“性状分离比的模拟实验”深度剖析及拓展

马小明

摘 要 深入分析与解释“性状分离比的模拟实验”所模拟的内容，并在此基础上对该实验进行拓展，以拓宽该模拟实验装置的使用范围，提高装置利用效率。

关键词 性状分离比 模拟实验 拓展应用

中图分类号 Ｇ633. 91 文献标志码 B

“性状分离比的模拟实验”是人教版普通高中生物学《必修2·遗传与进化》中一个重要的探究实践活动。该实验的目的是通过模拟雌雄配子的随机结合，使学生体会孟德尔对“F 1 自交后代（F 2 ）出现3：1性状分离比”解释的科学性和合理性。实际教学中很多学生不能准确理解该实验所模拟的内容，不清楚模拟装置中各个组分代表什么。下文就该实验中的细节性问题进行分析、解释，并在此基础上对该实验进行拓展，以拓宽该模拟实验装置的使用范围，提高装置利用效率。

1 模拟实验解析

该实验用甲、乙两个小桶分别代表雌性、雄性生殖器官，两个小桶中各有D和d两种彩球，代表含不同遗传因子的配子，实验装置如图1所示。实验时，由一名学生从甲、乙两个小桶中各随机抓取一个彩球，并记录抓取的组合情况（如 DD 或 Dd 或 dd），不断重复抓取多次。理论上，多次抓取后，DD、Dd、dd的比例近似为 1∶2∶1，其中 DD 和 Dd 表现为显性性状，dd表现为隐性性状，故性状分离比为3∶1，与孟德尔实验结果相符。

1.1 实验模拟的具体内容

很多学生错误地认为该模拟实验是在模拟孟德尔提出的分离定律。其实不然，从该模拟实验在教材中的位置看，该实验被安排在孟德尔对“分离现象”提出的解释（假说）之后，这一解释的核心是“杂合子F 1在形成配子时，控制相对性状的遗传因子彼此分离，分别进入不同的配子，配子中只有成对的遗传因子中的一个，受精时雌雄配子的结合是随机的”，这句话可用如图2所示的遗传图解表示。

结合图1和图2可以判断，甲、乙小桶中D和d为杂合子产生的两种含不同遗传因子的配子，随机抓取过程模拟的其实是雌、雄配子的随机结合，即图2中虚线框部分就是该模拟实验所模拟的内容。由此可以看出，该实验并不是在模拟分离定律本身。那么，每个小桶中（F 1 杂合子）为什么会有D和d两种配子呢？其实是因为产生配子时成对的遗传因子彼此分离。所以，准确来说该实验是建立在“杂合子产生配子时成对的遗传因子彼此分离” （分离定律）的基础上，模拟雌雄配子的随机结合，并产生1∶2∶1的三种遗传因子组成的过程。

1.2 模拟实验的注意事项

结合数学学科排列组合及概率知识分析，如果要使抓取多次后DD∶Dd∶dd的结果接近1∶2∶1，必须保证每次从甲、乙小桶中取出D和d的概率均为1/2。如此单次抓取DD或dd的概率才为1/4，抓取Dd的概率为1/2。为保证模拟实验符合数学理论根基，必须注意以下事项：

（1）两种彩球数量相等。该实验模拟的是F 1 杂合子自交时雌雄配子随机结合的过程，其结果是产生DD、Dd、dd三种遗传因子组成的子代，且比例为1∶2∶1，并进一步解释自交后代缘何出现3∶1的性状分离比。要使模拟结果接近1∶2∶1，含D和d的雌配子必须是1∶1，雄配子也是。因此，甲、乙两个小桶中含D和d的彩球数量必须相等。这里需要强调的是每个桶中 D 和 d 的彩球数量相等，但是两个小桶中彩球的总数量可以不相等。教材中是“每个小桶中放入两种彩球各10个”，但从自然界绝大多数生物而言（不论动物还是植物），为保证雌配子能够完成受精，同种生物雄性个体产生的雄配子数量远远多于雌性个体产生的雌配子数。因此，为了更加符合实际，在具体操作时，可以在代表雄性生殖器官的小桶中加入更多彩球，但是一定要保证 D 和 d 两种彩球数量相等。同理，代表雌性生殖器官的小桶中加入少量彩球，甚至可以只放入两个，但也必须保证D和d两种彩球数量相等。

（2）每次抓取统计后必须将彩球放回。由于该模拟实验出现预期结果的理论基础是D和d代表的雌雄配子数量比例为1∶1，因此实验开始前每个小桶中放置的D和d彩球数量相等。而在后续每次抓取前为保证每个小桶中D和d彩球数量依旧相等，学生需要将抓取出来的彩球及时放回。

（3）其他事项。除了以上两项需高度注意的事项外，该实验中还需注意：① 两种彩球除了颜色、标记字母不同外，其他因素如材质、大小、形状等均相同。② 抓取彩球的学生不能看到小桶内彩球的分布。③ 每次抓取前都需充分摇匀。④ 抓取次数要尽可能多。其中前3项是为了不掺杂个人因素而保证抓取的随机性，第4项是该模拟实验数据是否接近或多大程度上接近1∶2∶1的决定性因素。理论上每次抓取获得DD或dd的概率为1/4、Dd的概率为1/2，但是抓取5次出现5次DD的可能依旧存在，只有抓取次数尽可能多，才会近似得到预期结果。

