高二13班范振華

1、走進(jìn)平原田野，創(chuàng)造無界課堂隊(duì)員：王子萌，王尚文，王一凡，李文濤，范振華指導(dǎo)老師： 賀紅波 朱萍 鄭州四中機(jī)器人社團(tuán)2015年5月摘要隨著以生物科技為代表的生物教學(xué)逐漸被重視起來，同學(xué)們對(duì)生物的學(xué)習(xí)熱情逐漸高漲。但現(xiàn)有的生物教學(xué)往往以書本為本，使同學(xué)很難有形象直觀的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性下降等問題。本文將針對(duì)課外生物學(xué)習(xí)進(jìn)行研究，即使同學(xué)們感受到樂趣，又學(xué)習(xí)到了書本上沒有的知識(shí)。關(guān)鍵詞 生物教學(xué) 課外 樂趣 知識(shí) 機(jī)器人探索目錄1. 確定研究課題2. 制定研究任務(wù)3. 研究過程之學(xué)校調(diào)查4. 研究過程之收集資料5. 研究過程之提出解決方案6. 研究過程之分享成果7. 探索型機(jī)器人的發(fā)展確定研究課題

2、高中以來，生物成為正課，原核生物，真核生物，藍(lán)藻，放線菌，以及測(cè)定種群密度等奇妙的概念和方法層出不窮，但同學(xué)們只看書本上的概念及圖例并不能準(zhǔn)確理解，只有親自觀察實(shí)踐才會(huì)有更深入的理解。 如此來說，改善已有的生物教學(xué)方法刻不容緩，我們決定在近郊探尋自然的課堂。制定研究任務(wù)1， 了解同學(xué)們最想親身體驗(yàn)的生物實(shí)驗(yàn)2， 尋找合適的地點(diǎn)進(jìn)行觀察3， 查閱數(shù)據(jù)，尋找其它或許更有效的方法4， 與老師同學(xué)分享我們關(guān)于生物課堂的看法5， 展望借助機(jī)器人更好完成教學(xué)研究過程之學(xué)校調(diào)查我們以我校機(jī)器人社團(tuán)和學(xué)生會(huì)學(xué)習(xí)部的名義在學(xué)校內(nèi)部進(jìn)行了一次調(diào)查，方式為在校園內(nèi)設(shè)置調(diào)查問卷和隨機(jī)直接詢問同學(xué)和老師。調(diào)查表格如下：

3、你是高幾的學(xué)生?你學(xué)習(xí)生物的程度如何？你最喜歡的生物實(shí)驗(yàn)？你認(rèn)為是否應(yīng)進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)？你是否會(huì)參加野外實(shí)踐？意見共有89人完成了調(diào)查問卷，隨機(jī)詢問了四位生物老師。其中高一31人，高二29人，高三29人，其中56人對(duì)觀察藍(lán)藻的實(shí)驗(yàn)最有興趣，31人對(duì)觀察植物向旋光性實(shí)驗(yàn)有興趣，2人不清楚。研究過程之收集資料資料一：鄭州市內(nèi)適合觀察的地點(diǎn)有鄭州國(guó)家森林公園，鄭東新區(qū)濕地公園，鄭州植物園，金沙湖，凈馨公園，人民公園，碧沙崗公園等處，其中人民公園等位于市中心，也方便到達(dá)。 資料二：消毒手套，試管，鑷子，玻片，放大鏡等為必需器材，有條件的同學(xué)可以攜帶顯微鏡及配套設(shè)施。 資料三：藍(lán)藻藍(lán)藻是原核生物，又叫藍(lán)綠藻

