单位文秘网 2021-07-08 08:17:06 点击: 次
(江苏省启东市启东中学 226200)
摘 要 中学生物学教学是一种科学化、大众化、普及化的教学,它的目的之一是培养中学生对生命现象及其生命活动规律研究的兴趣,对丰富多彩的生物界的热爱之情。在教材中大量列举模式生物,是为了让学生了解最基本的生命元素,能够把感性材料升华到理性的思考。对模式生物研究已经臻于完美,无论是形态、结构、生理,还是基因、作用、价值,人们都已知之甚多,所以作为生物教学的典型内容,它们当之无愧。学生也可从这些模式生物的学习中,窥得一般的生物科学规律,领悟到生物教学的精神所在。
关键词 模式生物 中学生物教材 酵母菌 大肠杆菌
中图分类号Q-49 文献标识码E
中学生物学教学在生物教学的过程中是一个独特的阶段,它既延续了小学生物教学的感性认识,又向着高等生物教学的理性归纳和延伸。虽然在中学生物教材中零零星星地罗列了多种生物,但这些生物的举例是经过生物专家、教育学者详细的研究,并非随意的点缀,而是为了满足教学的需要,这些列举的生物中包含了多种模式生物。模式生物在中学生物教材中的频繁出现,就是为了加深学生对特征生物的感性认识,对生物科学的本质体——生物有着根本的了解,从而能够为将来的高等生物教学作好铺垫。
所谓模式生物通常指人们研究生命现象过程中由于生物本身的特殊性可长期、反复作为研究材料的物种,例如果蝇、酵母菌、拟南芥等。人们在对这些物种的形态、解剖、生理、生化、细胞及遗传进行全面分析和归纳的基础上,把它们作为典范,将对其研究得出的规律,推演到相关的生物物种中,从而加快了对其他各种生物的研究。由于模式生物在现代生命科学舞台上扮演着举足轻重的角色,已经成为各国生物学家关注的焦点。
作为一名中学生物教育者,在长期的教学、教育研究过程中,逐渐体会到模式生物在生物教学中的地位日益突出,所以,有必要将中学生物教材中所出现的模式生物进行整理,以便于大家有全面的了解。
1 模式微生物
1.1 酵母菌
酵母菌,这个与人类日常生活密切相关的微生物,还是生命科学研究的好材料。在中学生物学教材中,酵母菌经常出现。它是典型的单细胞真核生物,它又是典型的兼性厌氧型生物,有着特殊的繁殖方式——出芽生殖。作为一种模式生物,它具有许多内在的优势:①酵母菌能够在基本培养基上生长,使得实验者能够通过改变环境控制其生长;②酵母菌基因组小,单倍体DNA容量仅为大肠杆菌的3.5倍,基因组大小为15 Mb,有16条染色体,大约有6000个基因,对其基因功能的研究十分有利;③酵母菌的生命周期短,适合经典的遗传学分析,使得在酵母菌16条染色体上构建精细的遗传图谱成为可能。
酵母菌作为模式生物的最好例子体现在人类遗传性疾病相关基因的研究中。人类的许多重要疾病如早期糖尿病、小肠癌均是多基因遗传性疾病,揭示涉及这些疾病的所有相关基因是一个困难而漫长的过程,酵母菌基因与人类多基因遗传性疾病相关基因之间的相似性将为提高诊断和治疗水平提供重要的帮助。通过连锁分析、定位克隆,然后测序验证而获得与此类疾病相关基因。
1.2 大肠杆菌
大肠杆菌属于革兰氏阴性短杆菌,大小为0.5x1~3μm。周身鞭毛,能运动,无芽孢、兼性厌氧,能发酵多种糖类,产酸、产气,是人和动物肠道中的正常栖居菌。婴儿出生后大肠杆菌即随哺乳进入肠道,与人终身相伴。大肠杆菌代谢活动能抑制肠道内分解蛋白质的微生物生长,减少蛋白质分解产物对人体的危害,还能合成维生素B和K。有杀菌作用的大肠杆菌素可在正常栖居条件下不致病。但若进入胆囊、膀胱等处可引起炎症。大肠杆菌在肠道中大量繁殖,几乎占粪便干重的1/3。
