孟德爾遺傳實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的科學(xué)思維

周憶堂

摘 要：孟德爾遺傳實(shí)驗(yàn)研究蘊(yùn)含了豐富的科學(xué)思維.對其進(jìn)行深入剖析，引領(lǐng)學(xué)生感悟蘊(yùn)含其中的批判性和創(chuàng)新思維、邏輯推理方法及建模思想，是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑.

關(guān)鍵詞：歸納概括;批判創(chuàng)新;演繹推理;建模

著名分子遺傳學(xué)家雅各布（F. Jacob）曾經(jīng)說過，“通過孟德爾，生物學(xué)現(xiàn)象突然需要了數(shù)學(xué)的嚴(yán)密性，一個完整的內(nèi)部邏輯通過方法論、統(tǒng)計(jì)學(xué)的處理和符號的標(biāo)記加給了遺傳學(xué)”[1].孟德爾的遺傳實(shí)驗(yàn)給遺傳學(xué)的研究提供了嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)思路和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，可作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的良好素材.由于大多數(shù)中學(xué)教師沒有從事過深入的科學(xué)研究，對科學(xué)研究的方法缺乏足夠的理解和深刻的體驗(yàn)，教師在教學(xué)過程中常常是按照教材上“概念—原理—應(yīng)用”的順序?qū)⑼愣闺s交實(shí)驗(yàn)連同兩大遺傳規(guī)律都作為現(xiàn)成的知識結(jié)論傳授給學(xué)生，很少從科學(xué)觀、方法論等多方面進(jìn)行挖掘.在這種情況下，深入剖析孟德爾實(shí)驗(yàn)研究的過程，引領(lǐng)學(xué)生感悟蘊(yùn)含其中的科學(xué)思維，是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑.

1 歸納與概況

在遺傳學(xué)史上，自從1760年可爾羅伊特（J.G.Koelreuter）第一次仔細(xì)地進(jìn)行植物（煙草）雜交試驗(yàn)后，格特納（C.F. von Gaertner）等許多學(xué)者都相繼做了此類工作.但是很長時間以來，他們習(xí)慣于把生物遺傳現(xiàn)象從整體（整株植株）出發(fā)籠統(tǒng)地進(jìn)行考察，并研究雜種和親本間、雜種相互間的全部特征和結(jié)構(gòu).由于研究對象過于復(fù)雜，加之受早期“融合遺傳”等傳統(tǒng)遺傳學(xué)思想的影響，得出的結(jié)論也只能是一些籠統(tǒng)的概念，未能得出關(guān)于遺傳學(xué)的規(guī)律性認(rèn)識.孟德爾選擇豌豆做雜交試驗(yàn)，選擇了七對有明顯區(qū)分的性狀（即質(zhì)量性狀）進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì).這樣，他把簡單的特征從整個個體中獨(dú)立出來.孟德爾在單個性狀的遺傳試驗(yàn)中計(jì)算出，顯性性狀出現(xiàn)的頻率是3/4，再把全部的試驗(yàn)結(jié)果綜合起來，求出“具有顯性性狀和隱性性狀的類型的數(shù)目之間，有一個3比1的比例”.這種將個別的、特殊的性狀作單獨(dú)考察，最終上升到一般規(guī)律性的認(rèn)識，實(shí)際上就是一種歸納法.歸納法有它的局限性，但孟德爾做了大量的正反交試驗(yàn)，充分分析試驗(yàn)所得的材料和數(shù)據(jù).此外，他還竭力主張對多種植物進(jìn)行試驗(yàn)，盡量避免由于選材的特殊而得到片面的結(jié)論.

2 批判與創(chuàng)新

從上述規(guī)律性現(xiàn)象（3∶ 1分離比）到其深層的本質(zhì)機(jī)理（遺傳因子分離）的探索，需要認(rèn)識主體發(fā)揮批判與創(chuàng)新思維，透過自然現(xiàn)象，洞察其本質(zhì)，揭示其真諦.恩斯特·邁爾曾說過，“也許生物學(xué)中沒有別的領(lǐng)域在其發(fā)展中否定錯誤觀點(diǎn)和信條比在遺傳學(xué)中更重要”[2].從開始的“活力論”，到“融合遺傳”，再到“顆粒遺傳”，遺傳學(xué)理論在批判與創(chuàng)新中不斷發(fā)展完善.孟德爾生活的時代正值“顆粒遺傳學(xué)說”盛行，早期主張是：在每個細(xì)胞中對應(yīng)于某一單位性狀存在著無數(shù)完全相同的決定因子，每一決定因子的許多復(fù)制物可能同時傳給生殖細(xì)胞，即：多重顆粒觀點(diǎn).如果情況如此，雜交就不會出現(xiàn)一貫不變的比值.這一假定使明確透明的遺傳學(xué)說的建立和發(fā)展幾乎成為不可能.孟德爾另辟蹊徑，從批判性思維和創(chuàng)新思維的視角出發(fā)，結(jié)合豌豆雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對這種“多重顆粒觀點(diǎn)”大膽提出質(zhì)疑，做出“單個微?！奔僬f：生物性狀由遺傳因子決定，遺傳因子呈顆粒狀，在體細(xì)胞內(nèi)成雙存在，生殖細(xì)胞內(nèi)成單存在;雜交后，顆粒仍保持獨(dú)立;在雜種產(chǎn)生配子時，不同的遺傳因子仍各自分離開來，并被分配到不同的配子里，完整地傳遞給下一代.這一思想，既有力否定了“融合遺傳”的傳統(tǒng)思想，又批判發(fā)展了“顆粒遺傳”觀點(diǎn).孟德爾運(yùn)用這種批判性、創(chuàng)新性的科學(xué)思維模式，對現(xiàn)象背后的機(jī)理做出大膽、合乎邏輯的假設(shè)，對他的前輩們只是模模糊糊感到的東西提出了明確的解釋，為遺傳學(xué)理論的發(fā)展和完善奠定了重要基石.

