他怎么知道不在Y染色體上？論文

“他怎么知道不在Y染色體上？摘要：有關于摩爾根果蠅雜交實驗中假說的提Y染色體及X、Y同源區(qū)段上的爭論，一直都未間斷。教材上的表述液未明確指出摩本文擬以科學史的真實面貌去還原摩爾根的果蠅雜交實驗，通過科學史的學習去達成學科素養(yǎng)中的科學思維和科學探究。同時以科學史中提煉的方法和模型去反哺高考，既實現(xiàn)“育人”、又達成“育分”的目的。關鍵詞：核心素養(yǎng)，科學思維，科學探究，果蠅雜交實驗，假說，科學史，模型引言：每一屆學生在學習摩爾根果蠅雜交實驗時，對于摩爾根解釋白眼性狀的遺傳的假說總是會產(chǎn)生為何不Y染色體上的疑問。備課時查閱各種資料也都釋。筆者擬從科學史的角度上去還原摩爾根的研究背景，進而探尋摩爾根做出假說的依據(jù)。同時在達成學科核心素養(yǎng)的同時，為全國Ⅰ卷的遺傳大題提供解題的模型。一、情景再“……白眼性狀的表現(xiàn)，總是與性別相關聯(lián)……”“……于是摩爾根及其同事設想，如果控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因，上述遺傳現(xiàn)象就可以得到合理的解釋……”，當我聲嘶力竭的在課堂上向一顆顆求知若渴的腦袋們講述摩爾根團隊的大膽設想時，突然有個聲音“他怎么知道不在Y染色體上？”這個突然的問題讓我思緒萬千：是啊，為Y染色體上呢？幾乎每學生在此都會有此一問，如何解決這個授課難點呢？這是一個非常令人頭疼的問題。二、背景分我在備課時查閱了各種資料，也參考了部分同行對此部分的處理方法，大概有如下三種思路：思路一，按教材編排，以假說-演繹法的四個環(huán)節(jié)組織教學，教學環(huán)節(jié)清晰明了，所需時間較短。但這種思路相當于講授實驗，沒有思維方面的訓練，忽略了學生的性別決定前概念對學習此部分內(nèi)容的干擾，最容易碰“他怎么知道不在Y染色體上”的場景。即便當時沒有發(fā)問，隨著對性染色體認X、Y染色體上存在同源區(qū)段，那為什么摩爾根沒有考慮到？思路二，給出摩爾根的實驗材料，講解X、Y染色體配對情況，讓學置的三種可能假說，設計實驗方案逐一排除。這種思路能讓學生較好的參與進來，訓練學生的思維。但正是因為探究活動過多，授課時間便會很長，但本節(jié)課參考課時只有1個課時。此外，此種授課方式對學生的基礎要求較高，一個環(huán)節(jié)沒搞懂，教學可能就會翻車，所以新課不太適合采用這種方式。思路三，設計成學生參與果蠅雜交實驗的基本過程的探究性學習課程。學生在此過程培育果蠅，設計實驗方案，重現(xiàn)摩爾根當時的實驗。此法總體要求太高，不太適合絕大多數(shù)學生。這三種解決方案看似完成了新課程標準中關于培養(yǎng)學生科學思維和科學探究的任務，卻違背了標準中“注重生物科學史和科學本質(zhì)的學習”的要求。三、課標和高考1．課標要求[2]《普通高中生物學課程標2017年版2020年修訂）》指出“科學思維”是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。學生應該在學習過程中逐步發(fā)展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題?！翱茖W探究”是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結(jié)果的交流與討論的能力。學生應在探究過程中，逐步增強對自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力；在探究中，樂于并善于團隊合作，勇于創(chuàng)新。