遗传的染色体学说 教案

高中生物教案集(浙科版) 《遗传与进化》第二章 染色体与遗传
第二章 染色体与遗传
第二节 遗传的染色体学说
一、教学目标
【知识目标】
1．了解基因与染色体在细胞分裂中的平行行为。
2．了解遗传的染色体学说的内容。
3．能用遗传的染色体学说阐明孟德尔的分离定律和自由组合定律的实质。
【能力目标】
尝试运用类比推理的方法，解释基因位于染色体上，使学生学会严密的推理思路，训练学生逻辑思维的能力。
培养学生的语言表达能力以及实践动手的能力。
【情感态度与价值观】
1．认同遗传学的建立是一个开拓、继承、修正和发展的过程。
2. 体会科学研究的多维性，围绕某个问题的科学研究往往不只是从一个角度展开的。
3．培养学生勇于探索、团结合作、尊重科学、乐于探索生命奥秘、勇于自我否定的精神。
二、教材分析
【教材的地位作用】
在《细胞和分子》模块中，学生已经掌握了“核酸是一切生物的遗传物质；细胞核是遗传物质储存、复制的主要场所，是细胞遗传特性和代谢活动的控制中心”，但是对基因是什么，基因与核酸、染色体是什么关系，都还未学习。
在《遗传与进化》模块中，在本节知识之前，学生先学习孟德尔的遗传的两个基本定律和减数分裂的过程，再学习遗传的染色体学说，这样的教学顺序安排体现了科学研究的真实过程，更能使学生体会遗传学的建立是一个不断实验、研究、推理、修正和发展的过程，也能使学生更好地体会科学研究往往是多角度的、多维度的。同时，这种重新演绎当年科学家探究过程的教学安排，利用了“类比推理”方法，是对“假说演绎法”科学方法的进一步培养。
学生在学习本节内容之前，对孟德尔的遗传两个基本定律和减数分裂过程的有关知识的理解是相互孤立的，从内容上根本没有把这两者联系起来，这样就不能解释基因分离和自由组合的实质，使基因的传递规律显得十分抽象，没有实实在在的细胞学基础，也使减数分裂与遗传物质的传递相隔绝，使减数分裂的过程游离于遗传之外。通过本节知识的学习，使学生清楚基因和染色体的关系，真正把抽象的基因具体化，能够从减数分裂的角度理解基因的分离和自由组合定律的实质，把遗传与减数分裂、基因与染色体的关系真正融合起来。
通过本节内容的学习，也为后面伴性遗传、基因的表达、基因重组、染色体畸变、生物进化的变异来源、人类遗传病的传递规律等内容的学习，奠定了坚实的基础。
可以说，本节内容确实具有承前启后的重要作用。
【教学重难点】
重点：基因位于染色体上的假设和实验证据；孟德尔遗传规律的现代解释。
难点：类比推理方法的运用
【建议课时】
1课时。
三、学情分析
学生在学习本模块内容之前，已经粗略地了解了核酸是生物的遗传物质，清楚了细胞核在生物遗传中的作用，也清楚了基因的分离定律和基因的自由组合定律的有关内容，同时又学习了有丝分裂和减数分裂的过程，并且高中学生已经具有比较强的分析、推理的抽象思维的能力，为本节课的遗传的染色体学说的学习奠定了知识与能力上的基础。学生在学习前面的知识后，也期待更深入地了解基因与染色体的关系、基因的分离定律和自由组合定律产生的原因，因而对本节知识的学习有心理上的准备。高中学生也具有较强的动手能力，使本节课孟德尔定律的细胞学基础的教学过程能够顺利得以实施。
但是，本节课的内容比较抽象，学生对类比推理的方法比较难理解，因此需要教师在教学中应用多种教学手段，激发学生的学习兴趣，将微观的内容具体化、形象化，从而提高学习效果。
四、教学设计
【设计思路】
1、调动学生已有的知识和经验，激发学生的探究欲望
通过“基因的分离定律和自由组合定律是生物体在前后代传递遗传物质时的传递规律，而减数分裂又是生物体在形成有性生殖细胞时的分裂方式，这二者是否有联系”引入课题，激发学生探究的欲望。接着通过学生回忆在基因的分离定律和自由组合定律中孟德尔对关于基因的假设，再由学生分析在减数分裂过程中有什么物质的行为与基因的行为非常相似，通过学生思考，教师引导，得到细胞中染色体的行为与基因的行为相一致，从而推断出基因在染色体上的结论。
