利用模式微生物培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念

易 琴 謝建平

(西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院現(xiàn)代生物醫(yī)藥研究所 重慶 400715)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出： 學(xué)生應(yīng)該在較好地理解生物學(xué)概念的基礎(chǔ)上形成生命觀念，如結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、物質(zhì)與能量觀等。利用模式生物，尤其是模式微生物作為工具進(jìn)行高中生物學(xué)教學(xué)，有助于融抽象的概念教學(xué)于生動(dòng)、具體的情境中，實(shí)現(xiàn)以核心素養(yǎng)為主的高中生物學(xué)課程目標(biāo)，有效培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念。

1 模式微生物的相關(guān)概念

模式生物(model organisms)是研究中采用較多，有助于理解生命科學(xué)一般規(guī)律的生物。它具備以下特點(diǎn)： ①其生理特征能夠代表生物界的某一大類群；②容易獲得，并易于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)飼養(yǎng)、繁殖；③容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，特別是遺傳學(xué)分析；④研究群體大，同一種模式生物的研究者之間共享觀點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和生物品系，從而促進(jìn)研究的快速發(fā)展[1]。研究模式生物的生命現(xiàn)象，從而揭示其生長(zhǎng)規(guī)律，有利于學(xué)生理解生命的普遍規(guī)律[2]。

普通高中生物學(xué)教材中隨處可見模式生物，其目的不僅是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)模式生物的重要特征并拓展到一般生物，更讓學(xué)生對(duì)科學(xué)探究過(guò)程有感性認(rèn)識(shí)，把握相關(guān)核心概念，從而為進(jìn)入高等學(xué)校繼續(xù)學(xué)習(xí)生物學(xué)打好基礎(chǔ)。

微生物在地球生態(tài)系統(tǒng)的維持與穩(wěn)定中起著無(wú)可比擬的作用。模式微生物在生命科學(xué)重大基礎(chǔ)理論建立中具有里程碑性意義。例如，Lederberg利用大腸桿菌發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的基因重組和遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)，獲1958年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1952年，Hershey和Chase兩人利用噬菌體證明了DNA的遺傳功能，為最終確立DNA是主要的遺傳物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。1958年，我國(guó)第一位細(xì)菌學(xué)博士余賀教授篩選特異性噬菌體成功控制了大面積燒傷工人邱財(cái)康的銅綠假單胞菌感染。

教材中常見的模式微生物包括： 酵母菌(Saccharomycescerevisiae)、大腸桿菌(Escherichiacoli)和噬菌體。

2 如何運(yùn)用模式微生物培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念

2.1 以模式微生物為紐帶建立相關(guān)核心概念間的聯(lián)系 生物學(xué)知識(shí)不是相互獨(dú)立而是密切聯(lián)系的。在教學(xué)過(guò)程中，合理引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)概念與概念間的聯(lián)系，找準(zhǔn)線索，最后織出一張牢固的核心概念網(wǎng)，逐步形成生命觀念。

例如，噬菌體侵染細(xì)菌經(jīng)典實(shí)驗(yàn)最終證明了DNA是遺傳物質(zhì)，而基因的本質(zhì)是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，基因的表達(dá)是通過(guò)DNA控制蛋白質(zhì)的合成來(lái)實(shí)現(xiàn)的，基因突變是DNA分子中堿基對(duì)發(fā)生替換、增添和缺失引起的基因結(jié)構(gòu)的改變。基因突變產(chǎn)生新基因，進(jìn)化原始物種，通過(guò)自然選擇形成新物種。生態(tài)系統(tǒng)是由生物群落與它的無(wú)機(jī)環(huán)境相互作用而形成的統(tǒng)一整體，生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者是生態(tài)系統(tǒng)的基石，消費(fèi)者可加快物質(zhì)循環(huán)，分解者是必不可缺的重要成分。因此，僅主要模式微生物(噬菌體、大腸桿菌、酵母菌)就涉及到了基因、進(jìn)化、種群和生態(tài)四種重要概念(圖1)，教師若能引導(dǎo)學(xué)生從模式微生物發(fā)散開來(lái)掌握核心概念，既能鼓勵(lì)學(xué)生自己建立概念間的聯(lián)系，又能引發(fā)學(xué)生對(duì)已有知識(shí)的聯(lián)想和獲得新知識(shí)的渴望，突出核心概念的地位與作用，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教與學(xué)。

2.2 基于模式微生物開展探究實(shí)驗(yàn) 在實(shí)驗(yàn)中利用模式生物為材料有很大的優(yōu)點(diǎn)： 一方面，學(xué)生可以掌握模式生物的生長(zhǎng)習(xí)性和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)方法；另一方面，模式生物往往有豐富的突變體等材料可以用于實(shí)驗(yàn)，相比非模式生物可以取得更好的效果；此外，模式生物往往便于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和操作，利于我們將傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)。

圖1 主要模式微生物涉及的部分核心概念

對(duì)于高中生來(lái)說(shuō)，理解抽象的生物學(xué)概念是一道難題，而教師若能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特殊作用，合理設(shè)計(jì)安排相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以鞏固學(xué)生理論知識(shí)的掌握，提高科學(xué)探究能力，有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和生命觀念。

例如，帶領(lǐng)學(xué)生做關(guān)于大腸桿菌、酵母菌、放線菌等微生物的涂布、劃平板實(shí)驗(yàn)(表1)，從而觀察細(xì)菌菌落形態(tài)、大小、顏色，就能更好地理解教材中所提到的關(guān)于S型細(xì)菌和R型細(xì)菌。高等生物的進(jìn)化經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)，不容易觀察到，利用大腸桿菌傳代時(shí)間短的特點(diǎn)可以在試管中“看見”進(jìn)化。美國(guó)密執(zhí)安州立大學(xué)著名的微生物學(xué)和分子遺傳學(xué)教授Richard Lenski利用同一個(gè)大腸桿菌的后代創(chuàng)建了12個(gè)實(shí)驗(yàn)室菌株，觀察它們的進(jìn)化[3]。類似的一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求也不高，需要超凈工作臺(tái)、小型培養(yǎng)箱等實(shí)驗(yàn)器材即可。通過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)來(lái)提高學(xué)生思維活躍能力，讓學(xué)生更好地理解與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的生物學(xué)概念。

表1 微生物菌落觀察實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)化過(guò)程中形成生物的多樣性，不同生物的形態(tài)機(jī)構(gòu)和生理特征不同，但對(duì)生命活動(dòng)有重要功能的基因卻是高度保守的。因此，從模式微生物入手，研究其重要功能基因，可以進(jìn)一步探究人類生命活動(dòng)中基因的結(jié)構(gòu)和功能。中學(xué)生物學(xué)是對(duì)重要的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行闡述，旨在培養(yǎng)學(xué)生形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展創(chuàng)新實(shí)踐能力，樹立生命觀念。利用模式微生物聯(lián)系相關(guān)概念并開展實(shí)驗(yàn)探究有助于學(xué)生理解科學(xué)研究過(guò)程，認(rèn)識(shí)生物多樣性，形成生物進(jìn)化的觀點(diǎn)，樹立正確的自然觀?？傊?，模式微生物在生命科學(xué)研究中具有十分重要的意義，合理利用模式微生物是中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中不可或缺的有效方法。