关于“基因、DNA和染色体等空间结构关系演示仪”的研制

王 燕 孙 飞 白从雪

一、制作背景

在初高中生物有关遗传的教学中，对于基因、DNA和染色体等概念的理解及其空间结构关系，既是重点更是难点。学生们对于这部分知识非常感兴趣，但在学习中却遇到了一系列问题，如在理解人教版(2010年)《生物八(下)》教材第29页(如图1a所示)和第30页示意图(如图1b所示)时会遇到以下问题：

图1

(1)图1a中，对于染色质丝如何缠绕、遵循什么规律并最终构成染色体四级结构的，图中看到只是两团乱丝交叉一起，根本看不出有任何规律。

(2)图1a中左边部分的“一根丝”到底相当于中间部分或右边部分的哪一部分结构(很多人误认为是DNA)。

(3)图1b中的“基因”如何在图1a中也能显示出来，以免学生理解上的散碎。

(4)基因、DNA、组蛋白、染色质丝和染色体、染色单体等到底存在怎样的空间结构关系。

由于缺乏相应直观形象的教具来辅助学习，师生们都深感这些问题抽象费解。那么，如何解决上述问题，将抽象变形象、微观变宏观、平面变立体、费解变易解呢？为此，我们在研究有关文献的基础上，研制了七件套系列教具“基因、DNA和染色体等空间结构关系演示仪”。

这套教具主要包括两大部分，一部分是用于教师演示讲解用的“基因、DNA和染色体等空间结构关系演示仪”三件(如图2所示)：

①为“染色体四级结构演示仪”；

②为“基因、DNA和染色体一级二级三级空间结构关系演示仪”；

③为“DNA模型改进演示仪”。

图2 基因、DNA和染色体等空间结构关系演示仪

另一部分是用于学生参与动手实践、可随时拆装式教具四件(如图3所示)。

图3

二、制作依据(如图4所示)

(1)2010年人教版《生物八(下)》教材第29页和第30页；

(2)2007年人教版高中《生物二》教参第13页；

(3)2007年人教版高中《生物一》教材第36页等；

(4)2003年高教版《现代分子生物学》。

三、制作思路

1.染色体四级结构演示仪(如图5所示)

首先在选材上要精挑细选，科学、严谨。因为丝状塑铜线由塑料外皮包裹铜芯构成的结构，与丝状染色质(即染色质丝)是由DNA缠绕蛋白质构成、进而构成染色体的结构很相似，而且红色又有助于学生记住“染色”这个词，因此染色体四级结构演示仪就是用红色丝状的塑铜线来表示由DNA缠绕蛋白质构成的细胞分裂期染色质丝。

而在细胞分裂期，染色质(丝)共进行3次即3级高度左旋缩短变粗就构成四级柱状染色体。因此在制作中，染色体四级结构演示仪就是用红色、丝状的塑铜线进行3次即3级高度左旋缩短变粗而构成的四级柱状结构，表示由染色质(丝)进行3次即3级高度左旋缩短变粗而构成的染色体四级柱状结构。而细胞分裂前期和中期的染色体四级结构中，实际包含着已经复制完、由着丝点连接着的两条姐妹染色单体(包括长臂、短臂和着丝点)，所有这些结构通过染色体四级结构演示仪都可一一表示出来。通过它可清晰地看出染色质(丝)是如何缠绕、遵循什么规律最终构成染色体四级结构的，以及染色质(丝)和染色体、染色单体等存在着怎样的空间结构关系。

图5 染色体四级结构演示仪(包含两条姐妹染色单体)

图5中：

①—染色体四级结构上的一条姐妹染色单体上的长臂；

②—染色体四级结构上的两条姐妹染色单体间的着丝点；

③—染色体四级结构上的一条姐妹染色单体上的短臂；

④—染色体一级结构染色质丝；

(即DNA缠绕八聚体组蛋白构成的核小体链，直径为10 nm)

⑤—染色体二级螺线(旋)管结构；

(每圈由6个核小体构成，直径为30 nm)

⑥—染色体三级筒状超螺线(旋)管结构。

2.基因、DNA和染色体一级二级三级空间结构关系演示仪(如图6所示)

图6 基因、DNA和染色体一级二级三级空间结构关系演示仪

那么，如何解决文中开头所提的后三个疑问？

根据《生物八(下)》第29页中的图示，我们将染色体四级结构演示仪中染色体三级以下结构进一步高倍放大(如图5中放大镜所示，二级以下放大500万倍)后即是“基因、DNA和染色体一级二级三级空间结构关系演示仪”。

在此教具中，上述疑问中的诸多概念和结构都要尽可能表示出，为此在本教具的选材上更要精挑细选，更加严谨科学，比如：

(1)用含并行双股细电线的电话外线(丝带形、 硬易成型的)表示DNA双链，就把DNA特点，如并行、双链构成、丝带形、在染色质(丝)和染色体中起骨架支撑作用等都充分表现出来了。

