高中生物学教学中的生命科学前沿问题

高中生物学教学中的生命科学前沿问题

刘顺凯

乌鲁木齐市第 101中学

【摘要】我国新一轮课改也适当加大了前沿生物知识的比重，在确保基础性的前提下，对教学内容进行了一定的扬弃。如何让生命科学前沿知识更好的服务高中生物教学，如何把握前沿知识和基础知识的过渡和衔接，如何通过前沿知识向学生传达生物科学的研究方法和思考方式，更好的服务基础知识的教学，是每个生物教师都在思考的问题。

【关键词】高中生物、生命科学前沿问题、生命科学、教学方法

1. 新课标中对高中生物中生命科学前沿问题重视

新课程标准在基本理念、课程目标、课程内容、课程评价、教学建议等方面都有了较大变化，同时在教学的内容要求上也有了较大的突破，新课改的理念之一就是“注意学科渗透，关心科技发展”，新增内容的教学要求虽不高，却有助于弥补生物教学长期存在的不足。

我国新一轮课改也适当加大了前沿生物知识的比重，在确保基础性的前提下，对教学内容进行了一定的扬弃。

2. 高中生物课本中的生命科学前沿问题发展现状

   1. 干细胞研究

成体干细胞在维持正常组织结构与功能以及组织器官的再生等方面发挥重要作用。目前的许多研究已证明在衰老过程中成体干细胞将发生功能上的改变。近年来，关于成体干细胞中表观遗传修饰对机体衰老的调控已逐步得以阐明。在衰老过程中，DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA等表观遗传机制如何协同调控干细胞的功能是今后亟待深入探讨的课题。由于表观遗传具有可逆性和可遗传性，处于衰老环境中的成体干细胞受环境影响产生的表观遗传变化极有可能传递到子细胞中。延缓或逆转衰老特异表观遗传修饰或许是实现干细胞和机体衰老延缓及逆转的重要突破口。

我国现已掌握了脐血干细胞分离、纯化、冷冻保存以及复苏的一整套技术，并开始在上海筹建我国第一个脐血库。在北京，北京医科大学人民医院细胞治疗中心也正在筹建全世界最大的异基因脐带血干细胞库，计划到2002年完成冷冻5万份异基因脐带血干细胞，为全世界华人患者提供脐带血干细胞做移植用。2000年初，我国东北地区首例脐血干细胞移植成功。

2.2我国人类基因组研究现状

近年来，我国科学家经过努力拼搏，取得了一定的成绩，首先是建立了肿瘤、心血管疾病、神经、免疫、遗传性疾病的家系和疾病现场遗传材料的收集网络，取得了大量的样品。

  其次，建立了较完整的基因组研究技术体系。引进了人的基因酵母人工染色体(YAC)、细菌人工染色体(BAC)库，构建了一批有特色，十分有用的正常人群、胎儿、患病人群的各种组织(肝脏、心脏、造血等组织)的cDNA文库，为筛选新基因打下了基础。再次，疾病基因和功能基因研究获得实质性进展。目前已经完成全长cDNA及基因组DNA克隆、测序的新基因达20多个。其中包括两个肝癌相关基因、一个白血病的致病基因、三个造血系统调控基因、两个消化系统肿瘤相关基因、两个神经疾病相关基因、两个心血管病相关基因和四个细胞因子及信号传导相关分子基因；还有β株蛋白基因、血管紧张转换酶基因、脂蛋白酶基因和载脂蛋白基因等。

基因定位工作进展顺利。目前已经确定了肝癌、鼻咽癌、视网膜色素变性高度杂合性缺失的区域，正在进行DNA重叠构建和cDNA的分离。其他疾病的基因定位工作也在积极进行。 再有，统一的生物信息和基因组信息库正在积极筹建中。现在已与欧盟生物信息中心建立了正常的工作联系，引进和改进了基因序列、蛋白质序列及结构等有关的信息库；基因组信息(剪切位点预测、外显子与内含子序列分维分析)的研究也取得了创新性的成果。

近年来，古人类基因组研究也有新突破，由于用于健康相关分析的基因序列信息要求具有很高的精准性，用于古人类基因组研究的具体研究技术方法必须具有高效、高保真、低成本等特点，为了在这些基础上尽可能提高测序和分析结果的准确性，古人类基因组的研究手段和方法也经历了长时间的发展和调整。在研究古人类DNA的最初几年中，各项权威指标就已被确立以界定测序结果是否精确，并以此提出了严格的实验规范:样本采集、分析、扩增都与现代DNA实验严格分离并在绝对干净的屋子内独立进行，全程设立对照组严格监控各步骤污染情况，通过多组、多方案及重复试验筛选有效扩增等。

