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表观遗传内容在发展学生核心素养中的价值和教学策略

[日期:2017-07-19] 来源:生物学教学 2017年第4期  作者:张秀红 [字体: ]

摘 要 表观遗传是指 DNA 序列不变的情况下基因的表达发生变化,最终导致表型变化。表观遗传内容对学生发展核心素养具有重要价值,有利于学生更好地认识生命的本质和科学本质,形成科学精神,养成健康的生活方式,树立社会责任感。中学生物学教师应重视运用问题情境,利用典型生活实例,围绕核心概念开展表观遗传内容的教学。

关键词 表观遗传    中学生物学  核心素养  教学策略

    我国高中生物学课程主要围绕细胞、遗传、进化、稳态、生态系统等概念展开。随着生物学的迅猛发展,这些概念的内涵也在逐步完善。近年来,最引人注目的是表观遗传对生物的发育、遗传、进化等机制有了新的解释,为人们理解生命的本质提供了一个新的视角。

    什么是表观遗传? 表观遗传内容在中学生物学课程中有何价值? 在实际的生物学教学中怎样落实表观遗传内容的教育价值? 本文对上述问题进行探讨。

1 表观遗传概述

    经典遗传学认为遗传的分子基础是核酸,储存在 DNA 序列中的遗传信息可以从 DNA 流向 RNA 并指导蛋白质的合成,进而决定生物的性状。基因与性状是相互对应的,基因型决定表现型。基因序列的改变可以引起表型的改变,这种改变可以从亲代传到子代。然而,许多生命现象却无法用经典遗传学理论来解释。例如,人体所有细胞的基因组完全相同,为什么会出现功能不同的器官? 儿童期或者胚胎期受到的刺激为什么会影响人的一生,甚至对后代也产生影响? 所有这些问题都指向一个答案: 在基因组编码规则之上,还存在一种复杂而精细的调控机制,它可以使具有完全相同的基因组编码序列的细胞或个体表现出截然不同的性状。

    所谓表观遗传( Epigenetics) ,指的是 DNA 序列不变的情况下,基因的表达发生稳定、可遗传的变化,最终导致表型变化。目前已知的表观遗传调控机制包括 DNA 甲基化( DNA methylation) 、组蛋白修饰( histone modification ) 、非 编 码 RNA ( noncoding RNA, ncRNA) 的调控等,主要调控基因在转录水平的时空特异性表达。简单而言,DNA 提供了生命的蓝图,表观遗传调控就像开关,可以调控邻近基因是否表达、表达多少或者怎样表达,但并不对基因序列本身进行改变。表观遗传修饰可以通过有丝分裂和减数分裂在细胞和个体的世代间传递,对细胞或个体产生持续性的影响。

2 表观遗传内容对发展学生核心素养的价值

2.1 有利于学生更全面地理解生命的本质,形成正确的生命观念表观遗传从分子水平揭示了环境、基因和性状三者之间的关系,发展和完善了中心法则、基因等概念的内涵,为学生更深入和全面地理解生命的整体性、复杂性和多样性提供了理论基础。

    首先,表观遗传更加全面地揭示了基因和表型之间的关系,有利于学生深入理解生命的信息系统。遗传密码信息理论已经不足以解释生物体进化和发育中的表观遗传现象。DNA 并非遗传信息的唯一载体,储藏在表观遗传修饰中的遗传信息同样重要。环境影响可以改变生物的性状,这些获得性的表型变化以表观遗传修饰等形式记录下来,并调控生命活动中特定基因的表达,这种后天获得的表观遗传信息也可以遗传给后代的细胞和个体。表观遗传信息是动态的、可逆的,它更灵活多样,更易受到环境的影响,对特定蛋白质的表达量有更好的控制。DNA 序列中的遗传信息和表观遗传信息是相辅相成的,表观遗传修饰必须依赖于基因,单纯的表观遗传信息是无法传递下去的。因此,我们可以把两者看作是遗传信息质与量的统一,它们共同组成生命的遗传信息系统,在整个生命过程中都发挥着重要作用。

    其次,表观遗传对“达尔文进化论”进行重新审视,有利于学生从更广阔的视角理解生物进化。表观遗传修饰能从亲代传递给子代并产生持久稳定的差异,说明其在生物进化中也起着关键性的作用。表观遗传在几代之内就可以改变生物的性状。可能的解释是它可以通过快速地激活或沉默基因的表达,更好地适应环境的变化,DNA 序列的稳定性使其很难胜任这一角色。表观遗传还可以对性状进行长时间地筛选,以确保那些真正能够更好地适应环境的性状被保留下来,并将其固化为基因型。因此,表观遗传很可能是进化历程的中间过渡阶段。