这样采用问题串的形式，实际上就是学生在问题的驱动下带着问题主动的积极的思考，引导学生步步深入地分析问题、解决问题、亲历科学家探索基因的历程，让学生自己去发现知识、体验知识，使学生在学习过程中始终保持高昂的兴趣，切身感受科学的魅力，并且加深对科学过程和方法的理解，培养了学生实事求是的科学态度及勇于探索、团结合作、乐于探索生命奥秘的精神。
2、设计模拟实验，引导学生分析基因的分离和自由组合定律的实质
得出基因在染色体上的结论后，如果直接将基因的分离和自由组合定律的实质告诉学生，学生会感到枯燥无味，甚至不能做到真正理解两大遗传基本定律的实质，这样又会走上死记硬背的老路。因此，在教学中设计减数分裂的模拟实验，让学生在染色体的一定位置上标上基因，通过已经学习了的减数分裂过程中染色体的行为变化，分析基因在减数分裂时的行为，从而水到渠成地得出基因的分离和自由组合定律的实质，使整个教学过程显得流畅，而且在前一阶段学生推理分析之后，采用模拟实验的方式，改变了教学手段，有利于学生学习兴趣的保持和注意力的集中，也有利于把抽象的知识具体化、直观化，保证了教学目标的顺利完成。
【教学过程】
（一）创设情境，导入新课
［导入］如果对孟德尔的实验作进一步的思考，一定会提出很多疑问：基因(即遗传因子)是抽象的概念还是客观存在的实体？它究竟存在哪里？性质怎样？遗传的规律性有没有可以观察的实验依据？可以说，孟德尔遗传定律所提出的问题远比它所解决的问题多得多。抽象的孟德尔因子要落实到一个客观实体上，而且能够知其位置，才能被世人广泛的理解和接受。
那么孟德尔的“遗传因子”在细胞中是否真正有相应的结构？
科学家们发现基因的分离定律和自由组合定律是生物体在前后代传递遗传物质时的传递规律，而减数分裂又是生物体在形成有性生殖细胞时的分裂方式，这二者是否有联系？科学家对这个问题产生了浓厚的兴趣，并进行了分析和研究。现在让我们沿着科学家研究的足迹，追寻科学家的研究思路，体会研究的方法，并学习相应的知识。
（二）问题探究，学习新知
1、遗传的染色体学说
［教师活动］多媒体呈现材料一：孟德尔定律重新发现不久，引起人们的极大兴趣。1902年，美国细胞学家萨顿（W.S. Sutton 1877～1916）和德国胚胎学家鲍维里(T．H．Boveri 1862～1915），他们独立地认识到豌豆产生配子时孟德尔的遗传因子（基因）的行为和减数分裂中的一种物质的行为有着精确的平行关系。
多媒体呈现问题一：请分析，你认为这是什么物质？这种物质与孟德尔的遗传因子（基因）的行为有哪些平行关系？
教师可以提示分析的方法：先分析基因的分离定律和自由组合定律中孟德尔提出的基因有哪些行为，再分析减数分裂中什么物质也有相似行为，然后进行联系归纳。
（对于学生分析和解决问题能力较强的班级，教师可以简略地提示甚至不做提示，完全交给学生进行分析，这样对学生来说，具有更大的挑战性，更能激发他们学习的兴趣和激情。但对于学生基础比较差，对遗传的两大定律中基因的行为和减数分裂中染色体的行为仍然不甚明了，或者分析和解决问题比较弱的班级，则应进行具体指导，并且分析时应分步进行。）
［学生活动］学生以四人小组为单位进行分析、讨论、交流。
然后，学生小组为单位，汇报讨论的结果。
［师生总结］
（1）孟德尔对基因的存在和行为的假设：
① 基因在体细胞中成对存在，其中一个来自母本，另一个来自父本
② 基因在生殖细胞中成单存在
③ F1体细胞内成对的等位基因各自独立，互不混杂
④ F1形成配子时，等位基因的分离，非等位基因表现出自由组合
（2）同源染色体的存在和行为与以上基因的存在和行为有一致现象，具体表现为：
① 同源染色体在体细胞中成对存在，一个来自母方，一个来自父方
② 同源染色体经过减数分裂，在生殖细胞中成单存在
③ 在体细胞中存在的两条同源染色体各自独立，互不混杂
④ 在原始的生殖细胞形成配子进行减数第一次分裂时，同源染色体分离，非同源染色体表现出自由组合
［教师活动］多媒体呈现问题二：对此现象，你可能作出怎样的推测？
