高考生物復(fù)習(xí)孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法講解

　　“分析孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法”是《高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》的具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)之一，學(xué)習(xí)目標(biāo)屬于應(yīng)用水平，要求學(xué)生能“在新的情境中使用抽象的概念、原則;進(jìn)行總結(jié)、推廣;建立不同情境下的合理聯(lián)系等。”但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，許多老師常常是對(duì)孟德?tīng)柅@得成功的原因進(jìn)行簡(jiǎn)單的總結(jié)，沒(méi)有提供新的情境讓學(xué)生思考與應(yīng)用，學(xué)生缺少對(duì)科學(xué)方法的感悟和內(nèi)化過(guò)程，從而影響課程標(biāo)準(zhǔn)具體目標(biāo)的達(dá)成。從總結(jié)孟德?tīng)柍晒Φ脑�因到分析和運(yùn)用科學(xué)方法，是一個(gè)從感性到理性的提升過(guò)程。

　　1選擇理想的模式生物

　　實(shí)驗(yàn)材料的選擇是決定研究工作成功與否的關(guān)鍵因素之一。人們研究某種具有普遍規(guī)律的生命現(xiàn)象過(guò)程中，長(zhǎng)期和反復(fù)作為研究材料的物種稱為模式生物。1856年始，孟德?tīng)栐谛薜涝旱幕▓@里，種植山柳菊、菜豆、豌豆、玉米等植物進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)，也飼養(yǎng)小家鼠和蜜蜂做雜交實(shí)驗(yàn)，許多實(shí)驗(yàn)是一無(wú)所獲，而最終揭示遺傳學(xué)基本定律的連續(xù)8年的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橥愣故菄?yán)格的自花傳粉植物，從市場(chǎng)買(mǎi)來(lái)的豌豆種子都是純種，雜交實(shí)驗(yàn)從純種開(kāi)始，這樣才能得到真正的雜種;相對(duì)性狀穩(wěn)定而易于區(qū)分;容易去雄和人工授粉;一年生植物，結(jié)實(shí)率高。豌豆所具有的優(yōu)良特性，使其成為那個(gè)年代遺傳學(xué)研究的模式生物。

　　現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)和分子遺傳學(xué)常用的模式生物有果蠅、大腸桿菌、酵母菌、線蟲(chóng)、斑馬魚(yú)、小鼠、擬南芥等。模式生物的共同點(diǎn)是：有利于回答研究者關(guān)注的問(wèn)題，能夠代表生物界的某一大類(lèi)群;對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害，容易獲得并能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)生長(zhǎng)和繁殖;世代短、子代數(shù)量多、遺傳背景清楚;容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生在領(lǐng)悟了豌豆作為模式生物的特點(diǎn)后，就可以推廣到其他生物學(xué)研究領(lǐng)域中使用的生物實(shí)驗(yàn)材料，如利用果蠅進(jìn)行遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)、利用酵母菌探究細(xì)胞呼吸方式和嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變動(dòng)等。

　　2 單因子分析法

　　現(xiàn)在已知在豌豆體細(xì)胞中有7對(duì)同源染色體，孟德?tīng)栄芯康?對(duì)相對(duì)性狀的遺傳因子分布在4對(duì)同源染色體上，其中子葉顏色和花的顏色兩對(duì)基因位于第一對(duì)同源染色體上，植株高矮、豆莢形狀、花的位置三對(duì)基因位于第四對(duì)同源染色體上，豆莢顏色的等位基因位于第五對(duì)同源染色體上，種子形狀的等位基因位于第七對(duì)同源染色體上。如果孟德?tīng)柾瑫r(shí)研究二因子或多因子的雜交實(shí)驗(yàn)時(shí)，所涉及的性狀由非同源染色體或同源染色體上的基因決定，存在基因的自由組合和連鎖互換兩種現(xiàn)象，所獲得的數(shù)據(jù)不但數(shù)量巨大，而且難以發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

　　孟德?tīng)柌扇�單因子分析法，即分別觀察和分析在一個(gè)時(shí)期內(nèi)某一對(duì)相對(duì)性狀的遺傳規(guī)律，最大限度地排除各種因素的干擾，在發(fā)現(xiàn)了分離定律的基礎(chǔ)上，由簡(jiǎn)到繁，進(jìn)一步研究?jī)蓪?duì)甚至多對(duì)相對(duì)性狀的遺傳，最終發(fā)現(xiàn)自由組合定律。

　　在判斷某種性狀是否屬于伴性遺傳時(shí)、計(jì)算兩對(duì)或兩對(duì)以上相對(duì)性狀的遺傳概率時(shí)，我們需要運(yùn)用單因子分析法，先分析一對(duì)相對(duì)性狀的遺傳特性，統(tǒng)計(jì)或計(jì)算后代顯性或隱性的概率，然后分析第二對(duì)相對(duì)性狀，再根據(jù)研究目的，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，得出結(jié)論。

　　3 數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析法和模型方法

　　18世紀(jì)以來(lái)，許多學(xué)者開(kāi)展了大量的植物雜交的實(shí)驗(yàn)。德國(guó)植物學(xué)家克爾羅伊特在18世紀(jì)60年代首先從事各種煙草的雜交試驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)無(wú)論是正交還是反交，雜種的外表都難以區(qū)分。德國(guó)植物學(xué)家格特納在19世紀(jì)20年代統(tǒng)計(jì)出玉米雜交第二代的性狀分離比為3.18∶1，但他無(wú)法給予解釋。

