高考生物復習孟德爾遺傳實驗的科學方法講解

　　“分析孟德爾遺傳實驗的科學方法”是《高中生物課程標準》的具體內容標準之一，學習目標屬于應用水平，要求學生能“在新的情境中使用抽象的概念、原則;進行總結、推廣;建立不同情境下的合理聯(lián)系等。”但在實際教學過程中，許多老師常常是對孟德爾獲得成功的原因進行簡單的總結，沒有提供新的情境讓學生思考與應用，學生缺少對科學方法的感悟和內化過程，從而影響課程標準具體目標的達成。從總結孟德爾成功的原因到分析和運用科學方法，是一個從感性到理性的提升過程。

　　1選擇理想的模式生物

　　實驗材料的選擇是決定研究工作成功與否的關鍵因素之一。人們研究某種具有普遍規(guī)律的生命現(xiàn)象過程中，長期和反復作為研究材料的物種稱為模式生物。1856年始，孟德爾在修道院的花園里，種植山柳菊、菜豆、豌豆、玉米等植物進行雜交實驗，也飼養(yǎng)小家鼠和蜜蜂做雜交實驗，許多實驗是一無所獲，而最終揭示遺傳學基本定律的連續(xù)8年的豌豆雜交實驗，因為豌豆是嚴格的自花傳粉植物，從市場買來的豌豆種子都是純種，雜交實驗從純種開始，這樣才能得到真正的雜種;相對性狀穩(wěn)定而易于區(qū)分;容易去雄和人工授粉;一年生植物，結實率高。豌豆所具有的優(yōu)良特性，使其成為那個年代遺傳學研究的模式生物。

　　現(xiàn)代發(fā)育生物學和分子遺傳學常用的模式生物有果蠅、大腸桿菌、酵母菌、線蟲、斑馬魚、小鼠、擬南芥等。模式生物的共同點是：有利于回答研究者關注的問題，能夠代表生物界的某一大類群;對人體和環(huán)境無害，容易獲得并能在實驗室內生長和繁殖;世代短、子代數量多、遺傳背景清楚;容易進行實驗操作。學生在領悟了豌豆作為模式生物的特點后，就可以推廣到其他生物學研究領域中使用的生物實驗材料，如利用果蠅進行遺傳學實驗、利用酵母菌探究細胞呼吸方式和嘗試建立數學模型解釋種群的數量變動等。

　　2 單因子分析法

　　現(xiàn)在已知在豌豆體細胞中有7對同源染色體，孟德爾研究的7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。如果孟德爾同時研究二因子或多因子的雜交實驗時，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(xiàn)象，所獲得的數據不但數量巨大，而且難以發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

　　孟德爾采取單因子分析法，即分別觀察和分析在一個時期內某一對相對性狀的遺傳規(guī)律，最大限度地排除各種因素的干擾，在發(fā)現(xiàn)了分離定律的基礎上，由簡到繁，進一步研究兩對甚至多對相對性狀的遺傳，最終發(fā)現(xiàn)自由組合定律。

　　在判斷某種性狀是否屬于伴性遺傳時、計算兩對或兩對以上相對性狀的遺傳概率時，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(tǒng)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，對相關數據進行組合，得出結論。

　　3 數學統(tǒng)計分析法和模型方法

　　18世紀以來，許多學者開展了大量的植物雜交的實驗。德國植物學家克爾羅伊特在18世紀60年代首先從事各種煙草的雜交試驗，他發(fā)現(xiàn)無論是正交還是反交，雜種的外表都難以區(qū)分。德國植物學家格特納在19世紀20年代統(tǒng)計出玉米雜交第二代的性狀分離比為3.18∶1，但他無法給予解釋。

　　孟德爾從事豌豆雜交試驗8年，進行了200多次雜交試驗，觀察植株27225株，詳細記錄了不同性狀在各代中出現(xiàn)的數據。他對大量的實驗結果進行數理統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在一對相對性狀的雜交實驗中，子二代不同性狀的數據雖然有差異，但都接近3∶1的比例關系，兩對相對性狀的雜交實驗中，子二代存在9∶3∶3∶1的關系。

　　生命現(xiàn)象常�？梢源罅康刂貜统霈F(xiàn)，但生命現(xiàn)象的出現(xiàn)又受到多種外界環(huán)境和內在因素的隨機干擾。格特納統(tǒng)計出雜交第二代的性狀分離比為3.18∶1，而孟德爾建構了3∶1的數學模型，這一數學模型可以排除環(huán)境因素、子代數量多少等無關變量的干擾，尋找出雜交實驗過程中相關變量之間的本質關系，使遺傳學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系被明確的數學模型表達出來的時候，人們就可以做更多的實驗，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。雖然孟德爾的成就對他同時代的生物學家和有關遺傳的研究沒有產生影響，但是在埋沒了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驗證實了孟德爾的發(fā)現(xiàn)，從此他被譽為現(xiàn)代遺傳學奠基人。

　　4 假說演繹法

　　孟德爾所處的時代，許多學者認為生物的遺傳是融合遺傳。孟德爾通過豌豆雜交實驗，發(fā)現(xiàn)無論是哪一對相對性狀，F(xiàn)1只表現(xiàn)出顯性性狀，F(xiàn)2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，認為遺傳因子成對存在，并獨立分配到配子中，而當時生物學界還沒有認識到配子形成和受精過程中染色體的變化，這一創(chuàng)造性的假說是超越時代的非凡的設想。遺傳因子是一種思想模型，用大小寫的英文字母來表示具體的顯性和隱性性狀，是對原型的簡化和理想化，由此產生的遺傳圖解也一種思想模型，是將復雜的遺傳過程簡單化，用以反映和解釋遺傳的過程和結果。自孟德爾開始，遺傳學便開始使用模型來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。孟德爾創(chuàng)造了遺傳因子的假說，可以根據假說進行演繹推理，再通過實驗檢測演繹推理的結論是否正確，從而說明假說的正確性。孟德爾設計了F1與隱性純合子進行測交的實驗，并預測后代性狀分離比在理論上1∶1，然后通過實驗，令人信服地證明了假說的正確性。完美而巧妙的測交實驗，已成為遺傳學研究的經典方法，在判斷某顯性個體是否為純合子時，測交至今仍然是最簡單而有效的方法。

　　最后，需要特別說明的是，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“分析孟德爾遺傳實驗的科學方法”的呈現(xiàn)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(xiàn)，但減數分裂、基因與染色體的關系等內容還沒有學習;蘇教版在基因分離定律之后呈現(xiàn)，學生已學習減數分裂的內容;中圖版在基因分離定律之前呈現(xiàn)，是獨立的一節(jié)內容，而學生已學習減數分裂和染色體變異對性狀的影響的內容。教科書內容的組織和呈現(xiàn)方式不同，就應該選擇不同的教學策略，可以化整為零地分析孟德爾遺傳實驗的科學方法，最后再進行總結，也可以對教科書的內容進行重組，使其更符合學科的內在邏輯和學生的認知邏輯，更需要在今后的教學過程中，不斷創(chuàng)設情境，讓學生運用孟德爾遺傳實驗的科學方法去分析和解決實際問題。