利用模式微生物培養學生的生命觀念

易 琴 謝建平

(西南大學生命科學學院現代生物醫藥研究所 重慶 400715)

《普通高中生物學課程標準(2017年版)》提出： 學生應該在較好地理解生物學概念的基礎上形成生命觀念，如結構與功能觀、進化與適應觀、穩態與平衡觀、物質與能量觀等。利用模式生物，尤其是模式微生物作為工具進行高中生物學教學，有助于融抽象的概念教學于生動、具體的情境中，實現以核心素養為主的高中生物學課程目標，有效培養學生的生命觀念。

1 模式微生物的相關概念

模式生物(model organisms)是研究中采用較多，有助于理解生命科學一般規律的生物。它具備以下特點： ①其生理特征能夠代表生物界的某一大類群；②容易獲得，并易于在實驗室內飼養、繁殖；③容易進行實驗操作，特別是遺傳學分析；④研究群體大，同一種模式生物的研究者之間共享觀點、實驗方法、實驗系統和生物品系，從而促進研究的快速發展[1]。研究模式生物的生命現象，從而揭示其生長規律，有利于學生理解生命的普遍規律[2]。

普通高中生物學教材中隨處可見模式生物，其目的不僅是讓學生認識模式生物的重要特征并拓展到一般生物，更讓學生對科學探究過程有感性認識，把握相關核心概念，從而為進入高等學校繼續學習生物學打好基礎。

微生物在地球生態系統的維持與穩定中起著無可比擬的作用。模式微生物在生命科學重大基礎理論建立中具有里程碑性意義。例如，Lederberg利用大腸桿菌發現了細菌的基因重組和遺傳物質結構，獲1958年的諾貝爾生理學或醫學獎。1952年，Hershey和Chase兩人利用噬菌體證明了DNA的遺傳功能，為最終確立DNA是主要的遺傳物質奠定了基礎。1958年，我國第一位細菌學博士余賀教授篩選特異性噬菌體成功控制了大面積燒傷工人邱財康的銅綠假單胞菌感染。

教材中常見的模式微生物包括： 酵母菌(Saccharomycescerevisiae)、大腸桿菌(Escherichiacoli)和噬菌體。

2 如何運用模式微生物培養學生的生命觀念

2.1 以模式微生物為紐帶建立相關核心概念間的聯系 生物學知識不是相互獨立而是密切聯系的。在教學過程中，合理引導學生發現概念與概念間的聯系，找準線索，最后織出一張牢固的核心概念網，逐步形成生命觀念。

例如，噬菌體侵染細菌經典實驗最終證明了DNA是遺傳物質，而基因的本質是具有遺傳效應的DNA片段，基因的表達是通過DNA控制蛋白質的合成來實現的，基因突變是DNA分子中堿基對發生替換、增添和缺失引起的基因結構的改變。基因突變產生新基因，進化原始物種，通過自然選擇形成新物種。生態系統是由生物群落與它的無機環境相互作用而形成的統一整體，生態系統中生產者是生態系統的基石，消費者可加快物質循環，分解者是必不可缺的重要成分。因此，僅主要模式微生物(噬菌體、大腸桿菌、酵母菌)就涉及到了基因、進化、種群和生態四種重要概念(圖1)，教師若能引導學生從模式微生物發散開來掌握核心概念，既能鼓勵學生自己建立概念間的聯系，又能引發學生對已有知識的聯想和獲得新知識的渴望，突出核心概念的地位與作用，實現了以學生為主體的教與學。

2.2 基于模式微生物開展探究實驗 在實驗中利用模式生物為材料有很大的優點： 一方面，學生可以掌握模式生物的生長習性和實驗室培養方法；另一方面，模式生物往往有豐富的突變體等材料可以用于實驗，相比非模式生物可以取得更好的效果；此外，模式生物往往便于實驗室培養和操作，利于我們將傳統的驗證性實驗改為探究性實驗。

圖1 主要模式微生物涉及的部分核心概念

對于高中生來說，理解抽象的生物學概念是一道難題，而教師若能充分發揮實驗教學的特殊作用，合理設計安排相關實驗，可以鞏固學生理論知識的掌握，提高科學探究能力，有效培養學生的科學思維和生命觀念。

例如，帶領學生做關于大腸桿菌、酵母菌、放線菌等微生物的涂布、劃平板實驗(表1)，從而觀察細菌菌落形態、大小、顏色，就能更好地理解教材中所提到的關于S型細菌和R型細菌。高等生物的進化經歷時間長，不容易觀察到，利用大腸桿菌傳代時間短的特點可以在試管中“看見”進化。美國密執安州立大學著名的微生物學和分子遺傳學教授Richard Lenski利用同一個大腸桿菌的后代創建了12個實驗室菌株，觀察它們的進化[3]。類似的一些基礎實驗對實驗室要求也不高，需要超凈工作臺、小型培養箱等實驗器材即可。通過類似的實驗來提高學生思維活躍能力，讓學生更好地理解與實驗相關的生物學概念。

表1 微生物菌落觀察實驗

3 結語

進化過程中形成生物的多樣性，不同生物的形態機構和生理特征不同，但對生命活動有重要功能的基因卻是高度保守的。因此，從模式微生物入手，研究其重要功能基因，可以進一步探究人類生命活動中基因的結構和功能。中學生物學是對重要的生物學發現進行闡述，旨在培養學生形成積極的科學態度，發展創新實踐能力，樹立生命觀念。利用模式微生物聯系相關概念并開展實驗探究有助于學生理解科學研究過程，認識生物多樣性，形成生物進化的觀點，樹立正確的自然觀。總之，模式微生物在生命科學研究中具有十分重要的意義，合理利用模式微生物是中學生物學教學中不可或缺的有效方法。