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      淺析表觀遺傳學在高中生物課程中的教育價值及其實現(xiàn)

      2017-03-20 08:38:41林青
      中學生物學 2017年2期
      關(guān)鍵詞:生命觀念高中生物

      林青

      摘 要 表觀遺傳學是近幾年來生命科學領(lǐng)域迅速發(fā)展的前沿學科之一,極大地豐富了遺傳信息的內(nèi)容,是遺傳學向更深層次的發(fā)展,有關(guān)內(nèi)容即將納入高中生物課程。高中階段表觀遺傳學內(nèi)容的教學不僅僅是立足于讓學生掌握更多的遺傳學知識,完善遺傳知識體系,更重要的是發(fā)揮這一內(nèi)容在提升學生學科核心素養(yǎng)方面的價值:理解科學本質(zhì),建立生命觀念。

      關(guān)鍵詞 表觀遺傳 高中生物 科學的本質(zhì) 生命觀念

      中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 A

      表觀遺傳學為人們理解遺傳現(xiàn)象提供了全新的視角,成為“后基因組”時代的重要研究內(nèi)容之一。同時,表觀遺傳學作為一個前沿領(lǐng)域,將是高中生物課程內(nèi)容的一部分。如何在高中課程中實現(xiàn)其教育價值,對教育工作者又提出了新的要求。

      1 表觀遺傳學:從“意外”發(fā)展而來的科學領(lǐng)域

      “眾所周知,DNA是生命的基本遺傳物質(zhì),但令人怦然心動的是,你可以繼承的不僅僅只有DNA序列,還有表觀遺傳信息?!北碛^遺傳學是從對經(jīng)典遺傳學理論無法解釋的“意外”現(xiàn)象的探索中發(fā)展起來的,這也使表觀遺傳學的研究格外令人著迷。

      經(jīng)典遺傳學認為,遺傳信息儲存于核酸序列中,并通過生殖將遺傳信息傳遞給下一代。它所揭示的“基因型決定表型”的遺傳模式被廣泛認知。然而,不符合此模式的遺傳現(xiàn)象卻一直困擾著遺傳學研究者們。作為遺傳信息完全相同的同卵雙胞胎為什么會在成長發(fā)育過程中表現(xiàn)出不盡相同的外表特征?在生物體的發(fā)育過程中,雖然每個細胞擁有相同的遺傳物質(zhì),為什么它們卻遵循高度的時空特異性,從而分化為不同的組織?在過去的30年中,隨著對DNA甲基化、組蛋白修飾、X染色體失活、基因組印記以及非編碼RNA等領(lǐng)域的不斷深入研究,許多困惑科學家已久的遺傳學問題得到了解釋,表觀遺傳學也逐漸成為一個新興的熱點研究領(lǐng)域。

      表觀遺傳現(xiàn)象被定義為“非DNA突變引起的可繼承的表型變化”。其中包涵三個關(guān)鍵點:

      (1) 不是由DNA突變引起的;

      (2) 可以繼承的,或是說可遺傳的;

      (3) 引起了表型的變化。

      一直以來,DNA被認為是遺傳信息的唯一承載者。表觀遺傳學的研究表明,子代可以繼承的不僅僅有DNA攜帶的遺傳信息,還有“表觀遺傳信息”。而這些表觀遺傳信息雖然沒有伴隨DNA序列的改變卻可以遺傳下去。例如,在發(fā)育過程中,分化后的細胞和組織之間存在明顯的表型差異,這些差異一旦形成便可以以一種克隆性的方式遺傳給子代細胞。需要說明的是表觀遺傳現(xiàn)象中的表型變化是“開關(guān)”型的,即這種表型非“有”即“無”,而不是程度上的變化。

      表觀遺傳學與克隆、干細胞、衰老與癌癥等研究都有密切聯(lián)系。在“后基因組”時代,表觀遺傳學的發(fā)展對生物學研究以及人類疾病領(lǐng)域的研究都具有深遠的意義。