4、 藍(lán)細(xì)菌；大多數(shù)藍(lán)藻的細(xì)胞壁外面有膠質(zhì)衣，又叫粘藻。在藻類生物中，藍(lán)藻是最簡(jiǎn)單、最原始的單細(xì)胞生物，沒有細(xì)胞核，細(xì)胞中央有核物質(zhì)，通常呈顆粒狀或網(wǎng)狀，染色質(zhì)和色素均勻的分布在細(xì)胞質(zhì)中。核物質(zhì)沒有核膜和核仁，具有核的功能，故稱為原核（或擬核）。藍(lán)藻中有環(huán)狀DNA質(zhì)粒，擔(dān)當(dāng)運(yùn)載體的作用藍(lán)藻不具葉綠體、線粒體、高爾基體、中心體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和液泡等細(xì)胞器，唯一的細(xì)胞器是核糖體。含葉綠素a，無葉綠素b，含數(shù)種葉黃素和胡蘿卜素，還含有藻膽素（是藻紅素、藻藍(lán)素和別藻藍(lán)素的總稱）。一般說，凡含葉綠素a和藻藍(lán)素量較大的，細(xì)胞大多呈藍(lán)綠色。同樣，也有少數(shù)種類含有較多的藻紅素，藻體多呈紅色，如生于紅海中的一種藍(lán)藻，名叫

5、紅海束毛藻，由于它含的藻紅素量多，藻體呈紅色，而且繁殖的也快，故使海水也呈紅色，紅海便由此而得名。藍(lán)藻雖無葉綠體，但在電鏡下可見細(xì)胞質(zhì)中有很多光合片層，叫類囊體，各種光合色素均附于其上，光合作用過程在此進(jìn)行。藍(lán)藻的細(xì)胞壁和細(xì)菌的細(xì)胞壁的化學(xué)組成類似，主要為肽聚糖（糖和多肽形成的一類化合物）；貯藏的光合產(chǎn)物主要為藍(lán)藻淀粉和藍(lán)藻顆粒體等。細(xì)胞壁分內(nèi)外兩層，內(nèi)層是纖維素的，少數(shù)人認(rèn)為是果膠質(zhì)和半纖維素的。外層是膠質(zhì)衣鞘以果膠質(zhì)為主，或有少量纖維素。內(nèi)壁可繼續(xù)向外分泌膠質(zhì)增加到膠鞘中。有些種類的膠鞘很堅(jiān)密拌可有層理，有些種類膠鞘很易水化，相鄰細(xì)胞的膠鞘可互相溶和。膠鞘中可有棕、紅、灰等非光合作用色素。

6、藍(lán)藻的藻體有單細(xì)胞體的、群體的和絲狀體的。最簡(jiǎn)單的是單細(xì)胞體。有些單細(xì)胞體由于細(xì)胞分裂后子細(xì)胞包埋在膠化的母細(xì)胞壁內(nèi)而成為群體，如若反復(fù)分裂，群體中的細(xì)胞可以很多，較大的群體可以破裂成數(shù)個(gè)較小的群體。有些單細(xì)胞體由于附著生活，有了基部和頂部的極性分化，絲狀體是由于細(xì)胞分裂按同一個(gè)分裂面反復(fù)分裂、子細(xì)胞相接而形成的。有些絲狀體上的細(xì)胞都一樣，有些絲狀體上有異形胞的分化；有的絲狀體有偽枝或真分枝，有的絲狀體的頂部細(xì)胞逐漸尖窄成為毛體，這也叫有極性的分化。絲狀體也可以連成群體，包在公共的膠質(zhì)衣鞘中，這是多細(xì)胞個(gè)體組成的群體。資料四：植物向旋光性植物生長(zhǎng)器官受單方向光照射而引起生長(zhǎng)彎曲的現(xiàn)象稱為向旋光

7、性。對(duì)高等植物而言，向旋光性主要指植物地上部分莖葉的正向旋光性。以前認(rèn)為根沒有向旋光性反應(yīng)，然而近年來以擬南芥為研究材料，發(fā)現(xiàn)根有負(fù)向旋光性。正向旋光性植物的上部分受光照影響引起生長(zhǎng)趨向于光照一側(cè)的現(xiàn)象。 負(fù)向旋光性王忠（1999）用透明容器(如玻璃缸)水培剛萌發(fā)的水稻等，并以單側(cè)光照射根，也觀察到根具有負(fù)向旋光性，即種子根向背光的一面傾斜生長(zhǎng)(與水平面夾角約60°)。實(shí)驗(yàn)與研究表明，根具有負(fù)向旋光性，且負(fù)向旋光性與向重性的控制機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立存在。(石黑和岡田，1994)橫向旋光性植物器官與射來的光線垂直的特性。研究過程之提出解決方案以10人為一小組分為4組，分別前往人民公園，碧沙崗公