大肠杆菌是现代生物学中研究最多的一种细菌。在水净化和污水处理领域,大肠杆菌很早就被选作水污染程度的指示性物种,标志着有多少人类粪便存在于水中,其测量标准为大肠菌群指数。此外大肠杆菌多数情况下无害,不会从实验室“逃脱”而伤害人类。作为一种模式生物,其基因组序列已全部测出。用分子生物学方法在大肠杆菌得出的结论可用于其他生物的研究。此外,在生物工程中,大肠杆菌被广泛用于基因克隆和表达的宿主。
2 模式植物
2.1拟南芥
拟南芥是典型的十字花科植物,虽然没有任何经济价值,但因为具有一些独特的生物学特性而成为当今分子生物学家、遗传学家和发育生物学家的宠儿。作为模式生物,拟南芥具有以下优点。①个体小,成熟个体只有约15cm高,大量的植株可以种在一块很小的地方,而且也可在培养皿中生长。这对于植物学研究来说,取材十分方便,且生长条件易于控制,从而能排除因环境变化而导致实验结果的误差。②生长周期短,播种后2~3d就开始萌发,20d左右植株就开始开花结果,40d左右种子成熟并且每株能产生上万粒种子,这为子代性状分析提供了足够的群体,也大大缩短了遗传分析的时间。③拟南芥是典型的自交繁殖植物,开花后一般为自体受精。根据遗传分析需要,在实验室条件下也可进行异花授粉。经人工诱变或天然群体筛选可产生十分理想的拟南芥突变株。④拟南芥为二倍体植物,其单倍体染色体数为5,且生态类型多,分布广,基因组小,使得基因库的构建、筛选等过程变得简便、快速,很容易进行人工诱导(物理、化学、生物等手段进行人工诱变处理)产生遗传变异。特别指出的是,拟南芥核基因组是目前己知高等植物中最小的。由于除核基因组外,它的线粒体基因组和叶绿体基因组也早已完成序列测定,因此使其成为被子植物中第一个完成全部基因组测定的植物,这为遗传和分子生物学研究奠定了坚实的基础,从而也使其成为名副其实的模式植物。
2.2衣藻
衣藻是一种单细胞真核藻类,生活在淡水中。细胞呈卵形,有细胞壁、细胞质和细胞核;细胞质里有一个杯状的叶绿体。细胞前部偏一侧的地方有一个红色的眼点,眼点对光的强弱很敏感。衣藻细胞的前端有2根鞭毛,能够摆动,因而衣藻可以在水中自由游动。衣藻的全身都能够吸收溶解在水中的二氧化碳和无机盐,并且能够依靠眼点的感光和鞭毛的摆动,游到光照和其他条件都适宜的地方,进行光合作用,制造有机物维持自己的生活。
衣藻与酵母菌有许多共同之处,如生长周期简单,生长快,世代时间短,可以在平板上形成单克隆,也能进行液体培养,以单倍体与二倍体2种形式生长,能对其配子的发育过程进行分子分析。当然,衣藻也有其独特之处:光照和黑暗条件下均能生长,且能把外界提供的碳源与光合成的碳物质分开;是目前惟一能特异地对线粒体、叶绿体与细胞核分别建立转化系统的生物。显然,在酵母菌已经奠定了其模式生物的角色以后,再选择一个“绿色的酵母菌”来作为植物的模式生物,可谓之应运而生。因为许多细胞学问题
不可能在酵母菌中实现的,却能在衣藻细胞中成功完成,如:光合成的途径、生物的机动性、趋光性与感光、鞭毛、中心粒、轴丝与基体、植物细胞周期的调控与细胞识别、叶绿体的生物发生及其遗传、植物细胞的凋亡、叶绿体的转化以及叶绿体DNA的损伤与修复等。
3 模式动物
3.1 果蝇
