分子遗传学基因的概念范文
时间:2023-11-17 17:20:50
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篇1
进入21世纪后,遗传学知识得到了一定程度的普及。如果父母均为健康人,而(外)祖父母与孙辈有同样的疾病,人们也认为这是一种“遗传”。实际上,一个家族中,两系(指父系、母系)三代内只要有两位成员患同一种病,人们都能联想到“遗传”。可见,人们心中“遗传”的概念已在不断扩展。
许多传统的遗传病可以遗传,这已勿庸置疑,比如先天性智能发育不全、家族性偏头痛等。但是,随着医学的发展,人们概念中的“非遗传病”也加入了遗传的行列。医学家在很多“非遗传病”中发现了致病基因,如糖尿病基因、白血病基因、精神分裂症基因、肥胖基因等,大大突破了人们的传统观念。再发展下去,会不会发现长寿基因、智能基因、幸福基因、感冒基因、成瘾基因呢?甚至最终发现所有疾病均与基因,也就是遗传有关?
其实,当代遗传学中许多超乎常人想象的突破性发现,正是源于遗传学家持有“所有疾病都可能与遗传有关”的观念!比如,在鸦片滥用、酒精依赖、海洛因成瘾、老年性痴呆、神经性厌食、失眠症和人格障碍等中都找到了相应的致病基因。人们不禁要问:这种观念会不会太极端、太离谱呢?对此,医学家们肯定地说:这是科学的!
实际上,所有的疾病都是由内部的遗传因素和外部的环境因素结合所致,只是两种因素在不同疾病中所占的分量各不相同。如果遗传因素占主导地位(遗传相关性大于60%),这种疾病就是人们常见的遗传病;如果遗传因素不占主导地位,人们很难联想到遗传,但在遗传学家的眼中,它们还是与“遗传”有关,即使其遗传相关性不到1%,这种认识上的差异是遗传学的发展所致。
遗传学一般可分为传统的群体遗传学和现代的分子遗传学,前者以病症为研究对象,其“遗传”概念通常指病症遗传。如果某种症状具有以下三个特点,就可认为有遗传倾向:①该症状具有家族聚集现象,即在同一家族成员中发生率比普通人群发生率高;②该症状发生率在单卵双生子中比双卵双生子中高;③高发家系中的子女,即使从小寄养在正常家庭中,该症状的发生率仍比普通人群高。分子遗传学则以基因为研究对象,其“遗传”概念是指基因遗传,认为所有的遗传是通过基因传递来进行的。分子生物学的研究目的主要是寻找与疾病相关的致病基因,而研究的前提假设就是“所有疾病都可能与遗传有关”。由于许多疾病的症状并非与生俱来,但其致病基因则在出生时就已携带,所以,分子遗传学的观点比传统的群体遗传学更精确、客观和科学。比如,现代医学已经发现了老年性痴呆的致病基因,但病人的症状直到老年才出现,有的人甚至在症状还未出现时就过世了,可见依症状判断疾病是否有遗传倾向,总体上就会缩小发现疾病遗传性的可能性。许多人身上携带致病基因,但不一定出现病症,因为这还受到环境因素的影响。有些在祖辈中从未出现过的病症,在子孙中出现,也被称为遗传病,因为其致病基因是遗传的。
篇2
关键词: 动物遗传学 学生为主体 学研结合 实验教学 教学改革
《动物遗传学》一直是动物科学专业(原畜牧专业)的专业基础课,该课程在动物科学专业(本科)、动物遗传育种与繁殖专业(硕士、博士)中占有重要的地位,对学生毕业后从事本专业技术工作具有十分重要的意义。动物遗传实验是动物遗传学课程教学不可或缺的关键环节,是学生理解和掌握遗传学基本理论和实验技术的主要途径。然而,目前动物遗传学实验教学发展普遍滞后于理论课,以验证性实验为主,内容陈旧、单一,缺乏综合性实验,难以激发学生的积极性和主动性;教学模式单调,以教师主导,学生临摹为主要教学方式,缺乏对学生创新能力的培养[1]。针对上述教学现状,本教研组老师积极参与学校的教学改革,不断努力探索符合新世纪人才培养需要的“动物遗传学”实验教学模式,先后开展了动物遗传学综合性实验教学模式探讨[2]和动物遗传学产学研结合教学实践探讨[3]。本次实验教学改革探索是教研组在总结以往的教改经验基础上,通过整合教学内容、改革教学方式、实施开放实验室教学、教学与科研结合等进行改革尝试,目的是探讨以“学生为主体”的学研结合实验教学模式的可行性。
一、动物遗传学实验教学改革实践措施
1.整合实验内容,增加设计性实验,建立动物遗传学实验教学新体系。
华南农业大学“动物遗传学”在2006年被评为广东省精品课程。目前课程共48个学时,其中理论32个学时,实验16个学时,共开设了“果蝇的性状观察与雌雄鉴别”、“果蝇杂交实验”、“果蝇唾液腺染色体的制备”、“畜禽染色体的观察”、“畜禽染色体核型分析”、“血型与遗传”、“动物基因组DNA的提取与琼脂糖电泳”等7个实验。内容包括普通遗传学、细胞遗传学、分子遗传学,主要以基础验证性实验为主。近年来,随着分子生物学和分子遗传学理论和实验技术的快速发展,上述实验内容逐年变得陈旧,不能满足学生对动物遗传学新理论和技术的需求。因此,结合我校与动物科学专业的实际情况,在保证理论知识系统性和前沿性并在联系实践的基础上,教研组经过讨论,根据教学大纲制订实验开设计划,将现有7个实验分为4个方向,增设设计性和综合性实验:①保留了果蝇的性状观察与雌雄鉴别、果蝇杂交、果蝇唾液腺染色体的制备这三个经典遗传学验证性实验,共6学时;②将畜禽染色体的观察、畜禽染色体核型分析两个实验合并为1个综合性实验“畜禽染色体的制备与观察”,学时4;③增设群体遗传学调查设计性实验:将“血型与遗传”与增设的“群体基因结构调查与分析”合并设立为一个实验,学生课堂完成血型检测实验部分,课后学生根据自己的兴趣选择调查内容和方案,学时2;④将“动物基因组DNA的提取与琼脂糖电泳”与增设的“畜禽基因组PCR-RFLP的检测”合并设立综合性实验,学时4。
2.改革教学方式,建立以学生为主体的教学方式。
传统的实验教学采用的课堂灌输式教学,基本上是由老师对实验目的、原理、内容、操作步骤,以及注意事项逐项进行讲解示范,学生再做实验,使学生处于被动状态,激发不起学生的兴趣,学生主动参与性差。针对上述问题,教研组在整合教学内容的同时,改革教学方法,在综合性实验中采用项目式实验教学方式,即将学生分成不同小组,以项目为载体,向学生提出需完成的工作任务,要求学生根据任务要求,组建项目小组,小组成员在老师或辅助教学研究生的指导下分头查资料,共同确定实验内容、设计实验方案、实验步骤、配制试剂和完成实验,最后实验结果以小论文形式或用PTT课件口头汇报。
3.开放实验室教学,为设计和综合性实验提供保障。
本次教学改革主要采取项目式教学方式,实施开放实验室教学是保障设计和综合性实验顺利开展的前提。项目式教学方式的实施,学生除了在规定实验时间内上课外,学生还需要自行安排时间配制试剂、准备实验材料和进行实验等,需要开放实验室。另外果蝇杂交设计性实验也需要开放实验室,主要原因为果蝇生活的环境最适温度环境为20―25℃,而广州温度全年较高(大部分时间都高于25℃),果蝇杂交实验需要在生化培养箱内进行,所以为了便于学生进行果蝇杂交结果的观察和记录也需要开放实验室。具体做法是:设辅助教学研究生为实验管理员,教学实验室在实验期间内,施行预约管理,预约登记的学生全天(8:00―22:00)可自由进出实验室,在老师或研究生的指导下开展实验工作。
4.学研结合,培养学生初步科研能力。
学研结合一直是我们教研组努力探索的教学改革方向,并取得了一定的成果。2006年以来,先后有20余名在读本科生先后跟随教研组张细权教授、王教授、聂庆华教授等老师开展科技创新实践活动,这些同学个人或在课题组研究生带领下一起开展科研项目研究,部分同学顺利完成试验并撰写学术论文。如刘杰等同学完成的论文“鸡FASN基因2个位点的多样性及其与体重、脂肪沉积性状的相关性”发表于《畜牧兽医学报》杂志上。本次教改过程中,我们充分利用教研组科研平台,鼓励研究生积极参与本科生实验教学,把研究生作为实验教学辅助人员,在项目式教学中,使其成为项目式教学的主要成员,引导其小组成员进行资料收集、完成实验设计、试剂配制和实验操作。
二、动物遗传学实验教学改革的效果
由于本次实验改革内容和教学方式改变较大,因此我们只是选取了动科专业生物技术方向07、08连续两届学生实施上述改革尝试,收到了如下效果。
1.整合实验内容,增加设计性实验,增强了学生实验兴趣,提高了学生实验主动性。
我们原有的动物遗传学实验教学开设了7个实验,主要以验证性为主。通过实验整合后,修正了近几年学生教学反馈内容陈旧,技术简单,学生上课积极性不高的实验,如:“畜禽染色体的观察”、“畜禽染色体核型分析”等,增设了设计性实验。增设的设计性实验要求学生自定实验方案,并按自定方案实施;实验目标明确、方法清楚、技术要点及注意事项心中有数,所以,学生实验兴趣浓厚,主动地利用课余时间,全身心地投入实验。如在新的遗传实验教学中,开设了“畜禽基因组PCR-RFLP的检测”综合性实验,该实验从知识面上囊括了核苷酸、基因的基本概念、DNA体外复制原理、DNA分子量、基因和基因型频率计算,以及性状的表现。在实验技能方面涉及实验材料的采集、试剂配制、DNA提取、核酸浓度和纯度检测、PCR反应、琼脂糖凝胶电泳检测、基因分型及统计分析等。通过该实验,学生掌握了动物遗传学多方面的实验技能,实验兴趣和动手能力均有较大提高。群体遗传学主要揭示一个品种等整个群体遗传和变异,是家畜育种理论基础,增设群体基因结构调查与分析设计性实验,让学生通过调查分析自身的遗传性状的类型和被调查者的性状分布情况,计算基因频率,分析其遗传平衡状况,来理解群体遗传学理论,使枯燥的群体遗传教学变得生动有趣,大大提高了学生参与实验的积极性,学生实验兴趣高昂,实验主动性增强。
2.开展项目式教学方式,增设分子遗传学综合性实验,提高了学生实验的主导作用。
传统的遗传学实验课时一般3―4个学时,时间较短,要求在限定的时间内完成教师确定的实验步骤,教师没有时间在课堂上对遗传学研究技术进行系统讲解,学生仅能按老师的要求去做[4],实验中学生掌握的理论知识不足。2年来教研组利用项目式实验教学方式,增设分子遗传学综合性实验,将本科生分成不同项目小组,在老师或研究生助教的指导下查阅资料和设计实验,利用开放实验室等便利实验条件,学生自行采集实验材料、准备实验试剂和操作实验仪器,顺利完成了实验,加深了学生对分子遗传学基础理论知识的理解。在整个项目实施过程中,改变了以往以老师为主导,学生被动学习知识和技能的现象,学生由“被动学习”变“主动学习”,由“要我学”变“我要学”,学生实验的主导作用大大提高,学生学习兴趣浓厚,一改往年学生实验结束后就走的现象,大多数同学课后积极提问,师生互动加强。
3.实施开放实验室,克服了老师代做、实验课时有限的问题。
实施全天性开放实验教学,是克服实验流程较长与每次实验课时有限之间矛盾的有效方法[5]。传统的实验教学模式易受实验课时限制,设置实验周期长的实验和实验流程长的实验学生不能全程参与,部分实验步骤必须由老师代做,学生只能掌握部分实验技术。我们在实验教学过程中,配合综合设计性实验的需求,教学实验室对本科生实行开放管理,每天8:00―22:00学生能自由进入实验室,在老师或研究生的指导下自行完成实验,有效杜绝了周期长和流程长的实验部分实验步骤必须由老师代做的现象,解决了传统教学模式实验课时有限的难题,同时增强了学生实验兴趣、提高了实验主动性、加强了实验操作能力。
4.利用科研平台,教学与科研结合,培养了学生初步科研能力。
在实验教学过程中,我们利用教研组科研平台为教学服务,借助研究生辅助教学功能,成立以研究生为核心的项目小组,在研究生的指导下根据项目要求,学生自行查阅资料、设计实验方案、并成功实施方案。整个实验过程发挥了教学与科研两者的有效结合,即把方法实验与专业实验有机地结合起来,充分利用了教研室科研基础力量,培养了学生初步科研能力。另外,有部分对动物遗传学感兴趣的同学在学期实验结束后,还主动申请参加到我们教研组老师的课题中来,在课题老师指导下进行毕业设计实验和申报大学生科技创新项目,从而进一步提高了学生的初步科研能力。
5.教学反馈和总体学生评教结果有所提高。
学生教学反馈是反应教学效果的有效途径。对本次教学实验的58名学生调查显示,有81.04%的学生表示通过改革增加了实验兴趣,认为设计性实验可以提高学生的实验兴趣和独立思维能力,开放实验可以给同学提供了较好的实验条件,任务引领式教学可提高学生的独立思考、团队合作和自主动手能力。另外,从华南农业大学教务处教学质量监督科的教学评教结果来看,学生对动物遗传学实验的评教平均分逐年显著提高,2008学年学生评教平均分为89.29分,200年为92.70分,2010学年上升到93.18分。
三、不足与体会
本次教学改革探讨,总体来说,不管从教学内容还是从教学方式都改动较大,充分给予了学生自主思考和动手的机会,在教学过程中充分发挥研究生辅助教学作用,利用科研平台为教学服务,学研结合既锻炼了研究生又培养了本科生初步科研能力,这是本次教学改革尝试的主要优点。但同时在整个教学的实施过程也存在许多不足。
1.实验结果差别较大。
在本次教学中综合性实验的组织实施主要以研究生为指导人,由于研究生个人研究方向和能力水平的不同,导致项目小组从实验设计、实验实施到实验结果优劣明显,学生最后掌握的实验技术差别也较大。在教学反馈中有个别学生认为自己实验结果不好,动手能力没有较大的提高。
2.个人实验成绩的评定困难。
因为项目式教学实验是以小组为单位的,教师打分只是体现了团体,没有具体到个人。
3.实验课经费需求较大。
由于小组间实验设计和路线差异,实验试剂和材料准备费用明显增加,教学经费紧张。
四、结语
总之,通过本次实验教学实践,对动物遗传学学研结合实验教学模式进行了初步探索,对高等农业院校专业基础课程实验教学有一定的指导意义。
参考文献:
[1]高志花,郝荣超,穆秀明,王净.动物遗传学实验教学改革与研究[J].中国高教探讨杂志,2010,(5):39-40.