8、園，鄭州植物園，金沙湖，鄭東新區(qū)濕地公園，凈馨公園，借助已有器材完成對(duì)水藻，螞蟻等的收集和觀察，并利用五點(diǎn)法，標(biāo)記重捕法測(cè)量物種。研究過程之分享成果 1.在校園網(wǎng)，校報(bào)等媒介宣傳研究成果以及感受，并通知老師。 2.在我們的博客上分享成果zz4zjqr 探索型機(jī)器人的發(fā)展1. 混合智能機(jī)器人“向前、向前、向右”隨著科研人員的指令，一只大白鼠穿梭在模擬的道路中，沿著路邊的紅色箭頭，順利地找到了它的目標(biāo)。這是今天上午發(fā)生在浙江大學(xué)玉泉校區(qū)智泉大樓里的一幕。一只機(jī)靈的大白鼠，將國(guó)家973項(xiàng)目“腦機(jī)融合感知和認(rèn)知的計(jì)算理論與方法”課題組的最新成果一一展現(xiàn)。這也標(biāo)志著課題組在混合智能機(jī)器人的研究上邁出了探

9、索性的一步?！斑@一機(jī)器智慧與生物自身智能融合的模式，被稱為混合智慧?！闭n題負(fù)責(zé)人、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院吳朝暉教授介紹，課題組用計(jì)算機(jī)的視覺補(bǔ)充了大鼠自身的視覺，科研人員在大白鼠的大腦里植入一塊微電極，它成為大白鼠與計(jì)算機(jī)之間的橋梁既能收集大白鼠的腦信號(hào)，也能將計(jì)算機(jī)的指令成功傳達(dá)。大白鼠的現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)證實(shí)了這一切：模型上的道路彎彎曲曲，它從不迷路，也不摔跤；“路”兩旁指向各個(gè)方向的箭頭，它總能判斷無誤；更神奇的是，當(dāng)它“看到”你的臉時(shí)，還會(huì)毫不猶豫朝你走過去課題組成員、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授潘綱告訴記者，這是計(jì)算機(jī)的人臉檢測(cè)功能在發(fā)揮作用。2. 爬行攝像膠囊按照設(shè)計(jì)，這個(gè)機(jī)器人可攜帶攝像機(jī)，通過有彈

10、性的“腿”爬進(jìn)患者的消化道，替代傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查。它可用來檢查食管、胃和十二指腸內(nèi)部的損傷或潰瘍情況，由意大利圣安娜高等學(xué)校的CRIM實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。相信可以在泥土中自由發(fā)掘，找到令人欣喜的小型動(dòng)物。3. 游動(dòng)攝像膠囊這款攝像膠囊由微型螺旋槳驅(qū)動(dòng)，也設(shè)計(jì)用于檢查人體消化系統(tǒng)。在被患者從嘴里吞服下以后，它會(huì)“游動(dòng)”檢查醫(yī)生所懷疑的區(qū)域。與上一個(gè)不同，這個(gè)適用于水域環(huán)境，觀察浮游生物。4. 攝影機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)(即“鎖孔手術(shù)”)中，攝影機(jī)器人FreeHand可以讓外科醫(yī)生運(yùn)用頭和腳來控制腹腔鏡相機(jī)。這意味著他們可以騰出手來做手術(shù)。同理，它可以應(yīng)用于野外的顯微操作。生物學(xué)發(fā)展前景一、功能基因組學(xué)遺傳學(xué)

