DNA复制中科学史的分析与教学建议_dna复制论文

“DNA的复制”科学史的分析与教学建议，本文主要内容关键词为：建议论文,科学论文,DNA论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      一、问题的提出

      “DNA分子的复制”是高中生物学必修2“遗传与进化”的一个重要内容。各版本教科书一般仅选取1958年梅赛尔森—斯特尔（Meselson—Stahl）的DNA半保留复制实验。尽管这个实验可以很好地证明DNA的复制方式，但是，教学过程略显单调，在培养学生实验分析与探究能力方面稍显不足。所以将“DNA的复制”相关科学史筛选、重组后进行教学预设，不仅可以提升能力培养的层次，更可以让学生深入思考科学家的思维过程，领悟实验设计的巧妙及科学家过人的智慧，凸显情感态度与价值观的培养。

      考虑学生已有的知识基础和课程标准的要求，如果让学生自主设计证明DNA复制方式的实验，是不可行的。一是学生的知识基础和能力都达不到，二是超出了课标要求。所以，本节课应该以科学史实验为背景，创设学生探究的情境，以引导学生分析实验和领悟科学家的实验思路为主，兼顾兴趣等非智力因素的养成。

      关于DNA复制的研究，有多种假说提出，多位科学家参与研究，历时20余年，经历了：提出假说→质疑→（原核细胞）实验研究→验证假说→（真核细胞）实验研究→确立观点，体现了科学观点的可变性与发展性，并能够较好地培养学生的探究和质疑能力。科学史资料的选择与运用既要有利于学生的能力培养，又要注重科学方法和科学过程的呈现，同时还要考虑适合学生课堂探究活动的设计。所以，本节课主要选用Meselson和Stahl的“大肠杆菌DNA密度梯度离心实验”以及Herbert Taylar的“蚕豆根尖细胞DNA的标记实验”设计教学过程，不仅可以锻炼学生的分析与推理能力，还可以提升学习兴趣，促成三维教学目标的实现。

      二、科学史背景

      沃森（J.Watson）和克里克（F.Crick）于1953年4月25日在《自然》杂志发表了“DNA双螺旋结构模型”，不仅阐述了DNA分子的双螺旋结构模型，并且提出了DNA分子复制的可能机制：“亲代DNA分子的2条互补且相互缠绕的多核苷酸链首先分离，然后才能得到它自己的复制本，2条亲代链皆可作为模板合成它自己的互补子代链”，这就是著名的“半保留复制模型（semi-conservative replication model）”。可这仅仅是根据DNA分子的结构特点对复制方式的一种推测，并没有实验证据的支持。美国科学家科恩伯格（Arthur Kornberg）借助沃森和克里克提出的这一模型进行实验研究，成功证明了DNA分子的半保留复制方式，并分离了复制所需的酶。于1956年发表了著名论文“脱氧核糖核酸的酶促合成”，他也因此荣获1959年的诺贝尔生理学或医学奖。

      科恩伯格认为，既然细胞内可以进行DNA分子的复制，必有相应的酶存在。于是他利用大肠杆菌制备抽提液，加入DNA合成的原料——4种脱氧核苷三磷酸（放射性同位素标记），再加入极微量的“模板DNA”和镁离子，保温30 min，发现有新DNA分子的合成，因为“放射性标记”已进入了DNA。提纯这些DNA分子并测定其碱基组成，发现它们同“模板DNA”非常相似。

      当时研究人员对半保留复制模型是持怀疑态度的，因双螺旋模型中存在的最大问题是双链如何打开的？其所需的能量从何而来？Watson和Crick也承认这是“最大的问题”。研究者为了避开“如何打开双链”这个难题，又提出了全保留复制（conservative replication model）和弥散复制（dispersive model）2个模型。

      1957年，M.Meselson和F.W.Stahl采用稳定的同位素

作DNA标记，

会导致DNA分子密度显著增加，使

-DNA和

-DNA以及

-DNA的密度不同，这样就可以通过CsCl密度梯度离心技术将上述不同的DNA分子分离开来。将大肠杆菌放在

培养基中生长15代，使DNA被

标记后，再将细菌移到只含有

的培养基中培养。分别取0代、1代、2代、3代的细胞，提取DNA，进行CsCl密度梯度离心（离心速度：60000 rpm，离心时间：2d，使离心管内的CsCl溶液形成自上而下逐渐变大的密度梯度）。离心后不同密度的DNA分子就停留在与其密度相同的CsCl溶液处。因为DNA能够强烈地吸收紫外线，所以用紫外光源照射离心管，透过离心管在感光胶片上记录DNA带的位置，可以显示出离心管内不同密度的DNA带。纯

-DNA密度较轻，会停留在离管口较近的位置；纯

-DNA密度较大，会停留在较低的位置。Meselson和Stahl的实验结果显示，亲代DNA离心结果只有1条带位于离心管底部；子一代DNA离心结果是只有1条带位于离心管中部。这样的结果可以排除全保留模型，却不能排除弥散模型。再取子二代细胞的DNA进行密度梯度离心，结果是在离心管上部和中部各有1条带，这个结果完全符合半保留复制，同时也排除了弥散复制模型，因为如果是弥散复制，子二代细菌的DNA离心后仍为试管中部的1条带，只是比第1代的离心结果区带略靠上一点。

      1958年，Herbert Taylar用蚕豆（2N=12）根尖细胞作为实验材料，证明了真核细胞染色体DNA的复制也符合半保留复制模型。他先用放射性同位素

标记细胞染色体DNA（标记双链），然后让细胞在不含

的培养液中进行有丝分裂，经放射自显影显示实验结果。该实验方法的优势在于可观察到染色体被标记的情况。在第1周期的中期染色体中，每个染色体的2条单体都被标记；到第2周期的中期染色体中，每个染色体仅1条单体被标记。这一结果和预期的情况完全符合，证明了真核细胞的染色体DNA复制也符合半保留模型。

