邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

[去科技馆学科学]生物遗传的秘密

崔胜玉/中国科学技术馆

2018-12/总第273期

阅读数2

微信图片_20181225090053.png

自然界的生物多姿多彩,即使是同一种生物,它们之间也或多或少有所不同。2017年颁布的《义务教育小学科学课程标准》在课程内容“生命科学领域”中指出,学生应掌握学习内容“生物体的后代与亲代非常相似,但也有一些细微的不同”。简单地说,这种不同的表现就是生物的各种性状,而控制性状的“幕后”操纵者就是基因。

基因是遗传的物质基础,通过复制把遗传信息传递给下一代,使后代出现与亲代相似的性状,那基因是什么呢?它是如何控制遗传性状的?又是谁最早发现了这个规律呢?到中国科技馆“探索与发现”B厅“生命之秘”展区,体验“孟德尔豌豆实验”“显性与隐性”和“解读基因密码”3件展品,你会在这里探寻到答案。

展品1:孟德尔豌豆实验

古人云“种瓜得瓜,种豆得豆”,但是同一植株长出的瓜会有形状区别,同一植株上长出的豆也有颜色差异。150多年前,一位名叫孟德尔的科学家,经过长达8年的豌豆杂交实验和分析,发现了让人惊讶的规律:每对杂交的子一代都表现出相同的性状,但子一代自花授粉产生的子二代就发生性状的分离,其中,显性类型数目与隐性类型数目接近3∶1。由此,孟德尔提出颗粒性遗传因子的概念,并推论遗传因子在生物的体细胞中成对存在,体细胞形成生殖细胞时,成对的遗传因子发生分离,并分别进入不同的生殖细胞中,即遗传分离法则:一对等位基因在形成配子时彼此分离,分别进入一个配子中。根据自由组合定律,不同染色体上的基因在配子形成时是彼此自由、随机地被组合到子细胞中的(如图1)。

201812qjkgx1-1.jpg

图1 孟德尔豌豆实验原理图

“孟德尔豌豆实验”展品由杂交实验阶梯形操作台、大型豌豆模型、背板等组成。操作台分别对应1块贴有光电膜的玻璃板,豌豆模型可以从操作台桌面洞中弹出(如图2)。

201812qjkgx1-2.jpg

图2 展品“孟德尔豌豆实验”结构示意图

观众按压操作台上第1阶梯的圆滑豌豆和皱缩豌豆种子模型时(杂交授粉),贴有光电膜的玻璃板即逐渐显现豌豆苗长高、开花、授粉的发光图案。结束后,在操作台第2阶梯桌面洞中弹出代表第2代的种子模型(4个全部为圆滑豌豆)。观众按压第2代种子模型中任意1个(自交授粉)时,可观看贴有光电膜的玻璃板演绎豌豆苗生长、开花、授粉过程。操作台第3阶梯桌面洞中弹出代表第3代的种子模型(3个为圆滑豌豆模型,1个是皱缩豌豆模型)。展品通过实体模型再现了豌豆子一代杂交及子二代自交的过程,观众可以通过动手探索方式,总结思考其中的规律,了解生物遗传的相关概念。

孟德尔豌豆杂交实验是人类探索遗传规律进程中的一项重要实验,这一发现具有跨时代的意义。可以肯定地说,孟德尔是现代遗传学的奠基人,孟德尔遗传定律对科学探索和人类社会发展产生了深远的影响。

展品2:显性与隐性

在生物体细胞中,除了与性别决定有关的性染色体外,还有与性别决定无关的染色体,它们成对存在,我们称之为常染色体。在体细胞中位于常染色体上的基因也是成对存在的,我们称这些基因为等位基因。在等位基因中,能够得到表现的基因称为显性基因,它控制的性状为显性性状;没有表现的基因称为隐性基因,它控制的性状表现为隐性性状。当生物繁殖时,成对的基因随成对的染色体的相互分离,分别进入到不同的精子或卵子细胞中(减数分裂),受精后,带有不同个体基因型的精子与卵子结合,在下一代的细胞中组合(受精卵),形成了由此组合而控制相应性状的遗传基因。如果用A表示为有耳垂,a表示为无耳垂,那么基因型Aa的性状表现为有耳垂,aa的性状表现为无耳垂。假定父亲有耳垂(Aa),母亲有耳垂(Aa),那孩子有耳垂的概率是75%,无耳垂的概率是25%(如图3)。

