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視頻標(biāo)簽：基因在親子代間的傳遞
所屬欄目：初中生物優(yōu)質(zhì)課視頻
視頻課題：初中生物人教版八年級下冊第七單元第二章第二節(jié)《基因在親子代間的傳遞》北京市 - 海淀區(qū)
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初中生物人教版八年級下冊第七單元第二章第二節(jié)《基因在親子代間的傳遞》北京市 - 海淀區(qū)
教學(xué)目標(biāo)
能夠通過觀察分析、體驗、構(gòu)建模型等方法理解基因與性狀的關(guān)系及基因在親子代間的傳遞規(guī)律。
A.能夠?qū)W(xué)習(xí)資料(染色體的顯微結(jié)構(gòu)、染色體的組成圖、模型)進行觀察,獨立嚴(yán)謹(jǐn)說出并做出模型表示染色體是DNA 的載體,基因位于染色體上,因此基因和染色體行為一致。
B. 能夠通過同學(xué)老師的討論,借助學(xué)習(xí)資料進行觀察、制作模型等活動,理解染色體、DNA和基因的關(guān)系,但是在描述三者關(guān)系時,不能科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)使用生物學(xué)科術(shù)語。
C.觀察圖片和數(shù)據(jù)之后,需要在同學(xué)的討論中知道三者的關(guān)系,但是不能完整、全面、深入理解。
2學(xué)情分析
知識方面,學(xué)生從生活中知道遺傳和變異的現(xiàn)象,也能分辨一下遺傳和變異的現(xiàn)象,對人的性別等生物性狀的遺傳充滿好奇。但對基因的認(rèn)識和探討才剛剛開始,不清楚生物個體的性狀與基因之間的關(guān)系,不理解基因?qū)π誀畹目刂剖峭ㄟ^基因在親子代間的傳遞來實現(xiàn)的,不清楚生物的遺傳和變異如何影響生物生命在生物圈的延續(xù)和發(fā)展。
能力方面,學(xué)生已經(jīng)具備一定的聯(lián)系生活經(jīng)驗的能力,但是不能通過思考將生物學(xué)現(xiàn)象與生物學(xué)原理、觀點建立系統(tǒng)的關(guān)系;通過觀察分析和模擬體驗?zāi)芮宄郎镄誀畹难永m(xù)和發(fā)展體現(xiàn)生命的延續(xù)和發(fā)展,但不清楚控制性狀的基因是如何傳遞和變化的。
3重點難點
學(xué)生理解染色體、DNA、基因三者的結(jié)構(gòu)關(guān)系。
4教學(xué)過程
4.1第一學(xué)時
4.1.1教學(xué)活動
活動1【導(dǎo)入】基因存在于細(xì)胞的什么結(jié)構(gòu)中
問題:猜想基因存在于細(xì)胞的什么結(jié)構(gòu)中?
學(xué)生回答:細(xì)胞核中。因為之前的學(xué)習(xí)經(jīng)歷,學(xué)生已有知識是:遺傳物質(zhì)位于細(xì)胞核中。而現(xiàn)在基因是遺傳物質(zhì),因此,學(xué)生會推測,基因位于細(xì)胞核中。
活動2【活動】細(xì)胞核中的遺傳物質(zhì)是什么
2-1-2 問題:閱讀資料,回答細(xì)胞核中的遺傳物質(zhì)是什么?