　　孟德?tīng)枏氖峦愣闺s交試驗(yàn)8年，進(jìn)行了200多次雜交試驗(yàn)，觀察植株27225株，詳細(xì)記錄了不同性狀在各代中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)。他對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在一對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)中，子二代不同性狀的數(shù)據(jù)雖然有差異，但都接近3∶1的比例關(guān)系，兩對(duì)相對(duì)性狀的雜交實(shí)驗(yàn)中，子二代存在9∶3∶3∶1的關(guān)系。

　　生命現(xiàn)象常�？梢源罅康刂貜�(fù)出現(xiàn)，但生命現(xiàn)象的出現(xiàn)又受到多種外界環(huán)境和內(nèi)在因素的隨機(jī)干擾。格特納統(tǒng)計(jì)出雜交第二代的性狀分離比為3.18∶1，而孟德?tīng)柦��?gòu)了3∶1的數(shù)學(xué)模型，這一數(shù)學(xué)模型可以排除環(huán)境因素、子代數(shù)量多少等無(wú)關(guān)變量的干擾，尋找出雜交實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相關(guān)變量之間的本質(zhì)關(guān)系，使遺傳學(xué)的研究從定性描述向定量分析的方向轉(zhuǎn)變。當(dāng)雜交第二代的顯性與隱性數(shù)量間模糊的關(guān)系被明確的數(shù)學(xué)模型表達(dá)出來(lái)的時(shí)候，人們就可以做更多的實(shí)驗(yàn)，得到更多的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)代回到模型中去，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼�確性。雖然孟德?tīng)柕某删蛯?duì)他同時(shí)代的生物學(xué)家和有關(guān)遺傳的研究沒(méi)有產(chǎn)生影響，但是在埋沒(méi)了35年之后，荷蘭的德弗里斯、德國(guó)的科倫斯、奧地利的丘歇馬克分別用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了孟德?tīng)柕陌l(fā)現(xiàn)，從此他被譽(yù)為現(xiàn)代遺傳學(xué)奠基人。

　　4 假說(shuō)演繹法

　　孟德?tīng)査�處的時(shí)代，許多學(xué)者認(rèn)為生物的遺傳是融合遺傳。孟德?tīng)柾ㄟ^(guò)豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是哪一對(duì)相對(duì)性狀，F(xiàn)1只表現(xiàn)出顯性性狀，F(xiàn)2中顯性與隱性的比為3∶1，從而否定了融合遺傳，并感悟到“遺傳中有某些特征可看作是不可分割和顯然不變的單元”，提出遺傳因子的假說(shuō)，認(rèn)為遺傳因子成對(duì)存在，并獨(dú)立分配到配子中，而當(dāng)時(shí)生物學(xué)界還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到配子形成和受精過(guò)程中染色體的變化，這一創(chuàng)造性的假說(shuō)是超越時(shí)代的非凡的設(shè)想。遺傳因子是一種思想模型，用大小寫(xiě)的英文字母來(lái)表示具體的顯性和隱性性狀，是對(duì)原型的簡(jiǎn)化和理想化，由此產(chǎn)生的遺傳圖解也一種思想模型，是將復(fù)雜的遺傳過(guò)程簡(jiǎn)單化，用以反映和解釋遺傳的過(guò)程和結(jié)果。自孟德?tīng)栭_(kāi)始，遺傳學(xué)便開(kāi)始使用模型來(lái)表征概念及判斷和推理。

　　演繹推理是從一般到特殊的邏輯推理方法。孟德?tīng)杽?chuàng)造了遺傳因子的假說(shuō)，可以根據(jù)假說(shuō)進(jìn)行演繹推理，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)演繹推理的結(jié)論是否正確，從而說(shuō)明假說(shuō)的正確性。孟德?tīng)栐O(shè)計(jì)了F1與隱性純合子進(jìn)行測(cè)交的實(shí)驗(yàn)，并預(yù)測(cè)后代性狀分離比在理論上1∶1，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，令人信服地證明了假說(shuō)的正確性。完美而巧妙的測(cè)交實(shí)驗(yàn)，已成為遺傳學(xué)研究的經(jīng)典方法，在判斷某顯性個(gè)體是否為純合子時(shí)，測(cè)交至今仍然是最簡(jiǎn)單而有效的方法。

　　最后，需要特別說(shuō)明的是，在人民教育出版社、江蘇教育出版社和中國(guó)地圖出版社出版的三套教材中，對(duì)“分析孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法”的呈現(xiàn)方式各不相同。人教版在基因分離定律與自由組合定律之后呈現(xiàn)，但減數(shù)分裂、基因與染色體的關(guān)系等內(nèi)容還沒(méi)有學(xué)習(xí);蘇教版在基因分離定律之后呈現(xiàn)，學(xué)生已學(xué)習(xí)減數(shù)分裂的內(nèi)容;中圖版在基因分離定律之前呈現(xiàn)，是獨(dú)立的一節(jié)內(nèi)容，而學(xué)生已學(xué)習(xí)減數(shù)分裂和染色體變異對(duì)性狀的影響的內(nèi)容。教科書(shū)內(nèi)容的組織和呈現(xiàn)方式不同，就應(yīng)該選擇不同的教學(xué)策略，可以化整為零地分析孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法，最后再進(jìn)行總結(jié)，也可以對(duì)教科書(shū)的內(nèi)容進(jìn)行重組，使其更符合學(xué)科的內(nèi)在邏輯和學(xué)生的認(rèn)知邏輯，更需要在今后的教學(xué)過(guò)程中，不斷創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生運(yùn)用孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法去分析和解決實(shí)際問(wèn)題。