模式生物中最熟知的物种之一是果蝇。三大遗传定律之一的“基因的连锁和互换定律”就是建立在果蝇研究的基础上的;染色体的鉴别与分析的典型材料也取自于果蝇幼虫的唾液腺细胞中的染色体;3次诺贝尔生理学或医学奖的研究材料也正是果蝇(1933年摩尔根,1946年缪勒,1995年刘易斯、尼尔森·沃哈德和维斯郝斯)。作为模式生物,果蝇具有以下几个方面的优点:①个体小,易培养,一般在一个小试剂瓶中可培养上千个果蝇,且只需喂饲十分廉价的食物;②繁殖迅速,繁殖能力强;生命周期短,生活史包括卵、幼虫、蛹和成虫4个阶段;在实验室条件下,一般12 d就可完成世代交替;③在显微镜下甚至用肉眼就能区分雌雄,这十分有利于遗传分析;④具有几十个易于诱变分析的遗传特征,并保持有大量的突变体;⑤基因组小,只有4对染色体,且幼虫唾液腺细胞中染色体巨大,可十分方便地进行染色体鉴别与分析;⑥胚胎发育速度快,其胚胎发育过程是观察分析卵裂、早期胚胎发生和躯体模式形成等发育调控机制的绝佳材料。
基于清晰的遗传背景和便捷的遗传操作,果蝇在发育生物学、生物化学、分子生物学等领域也都占据了不可替代的位置。随着神经科学的兴起,许多遗传操作在该领域不断发展和成熟,为在果蝇中进行神经科学的研究打下了坚实的基础。总之,果蝇在近一个世纪以来的生物学舞台上占有举足轻重的地位,在各个领域的广泛应用使其成为一种理想的模式生物,为人类探索生命科学的真谛做出不可磨灭的贡献。
3.2线虫
线虫是低等的原生动物,体长1mm,一般只能活20d,可使研究更容易一些,结果知晓得更快一些。线虫通身透明,观察十分容易。更为重要的一点是,它是惟一一个身体中的所有细胞能被逐个盘点并各归其类的生物。它的幼虫含有556个体细胞和2个原始生殖细胞,成虫则根据性别不同具有不同的细胞数。最常见的雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和2 000个生殖细胞,而较少见的雄性成虫则有1031个体细胞和1000个生殖细胞。通过20年的努力,到20世纪90年代中期,人们已经建立了完整的线虫从受精卵到所有成体细胞的谱系图。这意味着,它机体里每一个细胞的来龙去脉都处于人类的视野中,清晰并且无所遗漏。
2002年诺贝尔生理学或医学奖,“程序性细胞死亡”理论就是以线虫为实验对象而得出的。2006年的诺贝尔生理医学奖,“RNA干扰现象”也正是建立在对线虫的研究基础上获得的。因此,线虫那独特的特征让它成为了超级模式生物,而且目前似乎没有更好的生物模式能取代其在实验室研究领域的第一地位。
3.3 小鼠
小鼠,生物分类学上属脊椎动物门、哺乳动物纲、啮齿目、鼠科、鼷鼠属、小家鼠种。小鼠对外界环境反应敏感,适应性差。强光或噪声刺激时,可能导致哺乳母鼠神经紊乱,发生食仔现象。温度过高或多低时,小鼠的生殖能力下降,严重时会发生死亡。小鼠生长发育快慢与品系、营养、环境、带仔数的多少、生产胎次有密切关系;生育期为1年,寿命达2~3年;染色体为20对。从17世纪小鼠开始被用于解剖学研究及动物实验,经长期人工饲养选择培育,已培育成多达千余个独立的远交群和近交系。由于小鼠繁殖快,饲养管理费用低,所以成为生物医学研究中广泛使用的模式生物,也是当今世界上研究最详尽的哺乳类实验动物。
目前全世界每天约有2500万只小鼠被用于生物医学研究,以小鼠为对象的研究已经获得了17项诺贝尔奖。小鼠胚胎干细胞的分离和基因敲除技术的应用,更为以小鼠为对象的发育生物学研究起了推波助澜的作用。1999年,美英几家大型科研机构成立了小鼠基因组测序的合作团体,2002年8月,他们公布了小鼠基因组物理图谱的框架,2005年成功完成了完整的小鼠基因组图谱。
人类对自然界生命现象的认识和理解依赖于模式生物,人类对自身生命的认识和理解,同样也依赖于模式生物。模式生物中很多基因与人类具有很高的同源性,通过对模式生物基因结构和功能的研究可以阐明人类相应基因的功能。综上所述,模式生物己经在现代生命科学基础研究中具有不可替代的重要地位。
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