“DNA分子結構科學史”教學實踐

陳月艷

DNA是現代的標志。在生命科學史上，一般把1953年DNA結構模型的建立作為分子生物學的標志。在揭示DNA結構的研究歷程中，劃時代意義的成就、完美合作的結晶、痛失機遇的缺憾、科學認識和認識過程本身的迷人光彩等，所蘊含的教育營養是極其豐富的。高中生物課程標準中提出了“收集DNA分子結構模型建立過程的資料并進行討論和交流”的學生活動。筆者在組織“DNA分子結構科學史”教學中，以DNA的結構如何與其擔當遺傳物質的功能相適應的問題為核心線索，分享DNA結構研究歷程中的科學思維、科學研究方法、科學精神、科學審美和生命觀念。

通過遺傳物質分析的科學史學習，學生已經明確了DNA是主要的遺傳物質。因此，課程伊始，教師首先引導學生思考的問題是，DNA作為遺傳物質應該具有哪些功能？在學生充分討論的基礎上，師生共同從遺傳信息的角度，總結分析DNA的如下功能特點：分子結構相對穩定，能攜帶大量的遺傳信息;能夠自我復制，傳遞遺傳信息;能夠指導蛋白質合成，表達遺傳信息;分子結構可變，改變遺傳信息。然后教師提出如下質疑導入新課：DNA分子具有怎樣的結構能使其具有上述特性，從而擔當遺傳功能？科學家們是如何揭示DNA的分子結構的？

一、引導學生分析DNA結構研究歷程中的科學思維和研究方法

1.引導學生分析萊文和科塞里的研究結果，明確DNA的基本結構單位

在本教學環節中，筆者首先引領學生通過分析圖1所示的化學研究結果，獲得DNA結構層次的如下結論：由C、H、O、N、P五種元素構成了DNA的三種組成物質，即磷酸、脫氧核糖、含氮堿基，由這三種物質構成了DNA的基本結構單位脫氧核糖核苷酸。堿基的差異導致組成DNA的核苷酸有4種。在獲得上述結論的基礎上，教師進一步提出質疑：4種脫氧核糖核苷酸如何組成DNA分子？

2.從遺傳物質的功能特性角度，探討萊文“四核苷酸假說”的不合理性

本教學內容主要包括以下環節：①教師簡要介紹萊文作為美國國家科學院院士、著名的化學家在核酸研究領域所作的貢獻，如確認組成DNA的糖是脫氧核糖、分析出核苷和核苷酸之間的關系等，然后利用圖2，介紹萊文依據其所測得的DNA分子四種堿基數量相等的證據而提出的四核苷酸假說，并提出質疑：你認為萊文的四核苷酸假說合理嗎？②學生通過討論，得出如下結論：萊文的假說中DNA分子不具有多樣性，因而不能攜帶不同物種以及同一物種不同個體的多樣化的遺傳信息，因而不合理。③教師提出質疑：萊文對核酸的研究作出了許多創造性的貢獻，但是，為什么他的四核苷酸假說對于DNA研究起到了阻礙作用？學生對這個問題很感興趣，通過討論和交流，師生共同總結萊文的四核苷酸假說阻礙DNA研究的原因：萊文提出四核苷酸假說之時，科學界還沒有揭示出哪一種物質是遺傳物質，而該假說否認了核酸作為遺傳物質所具有的復雜性和必不可少的多樣性。人們很自然地認為，如果基因具有一些非同尋常的性質，那么，它必定是由氨基酸組成的多樣化的蛋白質。又因為萊文在相關領域極高的聲譽和學術地位，人們對其研究結論深信不疑，當人們不把DNA分子看作遺傳物質時，一些化學家和生物學家便失去了對于DNA的研究熱情。

3.引導學生從遺傳物質攜帶多樣化的遺傳信息的角度，推測脫氧核糖核苷酸的連接方式

在該教學環節中，教師提供如下素材和問題，引導學生討論、推測脫氧核糖核苷酸之間的連接方式：薛定諤在《生命是什么》一書中提出了這樣的假設：像受精卵細胞核這樣小的物質微粒，怎么能包含了涉及有機體未來的全部發育的精細的密碼正本？擔當遺傳功能的物質的結構應提供了各種可能的排列，為了把問題講清楚，就想到了莫爾斯密碼。你認為薛定諤的假說合理嗎？你認為脫氧核苷酸分子可能的連接方式應該是怎樣的？

