1、新教材遗传与进化中 9 个疑难问题解惑1.1.艾弗里实验中要先去掉绝大多数蛋白质，那么艾弗里实验中要先去掉绝大多数蛋白质，那么 RNARNA 和脂质呢？和脂质呢？问这个问题的老师他一定对艾弗里实验有比较深入的研究。 因为我们的教材只是简单地进行了描述，说，“20 世纪 40 年代，艾弗里和他的同事将加热至死的 S 型细菌破碎后，设法去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质，制成细胞提取物。”所以这个地方其实并没有说去掉的是大多数蛋白质，也没有说没有去掉 RNA 和脂质啊，所以老师们提出这个问题一定是对这个实验有研究。那么我们来看一下，尽管教材没有讲，但是我想可以跟老师们深入的说一下这个实验是怎么做的。艾
2、弗里他们呢是这样提取这个细胞提取物的，首先，他们将 S 型细菌用盐溶液来漂洗，然后用氯仿抽提数次。用氯仿抽提是什么意思呢？就是用氯仿和这个盐溶液混合，混合之后震荡。因为氯仿它可以使蛋白质变性，同时还是脂溶性的，所以在这个抽提过程中，脂质和蛋白质就会被提取出来。拿到这个混合物之后再离心，取上清液，上清用乙醇沉淀，乙醇可以把核酸还有少量的蛋白质沉淀下来，再将这个沉淀溶到盐溶液里头。这个时候呢，他们做了这一步，就是加入了水解多糖的酶，在 37进行消化，消化完之后呢，再用氯仿进行抽提。这个氯仿就可以继续除去这个水解多糖的酶， 以及残留的蛋白质和脂质。最后，离心，再用乙醇沉淀，就制得了这个细胞提取物。刚
3、才说了氯仿是脂溶性的，脂质可以溶于氯仿。而 RNA 非常的不稳定，比较容易分解，所以最后获得的这个细胞提取物，它是以 DNA 为主，但也有少量的 RNA 以及微量的蛋白质和脂质。提取过程：将 S 型菌用一种盐溶液漂洗，然后用氯仿抽提数次，离心后取上清液上清液用乙醇沉淀将沉淀溶于盐溶液加入水解多糖的酶，37消化 46 h再用氯仿抽提，离心后取上清液用乙醇沉淀制得了“细胞提取物”。2.2.为什么在艾弗里实验中，其中一组用的是为什么在艾弗里实验中，其中一组用的是“酯酶酯酶”，而不是磷脂，而不是磷脂酶？什么是酯酶？酶？什么是酯酶？为什么在艾弗里的实验中，其中一组用的是“酯酶”，而不是磷脂酶？什么是酯酶
4、？请看教材的插图（必修 2 第 44 页图 3-3），其中中间这一幅图我们用的是这个“酯酶”。 为什么用这个词？因为这样做是尊重事实。 在艾弗里的实验中用的这个“酯酶”是三丁酰甘油酯酯酶（tributyrin esterase），而不是磷脂酶（phospholipase）或脂肪酶（lipase）。那么这个酯酶和磷脂酶有什么样的区别呢？那就要看酯和脂有什么区别。前面这个酯，它是一种有机酸和醇发生酯化反应生成的物质，其中的酸和醇在一定范围内是任意的。而我们教材必修 1 讲，脂质中常见的脂肪是三分子脂肪酸和一分子甘油形成的，而磷脂与脂肪的不同在于甘油的一个羟基与磷酸或其他衍生物结合。所以从概念以及结
5、构式去比较的话，我们就知道这里的这个酯，实际上是范围更广、概念更大，它包含脂肪、包含磷脂。所以我们推测这个酯酶，是能够将酯水解为酸和醇的。考虑到三丁酰甘油酯和磷脂结构上的相似， 我们推测艾弗里实验中所用的这种三丁酰甘油酯酯酶对磷脂等脂质可能会有作用。但是大家也不用太纠结，因为在刚才讲过的前期的这个提取过程，实际上已经将大部分脂质都给溶解，都给提取走了。3.3.艾弗里实验的过程艾弗里实验的过程， 新版教材与上一版教材相比有较大改动新版教材与上一版教材相比有较大改动， 请问请问上一版教材中的内容，科学史中并没有真实发生，是吗？上一版教材中的内容，科学史中并没有真实发生，是吗？新教材上的艾弗里实验是