(2)为了凸显电话外线表示的是DNA双链，还在构成电话外线的两股细电线间加安了几对自制的彩色链状配对结构，用以表示DNA双链间碱基对。

(3)基因和DNA的关系以及基因的分类可通过将表示DNA双链的电话外线喷成多种不同的色段来表示，多种不同彩色段表示一条DNA上含有许多不同的有效基因；电线本色即黑色段则表示无效基因，在染色体末端是无效基因即黑色段。

(4)用白色药丸壳表示构成染色质(丝)和染色体的组蛋白分子，既方便学生记住“蛋白”一词，又便于组装，还能减轻重量，便于取用。

与此同时，在制作上也要更加科学严谨，比如：

(1)DNA类型选择为规则而稳定的B型DNA，即将代表DNA的电话外线右旋而成(即右手指逆时针螺旋向)。

(2)染色质(丝)经三级螺旋构成染色体四级结构时是左旋(即左手指顺时针螺旋向)。

(3)宏观教具与微观结构图严格地一一对应，将DNA、碱基对、有效基因、无效基因、八聚体组蛋白分子、核小体，以及它们如何构成染色丝、染色丝又如何构成染色体和染色单体等空间结构关系都充分表示出来。

(4)在教具的结构比例上(二级以下)，无论是横向(染色体一级与二级的直径之比为5 cm:15 cm)，还是纵向(宏观与微观之比为5 cm:10 nm，15 cm:30 nm)都严格遵循科学的严谨性和教具的示范性原则。

图7 基因、DNA和染色体一级二级三级空间结构关系演示仪的局部

图7中染色体二级螺线(旋)管的一圈由6个核小体构成，直径为30 nm。

从图6和图7中可看出，此教具主要是由许多段彩色丝带缠绕着许多小白球构成，具体图示如下：

①—电话外线的两股细电线间加安的几对彩色配对链状结构，表示DNA双链间碱基对；

②—具多种颜色、丝带形、右旋、电话外线表示DNA双链；

③—多种不同彩色段表示一条DNA上含有许多具不同遗传效应的片段即有效基因；

④—黑色段表示不具遗传效应的片段即无效基因；

⑤—白色球体(药丸壳)表示组蛋白分子；

⑥—8个白色小球组装一起表示八聚体组蛋白；

⑦—1¾圈电话外线、右旋、缠绕8个小白球所构成的绳珠状结构表示：由1¾圈骨架DNA、右旋、缠绕1个八聚体组蛋白所构成的绳珠状核小体，直径为10 nm，它是构成染色质(丝)和染色体的基本单位；

⑧—由许多绳珠状结构连接而成的绳珠链表示核小体链，即细胞分裂间期的染色质(丝)，也即染色体的一级结构；

⑨—由电话外线、右旋、缠绕8个小白球所构成的绳珠链进行左旋而成的螺(旋)线管表示：染色体一级即染色质(丝)进行左旋构成的染色体二级螺线(旋)管结构，一圈由6个绳珠状核小体构成，直径为30 nm；

3.DNA模型改进演示仪(如图8所示)

本来在此套教具中，DNA的结构不是重点。但为了防止、纠正学生们常常将DNA与染色体的结构相混淆，同时凸显“基因、DNA和染色体一级二级三级空间结构关系演示仪”中，DNA的主要结构“碱基对”代表DNA这一点，并对已有的成品教具“DNA模型”中在主要结构“脱氧核糖”的表示法上有不妥之处，我们也将“DNA模型改进演示仪”归入了此套教具。

图8 “DNA模型改进演示仪”凹面观

4.用于学生参与动手实践、可随时拆装式四件

为了加深学生对于上述遗传学理论知识的深刻理解，同时为了与时俱进，符合现代教育理念，我们还开发了有助于学生参与动手实践、提高动手能力和创新能力的可随时拆装式教具四件。

四、本套教具的特点

1.教学效果非常显著，示范性、实效性强

用宏观模型打破了平面图的局限，科学模拟微观结构，将微观变宏观、抽象变形象、平面变立体、费解变易解，所示结构一目了然，很好地诠释解决了前面所述的中学生物教学中有关遗传学的一系列问题，从而加深了学生对“染色体是遗传物质—基因、DNA的载体”知识的理解。

2.设计与制作科学、严谨、透彻、精准

能够以最佳的表示方式将宏观教具与微观结构图严格地一一对应。在教具的结构比例上(二级以下)，无论是横向染色体一级与二级的直径之比，还是纵向宏观与微观之比都严格遵循科学的严谨性和教具的示范性原则。

3.符合现代教育理念，应用范围广

不但能够用于教师演示、讲解，而且还能用于学生动手实践，注重学生自主式探究、学习、实践, 从而有利于提高他们的动手能力、创新能力。初中、高中甚至大学都能使用。

五、结束语

科学、严谨、解决教学所需是我们始终坚持的原则！学生们通过此套教具，得到的不仅是知识能力，还有对生命的感叹。感叹生命的基本单位—细胞，如此之微小的物质却蕴藏着那么多复杂微妙的结构，由此感叹生命之神奇伟大，更加珍爱生命！