201812qjkgx1-3.jpg

图3 有无耳垂遗传图解

中国科技馆“显性与隐性”展品由显隐性遗传基因图谱、嵌入式的显示屏及图文板组成(如图4)。

201812qjkgx1-4.jpg

图4 展品“显性与隐性”结构示意图

观众在遗传图谱右下方选择点击代表1种性状类型的发光按钮,如舌头、眼睛、头发、耳垂、大拇指,再到展板显示双亲性状图谱旁按相应的切换按钮,分别选定屏幕中显现双亲对应此性状的具体表现图片,如小耳垂、大耳垂,最后点击图谱下方的OK键,观看图谱中代表祖辈相应性状和子辈相应性状的显示图。观众点按切换按钮时,可以看到在双亲性状固定显示的基础上,子代和祖代所表现的其他可能性状。通过体验展品,观众了解自身所显现的性状是由基因控制的,而性状表达则由显性基因与隐性基因控制。

展品3:解读基因密码

那什么是基因?基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称,是具有遗传效应的DNA分子片段,是控制生物性状的基本遗传单位。DNA由核苷酸组成,而核苷酸的含氮碱基有腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C及胸腺嘧啶T,以此4种碱基排列成碱基序列,形成DNA单体和编码遗传信息的化学结构。另外,这4种碱基还有一个互补配对原则:A与T配对、G与C配对(如图5)。

201812qjkgx1-5.jpg

图5 DNA分子结构模式图

展品“解读基因密码”包括传送带式的机械装置、传送链、收纳箱等。传送链条右侧并排设置了许多方格,展板左侧与方格对应的地方均设置有小液晶屏;传送链和展板的正上方展墙上嵌有1面液晶屏,收纳箱位于底部,用来放置代表DNA中的A、G、C、T碱基对的积木块,展品可以切换教学模式和挑战模式2种模式(如图6)。

201812qjkgx1-6.jpg

图6 展品“解读基因密码”结构示意图

展品为教学模式时,观众将标有A、G、C、T字样的积木块任意安放在方格中,每安装1格,则链条向上移动1格,同时右侧的液晶屏中显示出相应的碱基对,与左侧方格中的积木块所代表的碱基配对。随着方格依次上移,当第1个安放有积木块的方格移动到传送链顶端时,上方的液晶屏出现旋转的DNA双螺旋链并逐渐上升,显示DNA的碱基对配对逐渐完成,随后逐渐缠绕形成染色体。展品切换到挑战模式时,观众首先会听到提示音,随后传送链的移动速度会明显变慢,同时从液晶屏下方开始,逐个随机显示一串A、G、C、T碱基代码,并与“请配对”的字样交替显示,观众需要找到标有正确配对碱基字符(A、G、C、T)的积木块,并将其放入传送链条相应的方格中。如果配对正确,传送链条会向上升1格,同时系统会继续在液晶屏中显示碱基等候配对;如果配对错误,系统会立刻停下,并有声音提示配对错误,待您更改正确后继续。在配对碱基对的互动过程中,系统会随机出现一些状况,例如:自动配对时液晶屏中碱基配对出错;观众手动配对时,观众出错频率较高;液晶屏中随机出现“U”字符等。当出现这些错误时,传送链条会停止运动,同时在顶端的液晶屏中播放关于在DNA复制过程中碱基对出错造成的后果等知识的视频。播放结束后,传送链条继续移动。展品通过互动演示DNA复制中的碱基配对过程,使观众了解DNA在复制过程中碱基互补配对的规律。

以下平台可使用同一账号密码登录,点击开始同步密码

确认