這個問題對于學生具有挑戰性，在教師提出的薛定諤假說的鋪墊下，學生能對這個問題產生極大的探討熱情。更多的學生從遺傳物質應該能攜帶千變萬化的遺傳信息的角度，提出核苷酸之間連接成多核苷酸鏈的假說，這是一種最簡單的組成方式，看起來不錯。在學生構建DNA連接方式的基礎上，教師展示1951年劍橋大學有機化學家亞歷山大·托德研究組設想的DNA片段（圖3）。

4.交流角逐摘取DNA分子空間結構研究桂冠的三個學術團體的工作

有關DNA發現過程的科學故事資料豐富而繁雜。在該教學環節中，筆者主要選取加州理工大學鮑林研究小組、倫敦皇家學院威爾金斯和富蘭克林研究小組、劍橋大學沃森和克里克研究小組的工作，和學生交流不同研究機構的主要代表性研究成果，評述其研究方法，分析各個研究小組對于沃森和克里克研究的啟示作用。

5.師生共同討論分析沃森和克里克成功的原因

在該教學環節中，筆者從不同角度提出供學生思考的問題，在學生充分討論發表自己的見解的基礎上，教師提出自己的或其他人的一些評論觀點。

問題1：在揭示DNA結構的研究歷程中，沃森和克里克的研究成就是什么？

學生發現很難回答這個問題，因為他們關于DNA雙螺旋的實證論據來自富蘭克林和威爾金斯的X衍射圖，他們的模型建造方法來自鮑林，他們對于氫鍵和堿基比例的研究結果來自查伽夫，他們對于堿基配對合理性的認識來自多納休。他們似乎什么都不曾有，卻似乎擁有了全部。

師生達成這樣的共識：就像17世紀到19世紀很多人都觀察到了細胞，但是一定有人站在一個更高的角度去概述細胞是生命的基本單位，從而建立細胞學說一樣，當很多物理、化學成果已經揭曉，也一定需要有人不僅關注樹木，而且關注森林，把物理和化學的研究資料和成果放到生物學背景上去思考，沃森和克里克時刻牢記DNA是遺傳物質，因而能構建一個能揭示生命的秘密、有生命靈魂的DNA分子。

問題2：沃森和克里克所取得的成就是不勞而獲嗎？

無論是年齡、知識功底還是實驗研究工作，沃森和克里克似乎都不該是發現DNA雙螺旋結構的理想人選，他們的研究成果頗有爭議。有人說沃森和克里克僅憑別人提供的線索，在最快的時間求得了正確的答案，他們的工作更多地不是在實驗室完成的，而是在餐廳里聚餐、酒吧里小酌甚至湖上泛舟時以閑聊的方式一步步接近答案的。布拉格戲稱他倆是“站在巨人的腳趾上”。沃森和克里克所取得的成就是不勞而獲嗎？

在學生討論、發表自己觀點的基礎上，教師提供如下資料。

卡文迪許實驗室主任布拉格的評價：你當然可以認為他們疏懶，或者油滑（連爬上巨人肩膀上的工夫都沒花）。但你不妨認為這反映出他們倆的敏捷。就是這種敏捷，在科學研究競爭日益激烈的今天，是做出重大發現的重要因素。

沃森在劍橋的導師佩魯茨的評價：我們羨慕他們不勞而獲，其實是混淆了艱苦工作與艱苦思維之間的關系。沃森和克里克的成功憑借的是一種稀缺的想象力，而不是艱苦的實驗數據收集，這絕不是投機取巧。對此，別人只能望塵莫及。

克里克對自己的評價：我想，沃森和我最值得稱贊的是我們選對了問題并堅持不懈地為之奮斗。為了找到黃金，我們一路跌跌撞撞，總是犯錯誤，這是真的，但事實是我們仍在一直尋找黃金……在我看來，成功部分是靠運氣，部分是靠正確的判斷，靈感和堅持不懈。