[2]王,陈瑶生,张细权等.动物遗传学综合性实验教学模式和效果[J].华南农业大学学报(社会科学版),2008,5,(2):148-152.
[3]聂庆华,刘满清,骆毅媛,张细权.动物遗传学产学研结合教学实践与探索高等农业教育,2009,02:64-66.
[4]周清元,何凤发,殷加明,唐章林,张建奎.遗传学实验教学体系的改进,2008,6,(1):170-172.
篇3
教学过程中经典理论教学与专题讨论课教学这两条主线需要相互配合,相得彰宜。因此,对于文献专题的选则应当把握三个原则:所选文献专题确系当今医学、生命科学研究领域的前沿与热点问题(高于课本);专题与经典理论相联系(不脱离课本);专题内容为教学过程中学生兴趣较浓、质疑较多而课本讲授深度有限的内容(符合学生兴趣)。在一门课程教学的具体实施中,根据以上三个原则,由教学组全体教师共同拟定4-5个文献专题,而后在国际权威科学杂志如《自然》、《科学》及《细胞》上就每一个专题选择近年来发表的5篇文献,并指定各专题的辅导教师。文献内容以能够体现该专题重要科学概念、里程碑式科学发现及先进的研究技术方法为标准。文献选定后,由学生依据自身兴趣自主选择,就某一专题形成兴趣小组。经过一段时期的分组学习及教师辅导,最终由每个小组推选两名报告人,在本专题内选定两篇精读文献,以科研论文讨论的形式进行学生课堂汇报。例如在《分子遗传学》的理论教学中,讲授了“表观遗传学”内容,但囿于课本内容的深度及课时数,仅介绍了其基本概念和发展简史。然而,学生在课后提问中表现出强烈兴趣,该专题也无疑是当今生命科学研究领域的热点研究问题。
2学生课堂汇报
学生课堂汇报安排在复习指导课之前1-2周,让学生在结束文献精读训练后,转而全身心投入复习考试过程。汇报课由主讲教师主持,学生代表依次上台,以幻灯为辅助进行汇报陈述,教研室主任、教授及教学组全体教师共同参与讨论,并给予点评。以上述表观遗传学文章为例,学生代表先介绍了完成该研究工作的美国研究小组,而后介绍了与课题密切相关的研究背景:组蛋白(Histone,H)泛素化与组蛋白甲基化,与理论课上讲授的基本概念密切相关。作者在《分子遗传学》的DNA结构中讲过,一个核小体由两个H2A,两个H2B,两个H3,两个H4组成的八聚体和147个碱基(bp)缠绕在外面的DNA组成。在哺乳动物基因组中,组成核小体的组蛋白游离在外的N-端可以受到乙酰化,甲基化,磷酸化,泛素化等修饰,从而影响基因的转录活性。而本篇文献则重点讨论H2B泛素化与H3甲基化之间的关系。在对研究结果的讲解中,学生用逐步深入的科学问题作为逻辑主线,体现出文章作者的科学研究思路。作者首先根据H2B泛素化影响H3甲基化这一保守的生物现象,提出了三种假说:①调节泛素化的Rad6复合物可影响调节甲基化的COMPASS复合物中Set1组分的活性;②Rad6复合物可影响COMPASS复合物中其它组分的活性;③Rad6复合物影响COMPASS复合物中各组分的组装、稳定性及活性。而后,作者采用酵母Rad6突变体与野生型相对照,利用色谱分析、蛋白双向电泳、染色质免疫共沉淀等生物技术,对三种假说依次进行验证和排除,最终揭示Rad6复合物通过影响COMPASS复合物中Csp35这一关键组分与染色质的结合,实现H2B泛素化对H3甲基化的调控作用。通过文献精读,学生从表观遗传学的基本概念(如组蛋白甲基化、泛素化)出发,进入到基本而又深刻的科学问题,了解到上述确切的科学研究结论,以及寻找科学结论所需的生物技术方法。这个学习过程,在引申了经典理论知识的同时,教会了学生自主学习前沿知识的方法,有效地培养了本科学生的科学研究素质。
3文献讨论、点评
在文献讨论过程中,鼓励学生最大限度的发挥主动性与创造力,发表自己的见解。以上述表观遗传学文章为例,H2B泛素化对于H3甲基化的影响不仅存在于第4位赖氨酸上(H3K4),也存在于第79位赖氨酸上,而该文献的研究对象仅限于前者。有学生在完成文献精读后,就H2B泛素化对H3K79甲基化的影响机制提出了自己的假说。教师对于有独到见解,甚至能提出假说的学生给予高度赞扬,并鼓励其撰写科学假说论文,进一步锻炼自己的科研素质。在每一名学生的汇报及讨论结束后,教研室主任、教授给予点评,在肯定其优点的同时指出存在的问题和不足。问题通常表现在背景知识介绍不充分、逻辑主线不明晰、以及研究方法讲解不清等方面。
4结语
篇4
关键词 表观遗传 高中生物 科学的本质 生命观念
中图分类号 G633.91 文献标志码 A
表观遗传学为人们理解遗传现象提供了全新的视角,成为“后基因组”时代的重要研究内容之一。同时,表观遗传学作为一个前沿领域,将是高中生物课程内容的一部分。如何在高中课程中实现其教育价值,对教育工作者又提出了新的要求。
1 表观遗传学:从“意外”发展而来的科学领域
“众所周知,DNA是生命的基本遗传物质,但令人怦然心动的是,你可以继承的不仅仅只有DNA序列,还有表观遗传信息。”表观遗传学是从对经典遗传学理论无法解释的“意外”现象的探索中发展起来的,这也使表观遗传学的研究格外令人着迷。
经典遗传学认为,遗传信息储存于核酸序列中,并通过生殖将遗传信息传递给下一代。它所揭示的“基因型决定表型”的遗传模式被广泛认知。然而,不符合此模式的遗传现象却一直困扰着遗传学研究者们。作为遗传信息完全相同的同卵双胞胎为什么会在成长发育过程中表现出不尽相同的外表特征?在生物体的发育过程中,虽然每个细胞拥有相同的遗传物质,为什么它们却遵循高度的时空特异性,从而分化为不同的组织?在过去的30年中,随着对DNA甲基化、组蛋白修饰、X染色体失活、基因组印记以及非编码RNA等领域的不断深入研究,许多困惑科学家已久的遗传学问题得到了解释,表观遗传学也逐渐成为一个新兴的热点研究领域。
表观遗传现象被定义为“非DNA突变引起的可继承的表型变化”。其中包涵三个关键点:
(1) 不是由DNA突变引起的;
(2) 可以继承的,或是说可遗传的;
(3) 引起了表型的变化。
一直以来,DNA被认为是遗传信息的唯一承载者。表观遗传学的研究表明,子代可以继承的不仅仅有DNA携带的遗传信息,还有“表观遗传信息”。而这些表观遗传信息虽然没有伴随DNA序列的改变却可以遗传下去。例如,在发育过程中,分化后的细胞和组织之间存在明显的表型差异,这些差异一旦形成便可以以一种克隆性的方式遗传给子代细胞。需要说明的是表观遗传现象中的表型变化是“开关”型的,即这种表型非“有”即“无”,而不是程度上的变化。
表观遗传学与克隆、干细胞、衰老与癌症等研究都有密切联系。在“后基因组”时代,表观遗传学的发展对生物学研究以及人类疾病领域的研究都具有深远的意义。
2 发挥表观遗传学在高中生物学中的教育价值的教学策略
表观遗传学现象广泛存在于生命周期的各个过程中,表观遗传学的调控对生物体来说具有普遍且重要的意义。不过,目前国内外高中生物教材几乎都没有完整介绍表观遗传学相P内容的章节。其原因固然比较多,但主要原因有:表观遗传学是近些年来才发展迅速,属于比较新的研究领域;表观遗传的机制非常复杂,要让高中学生理解其内在机制,有一定困难。然而,将表观遗传学的内容纳入我国的高中生物课程,已经基本达成共识。那么,这一内容在高中生物课程中的教育价值究竟表现在哪里?笔者认为,它不仅仅是为了让学生掌握更多的遗传学知识,完善遗传知识体系,更重要的是发挥它在提升学生学科核心素养方面的价值。
2.1 引导学生深入理解科学的本质
目前,人们对“科学的本质”还没有一个统一的定义,《2061计划――面向所有美国人的科学》所阐述的科学的本质得到很多学者的认可:
(1) 科学世界观:自然是可以理解的;科学知识是可改变的;科学知识并非很容易就可以;科学并非万灵丹,能解决所有的问题。
(2) 科学探究活动:证据对科学而言是重要的;科学是逻辑与想象融合成一体;科学知识除了能说明自然界的现象也具有预测的功能;科学家会验证理论以减少误差;既定的科学知识并不具有永久的权威地位。
(3) 科学事业:科学是人类的一项事业。
表观遗传学的发展历程,典型地体现出了科学的本质。因此,表观遗传学内容的教学,应着力于引导学生更好地理解科学的本质。
2.1.1 引导学生理解科学具有开放性
表观遗传学的发展表明,人类对遗传现象和本质的认识是不断发展的,因此,科学知识是一个开放的系统。虽然遗传学已经建立100多年,但是科学家们并没有停止对遗传问题的探索,遗传学仍然在发展。
在教学中,教师可以让学生尝试回答:“为什么遗传背景相同的同卵双胞胎在成长过程中会出现表型差异?”“为什么克隆后的小猫与‘单亲妈妈’会有不同花色?”……学生在寻求答案的过程中,会发现用之前所学的经典遗传学知识并不能回答好这些问题,而是要进一步寻找更合理的科学解释。由此可以让学生直观地感受到科学的开放性。
2.1.2 引导学生感悟科学讲求证据与逻辑
人们对遗传现象的认知程度会随着科学的发展而改变,但所有观点的产生都不是异想天开,而是基于科学实证。表观遗传学从对现象的认知到理论的建立都是基于科学证据的积累。这期间出现了很多假说,也经历了理论的不断提出与的过程。虽然目前仍然有很多还不能够被解答的问题,但是通过科学家们在DNA与组蛋白修饰、染色质重组以及非编码RNA等领域的不断探索,人们已经可以解释很多表观遗传学现象。科学研究的发展往往从认知规律开始,进而通过科学探究来逐步揭示规律形成的机制。教学时,如果教师引导学生基于表观遗传的现象,科学家揭示现象获得的研究事实来得出结论,既可以让学生更好地理解表观遗传学内容,知道知识是如何形成的,也能进一步引导他们认识到科学是重视证据和逻辑的。
2.1.3 引导学生理解科学的连续性
科学的本质特征,一方面表现在科学知识是暂时的、可变的;另一方面表现为科学知识又具有持久性。虽然科学家反对绝对真理的概念,并认为其中不确定性是事物本性的一部分,但绝大部分知识都具有持久性。因此,改变性与连续性是科学一贯的特征。高中阶段学生对表观遗传学相关内容的学习,既需要、也可以体现出科学的连续性。
经典的分子遗传学可以说是从“基因”的层面来进行研究,表型的改变归结于DNA序列的变化。而表观遗传学是从“染色质”的层面来进行研究,表型的改变归结于染色质状态的调整。所以表观遗传学狭义的定义为:通过调整染色质状态,在不改变DNA序列的情况下实现对基因转录的调节。学习有关内容时,教师要引导学生认识:表观遗传学的发展对经典遗传学来说并不是一种质疑和挑战,而是一种补充,是遗传学研究的一种延续。随着表观遗传现象分子机制的揭开,其与经典遗传学以及普遍的生物调控更容易地被结合起来。这种联系是一直就存在的,只是科学家需要通过对科学的不断探究去发现和理解它。科学是人类的一项永无止境的事业,遗传学的探索还将继续为人们揭开更多生命的奥秘。
2.2 注意引导学生进一步建立生命观念
“生命观念”是理解生命的本质所需要的观念,是对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象。构建生命观念是发展核心素养的重要组成部分。表观遗传学内容的学习可以帮助学生完善结构与功能观、进化与适应观以及稳态与平衡观。