2.2 有利于学生理解科学的本质,形成科学精神表观遗传揭示了细胞分化过程中基因选择性表达的分子机制,拓宽了人们对中心法则等概念的理解,说明生物学知识体系的开放性。在新的证据下,人们会不断修正和完善已有的观念。早期人们对于是否存在表观遗传、表观遗传修饰能否跨代遗传等问题存在很大的争论,表观遗传学家选用小鼠等模式生物设计了一系列精巧的实验,为这些问题寻找答案并达成共识。他们在研究过程中不迷信权威,勇于探究,这些品质对学生科学精神的形成有示范作用。随着技术的发展,生物信息学和新一代测序技术使得全基因组测序和大批量数据的分析成为可能,新的 DNA 编辑技术可以更加高效便捷地建立转基因和基因修饰的动物模型,可以为表观遗传的研究提供技术上的支持。表观遗传在人类健康领域具有巨大潜力。目前,对于癌症和非癌症药物的研发也更加集中在表观遗传酶的抑制剂上。这些对于学生深入理解科学、技术和社会的关系有重要价值。

2.3 有利于学生养成健康的生活方式,树立社会责任感表观遗传修饰的异常可以导致疾病的发生。饮食和环境等都会对表观遗传修饰产生影响。例如,可卡因等毒品可以对大脑中的组蛋白修饰产生影响; 吸烟可以造成全基因组甲基化水平的升高; 环境中的农用激素和农药都可能使人类产生可遗传变异,而且这种影响可以持续数代。

    总之,健康的生活方式、饮食习惯以及良好的环境,对我们自身和后代的健康都有长远的影响。这些对学生养成绿色生活方式、树立保护环境的意识,形成可持续发展的理念都具有重要意义。


3 高中生物学课程中开展表观遗传内容教学的策略

3.1 创设问题情境,设置认知冲突,激发学生的学习兴趣 教师在教学中,应该充分利用表观遗传和经典遗传的相异之处,从表观遗传现象的实例引入。例如,人体的所有细胞具有完全相同的基因组,为什么在细胞的形态和功能上存在很大的差异? 女性怀孕期间遭受营养不良对孙代的体重会有影响,是什么导致了这种跨代的遗传? 这些表观遗传现象使学生意识到已有的经典遗传学知识无法作出解释,从而引发认知冲突。教学中还可以设计问题串。例如,细胞分化过程中染色质的结构发生了什么改变? 何种表观遗传调控机制参与了染色质的改变? 表观遗传修饰又是如何通过细胞分裂传递给下一代的? 学生通过对这些问题的逐层思考,逐步理解表观遗传概念的各个方面。

    总之,合理地设置认知冲突,能激发学生的学习兴趣和求知欲,激活学生的思维,提高学生分析问题、解决问题的能力; 同时,也能改变教学过程枯燥的状况,使得教学过程跌宕起伏,充满迷人的教学魅力。

3.2 运用典型实例,帮助学生理解概念教师可以选择生活中表观遗传现象的典型实例。例如,玳瑁猫的两条 X 染色体中会有一条随机失活,控制毛色呈黄色或黑色的基因也只有一个起作用,使玳瑁猫的毛色呈黄、黑花斑状分布,非编码RNA、组蛋白修饰共同参与了这一过程。类似的案例还有 agouti 小鼠的毛色,它展示了 DNA 甲基化是如何使遗传上完全相同的个体表现出不同的表型。这些案例可以为学生了解表观遗传的调控机制提供直接的证据,也有助于学生在真实的情境中提出问题和解决问题,帮助学生深刻理解概念。

3.3 重视核心概念,帮助学生建构遗传的概念网络遗传学中的知识点多而零散,在表观遗传内容的教学中,教师要注意在核心概念的框架下建立知识之间的纵向联系和横向交叉,打破学生对概念表面化和片面化的理解,以“环境 + 遗传信息→性状”这一主线将概念串联为具有逻辑关系的概念网络。在具体的教学实践中,可以利用概念图、思维导图等工具直观呈现出概念的逻辑关系和发展脉络。高中阶段加入“表观遗传修饰也是一种遗传信息,它可以适时、适地、适量控制基因的表达从而控制性状”的内容,可以帮助学生更全面和深入地理解基因如何控制性状。

3.4 关注表观遗传的应用价值,拓展学生的视野表观遗传在生物体的生长分化、生殖繁衍、胁迫抗性和疾病等领域都有巨大的应用价值。教师可以利用研究性学习等活动引导学生关注表观遗传的最新进展及其在农业、医疗方面的实践应用,拓展学生的视野,使学生运用科学和技术造福人类的价值取向得到强化。

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