問題3：有人認為“DNA雙螺旋結構的揭示是數十位生物學家以及一群自稱為分子生物學家的研究人員無意間合作的結果。”你同意這個觀點嗎？

在學生討論、發表自己觀點的基礎上，教師提供如下資料和觀點。

共同的研究目標促進了具有不同學術研究背景的沃森和克里克的完美合作。

科學家對成功者所表現的寬宏大度：由于威爾金斯在DNA雙螺旋結構建立中的重要作用，當時沃森和克里克提出讓威爾金斯在雙螺旋結構論文上署名，但威爾金斯拒絕了。威爾金斯說：“用X射線分析DNA晶體并得到一些數據是應該的，因為我是物理學家，我沒能用這些數據提出雙螺旋分子結構模型，也是可以理解的，因為我不是生物學家。而沃森和克里克用我和富蘭克林的數據提出了雙螺旋模型是十分欣慰的事，我要衷心感謝，不然我和富蘭克林的數據還要在辦公室抽屜中放置。”威爾金斯以溫和的方式表達了對這個即將證明具有重大生物學意義的螺旋結構的萬分激動。富蘭克林認識到沃森和克里克之所以致力于建造模型，所表達的是一種科學的方法，而不是為了逃避誠實的科學事業所需要的艱苦工作而采取的一種偷懶辦法。鮑林曾對妻子說：“解決DNA的問題舍我其誰！”他對DNA結構的揭示表示由衷的驚喜，在他看到了模型之后，祝賀他的對手找到了答案。

我們為成功者喜悅，也為失敗者遺憾，更從內心里對所謂失敗者產生由衷的敬意，對科學研究過程中科學家們在競爭與合作中所表現的人性之美由衷地敬仰。科學家的探索留給我們的是DNA旋梯上的群星閃耀的無限智慧，留給我們的是DNA分子本身所煥發的永恒的生命的光輝，那么無論是誰發現了DNA，對于人類，其結果又有什么不同呢？

二、引導學生欣賞DNA分子結構的科學之美

該教學內容主要包括兩個環節，一是師生共同總結DNA分子雙螺旋結構要點，二是引導學生分析、鑒賞DNA分子的結構之美。

對于初學DNA結構的大多數學生而言，DNA不過是一種本身不具有生命性的大分子有機化學物質，學生不容易欣賞和體會其中所蘊含的生物學之美。教師對于DNA分子深邃的美學意義的滲透，應該貫穿于DNA結構和功能教學的始終，使學生體會到DNA簡明清晰的結構中蘊含著深刻的生命邏輯和意義。

DNA是一個優雅的分子，它結構的外在美在于其簡約性和確定性，它的這種外在美賦予了科學的內在美：一方面，就DNA分子的一條鏈而言，并不限制堿基排列順序，這保證了DNA可以負載無窮的、多樣的遺傳信息，充分體現了基因的屬性;另一方面，堿基配對的專一性保證了復制的高度精確性，只要一條鏈上的堿基序列確定了，其互補鏈上的堿基序列也隨之確定。DNA分子簡約的結構滿足了其作為遺傳物質的最重要屬性，那就是變異的無窮多樣性和復制的高度精確性。我們不難理解當沃森無意間把堿基A和T放在一起，發現它們從結構上剛好連接成一對時的欣悅，因為這一特性立即讓他對查伽夫的堿基比例和DNA分子可能的復制機制產生頓悟。

三、引導學生依據DNA分子結構提出其可能的復制機制

該教學內容主要包括如下兩個環節。

教師首先提出如下質疑，克里克曾說：“科學地講，發現雙螺旋過程是普通的，重要的不是發現的途徑，而是發現的對象。”也有人這樣評論：“與其說是沃森和克里克得出了DNA的結構，不如說是DNA結構造就了沃森和克里克。”那么，你認為發現DNA結構的意義是什么呢？為什么人們把1953年DNA結構的發現作為生物學研究進入分子生物學時代的標志呢？學生對該問題的回答呼應了課程伊始提出的問題，即DNA的結構如何和其功能相適應。認識了DNA的結構，就可以進一步研究DNA如何復制、如何指導蛋白質的合成進而控制性狀、如何變異進而改變性狀等問題，學生也會從現代生物技術基因工程的問世和應用等角度說明DNA結構發現的意義。

布置課后拓展作業。作業一：自主選擇材料用具，制作DNA雙螺旋結構模型;作業二：沃森和克里克在他們的千字短文《核酸的分子結構——脫氧核糖核酸的一個結構模型》的末尾寫道：“我們未曾忽略，我們提出來的堿基特異性配對的原則立即展示出遺傳物質可能的復制機制。”根據該模型，請你提出能保證親子代DNA分子遺傳信息一致性的DNA復制機制的假說。

責任編輯：李莎

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