基于此，趙占良主編在“對生物學學科核心素養(yǎng)的理解（二）——科學思維及其教學”一文中指出培養(yǎng)學生的科學思維要從以下三個方面入手：（1）培養(yǎng)學生批判質(zhì)疑的精神和態(tài)度；（2）培養(yǎng)學生的證據(jù)意識、獲取證據(jù)的能力、評價證據(jù)的能力；（3）培養(yǎng)學生邏輯思維的嚴謹性、全面性、深刻性和流暢性。人教社生物室也在今年暑期培訓時指出：運用科學思維可能包括以下環(huán)節(jié)，批判質(zhì)疑是起點對事實證據(jù)的獲取、分析和評價，對科學概念的掌握和運用是基科學推理和論證屬于方法或工具；目的是分析事物的本質(zhì)、規(guī)律、相互關系及所以在教學中面對學生的質(zhì)疑，應該進行鼓勵，要培養(yǎng)學生如同摩爾根質(zhì)疑孟德爾和薩頓那般的質(zhì)疑精神。在介紹教材編寫思路時明確指出：教材編寫注重呈現(xiàn)科學史、撰寫方式增加了探究性。所以摩爾根的果蠅雜交實驗恰好成為了培養(yǎng)學生科學思維、科學探究的絕佳材料。2．高考要求隨著新課標越來越深入人心，核心素養(yǎng)中關于科學思維、科學探究等在高考試題中的考察比重越來越大。通過分析高考題，從命題者的視角去挖掘試題中的學科既能達到“育分”，又能達到“育人”?，F(xiàn)對2017~2021年全國課標卷Ⅰ中考察遺傳規(guī)的5道題目進行分析，找出其中關于科學思維和科學探究的考察是如何體現(xiàn)的。表1近5年全國課標卷Ⅰ遺傳大題學科核心素養(yǎng)的考察從表中可以看出，遺傳主觀題的考察突出了科學探究和科學思維兩個方面，若在真實的科學史情境中去培養(yǎng)學生科學探究和思維的品質(zhì)，必對學生終身發(fā)展起到至關重要的作用。所以用好摩爾根的果蠅雜交實驗，對于學生素養(yǎng)和分數(shù)的提升都大有益處。那么怎樣處“他怎么知道不在Y染色體上”這個問題呢？讓我們嘗試還實的歷史面貌。四、摩爾根果蠅雜交實驗的1．摩爾根果蠅雜交實驗之前科學界對性別決定機制的認識1865年，隨著蘇木精染料的應用，染色體在細胞中被人們發(fā)入的研究，人們逐漸意識到染色體形態(tài)和性別之間1891年，德國動物學家克英在半翅目昆蟲紅蜻的精子母細胞中發(fā)現(xiàn)了一個深度著色的顆粒，由于不能確定這個顆粒是不是染色體，漢克英將其標“X”。1905，美國細胞學家威爾森證實半昆蟲中，經(jīng)過減數(shù)分裂，獲得X染色體的精子受精會產(chǎn)生雌蟲；由不含X染色體的精子受精則產(chǎn)生雄蟲。同年，美國女科學家斯蒂文在粉甲等昆蟲中發(fā)現(xiàn)雄性染色體較小的現(xiàn)象。隨后，威爾森的研究顯示，有些半翅目昆蟲，如有十四條染色體的紅長蝽也是這樣。為了便于描述，威爾森在1909年將這種小型的染色體命名為Y染色體。不過，威爾森當時錯誤地認為Y染色體在功能上可有可無。其實Y染色體和X染色體一起參與性別決定，合稱為性染色體。細胞中其他的染色體則被統(tǒng)稱為常染色體(autosome)。到1908年，斯蒂文發(fā)表了果蠅的染色體研究。雌雄果蠅的體細胞都有四對染色體，而雄果蠅中有一對是不對稱的。她當時以為，這是一個小型的性染色體附著在常染色體上。圖1果蠅的染色體圖解引自Stevens（1908）2．果蠅特殊的XY性別決定帶給了摩爾根運氣我們有理由相信摩爾根在將眼色基因和X染色體聯(lián)系起來的時候，并沒有意識到果蠅中具有Y染色體。