跟随nature的足迹，探寻“自然选择学说”的奥秘

沈唯军+时晨+丁婷

摘 要 采用创新的方式呈现文献（编制简易的图解和模拟实验），直观地向学生诠释复杂的研究过程。在教学过程中，利用问题引导，让学生跟随顶尖科学家的脚步自主地探索物种进化的分子机制，了解基因库的动态变化以及自然选择对于基因频率的作用，培养学生科学的思维和创新的意识。

关键词 倭黑猩猩 自然选择 基因频率 隔离 PCR模拟

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

人教版教材在处理“现代生物进化理论”的教学内容时，通过安排探究“桦尺蠖体色变化”的活动，帮助学生推证“自然选择会影响种群的基因频率”。但是由于在此实例中桦尺蠖并没有进化出新的物种，也没有阐明隔离在物种形成中所起的作用，所以种群基因频率、隔离和物种的形成被人为分割成了两个独立的教学单元，学生很难在头脑中建构出完整的进化历程。

最近在研读nature杂志时，笔者发现了一篇研究倭黑猩猩进化的文献《The bonobo genome compared with the chimpanzee and human genomes》。科学者通过DNA提取、PCR扩增、测序和突变位点分析等方法，发现个别基因在两种猩猩种群中的频率存在显著差异。这一科研成果不仅完好地涵盖了进化的基本概念和过程，而且也整合了生物技术方面的知识。所以，笔者希望通过引入该实验的结果以重构课本的教学内容，让学生跟随顶尖科学家的脚步探索物种进化的奥秘。（考虑到学生原有的知识基础和认知水平，对文献的呈现具有选择性，于是通过亲自编制遵从文献的图解和模拟实验，以直觀地诠释复杂的研究过程。）

1 介绍研究背景，并进行问题引导

1.1 论述研究背景，设置问题情景

笔者运用情境教学法为学生创设科学家所面对的问题情境——研究背景，通过生动形象的语言和图片，帮助学生更好地理解文献，从而产生真实的情感体验。

教师展示黑猩猩和倭黑猩猩的分布区和生活习性图示：倭黑猩猩生活在非洲中部，和黑猩猩亲缘关系十分接近，500万年前属于同一物种。然而艾伯丁裂谷的形成留下了一条难以逾越的障碍——刚果河，它把原始的祖先猩猩分为了两大种群（图1）。黑猩猩生活在刚果河北岸，由于要与大猩猩争夺食物，产生了暴力的倾向，性格具有攻击性。然而生活在南岸的倭黑猩猩，则不需要与大猩猩竞争，所以更懂得体谅和分享，性格平和而俏皮。在倭黑猩猩被发现之初，由于外表和分布区的相似，被误归为黑猩猩物种。直到1920年，科学家才发现两者交配并不能产生后代，并将之列为一个独立的物种。

1.2 联系课本提出问题，学生自学获取基本概念

教师采用问题教学法，把文献所涉及的知识点以问题的形式串联起来，让学生通过自学课本，掌握知识、发展智力、培养技能。

（1） 导致黑猩猩和倭黑猩猩分道扬镳的关键性事件是什么？（刚果河的形成）在课本中，被称为什么隔离（地理隔离）？

（2） 黑猩猩和倭黑猩猩因交配不能产生后代而被科学家重新划归为不同的物种，在课本中，被称为什么隔离？（生殖隔离）

（3） 河北岸的大猩猩在这场进化游戏中扮演什么角色？（自然选择，决定进化的方向）

教学反思：笔者再现了科学研究的问题情境，寓教学内容于具体的生物进化事件之中。通过把图片展示与语言描绘有机地结合，促进学生真正地进入科学研究的情境之中。利用问题对学生的认知活动进行导向，把知识学习的过程变成学生“再发现与再创造”的过程。

