳令兵，而在這里，將DNA上的遺傳信息準確地傳達給核糖體的物質是什么呢？

1955年，有人用洋蔥根尖和變形蟲進行實驗發現，如果加入RNA酶分解細胞中的RNA，蛋白質合成就停止；而當再加入從酵母中提取的RNA時，則又重新合成一定數量的蛋白質。那么這個實驗結果說明了什么問題呢？通過啟發學生不難看出，這里蛋白質的合成顯然與RNA直接相關。那么，這個RNA又是怎樣的物質呢？由此教師結合教材引導學生學習RNA的化學組成、分子結構等相關知識，至此可做為1課時的內容做一小結。而后提出問題：RNA是怎樣產生？又是怎樣準確地將遺傳信息從細胞核DNA上的基因傳遞到細胞質核糖體上的呢？這樣存疑激趣，吸引學生預習教材中后面的相關內容作為下一課時的鋪墊。

1955年，拉斯特等人用變形蟲進行換核實驗，巧妙地證明了RNA是在細胞核中產生，然后又從細胞核轉移到細胞質中。其實驗過程大致如下：

選生長狀況相同的同種變形蟲若干等分為2組，A組培養在用同位素標記的尿嘧啶核苷培養液中，發現放射性物質首先出現在細胞核中；B組培養在未標記的尿嘧啶核苷培養液中，細胞核和細胞質均未出現放射性物質。這時通過對比思考，學生便能順利得出標記的放射性物質是RNA分子，它首先在細胞核中合成的結論(這里可再行設問：為什么先在細胞核中合成？細胞核中最重要的物質是什么？這樣來暗示與DNA的關系)。在2組變形蟲均生長迅速且A組細胞核內外放射性均較明顯時，將A組變形蟲的細胞核移植到B組變形蟲的細胞質中，將B組變形蟲的細胞核移植到A組變形蟲的細胞質中，分別進行培養觀察。發現大部分帶有放射性標記的RNA相繼從細胞核移入細胞質中。那么，這樣的實驗現象又能說明什么問題呢？這時，教師稍加點撥，學生便會悟出，把DNA中的遺傳信息從細胞核轉移到細胞質中控制蛋白質合成的物質，很可能就是RNA的道理，并據此溫習和鞏固了同位素示蹤法研究的有關知識。但是，RNA在細胞核中是怎樣合成，然后又怎樣轉移到細胞質中控制蛋白質合成的呢？

1963年，科學家利用DNA-RNA雜合技術，通過噬菌體SP8侵染枯草桿菌的實驗，證明了基因表達的第一個階段——轉錄是以DNA的一條鏈為模板，按照堿基互補配對原則，合成RNA的過程。該實驗別具匠心地利用了噬菌體SP8 DNA的兩條脫氧核苷酸單鏈上的堿基組成很不平均的特點。其中一條鏈富含嘌呤，另一條互補鏈則富含嘧啶，因為嘌呤比嘧啶的相對分子質量大，所以富含嘌呤的“重”鏈與富含嘧啶的“輕”鏈在加熱變性后可按照密度梯度離心分開。他們在噬菌體SP8侵染枯草桿菌后，從枯草桿菌體內分離出RNA，分別與DNA的重鏈和輕鏈混合并緩慢冷卻。結果發現噬菌體SP8侵染后形成的RNA只跟重鏈形成DNA-RNA的雜合分子。那么，這種實驗現象說明了什么問題呢？經過思考，學生很快就會得出，該RNA是以大腸桿菌體內噬菌體SP8的DNA中，富含嘌呤的那條重鏈為模板，轉錄而成的結論。由此引出轉錄的概念。真核生物的轉錄是在細胞核內進行的，它是指以DNA的一條鏈為模板，按照堿基互補配對原則，合成RNA的過程。通過轉錄，DNA上的基因就把遺傳信息傳遞到RNA上，這種RNA叫做信使RNA，簡寫為mRNA。信使RNA在細胞核中合成后，通過核膜上的核孔進入細胞質中，與核糖體結合起來。開始了基因表達的第二個階段——翻譯。但是，信使RNA上的堿基只有4種，而組成蛋白質的氨基酸卻有20種，這僅有的4種堿基是怎樣決定組成蛋白質的20種氨基酸的特定排列順序，從而決定蛋白質和生物性狀的特異性呢？這就涉及到了遺傳密碼的破譯問題。

早在1944年，奧地利物理學家薛定諤就在他的《生命是什么》一書中，最早提出了遺傳密碼的設想。他猜想染色體中的有機分子單體嚴格、精確地排列，構成了遺傳密碼。遺傳密碼決定了生物的遺傳性狀。這個大膽的猜想吸引了包括沃森和克里克在內的一批優秀科學家投身到分子生物學的研究中，來破譯生命的密碼。

1953年，美國物理學家伽莫夫了解到DNA分子的雙螺旋結構知識，便敏銳地意識到，DNA分子上的4種脫氧核苷酸（即4種堿基）很可能就是薛定諤所說的有機分子單體，他利用排列組合知識進行計算，推斷出一個遺傳密碼子可能是由3個相鄰堿基組成的三聯體密碼，共64種遺傳密碼。而氨基酸只有20種，一種氨基酸可以對應幾種遺傳密碼。

1959年，克里克在總結了許多科學家工作的基礎上，提出了遺傳信息除了可以通過DNA的復制傳遞給下一代以外，還可從DNA流向RNA，進而流向蛋白質的著名設想（即中心法則）。這樣，遺傳密碼就不再是DNA中的堿基序列，而變成信使RNA中的堿基序列了。

1961年美國生物化學家尼倫伯格首先用化學的方法合成了尿嘧啶（U）多聚體，他創造性地將該尿嘧啶多聚體放入一個含有核糖體和多種氨基酸的系統中，結果得到了完全由苯丙氨酸組成的蛋白質。講課至此教師可巧設疑問：這個事件說明了什么問題？學生稍加思索后即可得出結論：世界上第一個生物遺傳密碼子——UUU宣告破譯！此后，各國科學家在此思路的基礎上，通過化學合成含有不同堿基序列的RNA的方法，開展了密碼子的破譯工作，到1967年，科學家們破譯了全部遺傳密碼子，并編制出了密碼子表。

那么，氨基酸是怎樣被運送到核糖體中，按照信使RNA上的遺傳密碼脫水縮合形成肽鍵，從而形成具有一定氨基酸順序的蛋白質的呢？這就需要一種特殊的運載工具——轉移RNA。這樣由此引出tRNA的分子結構和起譯、接肽、終止等翻譯過程的相關知識，以及翻譯的概念。

3 “基因對性狀的控制”的教學

最后教師將DNA的復制過程與轉錄、翻譯過程進行綜合概括，總結“中心法則”的內容及其補充和發展過程，讓學生明白，生物的一些基因通過控制酶的合成來控制新陳代謝過程，從而控制生物的性狀，例如白化病、苯丙酮尿癥等，就是由于相關的基因發生改變，無法合成正常的酶而引起的；另一些基因則通過控制蛋白質的分子結構來直接影響生物的遺傳性狀，例如鐮刀型細胞貧血癥就是因為人類血紅蛋白的數百個氨基酸中，某位置的一個谷氨酸被纈氨酸替代而造成的等。按照這樣的思路安排教學過程更好地體現了生物科學的實驗性。