2.2.1 注意凸显表观遗传学如何体现出结构与功能的统一性
结构与功能观是基本的生命观念之一。结构是功能的基础,功能的有效执行必定依赖于特定的结构。在生物体的生命历程中,结构与功能是一个不可分割的整体。
表观遗传现象充分体现出结构与功能的辩证统一关系。研究结果表明,在表观遗传学“开启”和“关闭”两种不同的表型状态下,总是可以在其中的关键调控点找到结构差异,即结构决定功能。染色质在结构上并不是均一存在的,既有相对松散的有利于基因表达的常染色质,又有高度浓缩使基因沉默的异染色质。常染色质是以一种开放式的、对转录等过程所需的各种酶更为敏感的构象存在,随时可以开启基因的表达。而异染色质以一种超浓缩的致密结构存在,转录等相关的酶无法结合上去,从而抑制表达。这体现出染色质的结构和功能是相适应的。表观遗传学的各种机制之间其实是相互关联的,表观遗传因素通过调节染色质的结构、对染色质进行修饰等来影响基因的转录,从而达到调节功能的目的。
在教学中,教师可以结合表观遗传的实例渗透结构与功能观。例如,表观遗传学因素导致雌性哺乳动物的一条X染色体失活,失活后的染色体以致密的异染色质状态存在,称为巴氏小体。以玳瑁猫为例,玳瑁猫(母猫)的体表有黄色和黑色随机分布的花斑。控制黄色和黑色毛色的基因是位于X染色体上的两个等位基因。在个体的发育过程中,细胞内的一条X染色体随机浓缩而失去活性,从而呈现出这种黄黑相间的花色。
2.2.2 注意发挥表观遗传学在建立进化和适应观念上的价值
“生物进化”是生物学核心概念的重要组成部分,提供了将大部分生物学知识建成一个整体的框架。“遗传”“进化”与“环境”三者之间存在很微妙的关系。生物进化的前提是有可遗传的变异;遗传素材的多样性为自然选择提供了更多的原料从而更好地适应环境;而环境又像是一个有力的推手影响着进化的方向。表观遗传学的学习是一个将遗传、进化与环境很好整合的过程,能够帮助学生进一步理解三者的内在联系。
生物体能够产生后代并稳定遗传依赖于稳定传递的遗传信息与精密的调控机制。表观遗传信息的发现是对遗传信息的重要补充,拓展了遗传密码(DNA)的信息承载量。表观遗传信息的加入相当于扩大了遗传样本量,为自然选择提供了更多的素材。很多表观遗传学现象都是在生物后天的发育中表现出来的,体现出环境的塑造性。借助表观遗传学研究手段,人们能更好地理解环境因素对生命的影响,进一步理解“基因型+环境=表型”这一遗传学命题。研究结果显示,从单细胞到多细胞,表观遗传相关的DNA甲基化、组蛋白修饰的程度与类型以及RNA干扰机制在不同的物种中具有显著的差异,暗示着表观遗传调控在生物进化过程中的作用。表观遗传信息的发现以及表观遗传调控机制的研究对进一步理解遗传与进化具有重要意义。
2.2.3 利用表观遗传学内容引导学生建立稳态与平衡观念
在自然界生存,生物种群会找到一个合适的平衡点来有效地适应环境从而维持稳态。稳态不是恒定不变的,而是一种动态的平衡。动态平衡无处不在,各物种与生存环境之间存在平衡,物种之间存在平衡,种群之间存在平衡,个体之间存在平衡。与此同时,每一个生物个体也是一个复杂而精密的系统,在生存过程中,个体的各种结构之间、各种调控机制之间都存在平衡。在进行表观遗传学的教学时,教师可以通过以下几个层次引导学生建立相关的生命观念。
雌性与雄性之间的平衡:众所周知,X染色体的基因携带量较Y染色体来说是大很多的。如果雌性动物的两条X染色体都具有活性,那么雌性性染色体所携带的基因数目几乎是雄性的两倍之多。在哺乳动物中,雌性个体的一条X染色体会随机失活,从而维持与雄性之间基因的剂量平衡。
染色质结构之间的平衡:基因的表达与沉默是一个复杂且精密的过程。在哺乳动物中,染色质中的常染色质比例只占不到4%,而剩余的96%都为异染色质。需要注意的是,沉默染色质是动态变化的,这增加了问题的复杂性。要维持和延续染色质的这种动态平衡状态必定需要一个十分可靠的调控过程。因此,表观遗传现象往往是多种机制共同作用的结果。
表观遗传调控与环境因素之间的平衡:在表观遗传学研究还不明确的年代,人们常常把经典遗传学无法解释的现象都归结于“环境”的因素。研究数据表明,环境因素可以通过影响表观遗传标记从而影响基因功能。表观遗传具有时间上的多样性,同卵双胞胎在出生早期具有相似的表型,但随着不断地成长,差异会不断出现。数据显示,同卵双胞胎在遗传学标记的程度和分布上都有明显的不同,说明表观遗传调控与环境的变化之间存在一种动态的联系。
综上所述,高中阶段的表观遗传学内容的教学关键不在于表观遗传知识的深挖和补充,而在于以此为脚手架,引导学生更好地理解科学的本质、构建生命观念,从而使学生建立终生受益的素养基础。
参考文献:
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[5] 谭永平.中学生物学课程在发展学生核心素养中的教育价值[J].生物学教育,2016(5):20-22.
篇5
2月5日那一周,他们就通过自己的网站和电子邮件等方式,把纪念活动通知散发出去。通知说:
“2009年2月将迎来达尔文诞辰200周年以及《物种起源》首次出版150周年。达尔文及其同代人阿尔弗雷德・华莱士所宣示的观点不仅完全改变了我们对生命世界的认识,也影响了我们对变化的观察和描述方式……自从《物种起源》发表以来,进化生物学的原理已经融入医学、农学、基因工程、流行病学等多个领域。除了生命科学外,进化概念还给许多领域带来了启示,包括经济学、文化研究、城市规划以至电脑游戏设计。演进变化这一概念已经镌刻在公众脑海中……我们诚邀您一起来了解科学家们是如何不断学习进化生物学知识并将其应用到广泛的领域的。”
这个通知只有短短二三百字,却将进化论的意义概括得非常清楚:(1)进化论思想是生命科学领域不可或缺的;(2)进化论思想对很多领域产生了影响;(3)进化论思想影响了公共想像。
2月7日第1场报告会题为“肿瘤:最适细胞的生存”。报告人是加利福尼亚大学旧金山分校肿瘤分子遗传学转化研究中心主任Thea Tlsty博士,她研究肿瘤的分子过程已有20年。
2月8日第2场活动是读书俱乐部的活动,拟讨论的书是2001年出版的《达尔文的幽灵:〈物种起源〉再探》,此书作者是Steve Jones,英国伦敦大学学院的一名杰出的遗传学家。该书是按照《物种起源》原书的结构展开论述的。这场讨论的主持人Lauren John是一位图书馆员,曾写过一本书叫《如何组织图书讨论小组》。图书讲评人是探索馆的资深科学家Charlie Carlson,他把《物种起源》和《达尔文的幽灵》两本书串起来讲。对这场活动感兴趣者需事先预约。
2月11日第3场活动很有趣,题目是“谁是最适者:捕食者――猎物竞争游戏”,由探索馆的科学家兼教育专家Karen Kalumuck组织。探索馆的来访者志愿组合成4个小组来扮演捕食者,看谁能在捕食游戏中生存下来,谁会灭绝。游戏结束后,Karen Kalumuck会讨论这个游戏的意义何在。这个游戏在白天搞两场。
当天晚上举办第4场活动,这是与Commonwealth俱乐部联合举办的。Commonwealth俱乐部本来每隔一周就搞一场专家指导、公众参与的辩论。这次辩论的主题是:人类基因组测序应用的伦理学问题。两位指导专家一位是斯坦福大学生物医学伦理学中心的副主任Mildred Cho,一位是科普作家Erin Cline Davis。探索馆的会员和Commonwealth俱乐部的会员可免费参加,非会员需购买5美元的入场券。
2月14日举行最后一场活动,由加利福尼亚大学旧金山分校的神经病学教授Thomas Lewis作报告:“情爱之探讨:追溯爱的起源”,探讨进化过程如何影响了人的情爱关系。他著有《爱的一般理论》一书,因此,他经常被邀请到各处作关于情感科学的报告。为什么在这一天安排有关这个主题的报告呢?因为这一天是情人节!
篇6
胶质瘤是神经系统最常见的原发性肿瘤,临床预后还不乐观。我们在临床工作中注意到即使是相同病理类型和级别的胶质瘤,治疗效果存在很大差异。治疗上的差异无疑是重要影响因素,但肿瘤内在的生物学特性,特别是分子水平的差异是关键所在。近年来,神经胶质瘤的诊断和治疗已深入到了分子水平。影像学诊断已不单纯解剖定位,还可以提供分子和功能影像参考;胶质瘤的病理诊断也在组织学分型/分级的基础上进行分子病理分类,并以此为个体化治疗提供参考;治疗开始从传统的手术/放疗/化疗深化到了分子靶向治疗。随着对胶质瘤分子病因/病理机制的深入了解,胶质瘤的临床治疗效果将会进一步提高。
【关键词】 胶质瘤 分子病理 分子影像 分子靶向治疗
Understanding and Treatment for Glioma with Molecular Aspect
Abstract: Glioma is the most common primary tumor in central nervous system(CNS) with poor prognosis. It is not uncommon that patient with same pathological profile, but the prognosis is quite different. The reasons might not be only the patient who received different treatment, but the heterogeneity of the tumor itself is also important. Currently, diagnosis and treatment for glioma have been advanced into molecular era. Molecular imaging has been introduced into neurooncology, so that functional imaging information now is available. Molecular neuropathology should become essential for diagnosis of glioma so that inpidualized therapy become possible. While treatment for glioma have also progressed from conventional surgery, radiation and chemotherapy to targeted molecular therapy. We can foresee that when the detailed molecular etiology has been understood, finally cured glioma should not be impossible.