11、最近的定義是，對(duì)生物遺傳的研究和對(duì)基因的研究。功能基因組學(xué) (functionalgenomics) 是依附于對(duì)DNA序列的了解，應(yīng)用基因組學(xué)的知識(shí)和工具去了解影響發(fā)育和整個(gè)生物體的特定序列表達(dá)譜。以釀酒酵母(S. cervisiae)為例，它的16條染色體的全部序列已于1996年完成，基因組全長(zhǎng)12086 kb，含有5885個(gè)可能編碼蛋白質(zhì)的基因，140個(gè)編碼rRNA基因，40個(gè)編碼snRNA基因和275個(gè)tRNA基因，共計(jì)6340個(gè)基因。功能基因組學(xué)是進(jìn)一步研究這6000多個(gè)基因，在一定條件下，譬如酵母孢子形成期，同時(shí)有多少基因協(xié)同表達(dá)才能完成這一發(fā)育過程，這就需要適應(yīng)這一時(shí)期的全套基因表

12、達(dá)譜(gene expression pattern)。要解決如此復(fù)雜的問題就必須在方法學(xué)上有重大的突破，創(chuàng)造出高效快速地同時(shí)測(cè)定基因組成千上萬個(gè)基因活動(dòng)的方法。目前用于檢測(cè)分化細(xì)胞基因表達(dá)譜的方法，有基因表達(dá)連續(xù)分析法(serial analysis Of gene expression，SAGE)、微數(shù)組法(microarray)、有序差異顯示(ordered differential display，ODD)和DNA芯片(DNA chips)技術(shù)等。今后，隨著功能基因組學(xué)的深入發(fā)展，將會(huì)有更新更好的方法和技術(shù)出現(xiàn)。功能基因組亦包括了在測(cè)序后對(duì)基因功能的研究。酵母有許多功能重復(fù)的基因，常分

13、布在染色體的兩端，當(dāng)酵母處于豐富培養(yǎng)基條件時(shí)，這些基因似乎是多余的，但環(huán)境改變時(shí)就顯示出其功能?；蜇S余現(xiàn)象實(shí)際上是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，豐余基因的存在為進(jìn)化適應(yīng)提供了可選擇的余地?；蚪M全序列還保留了基因組進(jìn)化的遺跡，提示基因重復(fù)常發(fā)生在近中心粒區(qū)和染色體臂中段。當(dāng)前，研究者已把酵母基因組作為研究真核生物基因組功能的模式，計(jì)劃建立酵母基因組6000多個(gè)基因的單突變體文庫(single mutant library)，并可用于其它高等真核生物基因組之“基因功能作圖”。總之，功能基因組學(xué)的任務(wù)，是對(duì)成千上萬的基因表達(dá)進(jìn)行分析和比較，從基因組整體水平上闡述基因活動(dòng)的規(guī)律。核心問題是基因組的多樣性和進(jìn)化規(guī)律

14、，基因組的表達(dá)及其調(diào)控，模式生物體基因組研究等。這門新學(xué)科的形成，是在后基因組時(shí)代生物學(xué)家的研究重點(diǎn)從揭示生命的所有遺傳信息轉(zhuǎn)移到在整體水平上對(duì)生物功能研究的重要標(biāo)志。二、蛋白質(zhì)組學(xué)組(proteome)對(duì)不少人來說，目前還是一個(gè)比較陌生的術(shù)語；它是在1994年由澳大利亞Macguarie大學(xué)的Wilkins等首先提出的，隨后，得到國(guó)際生物學(xué)界的廣泛承認(rèn)。他們對(duì)蛋白質(zhì)組的定義為：“蛋白質(zhì)組指的是一個(gè)基因組所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)”(proteome indicates the proteins expressed by a genome)；“proteome”是由蛋白質(zhì)一詞的前幾個(gè)字母"p

15、rote”和基因組一詞的后幾個(gè)字母"ome”拼接而成。蛋白質(zhì)組學(xué)是以蛋白質(zhì)組為研究對(duì)象，研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的科學(xué)。蛋白質(zhì)組與基因組不同，基因組基本上是固定不變的，即同一生物不同細(xì)胞中基因組基本上是一樣的，人類的基因總數(shù)約是32 000個(gè)。單從DNA序列尚不能回答某基因的表達(dá)時(shí)間、表達(dá)量、蛋白質(zhì)翻譯后加工和修飾的情況，以及它們的亞細(xì)胞分布等。這些問題可望在蛋白質(zhì)組研究中找到答案，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)組是動(dòng)態(tài)的，有它的時(shí)空性、可調(diào)節(jié)性，進(jìn)而能夠在細(xì)胞和生命有機(jī)體的整體水平上闡明生命現(xiàn)象的本質(zhì)和活動(dòng)規(guī)律。蛋白質(zhì)組研究的數(shù)據(jù)與基因組數(shù)據(jù)的整合，亦會(huì)對(duì)功能基因組的研究發(fā)揮重要的作用。蛋