借助高通量测序技术，Poinar等对从一根永久冻土中发掘出的猛码象骨骼中提取出的DNA进行了测序，成功得到了1 300 000个碱基对序列，这一标志性的研究成果决定性地说明了高通量测序技术可以胜任古人类DNA的测序工作。之后几年，古人类基因组研究取得了巨大的进展，主要包括:尼安德特人全基因组、丹尼索瓦人全基因组和萨克塔克人全基因组，经典古人类基因组研究已获得了这几个人种较为准确的的起源、进化以及与其他人种血缘关系等信息。

2.3哺乳动物克隆技术研究现状

胚胎干细胞是一种可分化成多种功能型细胞的细胞类型。目前，从组织中已分离出了胚胎干细胞(ES)和成体干细胞。其中，胚胎干细胞是从早期胚胎中分离出的高度未分化、具有发育全能性和多能性的一类细胞， ES细胞的多能性是指它具有发育成为不止一种细胞或组织的能力。ES细胞的全能性概念是它可以在某条件下去分化，再生为机体内的各组织甚至可发育成完整个体的能力。

根据以上的理论基础，动物克隆的方法之一就是胚胎干细胞核移植技术。研究者们用ICM细胞为供体构成克隆胚，发育成正常仔鼠。CAMPBELL等将ES细胞传至3代后进行核移植，也获得4只绵羊。另外，此方法在兔、山羊和牛等动物上都取得了进展，但此技术仍不成熟，尚待进一步研究。

目前哺乳动物克隆技术仍存在以下问题：

（1）成功率低

克隆成功率仅为1%一3%的原因有很多。一是妊娠早期易流产;二是胎盘发育异常;三是怀孕周期长、体质弱导致难产、出生后死亡率高。四是表观修饰异常，导致基因重组排列，增加了胎儿发育异常或死亡。

（2）端粒酶活性问题

端粒对保护染色体至关重要，每次细胞复制，端粒核苷酸就会减少50 -100bp。而端粒的产生则需端粒酶，它决定着细胞的活性大小。SHIELS等。研究发现，造成克隆羊多莉寿命短的原因是它的端粒比同龄羊要短。但也有研究证明并非都如此，如克隆牛。甚至克隆鼠的端粒比正常鼠的还要长，平均寿命也延长了7个月。因此，研究者认为，动物的端粒酶活性应该是可控的。

另外，还存在供体与受体细胞发育周期不完全一致、线粒体来源不确定和基因印记扰乱等问题，有待于对细胞活动及相关技术深入研究。

2.4 基因工程研究现状

在植物育种方面,由于世界人口迅速增加，土地不断减少和沙化，人类生存面临威胁，为此人们便把目光投向科学技术。而从20世纪50年代以来兴起的现代生物技术，使人类看到了解决这一紧迫问题的曙光，因为生产实践已经证实，运用基因工程的基因重组高新技术，能使农作物的品种不断更新，提高品质，增加产量。如德国高中生物中生命科学前沿问题在高中教学中的教学方法命科学工作者利用该技术培育出的土豆西红柿杂种作物便是其中一个例子，该生物工程新种是地下结块茎，上部长番茄;美国生物学界霍尔主持的课题组已运用现代生物技术把菜豆的基因转导到向日葵细胞中后，育成了全新的向日葵豆新作物。这些已成功的基因工程事例还可举出很多，这足以表明，人类运用科学技术在改造农作物，为提高产量和改善品质是可以大有作为的。

在动物育种方面,由于基因工程的出现，自20世纪80年代以来，在这方面取得的成果很多。如遗传学家利用转基因技术，在功能基因开发取得成果的基础上，将一种外源基因—大鼠生长素基因导入小鼠卵细胞后，成功表达，结果小鼠长成了巨鼠。在这种突破性试验成果的启发下，目前，科学工作者在着手试验将大象基因转导到猪身上，使猪的个体变大。

在医学方面,现已通过生物工程技术开发成功了人血球蛋白、干扰素、乙肝疫苗等令人鼓舞的新药。目前，随着人们对生物高新技术的掌握，已把目标集中在研究病毒以及抗癌特效药方面。

