跟隨nature的足跡，探尋“自然選擇學說”的奧秘

沈唯軍+時晨+丁婷

摘 要 采用創新的方式呈現文獻（編制簡易的圖解和模擬實驗），直觀地向學生詮釋復雜的研究過程。在教學過程中，利用問題引導，讓學生跟隨頂尖科學家的腳步自主地探索物種進化的分子機制，了解基因庫的動態變化以及自然選擇對于基因頻率的作用，培養學生科學的思維和創新的意識。

關鍵詞 倭黑猩猩 自然選擇 基因頻率 隔離 PCR模擬

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

人教版教材在處理“現代生物進化理論”的教學內容時，通過安排探究“樺尺蠖體色變化”的活動，幫助學生推證“自然選擇會影響種群的基因頻率”。但是由于在此實例中樺尺蠖并沒有進化出新的物種，也沒有闡明隔離在物種形成中所起的作用，所以種群基因頻率、隔離和物種的形成被人為分割成了兩個獨立的教學單元，學生很難在頭腦中建構出完整的進化歷程。

最近在研讀nature雜志時，筆者發現了一篇研究倭黑猩猩進化的文獻《The bonobo genome compared with the chimpanzee and human genomes》。科學者通過DNA提取、PCR擴增、測序和突變位點分析等方法，發現個別基因在兩種猩猩種群中的頻率存在顯著差異。這一科研成果不僅完好地涵蓋了進化的基本概念和過程，而且也整合了生物技術方面的知識。所以，筆者希望通過引入該實驗的結果以重構課本的教學內容，讓學生跟隨頂尖科學家的腳步探索物種進化的奧秘。（考慮到學生原有的知識基礎和認知水平，對文獻的呈現具有選擇性，于是通過親自編制遵從文獻的圖解和模擬實驗，以直觀地詮釋復雜的研究過程。）

1 介紹研究背景，并進行問題引導

1.1 論述研究背景，設置問題情景

筆者運用情境教學法為學生創設科學家所面對的問題情境——研究背景，通過生動形象的語言和圖片，幫助學生更好地理解文獻，從而產生真實的情感體驗。

教師展示黑猩猩和倭黑猩猩的分布區和生活習性圖示：倭黑猩猩生活在非洲中部，和黑猩猩親緣關系十分接近，500萬年前屬于同一物種。然而艾伯丁裂谷的形成留下了一條難以逾越的障礙——剛果河，它把原始的祖先猩猩分為了兩大種群（圖1）。黑猩猩生活在剛果河北岸，由于要與大猩猩爭奪食物，產生了暴力的傾向，性格具有攻擊性。然而生活在南岸的倭黑猩猩，則不需要與大猩猩競爭，所以更懂得體諒和分享，性格平和而俏皮。在倭黑猩猩被發現之初，由于外表和分布區的相似，被誤歸為黑猩猩物種。直到1920年，科學家才發現兩者交配并不能產生后代，并將之列為一個獨立的物種。

1.2 聯系課本提出問題，學生自學獲取基本概念

教師采用問題教學法，把文獻所涉及的知識點以問題的形式串聯起來，讓學生通過自學課本，掌握知識、發展智力、培養技能。

（1） 導致黑猩猩和倭黑猩猩分道揚鑣的關鍵性事件是什么？（剛果河的形成）在課本中，被稱為什么隔離（地理隔離）？

（2） 黑猩猩和倭黑猩猩因交配不能產生后代而被科學家重新劃歸為不同的物種，在課本中，被稱為什么隔離？（生殖隔離）

（3） 河北岸的大猩猩在這場進化游戲中扮演什么角色？（自然選擇，決定進化的方向）

教學反思：筆者再現了科學研究的問題情境，寓教學內容于具體的生物進化事件之中。通過把圖片展示與語言描繪有機地結合，促進學生真正地進入科學研究的情境之中。利用問題對學生的認知活動進行導向，把知識學習的過程變成學生“再發現與再創造”的過程。