Key words: glioma; molecular neuropathology; molecular imaging; targeted molecular therapy
1 胶质瘤的分子病因
胶质瘤的确切病因是什么目前还没有明确答案。一般认为与环境、遗传和机体免疫功能失调等综合因素有关。近年胶质瘤的分子生物学研究表明,胶质瘤是一种基因病[4],体内外各种因素使抑癌基因失活/原癌基因活化是胶质瘤发生、发展的关键。研究发现,血管内皮生长因子受体(vascular endothelial growth factor receptor,VEGFR),血小板源生长因子受体(plateletderived growth factor receptor,PDGFR) 和p53,它们作为转录因子,对细胞周期、DNA修复、遗传稳定性和细胞凋亡起重要调节作用。磷酸酯酶及张力蛋白同源物 (phopsphatase and tensin homology deleted on chromosome ten,PTEN/ mutated in multiple advanced cancers,MMAC),恶性脑肿瘤删除基因1(gene deleted in malignant brain tumor 1, DMBT1),鼠类双微粒体2(murine double minute 2, MDM2),结直肠癌删除基因(gene deleted in colorectal cancer, DCC),细胞周期依赖激酶2(cyclindepend kinase 2,CDK2),视网膜母细胞瘤基因(retina blastoma,RB1)等与多形胶质母细胞瘤的发生密切相关[5]。此外,有研究发现纤维母细胞生长因子2及其受体(fibroblast growth factor2/recepter,FGF2/FGF2R),胰岛素样生长因子1及其受体(insulinlike growth factor1/recepter,IGF1/IGF1R),CerbB2,增殖细胞核抗原(proliferative cell nuclear antigen, PCNA),肝细胞生长因子等与胶质瘤侵袭和恶性变相关[6]。众多癌相关基因的相互作用,使细胞生长调节异常、细胞之间缺乏接触抑制和细胞的遗传特性不稳定,最终影响细胞周期控制、凋亡、血管生成、细胞黏附、跨膜信号转导和DNA修复,导致了肿瘤的发生和发展。然而,胶质瘤发生、发展的细节还远不清楚。以往对胶质瘤的研究主要集中在对单基因变化的考察,这些基因可能参与了胶质细胞的恶性转化。显然,胶质瘤的发生不仅是单基因改变的结果,而是由于众多原癌基因和抑癌基因复杂相互作用的结果。因此,全面、系统认识这些原癌基因和抑癌基因,大规模地比较它们的表达模式和下游基因产物的差异,才有希望提供治疗胶质瘤有效的新靶向和新策略。最近,胶质瘤干细胞概念的提出,以及与神经干细胞和正常胶质细胞三者间能否转化的探索为胶质瘤分子病因的研究提供了新思路[7]。
2 胶质瘤的分子病理
近来发现,按常规组织病理学分类属于同一类型和级别的胶质瘤,其分子遗传学背景可以是不同的,正是这种差异使组织学类型相同的胶质瘤在同样的治疗干预下其临床预后明显不同。因此,深入研究胶质瘤的分子遗传学变异,制定胶质瘤分子病理分类标准,将对合理的个体化治疗及评估患者预后均具有重要的理论意义和实用价值[8]。
在少突胶质细胞瘤,1p及19q丢失的发生率较高,有1p和(或)19q丢失的少突胶质细胞瘤对放射治疗和PCV方案化疗敏感,已得到众多研究的证实,此类患者的临床预后相对较好[9]。而增殖标记物 KiS1 的标记指数(labeling index,LI)>10%,p27 LI5%,细胞间黏附抑制因子(Tenascin), VEGF和VEGFR 阳性是恶性的表现。胶质瘤的PCNA阳性,p53突变和端粒酶活性升高也多提示肿瘤有恶性变的倾向[10]。部分低级别星形细胞瘤具有恶性胶质瘤的遗传学异常改变,如9p21 和 10q23~25 的杂合性丢失[11]。
现已公认,胶质母细胞瘤可分为原发性(de novo)和继发性两类。原发胶质母细胞瘤多有EGFR过表达、肿瘤抑制基因 PTEN(MMAC1)突变、p16 (也称周期依赖性激酶 2A(cyclindependent kinase inhibitor 2A,CDKN2A)丢失,还可见 MDM2基因扩增;而继发性胶质母细胞瘤常见p53突变,端粒酶活性阳性者占90%。最近, Liang 等[12]发现,在发展迅速的胶质母细胞瘤中有大约70个基因表达上调,通过105例病例对比研究证实其中一个基因(FABP7)与患者预后密切相关。
对胶质瘤分子病理差异的研究,人们采用了许多新技术,从基因芯片(cDNA microarray)、组织芯片、蛋白芯片到SAGE、比较基因组杂交技术(comparative genonic hybridization,CGH)等,但作为临床较为实用的有荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization,FISH), 免疫组织化学(immunohistochemistry,IHC), 杂合子丢失检测(loss of heterozygosity (LOH)testing),基因测序(Sequencing)[13]。
所以,胶质瘤的病理诊断已不能再停留在组织形态学水平,而迫切需要有预示治疗反应和预后的分子分类。当这些基因谱明确时,临床医生就能依此为病人做到量体裁衣的个体化治疗。
3 胶质瘤的分子影像
胶质瘤的临床诊断和鉴别诊断主要依靠影像学检查,影像学诊断技术由既往单纯形态学水平,深入到了分子水平[14]。分子影像学是利用医学影像技术,对人体内部生理或病理过程在分子水平上进行无损伤的、实时的成像。MR灌注成像(PWI)、磁共振弥散加权成像(DWI)与弥散张量成像(DTI)、磁共振波谱(MRS)、功能磁共振(fMRI)等新技术在胶质瘤诊断上的应用,对于胶质瘤的诊断与鉴别诊断,特别是对胶质瘤的术前分级,肿瘤复发与放疗后坏死的鉴别,对胶质瘤治疗后效果的评估,以及明确肿瘤边界,指导制订手术方案等都具有重要意义。脑肿瘤生长越活跃、恶性程度越高,在PWI将显示区域脑血容量(rCBV)值就越大,不同级别胶质瘤之间的rCBV存在显著差异:胶质母细胞瘤和间变性胶质瘤实质部分的CBV、脑血流量(cerebral blood flow,CBF)明显高于Ⅰ、Ⅱ级星形细胞瘤,所以MR脑灌注成像对鉴别脑肿瘤的良恶性具有很大参考价值。不同类型或级别的胶质瘤有不同的生长方式及代谢水平,因此很多学者进行了1HMRS与肿瘤级别的相关性研究,总的趋势是胆碱(Cho)/ 肌酸(Cr)值越高,肿瘤恶性度越高。
放疗后坏死改变与肿瘤复发一直是影像学诊断的难点,因为两者在传统MR图像中都可有明显的强化改变。PWI研究表明,当rCBV比值高于2.6时,提示肿瘤复发可能大,而低于0.6时则代表放射性坏死。MRS研究,在肿瘤复发患者中Cho/NAA和Cho/Cr比值升高,Lac峰出现,而具有放射性坏死的患者则显示NAA、Cho和Cr的大幅度降低及0~2.0ppm之间宽而厚的波峰(细胞坏死峰)。
DTI可清楚显示胶质瘤与白质纤维的关系,确定皮质脊髓束与肿瘤间的距离,指导肿瘤的最大范围切除并有效保护锥体束,降低患者术后致残率。
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而PET特别是18FFDG和11C标记的甲硫氨酸(MET)示踪剂的应用被证明对胶质瘤分级、预测预后、评价治疗效果及鉴别复发与坏死很有价值[15]。肿瘤对示踪剂的摄取值/大脑皮质对示踪剂的摄取值(T/MCU),可以衡量胶质瘤的级别,当T/MCUFFDG≤0.8且T/MCUMET
4 胶质瘤的分子水平治疗
随着胶质瘤分子病理机制的深入了解,治疗的目标也将会细化深入到肿瘤的分子水平。如果我们采用常规的手段(手术/放疗化疗)没有办法彻底清除所有肿瘤细胞,但只要能使残存的肿瘤细胞不扩展,就能达到人/瘤和平共处。抗肿瘤血管形成的细胞休止疗法是有希望的措施,而诱导分化则是让肿瘤细胞改邪归正;基因治疗是从肿瘤形成的源头上进行治疗。
肿瘤的恶性表型涉及到癌基因的扩增和过表达,抑癌基因的缺失及一些重要的信号传导通路的异常。这些分子改变影响肿瘤细胞的增殖、凋亡、血管生成、侵袭和转移等一系列生物学行为。针对肿瘤组织或细胞在上述通路上所具有的特异(或相对特异)的分子为靶点的分子靶向治疗(targetedmolecular therapy)近年来取得了一定进展[16]。一些分子靶向药物已进入临床应用或试验[17]。针对PDGFR的单克隆抗体、可溶性受体、反义分子和小分子抑制剂正在研发。SU101是应用于脑肿瘤的第一个小分子PDGFR信号传导抑制剂。Imatinib (Gleevec)是另一个很有希望的抑制PDGFR的小分子酪氨酸激酶抑制剂,临床前及临床研究表明,Gleevec 具有一定的抗胶质瘤作用。酪氨酸激酶抑制剂Gefitinib(Iressa)和erlotinib(Tarceva)可通过竞争性抑制EGFR酪氨酸激酶胞内区ATP结合位点而起作用。NABTC进行了Iressa 治疗复发恶性胶质瘤的临床Ⅰ/Ⅱ期研究,取得了可喜的结果。试验表明tipifarnib(R115777, Zarnestra)和SCH66336两个法呢酰基转移酶抑制剂(FT inhibitors, FTIs)有抗胶质瘤活性。Marimastat(BB251) 是一个低分子量基质金属蛋白酶抑制剂(matrix metalloproteinases inhibitors, MMPIs)。AG3340是一个有效的MMP2抑制剂,也抑制MMP3,9和13。Metastat(CMT3,COL3)是化学修饰的四环素类似物,能抑制MMP2和MMP9的活性。它们在临床上对胶质瘤病人是否有效,还在探讨。
肿瘤的生长依赖肿瘤血管供应营养,阻断血管生成(Angiogenesis)是遏止肿瘤生长的有效策略。随着人们对肿瘤血管形成机制的了解,针对肿瘤血管形成的分子机制所设计的抗血管生成治疗策略,已成为目前肿瘤治疗的热点研究领域[18],许多抑血管生成剂已进入临床试验。PTK787/ ZK222584 (PTK/ZK)是口服的VEGFR(vascular endothelial growth factor receptor, VEGFR)酪氨酸激酶抑制剂,也有较弱的阻断PDGFR的作用,可以干扰由VEGFR和PDGFR介导的血管生成,有抗肿瘤活性。整合素(integrins)参与介导细胞与细胞外基质的粘附、细胞迁移、侵袭及新生血管形成。阻断整合素可以减少血管生成,启动内皮细胞凋亡。最近发现,侵袭性黑色素瘤细胞能形成无血管内皮细胞被覆的、由细胞外基质界限的管腔,它不同于Angiogenesis,所以,将其称为血管生成拟态(vasculogenic mimicry,VM)[19]。这一现象相继在多种肿瘤中被发现(乳腺癌、卵巢癌、肺癌、前列腺癌、滑膜肉瘤、横纹肌肉瘤、嗜铬细胞瘤、星形胶质细胞瘤等)。我们在人脑星形胶质细胞瘤也发现VM的存在[20],它可能是一种肿瘤微循环模式,所以,针对VM 的肿瘤治疗措施自然也成了人们倍感兴趣的领域。研究发现,VM调节通路,血管生成调节通路有共同的分子参与,如Flt1、Tie2、Tie1、VEGF、 Ang1、 Ang2、VEGF,对这些分子作用位点的深入研究,将会为研发更加有效的肿瘤治疗手段提供线索。
因此,在治疗前先采用适当的手段(如分子影像技术) 检测肿瘤的分子影像特征,当获得肿瘤标本后,还可进一步采用基因芯片/组织芯片等技术深入分析肿瘤的分子病理特征,是否存在与治疗反应相关的靶点,做到“有的放矢”,选择适合该患者的最佳治疗,而真正有效的治疗靶点还需要深入的分子病因/病理的研究。
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篇7
关键词 生物科学 遗传学 教学改革
中图分类号:G424 文献标识码:A
21世纪是生物科学蓬勃发展的时代,目前在很多高校开设了与生物科学相关的专业和课程。遗传学是生命科学领域中十分重要的基础性学科之一,也是生物类专业必修课程之一。但是,现在高校生物类专业遗传学教学面临着以下几个方面的挑战。第一:教学课时的减少与教学内容急剧增加之间的矛盾;第二:教学方法和手段的变化带来的挑战;第三:学生学习兴趣的不断下降。所以,为了培养合格的高校生物类人才,必须对遗传学课程教学进行改革实践与探索。
1 教材的合理选择
遗传学既是一门传统的课程,也是一门新兴的课程。一本好的教材可以激发学生自主学习的兴趣。虽然目前网络上遗传学课程资源非常丰富,但是内容质量参差不齐,所以学生要学好遗传学,必需有一本好的教材,做为他们课前预习、课后复习巩固的基本资料。在我国遗传学的教学过程中,刘祖洞主编(高等教育出版社,1999)的《遗传学》是一本较为经典的教材。随着近年来分子遗传学的发展,最近出版了第三版,该版本除覆盖了经典遗传学内容外,根据遗传学的新发展,增加了基因组、基因表达与基因表达调控和遗传与个体发育三个章节,并对原有章节部发内容进行了知识点的补充与更新。使得该教材更适应目前遗传学最新发展的方向,更适合于选用为高等院校遗传学教材。但在该教材中补充了更多人类遗传方面的内容,所以对于植物类生物专业而言,如果选用该教材,教师应该要补充一些有关植物遗传学方面的实例与进展,以加深学生对本专业相关研究材料的兴趣与认识。另外,对于英文版的《Essintials of Genetics》是一本非常优秀外文遗传学教材,也可以推荐给学生作为中文教材的补充。