16、白質(zhì)組由原定義一個(gè)基因組所表達(dá)的蛋白質(zhì)，改為細(xì)胞內(nèi)的全部蛋白質(zhì)，比較更為全面而準(zhǔn)確。但是，要獲得如此完整的蛋白質(zhì)組，在實(shí)踐中是難以辦到的。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的種類和形態(tài)總是處在一個(gè)新陳代謝的動(dòng)態(tài)過程中，隨時(shí)發(fā)生著變化，難以測(cè)準(zhǔn)。所以，1997年，Cordwell和Humphery-Smith提出了功能蛋白質(zhì)組(functional proteome)的概念，它指的是在特定時(shí)間、特定環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件下基因組活躍表達(dá)的蛋白質(zhì)。與此同時(shí)，中國(guó)生物科學(xué)家提出了功能蛋白質(zhì)組學(xué)(functional protemics)新概念，把研究定位在細(xì)胞內(nèi)與某種功能有關(guān)或在某種條件下的一群蛋白質(zhì)。功能蛋白質(zhì)組只是總蛋白質(zhì)組的

17、一部分，通過對(duì)功能蛋白質(zhì)組的研究，既能闡明某一群體蛋白質(zhì)的功能，亦能豐富總蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，是從生物大分子(蛋白質(zhì)、基因)水平到細(xì)胞水平研究的重要橋梁環(huán)節(jié)。無論是蛋白質(zhì)組學(xué)還是功能蛋白質(zhì)組學(xué)，首先都要求分離亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞或組織等不同生命結(jié)構(gòu)層次的蛋白質(zhì)，獲得蛋白質(zhì)譜。為了盡可能分辨細(xì)胞或組織內(nèi)所有蛋白質(zhì)，目前一般采用高分辨率的雙向凝膠電泳。一種正常細(xì)胞的雙向電泳圖譜通過掃描儀掃描并數(shù)字化，運(yùn)用二維分析軟件可對(duì)數(shù)字化的圖譜進(jìn)行各種圖像分析，包括分離蛋白在圖譜上的定位，分離蛋白的計(jì)數(shù)、圖譜間蛋白質(zhì)差異表達(dá)的檢測(cè)等。一種細(xì)胞或組織的蛋白質(zhì)組雙向電泳圖，可得到幾千甚至上萬種蛋白質(zhì)，為了適應(yīng)這種大規(guī)模的蛋

18、白質(zhì)分析，質(zhì)譜已成為蛋白質(zhì)鑒定的核心技術(shù)。從質(zhì)譜技術(shù)測(cè)得完整蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量、肽質(zhì)譜(或稱肽質(zhì)量指紋，pepetide massfingerprint)以及部分肽序列等數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的搜尋來鑒定蛋白質(zhì)。此外，尚需對(duì)蛋白質(zhì)翻譯后修飾的類型和程度進(jìn)行分析。在蛋白質(zhì)組定性和定量分析的基礎(chǔ)上建立蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫。從提出蛋白質(zhì)組的概念到現(xiàn)在短短幾年中，已于1997年構(gòu)建成第一個(gè)完整的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫-酵母蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(yeast protein database，YPD)，進(jìn)展速度極快，新的思路和技術(shù)不斷涌現(xiàn)，蛋白質(zhì)組學(xué)這門新興學(xué)科，在今后的實(shí)踐中將會(huì)不斷完善，充實(shí)壯大，發(fā)展成為后基因組時(shí)代的帶頭學(xué)科。三、生物信息學(xué)HGP大量序列信息的積累，導(dǎo)致了生物信息學(xué)(Bioinformatics)這門全新的學(xué)科的產(chǎn)生，對(duì)DNA和蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)中各種類型信息進(jìn)行識(shí)別、存儲(chǔ)、分析、