6、在 1944 年发表的有关遗传物质本质的第一篇论文的原文基础上精简编写的，也就是说，新教材的这个修改呢，体现了对科学史原貌的尊重。 原教材记录的这个艾弗里的实验是后来改进的做法，也是我们现在通常都能够想到的、认为比较好的一种做法。而当时的编写呢，实际上是参考了一些大学教科书的写法。从这个新旧教材之间的比较， 实际上大家看到我们的新教材也是在不断地更新，而这种更新可以归功于近些年咱们科学史研究的一些进步。这是第三个问题。因为艾弗里的实验变化比较大，所以老师们问的问题也比较多，我就在前面集中地做了一个解说。4.4.“四分体中的非姐妹染色单体之间经常发生缠绕四分体中的非姐妹染色单体之间经常发生缠绕，
7、 并交换相应的片并交换相应的片段段”，这里继续定义为，这里继续定义为“交叉互换交叉互换”可以吗？可以吗？在细胞生物学这个领域中研究减数分裂时， 一般人为地将减数分裂的前期分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和浓缩期等五个阶段，而互换一般发生在粗线期。 此时四分体中的非姐妹染色单体之间可以发生互换，互换的结果就是交换了相应的染色体区段。接着，两条同源染色体分开，进入到后一个时期，这时才能观察到交叉这个现象。因此我们简单地来说的话，如果我们按照时间顺序的话，互换发生在交叉之前。因此我们认为，就是用“互换”或“交换”就可以了，不要再用“交叉互换”。实际上咱们要仔细看一些专著的话，基本上也不太用交叉互换
8、这个词，这是第一点。第二点我想说的是，就是老师们在教学中不用让学生记住这样一个定义，不用给出这样一个定义，知道这个定义我觉得意义不是很大，我们认识互换这种现象，认识互换背后的意义实际上更重要。5.5.镰状细胞贫血是由隐性基因引起的遗传病镰状细胞贫血是由隐性基因引起的遗传病， 还是由显性基因引起的还是由显性基因引起的遗传病？遗传病？判断显隐性的关系，要看依据的表型和性状是什么。镰状细胞贫血是由一对隐性基因 HbSHbS 控制的遗传病，患者表现为严重贫血、发育不良，多在幼年期死亡。在显微镜下观察患者血液，如果使血液不能接触氧气，则全部红细胞都变成镰状，由此得名。我们再看杂合子，杂合子（HbAHbS
9、）一个基因是正常的，另外一个基因是 HbS，杂合子的表型正常，一般无临床症状。但是，把他们的血液放在显微镜下检验，不使其接触氧气，也有一部分红细胞变成镰状。因此我们从临床角度来看，这个 HbAHbA 就是正常人群，肯定是没有临床症状的。那么杂合子呢？他也没有临床的症状，只有隐性纯合才表现出贫血，是贫血患者。因此我们从临床的角度来看，这个 HbS 基因对 HbA 是隐性的。刚才说了，正常的人群，他们的血液一定是没有镰状细胞的，但是杂合子有一部分细胞在缺氧情况下会变成镰状， 而纯合子贫血患者的细胞在缺氧的状态下都会变成镰状。因此，从镰状细胞的有和无来看，这个 HbS 基因对 HbA 基因又是显性的
10、了。我们还可以从第三个标准确定，就是从镰状细胞的数目来看。正常人群他没有镰状细胞，是无， 而杂合子有镰状细胞， 但是镰状细胞数量少， 正常细胞数量多，而纯合的贫血患者他的镰状细胞是非常多的。因此在这种情况下呢，HbS 基因对 HbA 基因就又变成了不完全的显性。由此可见，如果我们改变判断的标准的话，这个基因是显性还是隐性，其实也有可能发生变化。那么教材在第 92 页的表述说，镰状细胞贫血是一种隐性致病基因引起的遗传病，这是从疾病的角度来说的。因此说这种疾病是隐性遗传病的这种表述是没有问题的。 这个问题我们是经常在读者来信中看到的，我在这儿还想强调一下，就是老师们知道这个疾病是隐性遗传病即可，
