高考生物復習孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗的科學(xué)方法講解

　　“分析孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗的科學(xué)方法”是《高中生物課程標準》的具體內容標準之一，學(xué)習目標屬于應用水平，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、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，許多老師常常是對孟德?tīng)柅@得成功的原因進(jìn)行簡(jiǎn)單的總結，沒(méi)有提供新的情境讓學(xué)生思考與應用，學(xué)生缺少對科學(xué)方法的感悟和內化過(guò)程，從而影響課程標準具體目標的達成。從總結孟德?tīng)柍晒Φ脑�因到分析和運用科學(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律的生命現象過(guò)程中，長(cháng)期和反復作為研究材料的物種稱(chēng)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，也飼養小家鼠和蜜蜂做雜交實(shí)驗，許多實(shí)驗是一無(wú)所獲，而最終揭示遺傳學(xué)基本定律的連續8年的豌豆雜交實(shí)驗，因為豌豆是嚴格的自花傳粉植物，從市場(chǎng)買(mǎi)來(lái)的豌豆種子都是純種，雜交實(shí)驗從純種開(kāi)始，這樣才能得到真正的雜種;相對性狀穩定而易于區分;容易去雄和人工授粉;一年生植物，結實(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(xiàn)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;對人體和環(huán)境無(wú)害，容易獲得并能在實(shí)驗室內生長(cháng)和繁殖;世代短、子代數量多、遺傳背景清楚;容易進(jìn)行實(shí)驗操作。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)驗材料，如利用果蠅進(jìn)行遺傳學(xué)實(shí)驗、利用酵母菌探究細胞呼吸方式和嘗試建立數學(xué)模型解釋種群的數量變動(dòng)等。

　　2 單因子分析法

　　現在已知在豌豆體細胞中有7對同源染色體，孟德?tīng)栄芯康?對相對性狀的遺傳因子分布在4對同源染色體上，其中子葉顏色和花的顏色兩對基因位于第一對同源染色體上，植株高矮、豆莢形狀、花的位置三對基因位于第四對同源染色體上，豆莢顏色的等位基因位于第五對同源染色體上，種子形狀的等位基因位于第七對同源染色體上。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象，所獲得的數據不但數量巨大，而且難以發(fā)現規律。

　　孟德?tīng)柌扇�單因子分析法，即分別觀(guān)察和分析在一個(gè)時(shí)期內某一對相對性狀的遺傳規律，最大限度地排除各種因素的干擾，在發(fā)現了分離定律的基礎上，由簡(jiǎn)到繁，進(jìn)一步研究?jì)蓪ι踔炼鄬ο鄬π誀畹倪z傳，最終發(fā)現自由組合定律。

　　在判斷某種性狀是否屬于伴性遺傳時(shí)、計算兩對或兩對以上相對性狀的遺傳概率時(shí)，我們需要運用單因子分析法，先分析一對相對性狀的遺傳特性，統計或計算后代顯性或隱性的概率，然后分析第二對相對性狀，再根據研究目的，對相關(guān)數據進(jìn)行組合，得出結論。

　　3 數學(xué)統計分析法和模型方法

　　18世紀以來(lái)，許多學(xué)者開(kāi)展了大量的植物雜交的實(shí)驗。德國植物學(xué)家克爾羅伊特在18世紀60年代首先從事各種煙草的雜交試驗，他發(fā)現無(wú)論是正交還是反交，雜種的外表都難以區分。德國植物學(xué)家格特納在19世紀20年代統計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8年，進(jìn)行了200多次雜交試驗，觀(guān)察植株27225株，詳細記錄了不同性狀在各代中出現的數據。他對大量的實(shí)驗結果進(jìn)行數理統計，發(fā)現在一對相對性狀的雜交實(shí)驗中，子二代不同性狀的數據雖然有差異，但都接近3∶1的比例關(guān)系，兩對相對性狀的雜交實(shí)驗中，子二代存在9∶3∶3∶1的關(guān)系。

　　生命現象常�？梢源罅康刂貜统霈F，但生命現象的出現又受到多種外界環(huán)境和內在因素的隨機干擾。格特納統計出雜交第二代的性狀分離比為3.18∶1，而孟德?tīng)柦�構�?∶1的數學(xué)模型，這一數學(xué)模型可以排除環(huán)境因素、子代數量多少等無(wú)關(guān)變量的干擾，尋找出雜交實(shí)驗過(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變。當雜交第二代的顯性與隱性數量間模糊的關(guān)系被明確的數學(xué)模型表達出來(lái)的時(shí)候，人們就可以做更多的實(shí)驗，得到更多的數據，并把數據代回到模型中去，檢驗模型的正確性。雖然孟德?tīng)柕某删蛯λ�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、德國的科倫斯、奧地利的丘歇馬克分別用實(shí)驗證實(shí)了孟德?tīng)柕陌l(fā)現，從此他被譽(yù)為現代遺傳學(xué)奠基人。

　　4 假說(shuō)演繹法

　　孟德?tīng)査�處的時(shí)代，許多學(xué)者認為生物的遺傳是融合遺傳。孟德?tīng)柾ㄟ^(guò)豌豆雜交實(shí)驗，發(fā)現無(wú)論是哪一對相對性狀，F1只表現出顯性性狀，F2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)，認為遺傳因子成對存在，并獨立分配到配子中，而當時(shí)生物學(xué)界還沒(méi)有認識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)，可以根據假說(shuō)進(jìn)行演繹推理，再通過(guò)實(shí)驗檢測演繹推理的結論是否正確，從而說(shuō)明假說(shuō)的正確性。孟德?tīng)栐O計了F1與隱性純合子進(jìn)行測交的實(shí)驗，并預測后代性狀分離比在理論上1∶1，然后通過(guò)實(shí)驗，令人信服地證明了假說(shuō)的正確性。完美而巧妙的測交實(shí)驗，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地圖出版社出版的三套教材中，對“分析孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗的科學(xué)方法”的呈現方式各不相同。人教版在基因分離定律與自由組合定律之后呈現，但減數分裂、基因與染色體的關(guān)系等內容還沒(méi)有學(xué)習;蘇教版在基因分離定律之后呈現，學(xué)生已學(xué)習減數分裂的內容;中圖版在基因分離定律之前呈現，是獨立的一節內容，而學(xué)生已學(xué)習減數分裂和染色體變異對性狀的影響的內容。教科書(shū)內容的組織和呈現方式不同，就應該選擇不同的教學(xué)策略，可以化整為零地分析孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗的科學(xué)方法，最后再進(jìn)行總結，也可以對教科書(shū)的內容進(jìn)行重組，使其更符合學(xué)科的內在邏輯和學(xué)生的認知邏輯，更需要在今后的教學(xué)過(guò)程中，不斷創(chuàng )設情境，讓學(xué)生運用孟德?tīng)栠z傳實(shí)驗的科學(xué)方法去分析和解決實(shí)際問(wèn)題。