用超輕黏土模型解決細胞分裂中的同位素標記問題

浙江 糜洛施

《普通高中生物學課程標準》（征求意見稿）（2016年版）中強調，學生學習的過程是主動參與的過程，讓學生積極參與動手和動腦活動，可加深學生對生物學概念的理解，提升應用知識的能力。理性思維是生物學科素養內容之一，學生能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法。

模型可將知識可視化，將抽象的事物或過程轉變成圖形、圖像等展示出來。但部分學生對符號語言的理解、運用、推理能力較為薄弱。因此，在細胞分裂專題復習過程中，通過用超輕黏土制作細胞分裂模型，實現生生互動、師生互動，有利于突破教學重難點，簡化試題分析，提高學生解題能力。

1.簡易模型，突破核心概念

學生經常在同位素標記類的細胞分裂試題中失分，根本原因是學生沒有掌握核心概念，這里涉及的是“基因”和“染色體”兩個核心概念中的分支概念：半保留復制、同源染色體與非同源染色體、性染色體與常染色體。

在教學過程中，全體學生利用不同顏色的超輕黏土制作簡易染色體模型：用紅色超輕黏土制作1條8 cm的染色體、1條5 cm的染色體（代表X染色體）；用藍色超輕黏土制作1條8 cm的染色體、1條3 cm的端著絲粒染色體（代表Y染色體）。

復制后的染色體模型：用紅色超輕黏土制作2條8 cm的染色單體、2條5 cm的染色單體（代表X染色體）；用藍色超輕黏土制作2條8 cm的染色單體、2條3 cm的端著絲粒染色單體（代表Y染色體），將顏色、形態相同的單體著絲粒部分粘在一起。

基于染色體學說的DNA復制模型（1條染色體為例，未被標記的細胞，放于有標記物的培養基中培養），用紅色超輕黏土制作5條8 cm的染色體，并將其中兩條的著絲粒部分粘在一起（代表有絲分裂前期和中期的染色體狀態）；用白色超輕黏土制作未標記的6條8 cm長的DNA鏈；用綠色超輕黏土制作4條8 cm長的被標記的DNA鏈。其中兩條白色細條粘在一起，并螺旋化。余下的綠色與白色細條粘在一起，并螺旋化。把螺旋化后的細條放于染色體上，含姐妹染色單體的染色體中每條單體上粘上綠色與白色螺旋化的細條。

通過學生的自我展示、學生互評和教師指導，學生基本掌握染色體未在復制或已復制條件下如何分辨同源染色體與非同源染色體、性染色體與常染色體。學會分析未被標記的DNA在含有標記物的培養基中、被標記的DNA在不含標記物的培養基中，這兩種情況下，DNA復制一次的基本過程。

2.互動模型，體驗動態過程

因課時緊張，超輕黏土干燥的時間為3小時左右，課前由興趣小組學生制作完成DNA復制與細胞分裂中涉及的一定數量的相關模型。在課堂上，請學生分別在三塊展示板上完善模型，并請其他學生點評、找錯并及時更正。當有絲分裂、精卵細胞形成動態過程、細胞分裂中DNA復制相關情況全部呈現于展示板上后，教師帶領學生對以上3個細胞分裂圖像進行比較分析。

2.1 染色體行為比較

通過對有絲分裂、精細胞的形成過程和卵細胞的形成過程三個分裂過程模型的比較，分析并總結細胞分裂過程中染色體數目的變化情況、有絲分裂與減數分裂中染色體行為的異同點、端著絲粒染色體與中間著絲粒染色體的形態變化情況。

2.2 DNA標記情況比較

若將已被標記的細胞放于普通培養基中培養，請學生參考基于染色體學說的DNA復制模型，在展板上完成第一次有絲分裂和第二次有絲分裂過程中，染色體上的DNA被標記情況。討論后，一起得出結論：第一次有絲分裂結束的兩個子細胞中，染色體中都帶有標記物；第二次有絲分裂結束的子細胞中，帶有標記物的染色體可能有0～4條。

3.思維可視，提升推理能力

思維可視化是利用圖形化、形象化的形式表達人們頭腦中形成的概念、知識、思想等。通過利用超輕黏土制作的互動模型進行例題分析，呈現思考路徑與思維規律，實現思維可視化，有利于學生迅速理解相關知識，促進知識遷移。

【例題】（2017年4月浙江省選考，第24題）若將處于G1期的胡蘿卜愈傷組織細胞置于3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷培養液中，培養至第2 次分裂中期。下列敘述正確的是 （ ）

A.每條染色體中的兩條染色單體均含3H

B.每個DNA 分子的兩條脫氧核苷酸鏈均含3H

C.每個DNA 分子中均只有一條脫氧核苷酸鏈含3H

D.每條染色單體均只有一個DNA 分子的兩條脫氧核苷酸鏈含3H

【答案】A

根據題干信息，請學生完成染色體標記的模型。學生可發現，在第2次有絲分裂中期每個染色體中的兩個單體上，一個粘有綠色與白色螺旋化的細條，一個粘有綠色與綠色螺旋化的細條，因此可得出答案為A選項。

【變式1】將蠶豆根尖置于含放射性3H標記胸腺嘧啶的培養液中，培養一個細胞周期的時間。取出根尖，移至不含放射性物質的培養液中，繼續培養兩個細胞周期的時間。在第一個、第二個和第三個細胞周期取樣，檢測中期細胞染色體上的放射性分布。下列判斷錯誤的是（ ）

A.第一個細胞周期中的染色體均如甲所示

B.第二個細胞周期中的染色體均如乙所示

C.第三個細胞周期中1/4 的染色體如丙所示

D.圖丙所示染色體僅出現在第三個細胞周期

【答案】C

根據題干信息，第一個細胞周期中每個染色體的兩個單體上分別都粘有綠色與白色螺旋化的細條；第二個細胞周期中每個染色體的兩個單體上，一個粘有綠色與白色螺旋化的細條，一個粘有白色與白色螺旋化的細條。請學生自主分析第三個細胞周期情況。因第二個細胞周期后的子細胞中，帶有標記物的染色體可能有0～4條，故得出答案為C選項。

【變式2】將某一經3H充分標記DNA的雄性動物細胞（染色體數為2N）置于不含3H的培養基中培養，經過連續兩次細胞分裂。下列有關說法正確的是 （ ）

A.若進行有絲分裂，則子細胞含3H的染色體數一定為N

B.若進行減數分裂，則子細胞含3H的DNA分子數為N/2

C.若子細胞中有的染色體不含3H，則是因為同源染色體彼此分離

D.若子細胞中染色體都含3H，則細胞分裂過程中可能發生基因重組

【答案】D

連續兩次細胞分裂可能是一次減數分裂，也可能是兩次有絲分裂。若進行有絲分裂，第一個細胞周期的子細胞中每條染色體都粘有綠色與白色螺旋化的細條，而第二個細胞周期的中期每個染色體的兩個單體上，一個粘有綠色與白色螺旋化的細條，一個粘有白色與白色螺旋化的細條，因此第二次分裂結束的子細胞中，有標記物的染色體可能有0～4條，故A、C項錯誤。若進行減數分裂，染色體復制一次，連續分裂兩次，分裂期的染色體或者染色單體上的DNA都是綠色與白色螺旋化的細條，得出答案為D選項。

通過制作、演示超輕黏土細胞分裂模型，將抽象轉化為具體，更利于學生理解細胞分裂，以及與細胞分裂相關的同位素標記問題。同時也能提高學生識圖、繪圖的能力。