11、不需要在教学中过多地向学生渗透这个如何判断显隐性这方面的内容。6.6.表观遗传引起的变异，属于可遗传变异吗？表观遗传引起的变异，属于可遗传变异吗？表观遗传确实是一块新增加的内容， 它甚至有些颠覆我们的传统遗传学，所以确实有很多的老师在反映（这个问题）。我们先看看表观遗传它的定义，我引用刘祖洞先生编写的遗传学（第三版）上的表述，“表观遗传指的是在 DNA 序列不改变的情况下，基因功能发生的可遗传的变异，最终可导致表型改变，包括 DNA 的甲基化、组蛋白修饰、 RNA 介导的基因沉默等。 ”因此按刘祖洞先生编著的 遗传学 （第三版）上的说法，他们认为表观遗传是一种可遗传的变异。但是，就在这本书中这
12、段话紧接着的内容又说，“也有人定义，由 DNA 甲基化、组蛋白修饰、RNA 介导的基因沉默等因素造成的染色质结构的变异，可改变染色质的表达活性，但不一定可遗传。”在这里，他们给出了另一些人的其他看法，就是这个表观遗传不一定有可能遗传，也有可能不遗传。我们再看看另外一本书，由戴灼华、王亚馥两位先生主编的遗传学。他们在这本书中对表观遗传的概念有三种表述，第一种是， 不依赖于 DNA 序列改变的、 “可遗传”的个体表型的改变；或在基因本身的 DNA 序列未变的情况下， 基因在表达和功能上发生的“可遗传”的变化。这里面有几个关键点，第一是 DNA 序列没改变，第二是个体表型改变，第三个是强调了可遗传。
13、但是，第二种表述怎么说呢？第二种表述说不改变 DNA 序列， 而是通过改变染色质的结构与活性改变基因的表达与功能，并最终造成个体表型的改变。它里面也强调了以下几点，第一个是 DNA 序列不变，第二个是染色质的结构或者是活性有改变，从而导致基因表达与功能改变。但这个描述里没有强调可遗传。第三点是不改变 DNA 的序列，通过改变染色质的结构和活性改变基因的表达与功能，并最终产生可遗传的个体表型的改变。这里面也强调了可遗传。那为什么同一本专著里头它有 1-2 个或者是 1-3 个不同的关于表观遗传概念的定义呢？我想可能还是因为就是这个概念在学术界还没有形成完全统一的一个定义。 我们最后也是征求了很多
14、专家的意见，包括咱们国家专门做表观遗传研究的院士，最后得到了他们的这个普遍认可，我们给出了这样的一个定义。这是教材中的黑体字，就是，“生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象，叫作表观遗传。” 所以我们认为，一般来讲表观遗传是可遗传的。而实际上从教材中的例子我们也可以看出来，一个是柳穿鱼，是一种植物。它的花会因为表观遗传的修饰造成花型的改变。左边的植株 A 是正常的花，表现为两侧对称，还有一种开反常的、辐射对称的花型的植株 B。如果让这两种植株进行杂交的话，那么所得的这个 F1 的花是与植株 A 相似，也就是说 F1 主要开的是这种正常的花。F1 自交得到的 F2 中
15、，绝大部分植株的花与植株 A 相似，绝大部分是正常的花，但也有少部分植株开的花与植株 B 相似。可见，在 F2 中又出现了反常的花。那么这就是一种遗传的表现。 但这里我们为什么说的是绝大部分和少部分呢？因为它的数值（性状分离比）不符合孟德尔遗传规律。在这儿，我们也设置了专门的思考题，去讨论 F1 的花为什么与植株 A 相似？F2 植株的花为什么又与植株 B 相似。实际上，（我们设置）这个问题就是引导学生去注意到这种现象是可以遗传的。但是我想，这个遗传恐怕不是我们传统意义上讲的非常稳定的一种遗传。实际上也有研究表明，有些表观遗传现象可以遗传几代，几代之后可能这个现象就慢慢的减弱，甚至消失不见。这
16、快内容确实非常新，还处在研究热点之中，它的概念、实例等等还处在不断的更新中，我想老师们在教学之前、在教学中也可以多去了解有关表观遗传的一些知识。7.7.“基因重组能产生进化的原材料基因重组能产生进化的原材料”，正确吗？，正确吗？我个人认为这句话是正确的。教材给出的基因重组的概念是这样说的，是指生物体在进行有性生殖的过程中，控制不同性状的基因重新组合。那么基因重组的结果是什么呢？就是产生了大量的变异类型。但是大家注意，基因重组产生的是新的基因型，而不产生新的基因，因此产生的是不同的性状组合， 而这个不同的性状组合对环境的适应能力可能也是不同的，可供自然选择，所以说基因重组也是生物进化的原材料。8