      2 發(fā)揮表觀遺傳學在高中生物學中的教育價值的教學策略

      表觀遺傳學現(xiàn)象廣泛存在于生命周期的各個過程中,表觀遺傳學的調(diào)控對生物體來說具有普遍且重要的意義。不過,目前國內(nèi)外高中生物教材幾乎都沒有完整介紹表觀遺傳學相關(guān)內(nèi)容的章節(jié)。其原因固然比較多,但主要原因有:表觀遺傳學是近些年來才發(fā)展迅速,屬于比較新的研究領(lǐng)域;表觀遺傳的機制非常復雜,要讓高中學生理解其內(nèi)在機制,有一定困難。然而,將表觀遺傳學的內(nèi)容納入我國的高中生物課程,已經(jīng)基本達成共識。那么,這一內(nèi)容在高中生物課程中的教育價值究竟表現(xiàn)在哪里?筆者認為,它不僅僅是為了讓學生掌握更多的遺傳學知識,完善遺傳知識體系,更重要的是發(fā)揮它在提升學生學科核心素養(yǎng)方面的價值。

      2.1 引導學生深入理解科學的本質(zhì)

      目前,人們對“科學的本質(zhì)”還沒有一個統(tǒng)一的定義,《2061計劃——面向所有美國人的科學》所闡述的科學的本質(zhì)得到很多學者的認可:

      (1) 科學世界觀:自然是可以理解的;科學知識是可改變的;科學知識并非很容易就可以推翻;科學并非萬靈丹,能解決所有的問題。

      (2) 科學探究活動:證據(jù)對科學而言是重要的;科學是邏輯與想象融合成一體;科學知識除了能說明自然界的現(xiàn)象也具有預測的功能;科學家會驗證理論以減少誤差;既定的科學知識并不具有永久的權(quán)威地位。

      (3) 科學事業(yè):科學是人類的一項事業(yè)。

      表觀遺傳學的發(fā)展歷程,典型地體現(xiàn)出了科學的本質(zhì)。因此,表觀遺傳學內(nèi)容的教學,應著力于引導學生更好地理解科學的本質(zhì)。

      2.1.1 引導學生理解科學具有開放性

      表觀遺傳學的發(fā)展表明,人類對遺傳現(xiàn)象和本質(zhì)的認識是不斷發(fā)展的,因此,科學知識是一個開放的系統(tǒng)。雖然遺傳學已經(jīng)建立100多年,但是科學家們并沒有停止對遺傳問題的探索,遺傳學仍然在發(fā)展。

      在教學中,教師可以讓學生嘗試回答:“為什么遺傳背景相同的同卵雙胞胎在成長過程中會出現(xiàn)表型差異?”“為什么克隆后的小貓與‘單親媽媽會有不同花色?”……學生在尋求答案的過程中,會發(fā)現(xiàn)用之前所學的經(jīng)典遺傳學知識并不能回答好這些問題,而是要進一步尋找更合理的科學解釋。由此可以讓學生直觀地感受到科學的開放性。

      2.1.2 引導學生感悟科學講求證據(jù)與邏輯

      人們對遺傳現(xiàn)象的認知程度會隨著科學的發(fā)展而改變,但所有觀點的產(chǎn)生都不是異想天開,而是基于科學實證。表觀遺傳學從對現(xiàn)象的認知到理論的建立都是基于科學證據(jù)的積累。這期間出現(xiàn)了很多假說,也經(jīng)歷了理論的不斷提出與推翻的過程。雖然目前仍然有很多還不能夠被解答的問題,但是通過科學家們在DNA與組蛋白修飾、染色質(zhì)重組以及非編碼RNA等領(lǐng)域的不斷探索,人們已經(jīng)可以解釋很多表觀遺傳學現(xiàn)象??茖W研究的發(fā)展往往從認知規(guī)律開始,進而通過科學探究來逐步揭示規(guī)律形成的機制。教學時,如果教師引導學生基于表觀遺傳的現(xiàn)象,科學家揭示現(xiàn)象獲得的研究事實來得出結(jié)論,既可以讓學生更好地理解表觀遺傳學內(nèi)容,知道知識是如何形成的,也能進一步引導他們認識到科學是重視證據(jù)和邏輯的。

      2.1.3 引導學生理解科學的連續(xù)性

      科學的本質(zhì)特征,一方面表現(xiàn)在科學知識是暫時的、可變的;另一方面表現(xiàn)為科學知識又具有持久性。雖然科學家反對絕對真理的概念,并認為其中不確定性是事物本性的一部分,但絕大部分知識都具有持久性。因此,改變性與連續(xù)性是科學一貫的特征。高中階段學生對表觀遺傳學相關(guān)內(nèi)容的學習,既需要、也可以體現(xiàn)出科學的連續(xù)性。