2 模拟科学实验的过程

科学家从问题情境出发，通过PCR和基因测序等实验方法，探究未知的领域并形成对进化的科学认知。虽然这些分子生物学技术也是《选修1·生物技术实践》的教学内容，但是限于高中的实验条件，学生并不能地重复实验操作，所以笔者自制了相应的模型，帮助学生模拟科学家的实验过程。

教学实例：PCR是体外模拟DNA复制以进行特殊片段扩增的技术，而凝胶电泳可以实现对DNA片段的分离与呈现。科学家利用这些实验方法，研究了倭黑猩猩相应基因的条带。教师可以先帮助学生回忆DNA的复制过程，结合教材，向学生介绍科学家进行PCR和电泳的基本原理和过程，并指导学生利用模型模拟DNA复制和PCR反应。

教学反思：实验设计和实施既是解决问题的最终途径，也是增强学生运用生物学知识的最佳方式。通过对实验过程的“虚拟再现”，学生可以切身体会到科学家的科学态度和严谨精神。

3 展示实验结果，协助学生进行结果分析并推导结论

笔者根据教学的重难点，有选择性地为学生提供实验结果，鼓励学生基于科学实证独立地解释倭黑猩猩的进化历程，从而牢固掌握进化的发生机制。

教师：Kay Pruer等研究人员通过对种群基因库的分析，发现倭黑猩猩和黑猩基因库存在0.4%的差异。尤其是在个别基因的频率上，两者表现出了明显的种群差异，例如一种增强社会纽带（使性格温顺）的突变基因在懂得体贴的倭黑猩猩种群中出现的频率明显高于黑猩猩。笔者向学生展示了科学家利用PCR和凝胶电泳技术对该基因进行特性性扩增的条带（图2），以及三号染色体不同位点基因的频率差异分析图谱（图3）。教师提出问题：

（1） 黑猩猩和倭黑猩猩的根本区别在于基因库和基因频率的差异，基因库和基因频率的定义是什么，科学家是如何计算基因频率的？（基因库指一个种群中全部个体所含有的全部基因；基因频率指在一个种群基因库中，某个基因占全部等位基因的比率）

（2） 科学家发现在北岸的大猩猩会与黑猩猩争夺食物，结合图2，你认为这会如何改变社会纽带基因在黑猩猩种群中的频率？（淘汰具有社会纽带基因的个体，降低该基因的频率）

（3） 科学家通过对图3的分析，得出结论：两种猩猩之所以属于不同物种，本质上是因为种群基因库存在显著性的差异，由此可见进化的实质是什么？（种群基因频率的改变）

教学反思：为了让学生能够体会“种群基因频率在物种进化中的作用”，笔者简化地呈现了科学家的研究成果。学生分析相关证据，通过逻辑推理获得基于实证的生物知识。教师引导学生自主探索，培养学生最基本的识图和科学分析能力。

为了概念化进化的发生途经，学生需要了解基因库的动态变化以及自然选择对于基因频率的作用。Kay Pruer等科学家对于倭黑猩猩进化的研究也同样遵循这一基本思路。通过在倭黑猩猩基因库中记录到的实验证据和教师的问题引导，学生可以自主地探索自然选择发生的分子机制。其实，研读学术文献既是进行科学研究的前提，又能培养学生科学的思维和创新的意识。虽然由于语言和知识基础的限制，在实际教学中忠实地呈现文献原文或许并不合适。但是，如果教师能够结合课标要求，创新文献呈现的方式，那么大胆地引入世界级的研究也同样可以建构学生的知识体系。

参考文献：

[1] Prufer K， Munch K， Hellmann I， et al. The bonobo genome compared with the chimpanzee and human genomes [J]. Nature， 2012， 486（7404）： 527-531.

[2] Narat V， Pennec F， Krief S， et al. Conservation communautaire et changement de statuts du bonobo dans le Territoire de Bolobo [J]. Revue dethnoécologie， 2015， 7（1）： 1-15.endprint