3 演繹與推理

孟德爾時代，細(xì)胞學(xué)說剛起步，還不可能通過顯微觀察、基因定位等技術(shù)手段來直接驗(yàn)證遺傳因子分離的假說.所以，人們沒法問：假說是否真實(shí)？而只能問：假說是否能為其它問題提供符合事實(shí)的解釋？這就是演繹推理.如果假說能從邏輯上演繹出相關(guān)事實(shí)，那么該假說是成立的.常見的演繹推理有三段論、假言推理、聯(lián)言推理等.假言推理是指有一個前提為假言判斷，通過另一個前提對假言前提的“前件”或“后件”的斷定推出結(jié)論的演繹推理，常用于科學(xué)假說的驗(yàn)證過程.孟德爾通過測交試驗(yàn)，對假說進(jìn)行了驗(yàn)證，其推理過程如下：

[前提1] 如果F1能產(chǎn)生2種不同類型的配子，并且數(shù)量相等（前件），那么用F1和隱性親本雜交，子代應(yīng)該出現(xiàn)2種性狀，且分離比是1∶ 1（后件）.[假言判斷]

[前提2] F1和隱性親本雜交，子代出現(xiàn)2種性狀且分離比是1∶ 1.[實(shí)驗(yàn)事實(shí)]

[結(jié)論] F1能產(chǎn)生2種不同類型的配子，并且數(shù)目相等.

4 模型與建模

認(rèn)知心理學(xué)家認(rèn)為，表象更適合思維活動的進(jìn)行.模型屬于表象.孟德爾在研究過程中引入了符號模型，將試驗(yàn)的結(jié)果用符號和簡單的公式表示.如用“A”代表顯性性狀，“a”代表隱性性狀，“Aa”代表雜種類型，則“A+2Aa+a”即表示具有兩個可區(qū)分性狀的雜種所產(chǎn)生后代的展開系列.通過建模找到遺傳因子和性狀間的關(guān)系，依據(jù)模型進(jìn)行推導(dǎo)、分析，做出預(yù)測.在此基礎(chǔ)上，孟德爾進(jìn)一步用了數(shù)學(xué)模型.在對單個性狀分析時，孟德爾通過歸納，建立數(shù)學(xué)模型，并指出，“假定每一代中每一株植株只提供4個種子，則在n代中，A∶ 2Aa∶ a等于（2n-1）∶ 2∶ （2n-1）（見表1）.在分析同時具有多對可區(qū)分性狀的后代時，孟德爾設(shè)以n代表可區(qū)分性狀的數(shù)目，則3n就代表組合系列的項(xiàng)數(shù)，4n為屬于這系列的個數(shù)，而2n就代表保持穩(wěn)定的組合數(shù)[3].正是在這一系列工作的基礎(chǔ)上，孟德爾總結(jié)了關(guān)于雜種性狀（3∶ 1）n的遺傳規(guī)律.

綜上所述，孟德爾遺傳實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含了豐富的科學(xué)思維.從結(jié)果的分析、問題的提出到假設(shè)的形成與驗(yàn)證，孟德爾充分發(fā)揮批判、創(chuàng)新思維，巧妙利用邏輯推理方法，合理運(yùn)用建模思想，方才取得如此偉大的科學(xué)成就.教師在教學(xué)中，引領(lǐng)學(xué)生感悟孟德爾遺傳研究中所蘊(yùn)含的科學(xué)思維，有助于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與發(fā)展.

參考文獻(xiàn)：

[1]李難. 孟德爾學(xué)說在科學(xué)方法論上的貢獻(xiàn)[J].哲學(xué)研究，1985（03）：51-57.

[2][美] 恩斯特·邁爾.生物學(xué)思想發(fā)展的歷史[M].成都：四川教育出版社，2010.

[3][奧地利] 孟德爾等.遺傳學(xué)經(jīng)典文選[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

（收稿日期：2019-11-16）