資料6:1868年,人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了核酸.在德國化學(xué)家霍佩·賽勒的實驗室里,有一個瑞士籍的研究生名叫米歇爾(1844--1895),他對實驗室附近的一家醫(yī)院扔出的帶膿血的繃帶很感興趣,因為他知道膿血是那些為了保衛(wèi)人體健康,與病菌"'作戰(zhàn)"而戰(zhàn)死的白細(xì)胞和被殺死的人體細(xì)胞的"遺體".于是他細(xì)心地把繃帶上的膿血收集起來,并用胃蛋白酶進行分解,結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞遺體的大部分被分解了,但對細(xì)胞核不起作用.他進一步對細(xì)胞核內(nèi)物質(zhì)進行分析,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核中含有一種富含磷和氮的物質(zhì).霍佩·賽勒用酵母做實驗,證明米歇爾對細(xì)胞核內(nèi)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)是正確的.于是他便給這種從細(xì)胞核中分離出來的物質(zhì)取名為"核素",后來人們發(fā)現(xiàn)它呈酸性,因此改叫"核酸".從此人們對核酸進行了一系列卓有成效的研究。
活動3【活動】實驗：觀察果蠅三齡幼蟲唾液腺染色體
問題:如果我們推測基因在細(xì)胞核中,而資料表明細(xì)胞核中的物質(zhì)是核酸。那么核酸和基因是什么關(guān)系?核酸是不是就是基因?下面我們通過一定的方法,觀察一下細(xì)胞核中的核酸物質(zhì)。
實驗1:觀察果蠅三齡幼蟲唾液腺染色體(具體內(nèi)容見附件1)
活動4【活動】閱讀資料從科學(xué)家對基因、DNA、染色體的探索發(fā)現(xiàn)過程中,學(xué)習(xí)三者的關(guān)系。
學(xué)生活動:閱讀資料,從科學(xué)家對基因、DNA、染色體的探索發(fā)現(xiàn)過程中,學(xué)習(xí)三者的關(guān)系。
資料7:
活動5【活動】制作染色體模型
分組活動:
使用不同顏色的扭扭棒,代表不同的基因片段,制作出染色體的模型,并通過模型的展示,講解三者的關(guān)系給大家聽。
材料1:每組20支不同顏色的扭扭棒
活動6【講授】染色體、DNA、基因三者關(guān)系
教師點撥:(基因在DNA上,在細(xì)胞分裂的特定時期DNA多重螺旋形成染色體:
①染色體與基因的關(guān)系:一條染色體上有許多基因,基因在染色體上呈直線排列。
②染色體與DNA的關(guān)系:染色體是DNA分子的主要載體。
③DNA與基因的關(guān)系:每個DNA上有許多基因,基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段。)
附件2：
基因、DNA、染色體的發(fā)現(xiàn)
自從孟德爾的遺傳定律被重新發(fā)現(xiàn)以后,人們又提出了一個問題：遺傳因子是不是一種物質(zhì)實體?為了解決基因是什么的問題,人們開始了對核酸和蛋白質(zhì)的研究.
早在1868年,人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了核酸.在德國化學(xué)家霍佩·賽勒的實驗室里,有一個瑞士籍的研究生名叫米歇爾（1844--1895）,他對實驗室附近的一家醫(yī)院扔出的帶膿血的繃帶很感興趣,因為他知道膿血是那些為了保衛(wèi)人體健康,與病菌"'作戰(zhàn)"而戰(zhàn)死的白細(xì)胞和被殺死的人體細(xì)胞的"遺體".于是他細(xì)心地把繃帶上的膿血收集起來,并用胃蛋白酶進行分解,結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞遺體的大部分被分解了,但對細(xì)胞核不起作用.他進一步對細(xì)胞核內(nèi)物質(zhì)進行分析,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核中含有一種富含磷和氮的物質(zhì).霍佩·賽勒用酵母做實驗,證明米歇爾對細(xì)胞核內(nèi)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)是正確的.于是他便給這種從細(xì)胞核中分離出來的物質(zhì)取名為"核素",后來人們發(fā)現(xiàn)它呈酸性,因此改叫"核酸".從此人們對核酸進行了一系列卓有成效的研究.
20世紀(jì)初,德國科賽爾（1853--1927）和他的兩個學(xué)生瓊斯（1865--1935）和列文（1869－－1940）的研究,弄清了核酸的基本化學(xué)結(jié)構(gòu),認(rèn)為它是由許多核苷酸組成的大分子.核苷酸是由堿基、核糖和磷酸構(gòu)成的.其中堿基有4種（腺瞟吟、鳥嘌吟、胸腺嘧啶和胞嘧啶）,核糖有兩種（核糖、脫氧核糖）,因此把核酸分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）.
列文急于發(fā)表他的研究成果,錯誤地認(rèn)為4種堿基在核酸中的量是相等的,從而推導(dǎo)出核酸的基本結(jié)構(gòu)是由4個含不同堿基的核苷酸連接成的四核苷酸,以此為基礎(chǔ)聚合成核酸,提出了"四核苷酸假說".這個錯誤的假說,對認(rèn)識復(fù)雜的核酸結(jié)構(gòu)起了相當(dāng)大的阻礙作用,也在一定程度上影響了人們對核酸功能的認(rèn)識.人們認(rèn)為,雖然核酸存在于重要的結(jié)構(gòu)--細(xì)胞核中,但它的結(jié)構(gòu)太簡單,很難設(shè)想它能在遺傳過程中起什么作用.
蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)比核酸早30年,發(fā)展迅速.進人20世紀(jì)時,組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸中已有12種被發(fā)現(xiàn),到1940年則全部被發(fā)現(xiàn).