2 模拟实验的拓展

2.1 模擬“自由组合现象”的解释

孟德尔完成一对相对性状的杂交实验后，又对两对相对性状的遗传进行研究。在该阶段的杂交实验中，F 1 （遗传因子组成用AaBb表示）自交后代F 2 出现9∶3∶3∶1的性状分离比。对此孟德尔提出的解释是“F 1在产生配子时，成对的遗传因子彼此分离，不同对的遗传因子自由组合”。即F 1 产生的雌、雄配子各有四种：AB、Ab、aB、ab，且比例为1∶1∶1∶1。

通过小桶-彩球装置，也可以对该解释进行模拟。首先，教师准备甲、乙两个小桶，甲中装入等量的A和a两种彩球，代表一对遗传因子；乙中装入等量的B和b两种彩球，代表另一对遗传因子（图3）。接着，学生从甲、乙中各抓取一个彩球，代表形成的配子的遗传因子组成。抓取时每个小桶只能抓一个，该过程体现的是形成配子时成对的遗传因子中只能有一个进入配子；甲、乙中抓取的两个彩球组合在一起形成配子的遗传因子组成，体现了不同对遗传因子的自由组合。由于抓取A或a的概率为1/2，抓取B或b的概率为1/2，所以理论上在多次抓取后AB∶Ab∶aB∶ab=1∶1∶1∶1。需要注意的是，学生每次抓取并统计后要将彩球放回原小桶，充分摇匀之后再抓取。

不过，该模拟实验中学生很可能会将甲、乙两个小桶错误地理解为雌雄个体或生殖器官，进而无法准确把握模拟实验的精髓和实质。因此，教师可以将图 3 中两个小桶合并为一个小桶。只需要将小桶从中间分开，一侧装入等量的A和a，另一侧装入等量的 B 和 b（图 4）。如此，可以更加明确地说明这个小桶代表的是雌性或雄性的生殖器官，实验模拟的是雌性或雄性个体在减数分裂形成配子时成对的遗传因子彼此分离、不同对遗传因子自由组合的过程。

2.2 模拟双杂合个体自交性状分离比

孟德尔在两对相对性状的杂交实验中发现F 1 自交获得的F 2 出现四种表型且比例为9∶3∶3∶1，其原因是F 1 产生了AB、Ab、aB、ab 4种雌、雄配子且比例为1∶1∶1∶1。加之，雌、雄配子的随机结合，使得后代出现9∶3∶3∶1的分离比。教师可以借助小桶-彩球装置对该过程进行模拟。

教师准备甲、乙两个小桶，分别代表雌性、雄性生殖器官，每个小桶中装入AB、Ab、aB、ab四种彩球，代表F 1 杂合子产生的4种配子，且保证每个小桶中4种彩球的比例为1∶1∶1∶1，如图5所示。其他操作与“性状分离比的模拟实验”相同。多次抓取后，学生统计整理各种雌雄配子组合情况。理论上会出现9种不同的组合（基因型），其中AABB 占1/16、AaBB 占2/16、AABb占2/16、AaBb占4/16，即A_B_占9/16；AAbb占1/16、Aabb占2/16，即A_bb占3/16；aaBB占1/16、aaBb占2/16，即aaB_占3/16；aabb占1/16。从而模拟出F 2性状分离比为9∶3∶3∶1。

2.3 模拟配子致死对子代性状比的影响

上述实验均是在无配子致死、无基因型致死、雌雄配子随机结合的情况下模拟性状分离或自由组合，在实际生活或试题中常会存在诸如“含某基因的雄配子不育”、“隐性基因纯合致死”等特殊情况。对于这些情况，很多学生无法理解配子致死如何导致子代分离比等发生改变。教师利用小桶-彩球装置模拟进行解释，或许能直观地、感性地让学生理解配子比例变化与子代性状分离比变化之间的关系。

（1）模拟部分配子不育。教师准备两个小桶，可以参考图1，接着学生按照要求改变两个小桶中彩球的比例即可。如果是“含d的雄配子不育”，则在代表雄性生殖器官的小桶中只装入D彩球，代表雌性生殖器官的小桶中两种彩球比例不变，之后进行抓取、统计。如果是“含d的雄配子一半不育”，则学生只需在代表雄性生殖器官的小桶中按2∶1的比例装入D和d两种彩球即可，操作不变。

（2）模拟某种基因型致死。这类情景的模拟，由于不涉及配子比例变化，故两个小桶中彩球比例不变，学生只需要在每次抓取得到“致死基因型”组合后，不做统计即可。

3 總结

“性状分离比的模拟实验”有助于学生主观地、感性地认识孟德尔关于一对相对性状的解释，从而有利于学生深刻理解基因的分离定律，这是准确把握自由组合定律的基础，而这两大遗传学定律又是伴性遗传、人类遗传病、育种等内容的根基，可以说它们是整个遗传学的“灵魂”。因此，从知识递进角度及其在遗传学中的重要性而言，教学中教师组织学生开展该模拟实验非常重要。在教材实验的基础上，上文对小桶-彩球装置进行拓展应用，不仅提高了该装置的使用效率，加强了学生对自由组合、性状分离比、配子致死等遗传学现象的理解，更重要的是在拓展应用过程中促进师生发散思维、提升知识关联能力与实验探究能力。