      20世纪70年代发展起来一种新的染色体处理技术——姐妹染色单体色差法（sister-chromatid differential staining简称SCD），Kornberg等改进了这一技术，并用于DNA复制的研究。5-溴尿嘧啶脱氧核糖核苷酸是一种胸腺嘧啶脱氧核苷酸的类似物，简称BrdU，当细胞在加有BrdU的培养基中进行分裂时，BrdU能取代胸腺嘧啶脱氧核苷酸掺入到新复制的DNA子链中。在第2次细胞分裂的中期，每一条染色体含有2条染色单体，其中一条染色单体的DNA分子内，一条链含有BrdU，另一条链不含BrdU；另一条染色单体的DNA分子内，2条链都含有BrdU。2条链都含有BrdU的DNA分子具有螺旋化程度较低的特性，在热盐溶液中受光的照射后更易于水解，从而影响了与Giemsa染料的亲和力，染色较浅。只有1条链含BrdU的DNA分子则着色较深。根据2条姐妹染色单体所显示的深浅不同的颜色，就可以判断其中所含DNA分子的2条链含有BrdU的情况，实验结果的观察也更为简单和直观。Kornberg等人利用这种实验技术证实了DNA复制的方式为半保留复制。

      三、科学史材料的选择

      科学史材料的选择需要考虑多个方面的因素，学生兴趣的养成、能力的提升、原有知识基础、智力发展水平、达成教学目标等是必须要考虑的。根据这些因素，考虑选择下列科学史材料，从不同角度设计教学过程，以期达成三维教学目标。

      

      四、教学建议与设计

      教学过程以科学史背景为基础，以讲故事的形式开始，可以较好地抓住学生的思维，使其顺利进入科学探究的状态。

      1.将“Kornberg的DNA合成实验”作为小资料，以问题串引起学生的思考

      呈现材料：科恩伯格的实验过程（见上述科学史背景）。

      根据上述过程分析：①该实验的结果能说明DNA可以复制吗？为什么？②大肠杆菌抽提液起到什么作用？

      上述问题解决后引导学生提出新问题：DNA复制到底是怎样进行的？介绍3个模型（见上述科学史背景），并出示模式图（见图1）。

      

      2.引导学生分析Meselson-Stahl的DNA复制实验，提升分析与推理能力

      先向学生介绍2种技术：①同位素标记技术；②CsCl密度梯度离心技术（见前述科学史背景）。再介绍Meselson—Stahl（梅赛尔森—斯特尔）的实验过程，并引导学生分析实验，解决相关问题。

      

      实验讲解结束后，不能只让学生分析实验结论，使教学过程简单化，思维容量缩小，不利于培养学生的思维能力和实验探究能力。应转换角度，对实验的各个步骤进行分析，从实验结果是否支持相关假说的角度提出问题，学生才能从实验的设计者角度深入理解实验的推理过程，并得到推理训练。

      问题①：第2步实验结果足以否定“全保留模型”吗？足以否定“弥散复制模型”吗？为什么？问题②：第3步实验结果足以否定弥散复制模型吗？为什么？实验结果支持3个模型中的哪一个？问题③：如果实验继续进行，在14N培养基上得到子三代，提取DNA离心后，离心管内会出现几条带？该结果和第3步实验结果完全一样吗？

      上述3个问题能够引起学生对实验进行深度反思，不仅找到假说和实验结果的因果关系，更重要的是从实验设计者的高度思考如何否定其他2个假说。具有一定挑战性的问题还能激发学生的探究兴趣，培养学生的非智力因素。

      3.利用Herbert Taylar的实验，培养学生的知识迁移与运用能力

      1958年，Herbert Taylar用蚕豆（2N=12）根尖细胞作为实验材料，先用放射性同位素

标记细胞染色体DNA（标记双链），然后让细胞在不含3H的培养液中连续进行有丝分裂，经放射自显影显示实验结果。请学生根据下列问题预测实验结果（根据学生的实际情况，教师也可以先引导学生复习染色体复制和染色单体及DNA分子数量的关系，弄清楚每个复制后的染色体都含有2个姐妹染色单体，而每个染色单体中都含有复制来的1个双链DNA分子）。

      ①第一细胞周期的中期，染色体被标记的情况如何？（染色体是否都相同？每个染色体的标记情况？）想一想：你推测的结果能否定全保留复制模型吗？能否定弥散复制模型吗？②第二细胞周期的中期，染色体的标记情况如何？想一想：该结果能否定弥散复制模型吗？③请在下图中用阴影表示染色单体被标记的情况。

      

      不要小看问题③，即使前2个问题解决了，仍有部分学生不能动手绘制染色单体的标记状态图。通过上述问题的解决，学生既可以学习实验思路和方法，又能够促成知识的迁移和运用，同时也训练和提高了分析与推理能力。

      4.总结归纳，促使概念形成

      通过实验分析的过程，学生顺利掌握了DNA的半保留复制的特点，突破了难点。再结合细胞分裂，通过DNA复制的时间、场所、原料、酶、能量、模板、特点等的总结，促使学生形成概念。

      五、教学反思

      科学史素材的使用要结合教学目标筛选，既要考虑学生已有的知识和能力水平，又要考虑其对学生智力和兴趣发展的促进作用。科学史原材料的转化则需要教师认真思考，如何将科学史素材转化为适合课堂上进行的探究性学习活动？如何设计问题引导学生深化分析、提升能力？在生物学教学中恰当地应用科学史，有助于实现“知识、能力、情感态度与价值观”三维教学目标的实现。

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