2 完善多媒体与网络教学
在目前教学学时减少的情况下,多媒体与网络教学作为辅助传统教学的手段与工具,作用显得越来越重要。通过多媒体教学可以增加教学容量,提高教学效率。可以使教学突出重点、淡化难点,提高教学质量。同时多媒体教学具有内容丰富、图文并茂等特点,有助于激发学生学习的热情,有助于教师传授更多的精彩内容,让学生接触的信息更加全面和具体,对遗传学内容的理解更加全面;另外,也可以通过生动的图片、形象的动态模拟,培养和激发学生学习的兴趣。例如,在讲述高等生物细胞分裂时,借助多媒体动态摸拟可以形象生动展示细胞有丝分裂和减数分裂的具体过程,让学生能深刻地认识到细胞分裂是一个动态、连续的过程,可以更好地理解课本中为了讲解的需要而把细胞分裂分为的各个时期并不是独立存在,而是相互联系的连续过程。但是,在充分发挥多媒体教学优势的同时,教师不能完全依赖多媒体教学,而抛弃传统教学方式的精华,传统教学的优势在于要进行板书,要求教师必须十分熟悉教案,并且边板书边讲解,可以让学生跟上教师的教学思路,更好理解和掌握相关知识点。例如,在讲述《连锁遗传》章节中,可以很好地把多媒体教学和传统教学结合起来:教师在讲述连锁遗传规律的发现上,可以用多媒体直观形象地讲解,但在描述连锁遗传规律的验证上,特别是三点测验时,如果采用多媒体教学会太过抽象,学生不易掌握,而采用传统板书的形式,老师边推导边讲解,学生容易掌握。所以教师在教学过程中要注意两种教学手段的平衡运用,充分结合两者的优势,以达到最佳的教学效果。
3 鼓励开展双语教学
遗传学是一门内容更新很快的科学,很多知识点在十几年前还不清楚,而现在随着分子生物学的发展,已不断补充与发展。而这些更新的内容更多来源于顶尖杂志如Science, Nature等。目前英语是生物科研领域的通用语言,想学好或教好遗传学,理解和掌握相关专业英语非常重要。而遗传学作为一门专业基础课,可以把学生带入生物学研究的大门,所以开展遗传学的双语教学非常必要。既可以让学生尽早接触遗传学原理的纯英文的定义,又可以了解遗传学的最新发展。在纯中文的教学过程中,由于所使用的教材的编著者不能全面掌握遗传学所涉及的全部领域,在有些专业名词的翻译上是不完全准确的,比如英文的centromere 和kinetochore,在有些中文版的遗传学教材中都翻译成着丝点,而实际上这两个专业名词所指是不同含义。centromere正确的翻译是着丝粒,其是染色体的基本组成部分,而kinetochore更合理的翻译是着丝点或动粒,它指的是在细胞分裂过程中纺缍丝在染色体上附着点,着丝粒是动粒(着丝点)的附着位置。动粒是着丝粒是否活跃的关键。每条染色体上有两个着丝点,位于着丝粒的两侧,各指向一极。所以如果使用双语教学,可以避免混淆这两个概念。目前在部分高校已开始试探遗传学的双语教学,所使用的教学模式主要有两种,一种为多媒体课件为英文,而授课讲解为中文;另一种为纯英文的教学,即多媒体课件和授课均为英文。使用哪种方式教学主要取决于教师和学生的英文水平。相比而言,前一种形式可能更有助于学生的理解与学习。双语教学存在一定的挑战性,但其是未来遗传学教学的发展方向,有条件的高校都应该开展这方面的教学实践。
4 优化实验教学
遗传学是一门理论教学与实验教学并重的课程,所以除了基本理论教学外,实验课也是其课程体系的重要组成部分。目前部分高校的遗传学实验课内容仍以经典遗传学为主,而这些实验,部分可以进行优化与整合。比如植物的有丝分裂制片和观察、植物细胞减数分裂的制片和观察、秋水仙素处理的染色体倍性观察,这三个实验都是涉及染色体的制备与观察,可以整合成一个综合实验。其中有丝分裂可以让学生从材料准备开始,发根、预处理、固定、酶解、制片和观察,熟悉与掌握体细胞染色体制备全过程。而对于减数分裂制片技术性强,实践应用比较少,可以老师完成制片过程,让学生进行显微观察,理解与掌握减数分裂不同时期的特征,并且在实验安排上可以与有丝分裂穿行。这样既能合理安排实验时间,又能同时了解两个分裂时期的特征。而利用秋水仙素处理染色体倍性观察这个实验省略。现在有很多高校已开始优化遗传学实验室的内容。
5 结束语
遗传学教学对于生物类学生掌握基础知识,提高基础实验技能非常重要,可以为学生今后从事相关专业的科研、应用、教学奠定基础。所以改革遗传学教学模式对提高遗传学教学质量起到非常重要的作用。教师在教学过程中应多思考、多探索,以达到更佳的教学效果,培养优秀的专业人才。
参考文献
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篇8
在2013年我县第三轮全员研教的研讨过程中,我们发现低效的复习课并不在少数。为破解这个难题,我们生物教研组采取“一人执教先导课,组内其他成员观课议课”的方式,聚焦复习课教学中普遍存在的难点和困惑,针对先导课中出现的问题进行磋商,再通过集体磨课商议对策,并在此基础上进行改进后的二次教学。
一、内容选定
根据组内教师的建议和讨论,并结合我校高三的复习进度,我们最终选定了浙江科学技术出版社的《生物・必修2》的第三章《遗传的分子基础》中第四节《遗传信息的表达――RNA和蛋白质的合成》,作为复习课教学展示的主要内容。因这一节包括了对基因的本质、基因的功能、DNA与RNA的比较、基因如何控制蛋白质的合成(即遗传信息的转录和翻译)及中心法则等多个分子遗传学的内容,这些都是历年高考的重点所在,而其微观、抽象的特点也导致很多学生难以深入地理解和掌握。
通过“中国知网”和“万方数据”及网络资源查阅,发现高中生物教师对这个难点关注得比较多。而收集到《基因的表达教学设计》等相关论文案例往往以新授课的教学设计居多,一般都以形象直观的多媒体课件为基础,结合游戏场景、建立模型、问题导学或多向交流等教学方式,将微观的内容具体化、形象化,以此来提高这一节课的学习效率。
但是,如果我们的复习课仍采用这样的老方式,对已掌握一定知识的学生来说,缺乏足够的新鲜感,熟而生厌,也就无法真正达到“温故”、“知新”、“提高”的复习目的。
二、问题聚焦
本次安排上课的L教师是我组的青年教师之一,她是今年第一次执教高三生物,对复习课的设计技巧尚有所欠缺,也正是其意欲大力发展的教学技能之一。首先由L教师独立完成先导课的备课和上课,组内成员听了先导课后,接着开展讨论。开展这样深入的探讨也有赖于我们组一直在营造的良好教研氛围:首先,听评课应该是善意的,它意味着态度的诚恳,着眼于相互促进和提高;其次,听评课教师之间必须是平等的,即去除论资排辈,虚心学习,博采众长;最后,交流需要是相互的,所有参与者既是评课者,也是课堂教学的设计者,这样能营造民主的学术气氛,让组内每一位教师都有提高的机会。
L教师谈了先导课的感受和备课时遇到的困惑:虽然预先设计了五个探究环节,但课堂上师生交流不够活跃,教师讲得多,学生没有真正“动”起来;个别例题的设计没有贴近学生的实际水平,参与面不够广,导致部分学生对知识点认识仍停留在原先的层次上;这一部分的名词概念特别多,其中的核心概念就有基因的表达、转录、翻译、遗传信息、遗传密码、中心法则等,另外还有信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)、核糖体RNA(rRNA)、密码子、反密码子等重要概念,也都需要学生去理解和掌握,感觉很难进行系统有效地整合。
结合其他老师的讨论意见,我们最后整理汇总了本节复习课在设计中最关键的三个问题。
(一)如何构建知识体系
北京教育学院刘加霞教授指出:复习课的核心是提升学生的理解力与灵活解决问题的能力,其中包括“理解概念的本质内涵,建构概念之间的内在联系,形成概念网”,而“建构概念网的核心是把握核心概念,厘清知识点之间的联系,将孤立的知识点连成知识体系”。但是这节先导课过分地强调各个知识点,如转录的场所、条件、碱基配对原则和结果,翻译的场所、条件及产物及原核细胞和真核细胞的遗传信息表达的异同等,用了大量的时间回顾或探究,而忽视了这些知识之间的联系,更没有关注学生能力方面的培养。
(二)如何设计高质量的问题
L教师的先导课中引入设计用的是金华“两头乌”猪,要求绘制其遗传信息的传递图解。“两头乌”并非我们象山当地的特色物种,根本引不起学生的兴趣,而且在整个授课过程中也没有出现过其他与“两头乌”相关的问题和信息,整节课缺乏明显的授课主线。原先的教学设计中还安排了五个探究(每一个探究又涉及2至3个问题),五个例题,还有两个思考题,教学过程中汇集了大量短、平、快的题型,信息是海量的,速度非常快,问题的设计只关注了思维的广度,而忽略了思维的深度,缺乏从整个高中生物教学的视角在纵深上对所学知识、技能、方法进行延拓与集成。
(三)如何突出学生认识角度的疑难点
与新授课相比,复习课容量大、时间紧、内容多,由于L教师担心学生梳理知识有漏洞,在授课时教师个体的主观意识较强,或者对某些知识点反复讲解和强调,或者在学生碰到疑难处直接将学生引入到预设好的思路上来,学生始终处于被动状态。按照课前预先的设计,教师会在授课前下发学案,在学生对本节教材进行自主整理的基础上,师生合作探究,梳理出“基因的表达”基本的知识脉络。但是在实际教学过程中却出现了以教师为主的“复述”现象,既没有暴露出学生认识角度的疑难点,也没有让学生很好地对知识进行创造性建构,失去了复习课的真正意义。
三、二次教学
针对上述几个较为突出的问题,大家畅所欲言,对先导课的教学设计进行了修改和完善,决定以“荧光蛋白基因的表达”为明线,以基因控制蛋白质合成的过程和原理为暗线,沿着以下环节进行复习:先导自主整理激趣引入复习指导建构网络内化应用拓展。
(一)先导自主整理
正如著名特级教师于漪所指出的:“学生的情况和特点,要努力认识,悉心研究,知之准,识之深,才能教在点子上,教出好效果”。学生面对“基因的表达”这一知识点时绝不会是一张白纸,有他对该学习内容的已掌握部分和尚欠缺部分,要有效备课一定要先进行必要的学情分析。本节课采用的获取学生认识角度疑难点的途径有多种形式:课前下发导学案,通过批改学案总结提炼学生的薄弱知识点;课中应始终关注学生,观察学生分析问题的思路是否清晰,回答是否有依据,语言是否规范等;课后在师生沟通中了解学生的问题所在。及时了解学生所思、所想、所为,并以此为依据合理地调整教学问题和适时地调控教学进程。
(二)激趣导入复习
这节课以高三刚学习的《选修・3》中的“基因工程”中的“荧光猪”这一典例为导入点和切入口,提供相关的情景,依次以涉及“荧光基因的表达”的五个探究性思考题为主线:(1)猪体内的荧光基因如何指导RNA的合成?(2)转录形成的RNA如何指导荧光蛋白的合成?(3)如何利用少量的mRNA迅速合成大量的荧光蛋白?(4)若将水母的荧光基因导入到原核生物体内,其遗传信息的表达情况与在真核生物体内有什么区别?(5)各种生物的遗传信息传递方向是一样的吗?通过引领学生对典例和问题进行剖析,充分调动学生的学习热情,加深他们对知识的理解、巩固和消化。
(三)指导建构网络
“基因的表达”中各个知识点是有机联系的,在教学过程中,我们针对知识的重点、学习的难点和学生的弱点,引领学生站在学科观点的高度审视所复习的内容,按“荧光基因的表达”的过程把涉及的知识和概念作纵向、横向的联系,整理了转录和翻译在模板、原料、条件、产物等方面的区别,遗传信息、遗传密码和反密码子的区别,真核生物与原核生物在遗传信息表达上的异同,各种生物(包括病毒)的遗传信息传递的方向等。从整体出发组织复习,通过“竖成线”、“横成片”、“连成体”,达到零散知识条理化、分散知识网络化、基础知识系列化的目的。
篇9
关键词:规律 生物学 历史性 特异性
一、引言
规律或定律(law)观念是传统科学和哲学的基本信念。 这种观念的本质就是亨普尔概括的“演绎—规律论”解释模型。根据这一模型,科学的本质就是发现现象背后不变的联系,并把它们建立成规律体系。对单个事件的解释就是要把这个事件从这些规律和初始条件中演绎出来。这就是说,如果要对一个事件的发生做出科学的解释,就必须把这一事件归并到已经发现的一条或几条定律之下。否则,这一事件就是不可理解的。
“演绎—规律论”解释模型把规律看作是科学最本质的东西。那么什么是规律呢?一般人们认为一个陈述如果满足如下条件就是一个规律或定律:(1)普遍性标准,即该陈述必须包含普遍限定词, 不涉及任何具体的个体、时间和空间地点;(2)可检验性标准, 即该陈述必须具有经验内容,并已得到确证;然而满足这两个条件还不能说是一条定律,它还必须满足第三个往往被大多数人忽略的标准,即(3 )连贯性标准,就是说这个陈述必须能够整合到一个更大的理论体系之内,或者说它必须从属于一个更大的理论,因而有理论上的根据和保证。
“演绎—规律论”解释模型既说明了科学的本质,又指出了科学结构及其运作过程。这种解释模型,其主要依据是物理科学,不论是经典物理、经典化学还是现代物理和现代化学,都采取的是这种演绎规律论的方法或覆盖定律的方法进行运作的。这种解释模型适合与物理科学之外的其他学科吗?或者说其他学科是否也要把它们的理论建立成规律性的理论体系?是否也要把它们要解释的事件归并到规律之下?