      經(jīng)典的分子遺傳學可以說是從“基因”的層面來進行研究,表型的改變歸結(jié)于DNA序列的變化。而表觀遺傳學是從“染色質(zhì)”的層面來進行研究,表型的改變歸結(jié)于染色質(zhì)狀態(tài)的調(diào)整。所以表觀遺傳學狹義的定義為:通過調(diào)整染色質(zhì)狀態(tài),在不改變DNA序列的情況下實現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)。學習有關(guān)內(nèi)容時,教師要引導學生認識:表觀遺傳學的發(fā)展對經(jīng)典遺傳學來說并不是一種質(zhì)疑和挑戰(zhàn),而是一種補充,是遺傳學研究的一種延續(xù)。隨著表觀遺傳現(xiàn)象分子機制的揭開,其與經(jīng)典遺傳學以及普遍的生物調(diào)控更容易地被結(jié)合起來。這種聯(lián)系是一直就存在的,只是科學家需要通過對科學的不斷探究去發(fā)現(xiàn)和理解它??茖W是人類的一項永無止境的事業(yè),遺傳學的探索還將繼續(xù)為人們揭開更多生命的奧秘。

      2.2 注意引導學生進一步建立生命觀念

      “生命觀念”是理解生命的本質(zhì)所需要的觀念,是對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進行解釋后的抽象。構(gòu)建生命觀念是發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分。表觀遺傳學內(nèi)容的學習可以幫助學生完善結(jié)構(gòu)與功能觀、進化與適應觀以及穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

      2.2.1 注意凸顯表觀遺傳學如何體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性

      結(jié)構(gòu)與功能觀是基本的生命觀念之一。結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ),功能的有效執(zhí)行必定依賴于特定的結(jié)構(gòu)。在生物體的生命歷程中,結(jié)構(gòu)與功能是一個不可分割的整體。

      表觀遺傳現(xiàn)象充分體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)與功能的辯證統(tǒng)一關(guān)系。研究結(jié)果表明,在表觀遺傳學“開啟”和“關(guān)閉”兩種不同的表型狀態(tài)下,總是可以在其中的關(guān)鍵調(diào)控點找到結(jié)構(gòu)差異,即結(jié)構(gòu)決定功能。染色質(zhì)在結(jié)構(gòu)上并不是均一存在的,既有相對松散的有利于基因表達的常染色質(zhì),又有高度濃縮使基因沉默的異染色質(zhì)。常染色質(zhì)是以一種開放式的、對轉(zhuǎn)錄等過程所需的各種酶更為敏感的構(gòu)象存在,隨時可以開啟基因的表達。而異染色質(zhì)以一種超濃縮的致密結(jié)構(gòu)存在,轉(zhuǎn)錄等相關(guān)的酶無法結(jié)合上去,從而抑制表達。這體現(xiàn)出染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能是相適應的。表觀遺傳學的各種機制之間其實是相互關(guān)聯(lián)的,表觀遺傳因素通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、對染色質(zhì)進行修飾等來影響基因的轉(zhuǎn)錄,從而達到調(diào)節(jié)功能的目的。

      在教學中,教師可以結(jié)合表觀遺傳的實例滲透結(jié)構(gòu)與功能觀。例如,表觀遺傳學因素導致雌性哺乳動物的一條X染色體失活,失活后的染色體以致密的異染色質(zhì)狀態(tài)存在,稱為巴氏小體。以玳瑁貓為例,玳瑁貓(母貓)的體表有黃色和黑色隨機分布的花斑??刂泣S色和黑色毛色的基因是位于X染色體上的兩個等位基因。在個體的發(fā)育過程中,細胞內(nèi)的一條X染色體隨機濃縮而失去活性,從而呈現(xiàn)出這種黃黑相間的花色。

      2.2.2 注意發(fā)揮表觀遺傳學在建立進化和適應觀念上的價值

      “生物進化”是生物學核心概念的重要組成部分,提供了將大部分生物學知識構(gòu)建成一個整體的框架。“遺傳”“進化”與“環(huán)境”三者之間存在很微妙的關(guān)系。生物進化的前提是有可遺傳的變異;遺傳素材的多樣性為自然選擇提供了更多的原料從而更好地適應環(huán)境;而環(huán)境又像是一個有力的推手影響著進化的方向。表觀遺傳學的學習是一個將遺傳、進化與環(huán)境很好整合的過程,能夠幫助學生進一步理解三者的內(nèi)在聯(lián)系。

