淺析表觀遺傳學(xué)在高中生物課程中的教育價(jià)值及其實(shí)現(xiàn)

淺析表觀遺傳學(xué)在高中生物課程中的教育價(jià)值及其實(shí)現(xiàn)表觀遺傳學(xué)為人們理解遺傳現(xiàn)象提供了全新的視角，成為“后基因組”時(shí)代的重要研究內(nèi)容之一。同時(shí)，表觀遺傳學(xué)作為一個(gè)前沿領(lǐng)域，將是高中生物課程內(nèi)容的一部分。如何在高中課程中實(shí)現(xiàn)其教育價(jià)值，對(duì)教育工作者又提出了新的要求。1表觀遺傳學(xué)：從“意外”發(fā)展而來的科學(xué)領(lǐng)域“眾所周知，是生命的基本遺傳物質(zhì)，但令人怦然心動(dòng)的是，你可以繼承的不僅僅只有序列，還有表觀遺傳信息。”表觀遺傳學(xué)是從對(duì)經(jīng)典遺傳學(xué)理論無法解釋的“意外”現(xiàn)象的探索中發(fā)展起來的，這也使表觀遺傳學(xué)的研究格外令人著迷。經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，遺傳信息儲(chǔ)存于核酸序列中，并通過生殖將遺傳信息傳遞給下一代。它所揭示的“基因型決定表型”的遺傳模式被廣泛認(rèn)知。然而，不符合此模式的遺傳現(xiàn)象卻一直困擾著遺傳學(xué)研究者們。作為遺傳信息完全相同的同卵雙胞胎為什么會(huì)在成長發(fā)育過程中表現(xiàn)出不盡相同的外表特征？在生物體的發(fā)育過程中，雖然每個(gè)細(xì)胞擁有相同的遺傳物質(zhì)，為什么它們卻遵循高度的時(shí)空特異性，從而分化為不同的組織？在過去的3年中，隨著對(duì)甲基化、組蛋白修飾、染色體失活、基因組印記以及非編碼等領(lǐng)域的不斷深入研究，許多困惑科學(xué)家已久的遺傳學(xué)問題得到了解釋，表觀遺傳學(xué)也逐漸成為一個(gè)新興的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。表觀遺傳現(xiàn)象被定義為“非 突變引起的可繼承的表型變化”。其中包涵三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：()不是由突變引起的；可以繼承的，或是說可遺傳的；引起了表型的變化。一直以來， 被認(rèn)為是遺傳信息的唯一承載者。表觀遺傳學(xué)的研究表明，子代可以繼承的不僅僅有 攜帶的遺傳信息，還有“表觀遺傳信息”。而這些表觀遺傳信息雖然沒有伴隨序列的改變卻可以遺傳下去。例如，在發(fā)育過程中，分化后的細(xì)胞和組織之間存在明顯的表型差異，這些差異一旦形成便可以以一種克隆性的方式遺傳給子代細(xì)胞。需要說明的是表觀遺傳現(xiàn)象中的表型變化是“開關(guān)”型的，即這種表型非“有”即“無”，而不是程度上的變化。表觀遺傳學(xué)與克隆、干細(xì)胞、衰老與癌癥等研究都有密切聯(lián)系。在“后基因組”時(shí)代，表觀遺傳學(xué)的發(fā)展對(duì)生物學(xué)研究以及人類疾病領(lǐng)域的研究都具有深遠(yuǎn)的意義。2發(fā)揮表觀遺傳學(xué)在高中生物學(xué)中的教育價(jià)值的教學(xué)策略表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象廣泛存在于生命周期的各個(gè)過程中，表觀遺傳學(xué)的調(diào)控對(duì)生物體來說具有普遍且重要的意義。不過，目前國內(nèi)外高中生物教材幾乎都沒有完整介紹表觀遺傳學(xué)相昌哥內(nèi)容的章節(jié)。其原因固然比較多，但主要原因有：表觀遺傳學(xué)是近些年來才發(fā)展迅速，屬于比較新的研究領(lǐng)域；表觀遺傳的機(jī)制非常復(fù)雜，要讓高中學(xué)生理解其內(nèi)在機(jī)制，有一定困難。然而，將表觀遺傳學(xué)的內(nèi)容納入我國的高中生物課程，已經(jīng)基本達(dá)成共識(shí)。那么，這一內(nèi)容在高中生物課程中的教育價(jià)值究竟表現(xiàn)在哪里？筆者認(rèn)為，它不僅僅是為了讓學(xué)生掌握更多的遺傳學(xué)知識(shí)，完善遺傳知識(shí)體系，更重要的是發(fā)揮它在提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)方面的價(jià)值。引導(dǎo)學(xué)生深入理解科學(xué)的本質(zhì)目前，人們對(duì)“科學(xué)的本質(zhì)”還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，《20計(jì)劃——面向所有美國人的科學(xué)》所闡述的科學(xué)的本質(zhì)得到很多學(xué)者的認(rèn)可：科學(xué)世界觀：自然是可以理解的；科學(xué)知識(shí)是可改變的；科學(xué)知識(shí)并非很容易就可以推翻；科學(xué)并非萬靈丹，能解決所有的問題?？