對于摩爾根實驗用的材料D.ampelophila，1907年Stevens曾經(jīng)寫到“Thequestionastowhetheranoddchromosomeoranunequalpairofheterochromosomeswasinthecellswasthenunsettled”(細胞中的染色體是單數(shù)的?還是一對不相同的同源染色體?這個問題并沒有解決)，實際上直到1916年，D.melanogaster的雄性仍被記作XO。咱們這里再回到D.ampelophila，1913年Bridges發(fā)表了一篇染色體不分離的論文，該論文被視作是基因在染色體上的最直接證據(jù)，該文延用了摩爾根1911年說法，將果蠅視作XO性別決定。時間推移到1914年，同樣的還是介紹染色體不分裂作為基因在染色體的直接證據(jù)Bridges第一次明確提出了Y，并且提出了一種可能性，于解釋Stevens當時為什么沒有注意到Y(jié)染色體。后續(xù)研究表明果蠅的Y染色體在性別決定中不起作用，它最大的作用在于賦予雄果蠅以育性，因為缺少Y染色體的XO型雄果蠅被證明是不育的。有時候我會想，如果在果蠅的Y染色體上具有控制眼色的基因，那么摩爾根還能不能排除萬難，從而在實驗上將特定的基因和染色體聯(lián)系起來呢？五、教材呈現(xiàn)的解釋給教師和學生2019版教材在呈現(xiàn)摩爾根雜交實驗的過程中，由于初中學習上部分同學在教輔資料上預X、Y染色體的配對情況，這些念就可能會對學習本節(jié)內(nèi)容產(chǎn)生負面的影響“為什么不在Y染色體上”“為什么不在X、Y染色體的同源”等的問題。于是老師為了應對白眼基因位于XY染色體同源區(qū)段的假設，再設計方案逐一排除。這種教學對于鍛煉學生的思維具有一定的價值。但結(jié)合新課程標準中關于核心素養(yǎng)中“尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知”，這種做法明顯違背了標準的根據(jù)上文的敘述，我們可以看到在摩爾根進行白眼果蠅雜交實驗的時候，他們并沒有意識到果蠅會具有Y染色體，因此直接假定摩爾根考慮了白眼果蠅位于XY染色體同源區(qū)段是不合理的。實際上，所有假說的提出都只能依據(jù)已有的知識和觀察到的現(xiàn)象提出來，在摩爾根的年代，人們對果蠅性別決定的認識就是取決于X染色體，因此當觀察到白眼果蠅的雜交實驗結(jié)果與相別相關聯(lián)時，摩爾根很自然的將其與X染色體聯(lián)系起來。圖2果蠅的雜交圖解六、解決方案及構(gòu)建解那怎么解決這個問題呢？首先在課堂上，由于只有一個課時的教學時長，所以在課堂上不妨直接呈現(xiàn)在摩爾根時代，人們對果蠅性別決定機制的認識。一方面，摩爾Y染色體在此程中的作用，另一方X染色體的遺傳與白眼性狀的遺傳非常相似，故而的基因在X染色體上，而Y染色體上不含有它的等位基因”的假說（如上圖2）。這種處理方法大大節(jié)約了處理時長，但對于學生的科學探究素養(yǎng)的提升存在不小的缺陷。結(jié)合高考題近五年的考察類型（如上表1），所以必須要對基因位置案設計加以總結(jié)。此時，便可在課下給學生呈現(xiàn)有關果蠅的性別決定知識（假設摩爾根在進行果蠅雜交實驗之前已經(jīng)對果蠅性別決定機制和X、Y染色體的配對情況有了充學生自己提出假說。這樣做更能鍛煉學生的思維，尤其是鍛煉學生提出合理的有根據(jù)的假說。在學生提出各種假說后，教師可在學生推斷的基礎之上總結(jié)出推斷基因位置的判定方法：表2基因位置的判定方法這樣以來，教材這一部分呈現(xiàn)出的科學史，既訓練了科學思維和科學探究，又