本世纪中期,生物学日益成为可以与物理科学相抗衡的新学科,生物科学因此成为检验传统科学哲学普适性的一个新标本。所以从六十年代开始,大量的思想家开始从生物科学出发研究哲学,他们或者用生物科学检验已有的哲学理论,或者从生物科学中概括出新的哲学思想。这里,规律问题自然成为新的科学哲学家们重新思考的一个重要问题。
1963年,著名的科学哲学家斯玛特(J.J.C.Smart )通过对生物科学的考察认为,严格意义上讲,只有物理学和化学才具有规律,生物学中并不存在规律。因为物理学和化学中概括具有普遍性,“它们可以适合于时空中的任何地方,”“并且可以用非常完美的普遍概念来表达而不使用专有名词或暗中提到专有名词。”(〔1〕,p.53 )然而生物学就不同,生物学中的陈述,比如“所有的天鹅都是白的”,在斯玛特看来就不是规律性的陈述。因为天鹅是根据它们在进化树中的位置定义的。这样的定义隐含着一个特殊的指称——我们的地球。这个特殊的指称使该命题不符合前述的标准(1)。当然, 人们可以用不同的方式来定义天鹅,比如通过提到天鹅所拥有的特性来定义,但是,这样做的话,我们就没有理由认定那种陈述在整个宇宙中都是成立的,因为其他星球可能有不是白的天鹅,尽管它们有我们所定义的特性(即与标准(2 )不符)。另外,它也不符合标准(3)。 因为这样的陈述并不能整合到更广的生物学理论中去,也不能从其它生物学理论中推导出来。
为什么物理学和化学与生物学相比在规律上有较优越的地位呢?斯玛特认为这与它们研究的客体的性质有关。物理学和化学研究的客体是相对简单和均一的系统,其组成成分比如基本粒子被认为在宇宙中是无所不在的。而生物客体则不同,它们相对来说是复杂的,并且具有特异性,它们是自然史中一定阶段的产物或客体,所以在宇宙中是受时空限制的。贝尔纳也曾这样说过:“我认为生物学和所谓精确的或无机的科学、特别是物理学之间有一个根本的不同。在无机科学里,我们假定宇宙结构所必须的基本粒子以及支配它们运动和转化的定律都是必不可少的,并且一般都适合于整个宇宙。另一方面,生物学则涉及对宇宙中那些极其特殊的部分,即对我们所谓生命的描述和有序化。当前,说得更具体些,就是地球上的生命。它象地理学一样,主要是一门描述性的科学,它所涉及的是在特定的时间内、特定行星上一批特别有组织的实物的结构和作用。”所以,贝尔纳说,目前的生物学不具有普遍性,但贝尔纳认为应当有一门真正普遍的生物学。
著名的生物进化论专家恩斯特·迈尔进一步论证并发挥了斯玛特等人的观点,认为规律的观念是物理主义、本质主义观念的必然结果,在生物学中必须摈弃。([2],p.41)迈尔认为,生物学是19 世纪的产物。在19世纪以前,作为独立的生物学并不存在,存在的只是一些零散的与生物学有关的研究传统。但那时物理科学已经比较发达,所以当17世纪和18世纪科学哲学家们发展他们哲学思想时,完全是以物理科学为基础的。物理科学的规律,特别是牛顿力学规律的解释和预言作用给哲学家们以深刻的影响,以致于这个时代的哲学家都把建立规律作为科学的决定性标准。当时的生物学家也不例外。早期的生物学家象拉马克、达尔文等就都以揭示生物界的规律为己任。然而100多年过去了, 生物科学获得了长足的进展,在涉及生命现象的各个领域都建立起了生物学分支。然而,奇怪的是;各生物学分支中都很少提到“规律”二字。迈尔认为,这不是偶然的,因为生物学中并不存在普遍定律,生物学中的概括一律具有例外。他说:“生物学中只有一条规律,那就是所有的概括都有例外。”([2],p.41)与斯玛特类似,迈尔认为生物学概括具有例外的原因是,生物学努力描述的事件是历史的、特异的事件。任何生物都是长期进化的结果,都与历史相关,都具有独特性。这就要求我们,对生命现象的解释不能象物理科学那样是由规律提供的。事实上,迈尔把规律观念看作是本质主义的错误结果。本质主义是由柏拉图发展起来并一直支配西方思想界的哲学思潮。在本质主义看来,可变化的现象世界只不过是固定不变的本质的反映。世界上真实和重要的东西就是这些本质,现实世界的变异只是内在本质的不完备的表现。因此,不变性和不连续性是本质主义特别强调的论点。迈尔认为,这种思想在今天是有其局限性的,它必须被新的群体思想所代替。群体思想与本质主义相反,它认为,重要的东西不是本质而是个体。许多生命现象,特别是种群现象是以高度的变化为特征的,进化的速率或物种形成的速率彼此的差别有三到五个数量级,这种变化程度在物理现象中是很少有记录的。物理世界的实体具有不变性的特征,而生物实体却以可变性为特征。生物实体的这种特异性告诉我们,必须用与研究完全均一的无生命的东西完全不同的精神来研究生命现象。这种新精神就是要摆脱规律思想的影响,充分考虑到生物体的历史特异性。
与斯玛特、迈尔等人类似,著名科学哲学家波普尔也断言进化生物学中没有规律。他认为,由于地球上的生命进化或者人类社会的进化只是一个单独的历史进程,因此,对进化过程的描述就不是规律性的描述,而只是一个单纯的历史陈述。所以,波普尔认为,探索进化的“不变秩序”和“规律”是不可能的。([3],pp.85—86)
这么多的思想家否定生物学中存在规律,是不是生物学中真的没有规律?这些思想家的观点一经提出,就有其他思想家从不同侧面提出自己的否定意见。
二、例外的出现与连贯性标准的作用
斯玛特、迈尔等人的观点,概括起来可以归结为:(1 )生物学中的概括一律具有例外,不是全称普遍陈述,原因是(2 )生物客体具有历史性、特异性、非均一性。针对第一点,鲁斯(M.Ruse)认为,生物学中的概括比如孟德尔定律有例外,但这不损坏它作为一条定律。事实上,它是一条真正的规律,因为例外可以由生物学家作出合理的阐释。只要我们考虑到生物的较低水平及适当的边界条件,发生在表型水平的例外可以根据细胞水平和分子水平上的变化得到说明。比如孟德尔自由组合定律的一些例外就可以根据亚细胞水平的基因连锁与互换得到解释。〔4〕鲁斯的这种论证表明,连贯性(coherence)在讨论“普遍性”时将起重要作用。在经典遗传学中,对孟德尔定律的连贯论解释采取的是纵向整合的形式(vertical integration),即对组织不同层次的整合。通过这种整合,宏观层次(或表型层次)的规律及其例外,可由微观层次(基因层次甚至分子层次)的规律推导出来。
哈尔(D.Hull)也认为,通过不同层次之间的理论整合,是建立生物学规律的唯一可能。在《生物学的哲学》一书中,哈尔曾举出个体发育的例子。他认为,个体发育阶段的顺序性是受规律控制的,但在我们把描述这种发育顺序的陈述看作规律之前,我们需要找到能把它们从中推导出来的有关系统的规律。这样做,我们就不能局限在表型层次,而必须深入到生物体的基因型中,看这些基因型是如何起作用而控制这种特殊的发育过程的。对于系统发育,哈尔给出了相似的论证。他认为,生物表型特征关系的陈述可以被看作是规律,只要我们的认识已扩展到指出有机体的遗传构造以及产生这些表型特征的生化反应。[5]不过, 哈尔不象鲁斯那样乐观。鲁斯认为经典遗传学已经基本整合到分子遗传学中,而哈尔认为这种整合仍存在许多障碍。
列旺汀(R.C.Lewontin)也有类似的思想,他认为,在群体遗传学中有许多假定的一般规律,但很难检验它们。所以,群体遗传学要想成为一门成熟的科学,人们必须建立起一种联结基因型和表现型水平的整合理论,有了这种整合理论,群体遗传学中规律才能真正成为规律。[6]
可以看出,鲁斯、哈尔、列旺汀等人对生物学规律的连贯性辩护实际上就是要把高层次的概括还原到低层次的理论。由于这种辩护采取的是理论还原的策略,所以,关于这种辩护的反对意见自然也就从反驳理论还原的可能性入手。因为,如果理论还原或纵向整合存在困难或者是不可能,那么,采用这种方式为生物学规律辩护,说服力就会大大降低。鲁斯曾竭力论证经典遗传学可还原为分子遗传学。哈尔承认这种纵向整合的可能性,但也看到这种整合的困难,看到目前人们还远远未做出这种整合。今天,虽然生物学的快速发展已使我们能从基因水平解释越来越多的表型层次的特征及其关系,但毕竟我们尚不能解释许多事情。所以,鲁斯和哈尔等人的结论是建立在未经证实的哲学假设之上的。也许这种假设是正确的,但这毕竟是一个假说而已。
斯蒂因(W.J.Van der Steen)看到纵向整合的困难,所以, 他采取一种新的连贯论策略为生物学规律辩护—横向整合或水平整合(horizonal integration)。他认为, 人们不应当把纵向整合看作是为生物学规律辩护的唯一途径。同一组织层次上的理论整合也可以使我们在生物学中建立普遍规律。比如说,孟德尔的分离律具有例外,像透明金鱼与不透明金鱼杂交,子一代是半透明金鱼,而不像显性规则所说的那样只呈现一种性状,即显性性状。子一代的金鱼互相,子二代不是呈现3:1的比例,而是1:2:1的性状比,即透明金鱼和不透明金鱼各占一份,半透明金鱼占两份。对此,生物学家解释说,显性具有相对性,即对有些相对性状来说,并没有哪个性状占绝对显性,哪个性状占绝对隐性,所以,透明金鱼和不透明金鱼杂交,子代有半透明金鱼。另外,遗传上的并显性,互换等都可以通过引进补充性假设来解释,而不必采取纵向整合的形式。这种解释例外的方式,斯蒂因称之为水平整合,即在同一组织层次上的整合。所以,斯蒂因说,连贯性不必采用纵向整合或还原论的形式,水平整合也是确保生物学规律存在的理论根据。(〔7〕,p.450)
三、物种特异性能否定规律的存在吗?