17、.8.教材内删减了关于苯丙酮尿症的解释教材内删减了关于苯丙酮尿症的解释， 但在习题中展示了但在习题中展示了， 那我们那我们需要采取跟旧教材一样讲解的方式吗需要采取跟旧教材一样讲解的方式吗? ?在引导学生学必修 2 的时候， 不可避免地要涉及到很多遗传病和其他生物身上的性状。我想这样的题目重点是训练学生的思维、运用概念的能力，训练他们的推理能力，而不是让学生去了解像苯丙酮尿症这种疾病的症状。所以教材如果删去了关于苯丙酮尿症症状的一些内容，我想这些内容就不需要再讲了。新教材在涉及苯丙酮尿症的题目中特意增加了一问， 这一问涉及我国政府启动的对于苯丙酮尿症患儿进行帮扶的项目，叫特殊奶粉项目。我想我们增
18、加这个内容的目的主要是凸显党和政府对一方面患者的关爱，引导学生去关爱遗传病患者，并认同党和国家的做法，进一步增强爱国情怀。有老师也问说这个社会责任不知道怎么落实， 我想通过这样的例子去引导学生爱国，这就是我们在落实社会责任。9.9.为什么先讲遗传规律，再讲减数分裂？为什么先讲遗传规律，再讲减数分裂？这个问题实际上是刚才我在后台看到有老师问我临时增加的。 我想有必要向老师们再解释一下教材的编排思路。除了要落实党的教育方针、落实学科核心素养等等之外。在编写必修 2 教材的时候，我们主要是遵循课标的这个聚焦大概念的这样一个理念而编写的。首先，我们要围绕着两条大概念去组织内容。必修 2 有两条大概念：
19、概念 3 遗传信息控制生物性状并代代相传， 概念 4 生物的多样性和适应性是进化的结果。那么，概念 3 涉及的原理、理论、概念要更多，而且还是学习概念 4 的一个基础，所以它俩之间的这样的一个顺序，包括概念3、4 的下位概念的顺序，决定了教材大致的一个安排。这是第一的理念、编写的第一个考虑。第二个考虑，就是我们要考虑在聚焦概念的基础上要把教学内容定位在基因的水平。 因为现在咱们的科技发展水平，包括我们平时的生活，经常能接触到基因这个词，所以把教学内容定位在基因水平，学生是可以理解的。第三个考虑就是我们可以按照科学发展的历史进程安排。因为人类认识基因的过程，与学生去学习的这样一个思维过程实际上是
20、非常吻合的。 首先我们会碰到第一个问题，就是人类是怎样认识到基因的存在？那么，这就对应于我们教材的第一章遗传因子的发现。知道有一个遗传因子后来被命名为基因之后， 人类就会想这个基因到底在哪里？这样就引出了我们的第二章基因和染色体的关系，知道基因在染色体上。知道基因在染色体上之后，人们就去研究基因到底是什么。既然在染色体上，那么它到底是染色体上的什么呢？这就引出了我们的第 3 章 基因的本质。知道了基因的本质之后，人们又去探索基因的功能，这就对应着基因的表达。后面我就不再说了。这里的关键点就是为什么要把遗传因子的发现放在减数分裂之前？第一，是尊重了科学研究的顺序。因为孟德尔在 19 世纪研究发现
21、遗传因子的时候，他是非常孤独的，只有他进行了这样的一个伟大的发现。那是不是与此同时没有科学家再做别的事情呢？实际上不是，因为在细胞学领域，人们也在观察细胞中的变化，发现了一些减数分裂过程中染色体的变化。于是到了 1900年前后，细胞学研究和遗传学研究它们相遇，最后才有了这个萨顿对基因在哪里的一个预测以及后续证明基因在染色体上的这样的一个个结果。 所以说这样安排很好地体现了科学研究的一个顺序。因为科学就是一个不断发展的过程，而学习科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路去理解， 沿着科学的本质去理解科学研究的思路和方法，也可以进行整个科学精神方面的培养，而这些内容我想对于提高学生的生物学学科核心素养都是很有意义了。