1902年,德國化學(xué)家費歇爾提出氨基酸之間以肽鏈相連接而形成蛋白質(zhì)的理論,1917年他合成了由15個甘氨酸和3個亮氨酸組成的18個肽的長鏈.于是,有的科學(xué)家設(shè)想,很可能是蛋白質(zhì)在遺傳中起主要作用.如果核酸參與遺傳作用,也必然是與蛋白質(zhì)連在一起的核蛋白在起作用.因此,那時生物界普遍傾向于認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳信息的載體.
1928年,美國科學(xué)家格里菲斯（1877--1941）用一種有莢膜、毒性強的和一種無莢膜、毒性弱的肺炎雙球菌對老鼠做實驗.他把有莢病菌用高溫殺死后與無莢的活病菌一起注人老鼠體內(nèi),結(jié)果他發(fā)現(xiàn)老鼠很快發(fā)病死亡,同時他從老鼠的血液中分離出了活的有莢病菌.這說明無莢菌竟從死的有莢菌中獲得了什么物質(zhì),使無莢菌轉(zhuǎn)化為有莢菌.這種假設(shè)是否正確呢?格里菲斯又在試管中做實驗,發(fā)現(xiàn)把死了的有美菌與活的無莢菌同時放在試管中培養(yǎng),無莢菌全部變成了有莢菌,并發(fā)現(xiàn)使無莢菌長出蛋白質(zhì)莢的就是已死的有莢菌殼中遺留的核酸（因為在加熱中,莢中的核酸并沒有被破壞）.格里菲斯稱該核酸為"轉(zhuǎn)化因子".
1944年,美國細(xì)菌學(xué)家艾弗里（1877--1955）從有美菌中分離得到活性的"轉(zhuǎn)化因子",并對這種物質(zhì)做了檢驗蛋白質(zhì)是否存在的試驗,結(jié)果為陰性,并證明"轉(zhuǎn)化因子"是DNA.但這個發(fā)現(xiàn)沒有得到廣泛的承認(rèn),人們懷疑當(dāng)時的技術(shù)不能除凈蛋白質(zhì),殘留的蛋白質(zhì)起到轉(zhuǎn)化的作用.
美籍德國科學(xué)家德爾布呂克（1906--1981）的噬菌體小組對艾弗里的發(fā)現(xiàn)堅信不移.因為他們在電子顯微鏡下觀察到了噬菌體的形態(tài)和進人大腸桿菌的生長過程.噬菌體是以細(xì)菌細(xì)胞為寄主的一種病毒,個體微小,只有用電子顯微鏡才能看到它.它像一個小蝌蚪,外部是由蛋白質(zhì)組成的頭膜和尾鞘,頭的內(nèi)部含有DNA,尾鞘上有尾絲、基片和小鉤.當(dāng)噬菌體侵染大腸桿菌時,先把尾部末端扎在細(xì)菌的細(xì)胞膜上,然后將它體內(nèi)的DNA全部注人到細(xì)菌細(xì)胞中去,蛋白質(zhì)空殼仍留在細(xì)菌細(xì)胞外面,再沒有起什么作用了.進人細(xì)菌細(xì)胞后的噬菌體DNA,就利用細(xì)菌內(nèi)的物質(zhì)迅速合成噬菌體的DNA和蛋白質(zhì),從而復(fù)制出許多與原噬菌體大小形狀一模一樣的新噬菌體,直到細(xì)菌被徹底解體,這些噬菌體才離開死了的細(xì)菌,再去侵染其他的細(xì)菌.
1952年,噬菌體小組主要成員赫爾希（1908一）和他的學(xué)生蔡斯用先進的同位素標(biāo)記技術(shù),做噬菌體侵染大腸桿菌的實驗.他把大腸桿菌T2噬菌體的核酸標(biāo)記上32P,蛋白質(zhì)外殼標(biāo)記上35S.先用標(biāo)記了的T2噬菌體感染大腸桿菌,然后加以分離,結(jié)果噬菌體將帶35S標(biāo)記的空殼留在大腸桿菌外面,只有噬菌體內(nèi)部帶有32P標(biāo)記的核酸全部注人大腸桿菌,并在大腸桿菌內(nèi)成功地進行噬菌體的繁殖.這個實驗證明DNA有傳遞遺傳信息的功能,而蛋白質(zhì)則是由DNA的指令合成的.這一結(jié)果立即為學(xué)術(shù)界所接受.