［学生活动］学生讨论后得出结论：可能基因在染色体上，染色体是基因的载体
［教师活动］这也正是科学家在当时得出的结论：1902年，萨顿和鲍维里各自比较研究了减数分裂过程中染色体行为与遗传因子之间的平行关系，这种比较研究的结果令他们极为振奋，因为他们已经意识到，基因很可能就在染色体上，由此提出了著名的“萨顿—鲍维里假想”：他们认为孟德尔的“遗传因子”与配子形成和受精过程中的染色体传递行为具有平行性，认为孟德尔的遗传因子位于染色体上体。
现在我们也许认为染色体学说并无惊人之处，但在20世纪初萨顿和鲍维里的假说却十分轰动，对此学说发表的第一个反应当然是寻找它的漏洞，几年之后终于引发了一场激烈的争论，使得遗传的染色体学说更具魅力。
多媒体呈现问题三：为什么会爆发这一场激烈的争论？
［学生活动］鲍维里和萨顿虽然证明了基因行为和染色体行为是平行的，但是平行并没有反映出两者具有一定的前因后果和空间位置的必然联系，那么基因和染色体的关系究竟是怎样的呢？还必需通过一定的实验予以验证。
［教师活动］确实，萨顿提出的假设在当时并没被多数人认同。持不同意见的人认为，基因和染色体的那种相互关系最多不过是彼此同时发生而已，把孟德尔的基因同染色体相提并论显得有点似是而非。美国的哥伦比亚大学生物系的生物胚胎学家摩尔根(T. H. Morgan，1866～1945)就持有这种看法，他认为这是“思辨”臆测，要求提供更直接的证据，宣称绝不接受这种“没有实验基础”的理论，因此他试图用实验来解决这个问题。
多媒体呈现材料二：摩尔根从1905年开始选择果蝇作为实验材料进行研究（严格地讲并不是为了解决遗传学问题，他是想用果蝇进行连续不断的近亲交配以观察后代的产卵量和成活率是否下降的问题），多年以后摩尔根及其同事通过果蝇实验，发现果蝇的白眼性状的伴性遗传现象，即白眼性状始终在雄性果蝇中出现，第一次把一个特定的基因定位于一条特定的染色体上，以令人信服的实验证明基因存在于细胞染色体上并作有规律的传递，这使得摩尔根从刚开始反对孟德尔学说转而开始相信并支持它了。1926年，摩尔根发表《基因论》，使遗传的染色体学说得以确立。
（对于次项验证实验的介绍，可详也可略，视学生的而定）
［教师讲解］迄今为止，从最高等的哺乳动物到最低等的细菌和病毒，基因在染色体上的原理都是适用的。基因论科学地反映了生物界的遗传规律。基因论的提出，标志着现代遗传学的正式建立。
有人曾对遗传的染色体学说的建立作了一个形象的比喻：若将孟德尔学说比作是从生物雄壮的交响乐中分解出七个音符，那么摩尔根的染色体遗传理论则不仅证实了六弦琴上六根琴弦的存在，而且证明了这七个音符就是从这只大弦琴上发出来的。
遗传的染色体学说的诞生是细胞学和遗传学的结晶，宣告了细胞遗传学的日臻成熟，正如米勒所言：“它为整个现代遗传学奠定了基础养料”。诺贝尔委员会认为：“没有摩尔根的研究，就没有人类遗传学”。摩尔根本人因此在诺贝尔诞生100周年的1933年获诺贝尔医学和生理学奖。遗传学的飞速发展业已表明，当时的这种评价远远不够。正如科学史学家迈尔(E．Mayr)1984年所言：“接受遗传的染色体理论绝不是染色体研究的终止，而是进入染色体研究新时代的标志”。
［教师活动］多媒体呈现问题四：基因在染色体上，怎么存在？一基因一染色体吗？
教师可以提示：人体的体细胞中有几条染色体，又有多少个基因？
学生得出结论：一条染色体上有多个基因（因为学生在课外对人类基因组计划的研究结果很可能有所了解，所以对课外知识丰富，分析能力强的学生，完全可以不作提示，而是由学生介绍、分析）
教师讲解：基因在染色体上呈直线排列
［师生归纳］
（1）遗传的染色体学说的建立需要几代科学家共同努力，是一个不断开拓、继承、修正和发展的过程，需要勇于探索、团结合作、尊重科学、乐于探索生命奥秘、勇于自我否定的科学精神。
（2）关于遗传物质和遗传规律的科学研究，不只是从一个角度展开的，而是多角度的、多维度的（从细胞学的角度、经典遗传学的角度、分子遗传学的角度等）