2 模擬科學實驗的過程

科學家從問題情境出發，通過PCR和基因測序等實驗方法，探究未知的領域并形成對進化的科學認知。雖然這些分子生物學技術也是《選修1·生物技術實踐》的教學內容，但是限于高中的實驗條件，學生并不能地重復實驗操作，所以筆者自制了相應的模型，幫助學生模擬科學家的實驗過程。

教學實例：PCR是體外模擬DNA復制以進行特殊片段擴增的技術，而凝膠電泳可以實現對DNA片段的分離與呈現。科學家利用這些實驗方法，研究了倭黑猩猩相應基因的條帶。教師可以先幫助學生回憶DNA的復制過程，結合教材，向學生介紹科學家進行PCR和電泳的基本原理和過程，并指導學生利用模型模擬DNA復制和PCR反應。

教學反思：實驗設計和實施既是解決問題的最終途徑，也是增強學生運用生物學知識的最佳方式。通過對實驗過程的“虛擬再現”，學生可以切身體會到科學家的科學態度和嚴謹精神。

3 展示實驗結果，協助學生進行結果分析并推導結論

筆者根據教學的重難點，有選擇性地為學生提供實驗結果，鼓勵學生基于科學實證獨立地解釋倭黑猩猩的進化歷程，從而牢固掌握進化的發生機制。

教師：Kay Pruer等研究人員通過對種群基因庫的分析，發現倭黑猩猩和黑猩基因庫存在0.4%的差異。尤其是在個別基因的頻率上，兩者表現出了明顯的種群差異，例如一種增強社會紐帶（使性格溫順）的突變基因在懂得體貼的倭黑猩猩種群中出現的頻率明顯高于黑猩猩。筆者向學生展示了科學家利用PCR和凝膠電泳技術對該基因進行特性性擴增的條帶（圖2），以及三號染色體不同位點基因的頻率差異分析圖譜（圖3）。教師提出問題：

（1） 黑猩猩和倭黑猩猩的根本區別在于基因庫和基因頻率的差異，基因庫和基因頻率的定義是什么，科學家是如何計算基因頻率的？（基因庫指一個種群中全部個體所含有的全部基因；基因頻率指在一個種群基因庫中，某個基因占全部等位基因的比率）

（2） 科學家發現在北岸的大猩猩會與黑猩猩爭奪食物，結合圖2，你認為這會如何改變社會紐帶基因在黑猩猩種群中的頻率？（淘汰具有社會紐帶基因的個體，降低該基因的頻率）

（3） 科學家通過對圖3的分析，得出結論：兩種猩猩之所以屬于不同物種，本質上是因為種群基因庫存在顯著性的差異，由此可見進化的實質是什么？（種群基因頻率的改變）

教學反思：為了讓學生能夠體會“種群基因頻率在物種進化中的作用”，筆者簡化地呈現了科學家的研究成果。學生分析相關證據，通過邏輯推理獲得基于實證的生物知識。教師引導學生自主探索，培養學生最基本的識圖和科學分析能力。

為了概念化進化的發生途經，學生需要了解基因庫的動態變化以及自然選擇對于基因頻率的作用。Kay Pruer等科學家對于倭黑猩猩進化的研究也同樣遵循這一基本思路。通過在倭黑猩猩基因庫中記錄到的實驗證據和教師的問題引導，學生可以自主地探索自然選擇發生的分子機制。其實，研讀學術文獻既是進行科學研究的前提，又能培養學生科學的思維和創新的意識。雖然由于語言和知識基礎的限制，在實際教學中忠實地呈現文獻原文或許并不合適。但是，如果教師能夠結合課標要求，創新文獻呈現的方式，那么大膽地引入世界級的研究也同樣可以建構學生的知識體系。

參考文獻：

[1] Prufer K， Munch K， Hellmann I， et al. The bonobo genome compared with the chimpanzee and human genomes [J]. Nature， 2012， 486（7404）： 527-531.

[2] Narat V， Pennec F， Krief S， et al. Conservation communautaire et changement de statuts du bonobo dans le Territoire de Bolobo [J]. Revue dethnoécologie， 2015， 7（1）： 1-15.endprint