幾乎與此同時,奧地利生物化學(xué)家查加夫（1905--）對核酸中的4種堿基的含量的重新測定取得了成果.在艾弗里工作的影響下,他認(rèn)為如果不同的生物種是由于DNA的不同,則DNA的結(jié)構(gòu)必定十分復(fù)雜,否則難以適應(yīng)生物界的多樣性.因此,他對列文的"四核苷酸假說"產(chǎn)生了懷疑.在1948－1952年4年時間內(nèi),他利用了比列文時代更精確的紙層析法分離4種堿基,用紫外線吸收光譜做定量分析,經(jīng)過多次反復(fù)實驗,終于得出了不同于列文的結(jié)果.實驗結(jié)果表明,在DNA大分子中嘌吟和嘧啶的總分子數(shù)量相等,其中腺嘌吟A與胸腺嘧啶T數(shù)量相等,鳥嘌吟G與胞嘧啶C數(shù)量相等.說明DNA分子中的堿基A與T、G與C是配對存在的,從而否定了"四核苷酸假說",并為探索DNA分子結(jié)構(gòu)提供了重要的線索和依據(jù).
1953年4月25日,英國的《自然》雜志刊登了美國的沃森和英國的克里克在英國劍橋大學(xué)合作的研究成果：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型,這一成果后來被譽為20世紀(jì)以來生物學(xué)方面最偉大的發(fā)現(xiàn),標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生.
沃森（1928一）在中學(xué)時代是一個極其聰明的孩子,15歲時便進人芝加哥大學(xué)學(xué)習(xí).當(dāng)時,由于一個允許較早人學(xué)的實驗性教育計劃,使沃森有機會從各個方面完整地攻讀生物科學(xué)課程.在大學(xué)期間,沃森在遺傳學(xué)方面雖然很少有正規(guī)的訓(xùn)練,但自從閱讀了薛定愕的《生命是什么?--活細(xì)胞的物理面貌》一書,促使他去"發(fā)現(xiàn)基因的秘密".他善于集思廣益,博取眾長,善于用他人的思想來充實自己.只要有便利的條件,不必強迫自己學(xué)習(xí)整個新領(lǐng)域,也能得到所需要的知識.沃森22歲取得博士學(xué)位,然后被送往歐洲攻讀博士后研究員.為了完全搞清楚一個病毒基因的化學(xué)結(jié)構(gòu),他到丹麥哥本哈根實驗室學(xué)習(xí)化學(xué).有一次他與導(dǎo)師一起到意大利那不勒斯參加一次生物大分子會議,有機會聽英國物理生物學(xué)家威爾金斯（1916--）的演講,看到了威爾金斯的DNAX射線衍射照片.從此,尋找解開DNA結(jié)構(gòu)的鑰匙的念頭在沃森的頭腦中索回.什么地方可以學(xué)習(xí)分析X射線衍射圖呢?于是他又到英國劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室學(xué)習(xí),在此期間沃森認(rèn)識了克里克.
克里克（1916）上中學(xué)時對科學(xué)充滿熱情,1937年畢業(yè)于倫敦大學(xué).1946年,他閱讀了《生命是什么?--活細(xì)胞的物理面貌卜書,決心把物理學(xué)知識用于生物學(xué)的研究,從此對生物學(xué)產(chǎn)生了興趣.1947年他重新開始了研究生的學(xué)習(xí),1949年他同佩魯茲一起使用X射線技術(shù)研究蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu),于是在此與沃森相遇了.當(dāng)時克里克比沃森大12歲,還沒有取得博士學(xué)位.但他們談得很投機,沃森感到在這里居然能找到一位懂得DNA比蛋白質(zhì)更重要的人,真是三生有幸.同時沃森感到在他所接觸的人當(dāng)中,克里克是最聰明的一個.他們每天交談至少幾個小時,討論學(xué)術(shù)問題.兩個人互相補充,互相批評以及相互激發(fā)出對方的靈感.他們認(rèn)為解決DNA分子結(jié)構(gòu)是打開遺傳之謎的關(guān)鍵.只有借助于精確的X射線衍射資料,才能更快地弄清DNA的結(jié)構(gòu).為了搞到DNAX射線衍射資料,克里克請威爾金斯到劍橋來度周末.在交談中威爾金斯接受了DNA結(jié)構(gòu)是螺旋型的觀點,還談到他的合作者富蘭克林（1920--1958,女）以及實驗室的科學(xué)家們,也在苦苦思索著DNA結(jié)構(gòu)模型的問題.從1951年11月至1953年4月的18個月中,沃森、克里克同威爾金斯、富蘭克林之間有過幾次重要的學(xué)術(shù)交往.