（3）遗传的染色体学说的基本内容：基因在染色体上，染色体是基因的载体
2、孟德尔定律的细胞学解释
［教师活动］既然基因是在染色体上，我们能否从细胞形成配子的过程中分析孟德尔的基因分离和自由组合的原因呢？
下面让我们象前一节课中模拟减数分裂的过程一样，用电线模拟两对染色体（5cm长的蓝色、8cm长的红色），在电线的相应位置上扎上红色和绿色、黑色和白色的橡皮筋，模拟两对等位基因A和a、B和b，其他的操作方法与减数分裂模拟过程相同，先研究一对同源染色体的减数分裂，再研究二对同源染色体的减数分裂，着重观察：在减数分裂过程中染色体与基因的关系，在减数分裂形成配子时基因是否表现出分离和自由组合、及其原因。
多媒体呈现问题四：在减数分裂形成配子时基因为什么表现出分离和自由组合？
［学生活动］以小组为单位模拟减数分裂的过程，研究基因在减数分裂形成配子时的行为。
［教师活动］在此过程中不断的对各组学生加以指点和指导，回答学生提出的各种问题，并适时予以评价和鼓励。
［师生归纳］师生结合孟得尔分离定律和自由组合定律的染色体基础的图示，共同归纳：
（1）F1在减数分裂形成配子时等位基因表现出分离。
等位分离的原因：等位基因位于同源染色体的相同位置上，减数分裂时随着同源染色体的分离而分离。
等位基因分离的时间：减数第一次分裂的后期。
等位基因分离的结果：形成含A或a基因的两种类型的配子，并且比例为1∶1。
F2出现3∶1比例的原因：F1 产生A、a两种类型的配子且比例为1∶1，在受精作用形成受精卵时，雌雄配子结合是随机的，所以F2出现三种基因型比例为1∶2∶1，出现二种表现型比例为3∶1。
（2）在减数分裂形成配子时非等位基因表现出自由组合。
非等位自由组合的原因：非等位基因位于非同源染色体的上，减数分裂时随着非同源染色体的自由组合而自由组合。
非等位基因自由组合的时间：减数第一次分裂的后期。
非等位基因自由组合的结果：形成含AB、Ab、aB、ab基因的四种类型的配子，并且比例为1∶1∶1∶1。
F2出现9∶3∶3∶1比例的原因：F1 产生AB、Ab、aB、ab四种类型的配子且比例为1∶1∶1∶1，在受精作用形成受精卵时，雌雄配子结合是随机的，所以F2出现四种表现型比例为9∶3∶3∶1。
（3）孟德尔的基因分离和自由组合的实质：在减数分裂时，等位基因随同源染色体的分离而分离，非等位基因随着非同源染色体的自由组合而自由组合。
（在归纳时着重使学生充分体会孟德尔的基因分离和自由组合的实质，在此基础上对于3∶1和9∶3∶3∶1比例的得出，因为在孟德尔遗传实验的解释中已经学习，此比例的得出应该是水到渠成）
［教师活动］用遗传的染色体学说能十分圆满的解释孟德尔定律。
教师强调：分离定律分离的是等位基因，自由组合定律自由组合的是非同源染色体上的非等位基因。
（三）检测反馈
1.下列有关基因和染色体的关系,那一项是不正确的
A.减数分裂时同源染色体互相分离,这与孟德尔所称成对的基因互相分离至配子中相符合
B.各对染色体或各对基因之间形成配子时,有自由配合的情形
C.基因就是染色体
D.染色体的个数与基因的数目相同
2.在豌豆杂交实验中，高茎与矮茎的植株杂交，F2中高茎和矮茎的比例为787∶277，出现上述实验结果的实质是
A. 高茎基因对矮茎基因为显性 B.等位基因随同源染色体的分离而分开
C. 控制高茎和矮茎的基因不在同一条染色体上 D. F1自交，后代出现性状分离
3.如果基因型为AaBbCc的生物，且三对非等位基因位于三对同源染色体上，那么能形成哪几种类型的配子，比例怎样？
4.如果两对非等位基因位于同一对同源染色体上，那么是否会表现出自由组合？
（由此引出孟德尔的遗传定律并不适用于任何的遗传关系，若要了解其符合什么规律，请阅读本节内容的课后读，以激发学生继续学习的兴趣）
五、相关链接
1．早期的染色体学说