茖W(xué)探究活動(dòng)：證據(jù)對(duì)科學(xué)而言是重要的；科學(xué)是邏輯與想象融合成一體；科學(xué)知識(shí)除了能說明自然界的現(xiàn)象也具有預(yù)測的功能；科學(xué)家會(huì)驗(yàn)證理論以減少誤差；既定的科學(xué)知識(shí)并不具有永久的權(quán)威地位?？茖W(xué)事業(yè)：科學(xué)是人類的一項(xiàng)事業(yè)。表觀遺傳學(xué)的發(fā)展歷程，典型地體現(xiàn)出了科學(xué)的本質(zhì)。因此，表觀遺傳學(xué)內(nèi)容的教學(xué)，應(yīng)著力于引導(dǎo)學(xué)生更好地理解科學(xué)的本質(zhì)。.引1導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)具有開放性表觀遺傳學(xué)的發(fā)展表明，人類對(duì)遺傳現(xiàn)象和本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是不斷發(fā)展的，因此，科學(xué)知識(shí)是一個(gè)開放的系統(tǒng)。雖然遺傳學(xué)已經(jīng)建立10多0年，但是科學(xué)家們并沒有停止對(duì)遺傳問題的探索，遺傳學(xué)仍然在發(fā)展。在教學(xué)中，教師可以讓學(xué)生嘗試回答：“為什么遺傳背景相同的同卵雙胞胎在成長過程中會(huì)出現(xiàn)表型差異？”“為什么克隆后的小貓與‘單親媽媽’會(huì)有不同花色？”??學(xué)生在尋求答案的過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)用之前所學(xué)的經(jīng)典遺傳學(xué)知識(shí)并不能回答好這些問題，而是要進(jìn)一步尋找更合理的科學(xué)解釋。由此可以讓學(xué)生直觀地感受到科學(xué)的開放性。引2導(dǎo)學(xué)生感悟科學(xué)講求證據(jù)與邏輯人們對(duì)遺傳現(xiàn)象的認(rèn)知程度會(huì)隨著科學(xué)的發(fā)展而改變，但所有觀點(diǎn)的產(chǎn)生都不是異想天開，而是基于科學(xué)實(shí)證。表觀遺傳學(xué)從對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)知到理論的建立都是基于科學(xué)證據(jù)的積累。這期間出現(xiàn)了很多假說，也經(jīng)歷了理論的不斷提出與推翻的過程。雖然目前仍然有很多還不能夠被解答的問題，但是通過科學(xué)家們?cè)谂c組蛋白修飾、染色質(zhì)重組以及非編碼等領(lǐng)域的不斷探索，人們已經(jīng)可以解釋很多表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象?？茖W(xué)研究的發(fā)展往往從認(rèn)知規(guī)律開始，進(jìn)而通過科學(xué)探究來逐步揭示規(guī)律形成的機(jī)制。教學(xué)時(shí)，如果教師引導(dǎo)學(xué)生基于表觀遺傳的現(xiàn)象，科學(xué)家揭示現(xiàn)象獲得的研究事實(shí)來得出結(jié)論，既可以讓學(xué)生更好地理解表觀遺傳學(xué)內(nèi)容，知道知識(shí)是如何形成的，也能進(jìn)一步引導(dǎo)他們認(rèn)識(shí)到科學(xué)是重視證據(jù)和邏輯的。2.1.引3導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)的連續(xù)性科學(xué)的本質(zhì)特征，一方面表現(xiàn)在科學(xué)知識(shí)是暫時(shí)的、可變的；另一方面表現(xiàn)為科學(xué)知識(shí)又具有持久性。雖然科學(xué)家反對(duì)絕對(duì)真理的概念，并認(rèn)為其中不確定性是事物本性的一部分，但絕大部分知識(shí)都具有持久性。因此，改變性與連續(xù)性是科學(xué)一貫的特征。高中階段學(xué)生對(duì)表觀遺傳學(xué)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，既需要、也可以體現(xiàn)出科學(xué)的連續(xù)性。經(jīng)典的分子遺傳學(xué)可以說是從“基因”的層面來進(jìn)行研究，表型的改變歸結(jié)于 序列的變化。而表觀遺傳學(xué)是從“染色質(zhì)”的層面來進(jìn)行研究，表型的改變歸結(jié)于染色質(zhì)狀態(tài)的調(diào)整。