斯玛特和迈尔等人否定生物学规律的存在,一个重要的根据是生物客体的独特性、变异性和历史性。确实,与物理实体比如原子、分子相比,生物实体物种具有高度的变异性和独特性,但变异性、独特性能成为否定生物规律的可靠依据吗?
哈尔和迈尔一样反对本质主义,承认生物实体与物理实体的不同,但哈尔并没有因此走上否定生物学规律的道路,而是努力寻求为生物学规律辩护的新的方法。
哈尔认为,对生物学没有普遍规律的指责源于对种的类别的本体论地位的误解。生物的物种是历史进化的实体,这种历史性使物种不具有某种特殊的本质。 所以, 哈尔认为, 物种不是某种自然类(naturalkinds)。物种不是自然类,那么物种是什么呢? 对物种独特性的强调使哈尔提出了一条令西方思想界广泛讨论的命题:物种是自然个体(natural inpiduals)或自然特殊物(natural particulars)。在哈尔看来,物种类似于一个特殊的有机体。有机体由许多部分组成,但不包含成员,并且,特殊有机体的部分之所以是这个有机体的部分,是因为这些部分之间具有时空的和因果的联系。这一点与类中的成员要求具有某类性质相反。金中的成员都具有共同的原子结构这一特性,这些成员并不依赖与其他金块的特殊的时空关系和因果关系。物种的个体与个体之间就不同,它们彼此之间都有着特殊的时空关系和因果关系,因为物种是在一定区域内聚合在一起连续的联合性实体(或历史实体)。物种之所以是时空上连续性的实体是因为物种是进化的单位,即能够通过自然选择进化的实体。物种通过自然选择进化,必须满足三个条件:(1)变异,即有机体的性状与亲代相比具有差异性;(2)不同的适应力,即有机体性状的变异使它们各自具有不同的适应能力;(3)遗传, 即变异的性状必须是可遗传的。其中,条件(3)非常关键。 一个性状当它通过繁殖被忠实地传递给下一代就是遗传,而繁殖是一个时空上特化的过程一双亲和胚胎必须具有时空上的连续性。所以,性状传递给物种的后代,条件是那些后代必须通过繁殖关系在时空上互相连接。因而,唯有形成时空上连续的实体,物种才可能通过自然选择进化。由于物种的个体与个体之间具有时空上的连续性和因果关系,所以物种不是有机体的种类,它的成员不是它的特例;相反,每一个物种都是个体,一种时空上受限制的特殊客体,其成员是它的部分和组成,不是它的例子。
转贴于 哈尔认为,如果物种是个体,进化生物学就不应当被指责没有自然定律。考虑到气象学和地理学中的一个类似情况。在气象学和地理学中,没有关于特殊气象现象和特殊岩石的组成部分的规律,但并没有人指责气象学和地理学中没有规律。气象学和地理学的规律存在于不同的本体论水平之上,这些规律涉及是一般的气象现象、一类岩石(比如大理石)、以及组成那些岩石的一类元素(比如金和铁)。同样的考虑也适用于进化理论和物种。也许并没有涉及某一特殊物种所有成员的规律,但这并不表示进化理论没有普遍规律。在进化理论中,物种是个体,不是类,所以,如果进化理论中有规律,这些规律将存在于其他本体论水平之上。哈尔认为存在关于一类物种的规律,比如群体生态学家谈到的K—选择物种和R—选择物种——生活在稳定环境和非稳定环境中的物种,对它们的共同特性的概括就可以看成是规律。另外,也存在关于一类群体的规律。比如迈尔的地理成种概念详述了弧立种群何时变为新种,哈代一温伯格定律预言在一定种类的随机群体中发现的基因的频率。[8]
与哈尔类似,罗森伯格也认为,物种的个体性并不影响在生物学中建立规律,因为,“生物学中的一般发现并不建立在有关特殊物种的规则之上”,而是“建立在所有物种都与之适合的规则之上”的([9],p.205)。在罗森伯格看来, 生物学中关于所有物种的经验概括有两类:一类是最低水平的概括,比如:“非特化物种比特化物种趋于灭绝的时间要长”,“物种在进化过程中体形趋于增加”,“生活在相同环境中的现代物种趋于以相同的方式变化”等等。这类概括与其他经验概括一样有例外,但是这些例外可通过诉诸于第二类更普遍的经验概括来解释。这些较高水平的概括就是生命科学中的规律。罗森伯格认为,这种经验概括与比如“所有的天鹅都是白的”等陈述不同,如若其他条件保持不变,在其他有生命的星球上也是可以期望获得的。这样的规律有哪些呢?罗森伯格列出了以下五条:
(1)物种是在有机体中传递下来的宗谱分支(lineage of decent a-mong organisms)。
(2)任何一个物种后代的生物体数有一个上限。
(3)每一个有机体与它的环境之间都有一定程度的适应性。
(4)在一个物种中,如果D是一个在生理上和行为上都相似的亚族(subclass),且D 比该物种的其他成员在适应性上许多世代都足够优越,那么在该物种中D的比例将增加。
(5)在一个不是处于灭绝边缘的物种的每一个世代中, 都有一个亚族D,它比该物种的其他成员更优越,且有足够长的时间确保D相对于该物种成比例增多,并将获得充分的优越性继续增加,直至在某一时间达到构成整个物种的活的成员。([9],p.212)
罗森伯格认为,这些定律与前面第一类经验概括不同,它们没有例外。这些生物学定律没有提到特殊的物种,并且它们把物种看作是特殊进化的宗谱分支,而不是有机体的类型、集体或种类。
鲁斯也捍卫生物学规律。但在处理物种的特异性问题上,他与哈尔有着完全不同的看法,尽管在处理生物学概括例外问题上他们有着相同的思维方式(即他们都采取连贯论的思维)。哈尔和罗森伯格等人把物种看作是个体而不是自然类,鲁斯等人则认为物种是自然类而不是个体;哈尔和罗森伯格等人把生物学规律看作是超越物种层次之上的普遍概括,否定关于个体物种规律的存在,鲁斯等人则认为关于物种成员的规律是存在的。
鲁斯指出,如果象哈尔所说的那样没有关于特殊物种规律的话,那么,任何关于人类自身的特有主张就都不是规律,因为它们都是关于单一物种—人类属性的研究。因此,我们通常所说的社会科学、历史科学、语言学等都不是真正意义上的科学。事实上,由于物种不是个体,而是自然类—即同一物种之所以是同一物种,就是因为它们的成员共有某一性质,因此,关于某一特殊物种的所有成员的普遍陈述是可能的。([10],p.225)凯切尔(Kitcher,P.)也认为存在关于具体物种的生物学规律,因为我们能找到这样的性质P,它们与物种S特有的遗传组成的关系非常密切,以致于P的不存在就意味着这种遗传组成的变化, 并导致新种的出现或不能存活的个体出现,这样“凡S必有P”这类陈述就是可以得到的。([11],p.312)
四、历史叙述可以代替规律解释吗?
“演绎—规律论”的科学解释理论把科学看作是由各种互相关联的定律组成的规律体系。如果生物学不存在规律,那么生物学还是不是科学,特别是与功能生物学相差较远的进化生物学还是不是科学?一些人走得很远,他们认为进化论不是科学的理论。斯玛特、波普尔等人都是如此。迈尔也否认生物学定律的存在,但他并没有因此否定进化理论的科学性,相反他认为,人们应当改变对科学的传统观念。他说:“有一些科学并没有运用无可争辩的被称为定律的表达方式也运行得非常顺利。”([12],p.20)迈尔所说的“有些学科”最主要指的就是生物学。
既然生物学中没有定律,那么生物学中的解释是如何进行的呢?迈尔认为,生物学的解释方式采取的是不同于物理学的历史叙述的方式。他说:“规律观念远远没有历史叙述的观念那样有助于进化生物学。”([2],p.140)这就是说,在生物学中历史叙述比规律解释更重要。
冈奇(T.A.Gondge)也有类似思想。冈奇曾经指出:“在讨论生命历史上具有重大意义的单个事件的时候,叙述性解释进入了进化生物学……叙述性解释的建构一点也没有提到一般规律,……进化过程中的事件不是某种事件的例子,而是单独发生的事,是某种只发生一次,不能〔以同一方式〕再发生的事情,这时候要求叙述性解释……历史性解释构成进化理论的基本部分。”([2],p.77)
在迈尔等人看来,历史叙述具有解释价值,是因为生物学的对象—生命客体是历史客体,在历史过程中,早先的生命事件通常对后来的事件起到一定的作用。例如,白垩纪末期恐龙的灭绝留下了许许多多的生态小生境,为哺乳动物在古新世和始新世向四面八方的惊人发展提供了空间,因此,历史叙述的目标之一就是发现后继事件的原因。然而,在迈尔看来,“那些由基本逻辑公理系统训练出来的哲学家,看来是很难理解特异性和事件历史序列的特殊性的。他们想要否认历史叙述的重要性,并想用结构性法则把它们公理化,但他们的想法并没有说服人。”([2],p.77)
确实有许多人指出,历史叙述并不能否定规律解释。比如鲁斯就认为,叙述性解释的推理过程或者总体上不能令人满意,或者在解释过程中或明或暗地运用到规律。举例来说,描述到生物演化史上的历史事件时,经常要运用“适应”、“优越性”等概念,然而这些概念只能在自然选择和群体遗传学的背景中才能被理解。所以,历史叙述具有解释价值,必须有理论上的保证。这些理论虽然在具体叙述时未提及,但它们却在知识背景中起作用。所以,鲁斯认为,不是赞成规律解释的人的思想没有说服人,而是否定规律解释的人的观点没有说服人。
在我看来,鲁斯说的不无道理,然而,我们也应看到,在生物学中,独特性确实比物理学和化学更普遍,因为生物体在结构上是如此的复杂,以致于它们显示出更多的变异和个性。迈尔等人希望人们关注到这一点,希望人们用特殊的词恰当地描述生物事件,若不是走得太远的话,是包含有合理因素的。因为在很多情况下,生物事件是如此的复杂,以致于完全的解释需要诉诸于许许多多的规律和初始条件,这时,人们在实践上就不得不满足于描述性工作或者“大略解释”工作。在作大略解释时,人们可能要用到规律,但这些规律可以不表现出来,而只是停留在背景知识中。我们不必用非常精确的形式把它们表达出来。所以,在生物学中,历史叙述的解释形式很普遍,但我们应知道,历史叙述并不否认规律解释。
五、结论:走向新的解释
规律观念的本质涉及的是科学理论的结构及科学的运作方式。传统科学哲学认为科学是通过建立越来越普遍的规律向前发展的,规律或定律的建立,既是科学理论成熟的标志,又是科学解释和预言的依据。我国的科学哲学研究几乎无例外地都认为科学是由规律经演绎形成的理论体系。如果我们忽视了科学的具体实际,这种观点仿佛很是圆满。但当我们面对具体的各门科学时,会发现这样的理论图景其实是依据物理科学得出的,并主要适合于物理科学。当代生命科学正如迈尔所说,几乎很少用到规律或定律一词(只有遗传学中有所谓的三定律和哈代—温伯格定律等少数例外)。达尔文进化论对生物学就象牛顿力学对经典物理一样重要,然而达尔文进化论并不象牛顿力学那样由几条规律经数学演绎形成理论。生命科学理论在实践上缺乏定律或规律!
生命科学在规律或定律上的缺乏说明了什么?是传统的科学哲学有问题?还是生物学迄今还不是一门成熟的科学?如果生物学存在规律,生物学是否也应当建立成类似牛顿力学、爱因斯坦相对论那样的规律体系?