许多科学家都发现，细胞核里的染色体在所有的生物中都非常稳定，它有异乎寻常的完整性和连续性。尽管在不同的生物中染色体数目是不同的，但是同一种生物里染色体数目在各种组织细胞里则是完全一样的。无论在细胞分裂(有丝分裂和减数分裂)过程中细胞发生了多么巨大的变化，子代细胞的染色体数目总是与亲代的相同。他们还发现，虽然卵子和精子在形态上是迥然不同、大小悬殊的，但是它们的细胞核大小却大致相等。受精的过程实质上是两个相等的核的融合。
于是细胞学家自然而然地推想：遗传物质基础主要存在于细胞核和染色体内。
在孟德尔定律被重新发现后的10多年里，科学家们逐步建立起孟德尔定律和细胞学之间的联系，不少学者自觉地把遗传学证据和细胞学证据结合起来。特别是美国细胞学家萨顿(W．S．Sutton)和德国细胞学家鲍维里明确指出了遗传因子位于染色体上面。他们两人的理论被称为萨顿——鲍维里的染色体理论。这样，一组具体的事实(染色体行为)和另一组假设(基因行为)终于统一起来了。遗传学以丰富的实验数据阐明生物遗传的规律，细胞学则以雄辩的事实指出了遗传规律的物质基础，两者相互印证和补充，从而加快了染色体理论向基因论过渡的进程。
2．遗传的染色体学说的直接证据
（1）在Morgan的果蝇实验
1910 美国遗传学家摩尔根（T.H.Morgan）发现果蝇白眼性状的遗传总是与性别相联，指出白眼基因位在X染色体上，而Y染色体不含有它的等位基因，从而发现了伴性遗传现象。以后摩尔根及其同事用果蝇进行实验，又发现了连锁与互换规律。1926年出版了《基因论》。
1915年，在积累大量实验资料的基础上，摩尔根和果蝇小组的三个合作者期特蒂文特、马勒(H．J．Muller)和布里奇斯(C．B．Bridges)发表了《孟德尔遗传的机制》一书，总结了他们主要的遗传学观点。1926年，摩尔根出版了《基因论》一书，全面地提出了基因论。1933年摩尔根获诺贝尔生理学或医学奖。
但是在Morgan的实验中始终只能连接性染色体与性状之间的关系，就算他们利用染色体间可进行物质交换的假说成功的解释他们的实验结果，但是可惜的是他们始终也没能观察到染色体的实质变化来支持他们的说法，这种直接实质的证明一直到二十年后才由Creighton 与 McClintock 的玉米实验证实。
（2）Creighton 与 McClintock 的玉米实验
1931年美国著名的遗传学家麦克林托克（B. McClintock）指导了她的女博士生克莱顿（H. Creighton）以玉米为材料进行了一项有趣的实验，为染色体交换导致遗传重组提供了第一个有力的证据，终于给予遗传的染色体学说最实质的实验证明。
她们研究的是玉米的第二个最小的染色体，即9号染色体上带有色素基因C和糯质基因wx，在其短臂上（靠近C）带有一个明显的纽结（knob）。在长臂端（靠近Wx）有一条来自第8号染色体的附加片段，正常的染色体是没有纽结和易位片段的，因此纽结和附加片段就成为一种细胞学标记。她们选用了一个杂合品系，其中一条染色体带有有色（C）和非糯（Wx）基因，两端有标记，而另一条染色体是正常的，两端不带有标记。这条染色体上带有的是无色基因（c）和糯质基因（wx），她们通过杂交后比较亲本型后代和重组后代的染色体，发现亲本型的后代都保持了亲本的染色体排列，而有的重组型后代的染色体也发生了重组。这样她们把遗传学和染色体内重组的细胞学证据联系起来。
3．相关网页
http:///200503/ca669579.htm
http://sky.scnu./jingpin/ycx/class/chapter6.htm ( http: / / sky.scnu. / jingpin / ycx / class / chapter6.htm )
http://211.90.145.155/klh/7/720/text/zk20_214.htm
http://science.scu.edu.tw/micro/800/learn/01class_gene/02Chromosome/Chromosome.htm
普陀中学 张海霞
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