所以表觀遺傳學(xué)狹義的定義為：通過調(diào)整染色質(zhì)狀態(tài)，在不改變序列的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)。學(xué)習(xí)有關(guān)內(nèi)容時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)：表觀遺傳學(xué)的發(fā)展對(duì)經(jīng)典遺傳學(xué)來說并不是一種質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，而是一種補(bǔ)充，是遺傳學(xué)研究的一種延續(xù)。隨著表觀遺傳現(xiàn)象分子機(jī)制的揭開，其與經(jīng)典遺傳學(xué)以及普遍的生物調(diào)控更容易地被結(jié)合起來。這種聯(lián)系是一直就存在的，只是科學(xué)家需要通過對(duì)科學(xué)的不斷探究去發(fā)現(xiàn)和理解它?？茖W(xué)是人類的一項(xiàng)永無止境的事業(yè)，遺傳學(xué)的探索還將繼續(xù)為人們揭開更多生命的奧秘。2.2注意引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步建立生命觀念“生命觀念”是理解生命的本質(zhì)所需要的觀念，是對(duì)觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象。構(gòu)建生命觀念是發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分。表觀遺傳學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)生完善結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀以及穩(wěn)態(tài)與平衡觀。注1意凸顯表觀遺傳學(xué)如何體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性結(jié)構(gòu)與功能觀是基本的生命觀念之一。結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，功能的有效執(zhí)行必定依賴于特定的結(jié)構(gòu)。在生物體的生命歷程中，結(jié)構(gòu)與功能是一個(gè)不可分割的整體。表觀遺傳現(xiàn)象充分體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)與功能的辯證統(tǒng)一關(guān)系。研究結(jié)果表明，在表觀遺傳學(xué)“開啟”和“關(guān)閉”兩種不同的表型狀態(tài)下，總是可以在其中的關(guān)鍵調(diào)控點(diǎn)找到結(jié)構(gòu)差異，即結(jié)構(gòu)決定功能。染色質(zhì)在結(jié)構(gòu)上并不是均一存在的，既有相對(duì)松散的有利于基因表達(dá)的常染色質(zhì)，又有高度濃縮使基因沉默的異染色質(zhì)。常染色質(zhì)是以一種開放式的、對(duì)轉(zhuǎn)錄等過程所需的各種酶更為敏感的構(gòu)象存在，隨時(shí)可以開啟基因的表達(dá)。而異染色質(zhì)以一種超濃縮的致密結(jié)構(gòu)存在，轉(zhuǎn)錄等相關(guān)的酶無法結(jié)合上去，從而抑制表達(dá)。這體現(xiàn)出染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能是相適應(yīng)的。表觀遺傳學(xué)的各種機(jī)制之間其實(shí)是相互關(guān)聯(lián)的，表觀遺傳因素通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、對(duì)染色質(zhì)進(jìn)行修飾等來影響基因的轉(zhuǎn)錄，從而達(dá)到調(diào)節(jié)功能的目的。在教學(xué)中，教師可以結(jié)合表觀遺傳的實(shí)例滲透結(jié)構(gòu)與功能觀。例如，表觀遺傳學(xué)因素導(dǎo)致雌性哺乳動(dòng)物的一條染色體失活，失活后的染色體以致密的異染色質(zhì)狀態(tài)存在，稱為巴氏小體。以玳瑁貓為例，玳瑁貓（母貓）的體表有黃色和黑色隨機(jī)分布的花斑?？刂泣S色和黑色毛色的基因是位于染色體上的兩個(gè)等位基因。在個(gè)體的發(fā)育過程中，細(xì)胞內(nèi)的一條染色體隨機(jī)濃縮而失去活性，從而呈現(xiàn)出這種黃黑相間的花色。注2意發(fā)揮表觀遺傳學(xué)在建立進(jìn)化和適應(yīng)觀念上的價(jià)值“生物進(jìn)化”是生物學(xué)核心概念的重要組成部分，提供了將大部分生物學(xué)知識(shí)橫建成一個(gè)整體的框架。