1951年11月,沃森聽了富蘭克林關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的較詳細(xì)的報告后,深受啟發(fā),具有一定晶體結(jié)構(gòu)分析知識的沃森和克里克認(rèn)識到,要想很快建立DNA結(jié)構(gòu)模型,只能利用別人的分析數(shù)據(jù).他們很快就提出了一個三股螺旋的DNA結(jié)構(gòu)的設(shè)想.1951年底,他們請威爾金斯和富蘭克林來討論這個模型時,富蘭克林指出他們把DNA的含水量少算了一半,于是第一次設(shè)立的模型宣告失敗.
有一天,沃森又到國王學(xué)院威爾金斯實驗室,威爾金斯拿出一張富蘭克林最近拍制的"B型"DNA的X射線衍射的照片.沃森一看照片,立刻興奮起來、心跳也加快了,因為這種圖像比以前得到的"A型"簡單得多,只要稍稍看一下"B型"的X射線衍射照片,再經(jīng)簡單計算,就能確定DNA分子內(nèi)多核苷酸鏈的數(shù)目了.
克里克請數(shù)學(xué)家?guī)椭嬎?結(jié)果表明源吟有吸引嘧啶的趨勢.他們根據(jù)這一結(jié)果和從查加夫處得到的核酸的兩個嘌吟和兩個嘧啶兩兩相等的結(jié)果,形成了堿基配對的概念.
他們苦苦地思索4種堿基的排列順序,一次又一次地在紙上畫堿基結(jié)構(gòu)式,擺弄模型,一次次地提出假設(shè),又一次次地推翻自己的假設(shè).
有一次,沃森又在按著自己的設(shè)想擺弄模型,他把堿基移來移去尋找各種配對的可能性.突然,他發(fā)現(xiàn)由兩個氫鍵連接的腺膘吟一胸腺嘧啶對竟然和由3個氫鍵連接的鳥嘌嶺一胞嘧啶對有著相同的形狀,于是精神為之大振.因為嘌吟的數(shù)目為什么和嘧啶數(shù)目完全相同這個謎就要被解開了.查加夫規(guī)律也就一下子成了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的必然結(jié)果.因此,一條鏈如何作為模板合成另一條互補堿基順序的鏈也就不難想象了.那么,兩條鏈的骨架一定是方向相反的.
經(jīng)過沃森和克里克緊張連續(xù)的工作,很快就完成了DNA金屬模型的組裝.從這模型中看到,DNA由兩條核苷酸鏈組成,它們沿著中心軸以相反方向相互纏繞在一起,很像一座螺旋形的樓梯,兩側(cè)扶手是兩條多核苷酸鏈的糖一磷基因交替結(jié)合的骨架,而踏板就是堿基對.由于缺乏準(zhǔn)確的X射線資料,他們還不敢斷定模型是完全正確的.
下一步的科學(xué)方法就是把根據(jù)這個模型預(yù)測出的衍射圖與X射線的實驗數(shù)據(jù)作一番認(rèn)真的比較.他們又一次打電話請來了威爾金斯.不到兩天工夫,威爾金斯和富蘭克林就用X射線數(shù)據(jù)分析證實了雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是正確的,并寫了兩篇實驗報告同時發(fā)表在英國《自然》雜志上.1962年,沃森、克里克和威爾金斯獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎,而富蘭克林因患癌癥于1958年病逝而未被授予該獎.
DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)后,極大地震動了學(xué)術(shù)界,啟發(fā)了人們的思想.從此,人們立即以遺傳學(xué)為中心開展了大量的分子生物學(xué)的研究.首先是圍繞著4種堿基怎樣排列組合進行編碼才能表達(dá)出20種氨基酸為中心開展實驗研究.1967年,遺傳密碼全部被破解,基因從而在DNA分子水平上得到新的概念.它表明：基因?qū)嶋H上就是DNA大分子中的一個片段,是控制生物性狀的遺傳物質(zhì)的功能單位和結(jié)構(gòu)單位.在這個單位片段上的許多核苷酸不是任意排列的,而是以有含意的密碼順序排列的.一定結(jié)構(gòu)的DNA,可以控制合成相應(yīng)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)是組成生物體的重要成分,生物體的性狀主要是通過蛋白質(zhì)來體現(xiàn)的.因此,基因?qū)π誀畹目刂剖峭ㄟ^DNA控制蛋白質(zhì)的合成來實現(xiàn)的.在此基礎(chǔ)上相繼產(chǎn)生了基因工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程等,這些生物技術(shù)的發(fā)展必將使人們利用生物規(guī)律造福于人類.現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展,愈來愈顯示出它將要上升為帶頭學(xué)科的趨勢.
DNA構(gòu)成染色體的圖解
圖1 從DNA到染色體的示意圖
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