      生物體能夠產(chǎn)生后代并穩(wěn)定遺傳依賴于穩(wěn)定傳遞的遺傳信息與精密的調(diào)控機制。表觀遺傳信息的發(fā)現(xiàn)是對遺傳信息的重要補充,拓展了遺傳密碼(DNA)的信息承載量。表觀遺傳信息的加入相當于擴大了遺傳樣本量,為自然選擇提供了更多的素材。很多表觀遺傳學現(xiàn)象都是在生物后天的發(fā)育中表現(xiàn)出來的,體現(xiàn)出環(huán)境的塑造性。借助表觀遺傳學研究手段,人們能更好地理解環(huán)境因素對生命的影響,進一步理解“基因型+環(huán)境=表型”這一遺傳學命題。研究結(jié)果顯示,從單細胞到多細胞,表觀遺傳相關(guān)的DNA甲基化、組蛋白修飾的程度與類型以及RNA干擾機制在不同的物種中具有顯著的差異,暗示著表觀遺傳調(diào)控在生物進化過程中的作用。表觀遺傳信息的發(fā)現(xiàn)以及表觀遺傳調(diào)控機制的研究對進一步理解遺傳與進化具有重要意義。

      2.2.3 利用表觀遺傳學內(nèi)容引導學生建立穩(wěn)態(tài)與平衡觀念

      在自然界生存,生物種群會找到一個合適的平衡點來有效地適應環(huán)境從而維持穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)不是恒定不變的,而是一種動態(tài)的平衡。動態(tài)平衡無處不在,各物種與生存環(huán)境之間存在平衡,物種之間存在平衡,種群之間存在平衡,個體之間存在平衡。與此同時,每一個生物個體也是一個復雜而精密的系統(tǒng),在生存過程中,個體的各種結(jié)構(gòu)之間、各種調(diào)控機制之間都存在平衡。在進行表觀遺傳學的教學時,教師可以通過以下幾個層次引導學生建立相關(guān)的生命觀念。

      雌性與雄性之間的平衡:眾所周知,X染色體的基因攜帶量較Y染色體來說是大很多的。如果雌性動物的兩條X染色體都具有活性,那么雌性性染色體所攜帶的基因數(shù)目幾乎是雄性的兩倍之多。在哺乳動物中,雌性個體的一條X染色體會隨機失活,從而維持與雄性之間基因的劑量平衡。

      染色質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的平衡:基因的表達與沉默是一個復雜且精密的過程。在哺乳動物中,染色質(zhì)中的常染色質(zhì)比例只占不到4%,而剩余的96%都為異染色質(zhì)。需要注意的是,沉默染色質(zhì)是動態(tài)變化的,這增加了問題的復雜性。要維持和延續(xù)染色質(zhì)的這種動態(tài)平衡狀態(tài)必定需要一個十分可靠的調(diào)控過程。因此,表觀遺傳現(xiàn)象往往是多種機制共同作用的結(jié)果。

      表觀遺傳調(diào)控與環(huán)境因素之間的平衡:在表觀遺傳學研究還不明確的年代,人們常常把經(jīng)典遺傳學無法解釋的現(xiàn)象都歸結(jié)于“環(huán)境”的因素。研究數(shù)據(jù)表明,環(huán)境因素可以通過影響表觀遺傳標記從而影響基因功能。表觀遺傳具有時間上的多樣性,同卵雙胞胎在出生早期具有相似的表型,但隨著不斷地成長,差異會不斷出現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示,同卵雙胞胎在遺傳學標記的程度和分布上都有明顯的不同,說明表觀遺傳調(diào)控與環(huán)境的變化之間存在一種動態(tài)的聯(lián)系。

      綜上所述,高中階段的表觀遺傳學內(nèi)容的教學關(guān)鍵不在于表觀遺傳知識的深挖和補充,而在于以此為腳手架,引導學生更好地理解科學的本質(zhì)、構(gòu)建生命觀念,從而使學生建立終生受益的素養(yǎng)基礎(chǔ)。

      參考文獻:

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