高考生物復(fù)習(xí)孟德爾遺傳實驗的科學(xué)方法講解

　　“分析孟德爾遺傳實驗的科學(xué)方法”是《高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》的具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)之一，學(xué)習(xí)目標(biāo)屬于應(yīng)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(jié)、推廣;建立不同情境下的合理聯(lián)系等。”但在實際教學(xué)過程中，許多老師常常是對孟德爾獲得成功的原因進(jìn)行簡單的總結(jié)，沒有提供新的情境讓學(xué)生思考與應(yīng)用，學(xué)生缺少對科學(xué)方法的感悟和內(nèi)化過程，從而影響課程標(biāo)準(zhǔn)具體目標(biāo)的達(dá)成。從總結(jié)孟德爾成功的原因到分析和運(yùn)用科學(xué)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(guān)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(fù)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(jìn)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(xué)基本定律的連續(xù)8年的豌豆雜交實驗，因為豌豆是嚴(yán)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(jié)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(xué)研究的模式生物。

　　現(xiàn)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、線蟲、斑馬魚、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(nèi)生長和繁殖;世代短、子代數(shù)量多、遺傳背景清楚;容易進(jìn)行實驗操作。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)域中使用的生物實驗材料，如利用果蠅進(jìn)行遺傳學(xué)實驗、利用酵母菌探究細(xì)胞呼吸方式和嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變動等。

　　2 單因子分析法

　　現(xiàn)在已知在豌豆體細(xì)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(shù)據(jù)不但數(shù)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(nèi)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(chǔ)上，由簡到繁，進(jìn)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(yùn)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(jù)研究目的，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，得出結(jié)論。

　　3 數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析法和模型方法

　　18世紀(jì)以來，許多學(xué)者開展了大量的植物雜交的實驗。德國植物學(xué)家克爾羅伊特在18世紀(jì)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(xué)家格特納在19世紀(jì)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(jìn)行了200多次雜交試驗，觀察植株27225株，詳細(xì)記錄了不同性狀在各代中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)。他對大量的實驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)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(shù)據(jù)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驗中，子二代存在9∶3∶3∶1的關(guān)系。

　　生命現(xiàn)象常�？梢源罅康刂貜�(fù)出現(xiàn)，但生命現(xiàn)象的出現(xiàn)又受到多種外界環(huán)境和內(nèi)在因素的隨機(jī)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(gòu)了3∶1的數(shù)學(xué)模型，這一數(shù)學(xué)模型可以排除環(huán)境因素、子代數(shù)量多少等無關(guān)變量的干擾，尋找出雜交實驗過程中相關(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(zhuǎn)變。當(dāng)雜交第二代的顯性與隱性數(shù)量間模糊的關(guān)系被明確的數(shù)學(xué)模型表達(dá)出來的時候，人們就可以做更多的實驗，得到更多的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)代回到模型中去，檢驗?zāi)Ｐ偷恼�確性。雖然孟德爾的成就對他同時代的生物學(xué)家和有關(guān)遺傳的研究沒有產(chǎn)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(yù)為現(xiàn)代遺傳學(xué)奠基人。

　　4 假說演繹法

　　孟德爾所處的時代，許多學(xué)者認(rèn)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(rèn)為遺傳因子成對存在，并獨(dú)立分配到配子中，而當(dāng)時生物學(xué)界還沒有認(rèn)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(shè)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(chǎn)生的遺傳圖解也一種思想模型，是將復(fù)雜的遺傳過程簡單化，用以反映和解釋遺傳的過程和結(jié)果。自孟德爾開始，遺傳學(xué)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(jù)假說進(jìn)行演繹推理，再通過實驗檢測演繹推理的結(jié)論是否正確，從而說明假說的正確性。孟德爾設(shè)計了F1與隱性純合子進(jìn)行測交的實驗，并預(yù)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(xué)研究的經(jīng)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(xué)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(shù)分裂、基因與染色體的關(guān)系等內(nèi)容還沒有學(xué)習(xí);蘇教版在基因分離定律之后呈現(xiàn)，學(xué)生已學(xué)習(xí)減數(shù)分裂的內(nèi)容;中圖版在基因分離定律之前呈現(xiàn)，是獨(dú)立的一節(jié)內(nèi)容，而學(xué)生已學(xué)習(xí)減數(shù)分裂和染色體變異對性狀的影響的內(nèi)容。教科書內(nèi)容的組織和呈現(xiàn)方式不同，就應(yīng)該選擇不同的教學(xué)策略，可以化整為零地分析孟德爾遺傳實驗的科學(xué)方法，最后再進(jìn)行總結(jié)，也可以對教科書的內(nèi)容進(jìn)行重組，使其更符合學(xué)科的內(nèi)在邏輯和學(xué)生的認(rèn)知邏輯，更需要在今后的教學(xué)過程中，不斷創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生運(yùn)用孟德爾遺傳實驗的科學(xué)方法去分析和解決實際問題。