“遺傳”“進(jìn)化”與“環(huán)境”三者之間存在很微妙的關(guān)系。生物進(jìn)化的前提是有可遺傳的變異；遺傳素材的多樣性為自然選擇提供了更多的原料從而更好地適應(yīng)環(huán)境；而環(huán)境又像是一個(gè)有力的推手影響著進(jìn)化的方向。表觀遺傳學(xué)的學(xué)習(xí)是一個(gè)將遺傳、進(jìn)化與環(huán)境很好整合的過程，能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步理解三者的內(nèi)在聯(lián)系。生物體能夠產(chǎn)生后代并穩(wěn)定遺傳依賴于穩(wěn)定傳遞的遺傳信息與精密的調(diào)控機(jī)制。表觀遺傳信息的發(fā)現(xiàn)是對(duì)遺傳信息的重要補(bǔ)充，拓展了遺傳密碼（）的信息承載量。表觀遺傳信息的加入相當(dāng)于擴(kuò)大了遺傳樣本量，為自然選擇提供了更多的素材。很多表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象都是在生物后天的發(fā)育中表現(xiàn)出來的，體現(xiàn)出環(huán)境的塑造性。借助表觀遺傳學(xué)研究手段，人們能更好地理解環(huán)境因素對(duì)生命的影響，進(jìn)一步理解“基因型+環(huán)境=表型”這一遺傳學(xué)命題。研究結(jié)果顯示，從單細(xì)胞到多細(xì)胞，表觀遺傳相關(guān)的甲基化、組蛋白修飾的程度與類型以及干擾機(jī)制在不同的物種中具有顯著的差異，暗示著表觀遺傳調(diào)控在生物進(jìn)化過程中的作用。表觀遺傳信息的發(fā)現(xiàn)以及表觀遺傳調(diào)控機(jī)制的研究對(duì)進(jìn)一步理解遺傳與進(jìn)化具有重要意義。利3用表觀遺傳學(xué)內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生建立穩(wěn)態(tài)與平衡觀念在自然界生存，生物種群會(huì)找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)來有效地適應(yīng)環(huán)境從而維持穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)不是恒定不變的，而是一種動(dòng)態(tài)的平衡。動(dòng)態(tài)平衡無處不在，各物種與生存環(huán)境之間存在平衡，物種之間存在平衡，種群之間存在平衡，個(gè)體之間存在平衡。與此同時(shí)，每一個(gè)生物個(gè)體也是一個(gè)復(fù)雜而精密的系統(tǒng)，在生存過程中，個(gè)體的各種結(jié)構(gòu)之間、各種調(diào)控機(jī)制之間都存在平衡。在進(jìn)行表觀遺傳學(xué)的教學(xué)時(shí)，教師可以通過以下幾個(gè)層次引導(dǎo)學(xué)生建立相關(guān)的生命觀念。雌性與雄性之間的平衡：眾所周知，染色體的基因攜帶量較染色體來說是大很多的。如果雌性動(dòng)物的兩條染色體都具有活性，那么雌性性染色體所攜帶的基因數(shù)目幾乎是雄性的兩倍之多。在哺乳動(dòng)物中，雌性個(gè)體的一條染色體會(huì)隨機(jī)失活，從而維持與雄性之間基因的劑量平衡。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的平衡：基因的表達(dá)與沉默是一個(gè)復(fù)雜且精密的過程。在哺乳動(dòng)物中，染色質(zhì)中的常染色質(zhì)比例只占不到4%，而剩余的96都%為異染色質(zhì)。需要注意的是，沉默染色質(zhì)是動(dòng)態(tài)變化的，這增加了問題的復(fù)雜性。要維持和延續(xù)染色質(zhì)的這種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)必定需要一個(gè)十分可靠的調(diào)控過程。因此，表觀遺傳現(xiàn)象往往是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。表觀遺傳調(diào)控與環(huán)境因素之間的平衡：在表觀遺傳學(xué)研究還不明確的年代，人們常常把經(jīng)典遺傳學(xué)無法解釋的現(xiàn)象都?xì)w結(jié)于“環(huán)境”的因素。研究數(shù)據(jù)表明，環(huán)境因素可以通過影響表觀遺傳標(biāo)記從而影響基因功能。表觀遺傳具有時(shí)間上的多樣性，同卵雙胞胎在出生早期具有相似的表型，但隨著不斷地成長，差異會(huì)不斷出現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，同卵雙胞胎在