依我看,传统规律观念有其深厚的理论基础,从生物客体的历史性、特异性出发,从概念上否定生物学中存在规律,尚缺乏较坚实的理论基础,所以我们必须从另外的角度寻求生物学缺乏规律的原因。实际上,生物学理论在规律上的缺乏完全是由生物学所面对的问题与物理科学不同所造成的。物理学最关心的问题是物质本身所内涵的性质,所以必须借助大量抽象的符号来描述,因此,物理学很容易就走入数学的世界,建立数学的逻辑工具。但是,生物学的重心一开始就落在结构上面,诸如什么动物长什么样子,拥有什么样的器官,长在什么位置,构造和功能有什么关系等等。即使是最近的生物学进展,其重心依然在结构上面,从细胞的各种显微构造到基因的构筑及表现,还有各种生物大分子的三维空间的立体结构等等,生物学家们一直致力的,是如何将各种生命现象在实体形象上求得解释。所以,生物学家最常用的表达方式便是“看图讲故事”,亦即对于已知的构造经由类比联想去阐释其功能。在生物学中叙述性解释成为主要的解释方式,物理科学中那种从规律(由数学公式表示)出发,经由严格的数学推理的解释方式很少出现在生物学里。从早期孟德尔的遗传实验,到摩尔根对染色体的解释,直到近期分子生物学的发展,实际存在的构造成了理论好坏的依据。一个理论成功与否完全依赖其是否能将所观察到的现象嵌附到已知的结构上去。于是,结构变成了所有解释的出发点。染色体也好,DNA双螺旋也好, 都是如此,在这里,数学形式的逻辑推理派不上用场,结构的合理性才是最好的解释手段。另外,由于生物系统及其环境的复杂性,也必须限制在该领域建立一般视律或定律来解释详细细节,所以,生物学家在建立他们的理论体系时,通常更强调先在条件而不是一般规律。
从本世纪五十年代起,许多哲学家从不同方面对逻辑实证主义发起了进攻,出现了一系列新的科学哲学思潮。然而,实际上逻辑实证主义思想仍然在背后支配着许多人的行动。许多人仍然认为一般定律的多少是“好科学”的标志就是一例。然而,我认为,在科学中,除了普遍性推理之外,人们也需要结构性描述,并且在一定的背景中,结构性描述可能是非常重要的。所以,生物学中缺少定律而有更多的叙述性解释,并不一定是生物学的消极特征。生物学不但是一门真正的科学,而且其成就及其思维方式必然要引起哲学的新的变革。
参考文献
[1] J. J. C. Smart, Phibosophy and Scientific Realism, Routledge and Kegan Paul,1963.
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篇10
但是达尔文早就告诉我们,进化并不具有确定的方向,只意味着有变更的传代。对今天的生物学家来说,进化只意味着基因频率的改变。这种变更和改变主要是在自然选择作用下对变化着的环境的适应。适应是有方向性的,但是环境的变化是没有方向性的,因此生物的进化从长远来看也是无方向性的。包括人类在内的、现存的每一种生物,都经历了漫长的进化史,都是适应环境的结果,并无低级和高级之分。人类并不是进化的必然产物,而是跟其他生物一样,都是无数次偶然事件的结果。我们或许可以根据自然选择原理预测单个的进化事件,但是我们基本上无法预测一连串的进化事件。谁能够预测一种猿类的后代占据了地球的每一个角落,成为地球的主宰,而与他最亲近的物种却濒临灭绝?谁又能够预测人类这个物种的未来?
人类的进化,就像人类的历史进程,都是几乎不可预测的。但是,既然人们一贯热衷于预测人类的历史进程,我们也不妨猜测一下人类进化的未来走向。事实上,已有许多科幻作家幻想过未来人类将会是什么样子,比如将会有异常发达的大脑,有着具有x射线能力的眼睛,将变成超人,等等。这些幻想,都是根据拉马克主义的原则:用进废退,那些频繁使用的器官将会变得越来越发达。但是我们已经知道,拉马克主义并不成立。我们对进化的猜测,将只能根据达尔文主义:变异、生存斗争和自然选择。对于小群体来说,随机的基因漂移也扮演了相当重要的角色,对此,我们则完全无法预测。自然选择只是在原有的蓝图上修修补补,不可能造就完美无缺的生物。因此,也许只有这一点预测是我们有把握的:人类不可能经由自然选择进化成超人。
遗传变异是进化的来源,它最终由基因突变产生。较高的突变率对于具体的个体基本上是不利的,但对于进化则是有利的。人类基因突变率受到许多因素的影响,比如化学药物、放射性物质的诱变等。在工业化的社会中,新增加了许多人工诱变因素,像核技术、医疗放射以及日常生活中随处可见的化工产品(杀虫剂、食品防腐剂、化妆品等等),使人们不得不担心人类基因突变率会不会大大增加。但是我们要考虑到,自然界已存在了大量的诱变因素。比如,许多植物为了抵抗害虫,都进化出了各种各样的化学物质,包括诱变物质。据估计,被我们消化吸收的植物天然杀虫剂,是人工杀虫剂的10000倍。在食物腐败时,会产生更多的诱变物质,像黄曲霉素就是已知最厉害的诱变物质之一。与这些天然诱变因素相比,人工诱变因素其实是微不足道的。另一方面,在工业化的社会,人们有条件吃到更多的新鲜水果和蔬菜,它们大多含有抗诱变物质,有助于降低突变率。花岗石具有放射性,住在花岗石房子中的人会有较高的突变率,但是随着人工建筑材料的流行,这种危险性随之降低。总之,将各种因素考虑进去,我们难以断言在现代社会中,诱变因素会显著地提高人类的基因突变率。
生存斗争这一概念的提出,据达尔文所说,是受到马尔萨斯人口理论的启发。按马尔萨斯的理论,人类的生存斗争,是由于人口的增长引起的。但是事实上,人口的增长并不只意味着生存斗争的加剧。现代社会的人口增长,伴随着农业技术的进步,从而削弱、抵消了人口增长所产生的生存压力,其生存斗争的激烈程度未必就比人口稀少、但死亡率高、难以找到配偶的原始部落强。但是人口正在快速膨胀,如果不加控制,很快就会达到甚至超过自然界所能承受的极限,那时候,马尔萨斯的理论就会开始生效。如何控制人口的增长,避免生存斗争加剧,是当务之急。
现代医学的进步,大大减轻了自然选择对人类的影响。在从前,频繁爆发的瘟疫导致了大批死亡,是人类接受自然选择的一种重要方式。但是在现代社会,从前令人闻之色变的许多种瘟疫、传染病,都已被消灭或得到控制。不过,如果我们现在就声称传染病已不再是自然选择的因素,未免为时过早。各种各样的传染病仍然在落后地区流行、潜伏,随时有可能传播开去。新的传染病一比如艾滋病——也会出现,并可能对人类的进化产生影响。但是医疗技术的发展确定无疑地已使自然选择在许多方面失去了作用,最好的一个例子是婴儿死亡率的降低。大多数婴儿出生时的体重在3.6千克左右,那些体重较轻的或较重的都更容易在出生后的第一年内夭折。在过去,这种“稳定选择”导致大约1/20的婴儿在出生后的一个月内夭折。但是近二三十年来,随着妇产科技术的发展,这种稳定选择的强度在全球范围内都已大大降低,那些原先导致婴儿死亡的基因得到了医疗的保护而不被淘汰。还有更多的致病基因得到医疗的保护,比如,从前许多恶性遗传病的患者在成年之前就已死亡,而现在,通过治疗,他们中间的很多人可以活到成年并留下后代,自然选择已无法消灭这些致病基因。同样,自然选择对心血管疾病、癌症等现代社会的头号疾病也无能为力,因为在这些疾病开始发作的时候,患者大多已过了生育年龄。
这种情况使一些人非常忧虑,担心致病基因会越积越多,人类的遗传质量会越来越差,人类不仅不能进化成超人,反而会退化成亚人。这种危险在目前看来并不存在,因为人类的基因库也在越变越大,从而稀释、掩盖了有害基因的后果。在从前,人类主要由一些小型的、彼此孤立的群体组成,通婚范围很窄。在这种小群体中,有害的或有利的基因突变都会有显著的后果。但是随着交通、通讯的发达,这种情况迅速发生了变化。在19世纪的欧洲,乡村夫妇的出生地距离平均少于10千米,而现在,这个距离扩大到10倍。这种远距离通婚趋势在世界各地都会持续下去,未来的人类无疑会比现在更像一个单一的遗传群体。一个小群体所承受的自然选择压力更大,也更容易发生随机的基因漂移,因此进化速度会非常快速。而且,环境会对各个不同的小群体进行优胜劣汰的选择,他们中的一个或更多个能够更好地迎接新环境的挑战。10万年前人类的快速进化,可能正是得益于当时的部落式社会结构。但是从那以后,一人类的社会群体越来越大,进化速度也越来越慢。当地球最终成了地球村,全人类终于成为一个整体的时候,可能就意味着人类的生物进化已经停止。
那么,我们有没有可能用科学技术帮助人类进化呢?对此必须非常小心谨慎,在我们对人类的遗传和进化有透彻的了解之前,轻举妄动只能造成悲剧。在20世纪上半叶,当经典遗传学刚刚兴起之时,许多遗传学家踌躇满志,以为已经掌握了人类遗传的奥秘。那场旨在造就一代优秀人种的“优生学”运动,成了一个悲惨的教训。分子遗传学的发展,使得人们再次面临制造完美人类、建设一个“美丽新世界”的诱惑。再过几年,包含了30亿个碱基对的人类基因组序列将全部被测定,从此我们就有了一本隐藏着人类遗传的全部秘密的密码本。但是人类的密码本并非只有一本,人类的遗传有着极复杂的多样性,并不存在单一的标准。要了解所有的多样性,必须尽可能多地获得各种各样的密码本,这仍然需要相当长的时间。而且,手头光有了密码本也是远远不够的,更加重要的是破译密码的意义。要鉴定出人体中所有的10万个基因,了解由基因编码的所有蛋白质的结构、功能和相应的基因表达、调控机理,同样需要相当长的时间。也许还要再用一个世纪,我们才能真正拥有一座揭示人类生命奥秘的完整的宝库。
但是,我们已经开始了利用生物技术改造人类遗传的努力,对致病基因进行修复、更换的基因疗法已进入临床实验阶段。所有致病基因在将来都会被鉴定出来,基因疗法也会成为一项常规疗法,现在的许多不治之症将能够被根治。对这种代替自然选择淘汰致病基因、避免人类遗传质量下降的实践或许还少有异议,但值得我们关注的是,我们已有了克隆人的能力,并且在不太遥远的将来,也会有能力改变受精卵的基因,对下一代进行遗传设计,永久性地提高智力、体力、感官和其他各方面的能力。计算机技术和纳米技术的发展,也将会使我们能够在体内植入各种计算机芯片,修正、提高人体的各项机能。如果说,人类不可能通过自然的进化成为超人,技术的进步却提供了这种可能性。今天,高科技时代的人类在生物学上其实与旧石器时代的人类并无差别,但是在经历了几万年缓慢的生物进化之后,我们首次真正面临着利用技术改造人类身心的可能性,这些技术的发明和应用无疑都会引发一系列社会、伦理问题。最值得我们担忧的,是贫富悬殊的加剧:到那时候,富人将更有条件改造自己的身体和后代,贫富差距不仅仅是社会、经济的,也会是生物遗传的。那么,我们是不是应该利用技术设计、改造人类的遗传?这么做的后果将会如何?要迎接技术的挑战,我们将被迫不断地重新思考人究竟是什么这一最基本的伦理问题。
流行的观点认为,科学只能揭示事实而不能做价值判断,后一任务该由哲学、宗教承担。但是,价值判断离不开对事实的认定。没有科学基础甚或违背科学的价值判断,都必然是盲目的。人究竟是什么?这是一个哲学、宗教问题,更是一个生物学,特别是进化生物学的问题。至于我们应该如何看待人,什么样的伦理道德是最合适的,进化生物学能给我们许多有益的启示。
全人类和人类群体的关系:遗传学已揭示了人类遗传的高度同一性,将人类划分为几个种族,并无生物学的依据。人类群体之间的差异,主要的是文化差异。现代人类的进化,也基本上是文化进化,主要通过不同文化群体的竞争而实现。现代进化论也告诉我们,竞争并非总是要你死我活、弱肉强食的,在许多情况下,和平共处、相互合作是更为稳定、更为适宜的策略。被错误地贴上“社会达尔文主义”标签的斯宾塞主义并无科学的依据。丰富的变异是进化的基础,是适应新环境的必要条件。我们要学会宽容、尊重不同的文化。
群体和个体的关系:伦理道德历来意味着个体必须为了群体的利益而做出一定的牺牲。既然人类的文化进化是以群体为单位的,这种要求就是很自然的。传统社会过于强调群体利益而压制了个体权利,现代社会则走向了另一个极端。人是社会性的动物,获得认同的需求是人类一种重要的本能。但是对群体的认同感,又是建立在群体能够保护个体的权利之上的。我们又该如何确认个体的权利?就像一切有性繁殖的个体,没有两个人是一样的,每个人都有独一无二的形态、生理、心理和行为特征,因此每个人有着不同的天赋。这种多样性是人类社会的基础,它使得社会分工成为可能。一个健康的社会,是每个人都能够在合适的位置上发挥其天赋的社会。人人生而平等,仅仅是指在法律上和机会的平等,绝不意味着天赋的等同。以平等的名义无视人类个体的多样性,对个体、对社会都有害无益。我们要学会正视、尊重、利用人类个体的多样性。
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