3. 生命科学前沿问题在日常教学中的意义

3.1 帮助学生熟悉生物科学的研究方法

生物科学对课程理论的影响主要表现在思想方法上，并且正处于日益彰显的过程中。课本的设置也体现这样的亮点，模型构建、归纳演绎法、假说推理法、数理统计、原来大学甚至是研究生阶段才能接触到的研究方法、思维方式纷纷引入中学课本。

前沿知识纷纷引入中学课本，课堂上接触的是让学生眼前一亮的高科技、新发展，学生不仅能了解这些前沿知识，还能了解这些新知识的来龙去脉，发现历程和研究方法，知道真理在被无限接近，不断修正，自然学习起来兴趣高涨。

3.2 帮助学生构建生物学科学习的脉络

当代生物科学在朝着微观和宏观两个方面向纵深发展。在微观方面，主要是在分子水平上研究生命过程和现象；在宏观方面，主要是生态学的研究，特别是生物多样性的研究日益引起人们的关注。正如邹承鲁院士《生物学走向21世纪》一文所言，“当前凡是研究生命现象的学科，不可避免地要深入到分子水平去进行本质规律的探讨，这使分子生物学很快就渗入生物学的各个领域，改变了整个生物学的面貌；同时也对医学和农业科学及其应用产生了巨大的影响。生物学的全新面貌最突出地表现在出现了一系列新的分支学科，如分子遗传学、分子细胞学、分子分类学、分子神经解剖学、分子药理学、分子病理学、分子流行病学等等，影响到生命科学的所有领域，即使生态学、古生物学和分类学也不例外。作为生命体基本单位的细胞，和作为生命活动最高形式的神经活动是现代生物学研究的最活跃的领域，但是今天，这两门学科由于采用了分子生物学的新的研究思想和新的研究手段而获得新的生命力，研究步伐大大加快，与分子生物学一起发展成为当代生物学研究的三大热点。

新课改分为必修本和选修本，构成知识涉及到生物学知识的方方面面，在学习开始之初就向学生介绍生命科学前沿的方向，除了可以培养学生的学习兴趣，还可更好的帮助学生构建学习脉络。而生物学科学习的方向可结合生命系统板块的教学展开，即紧贴课本有拓展知识范围。

3.3 全面提高学生的科学素质

关于什么是科学素质，国内外学者提出了不少大同小异的定义。《美国国家科学教育标准》认为，“所谓有科学素养是指了解和深谙进行个人决策、参与公民事务和文化事务、从事经济生产所需的科学概念和科学过程。有科学素养还包括一些特定门类的能力。”国内不少学者提出更为简明的定义，即科学素质包括科学知识、科学的过程和方法、科学态度、科学精神、科学价值观、科学的思维习惯和行为习惯。根据前面的论述可以看出，生物科学前沿知识不仅在自然科学中的地位和作用不断提升，而且在认识论、方法论和世界观等方面都具有独特的价值，因此，生物科学前沿对于全面提高学生科学素质是非常重要、不可或缺的。

3.4 让学了解科学与技术的互动，培养兴趣和较全面的科技意识

生物科学近些年来之所以突飞猛进，在很大程度上得益于技术的进步。同时，生物科学的发展又在不断推动技术的进步。基因工程等生物技术的产业化，人类基因组计划完成之后可以预期的基因诊断和基因治疗技术的日趋成熟，以及基因组学、脑科学与理化技术结合将催生的人工智能的开发，都说明这一点。

新课改教材介绍了很多生物技术，如无土栽培技术，食品保鲜技术，生态农业技术，消毒灭菌技术等。对这些内容应当侧重介绍其生物学原理和应用价值，而不是技术细节和仪器设备的工作原理。这样，学生在学习生物科学的同时，对有关的技术有所了解和关注，这对于使学生在热爱科学的同时，增强对技术的亲合感，形成较全面的科技意识，都是十分重要的。

3.5 能使教师更好的把握教学

现代生物科学最突出的特点是，随着分子生物学的飞速发展，生物学众多分支学科的研究都都深入到分子水平，使得人们对生物学原理和规律的认识，越来越接近生命的本质；使生物科学在不断涌现新兴分支学科的同时，又逐渐在分子水平上走向综合和统一。细胞是生物体结构和功能的基本单位，关于细胞的结构和功能的研究，也愈益成为各分支学科研究的基础。因此可以说，生物科学的基础正在发生转移：从生物的形态结构和分类更多地转向分子生物学和细胞生物学。中学生物课程的基础知识也发生类似的转移，应当说是合乎逻辑的期待。正如有的专家指出的，应当从分子生物学的角度重新审视中学生物课程的内容。

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