分析“細胞分化與細胞全能性”的教學案例

1、分析“細胞分化與細胞全能性”的教學案例“細胞分化”和“細胞全能性”是高中生物學必修1“分子與細胞”中2個緊密聯(lián)系的核心概念。其具體內(nèi)容標準為:說明細胞的分化;舉例說明細胞的全能性。由此可見課程標準是將其定為理解水平,即要求學生能夠陳述細胞分化的概念內(nèi)涵(包括細胞分化的原因、結(jié)果、特征、意義等)。細胞分化能力的強弱稱為發(fā)育潛能(developmentpotential),細胞具有分化出各種組織和細胞,并能發(fā)育成完整個體的潛能稱為細胞的全能性(totipotency)。然而,不少教師受教材表述的影響,把這一概念作了狹義的理解。本文援引分子細胞生物學等專著的有關(guān)論述,試圖對“細胞全能性”這一核心概念

2、予以詮釋,并在教學設(shè)計中揭示“細胞分化”與“細胞全能性”之間的邏輯關(guān)系。一、“細胞分化”概念內(nèi)涵及層級1. 在個體發(fā)育中,由一個或一種細胞增殖產(chǎn)生的后代,在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上會發(fā)生穩(wěn)定性差異。細胞的這種特化不僅是正常發(fā)育所必需的,而且還能提高細胞各種生理功能的效率。2. 一般說來,體內(nèi)各種細胞均含有物種的全部基因,但基因的表達具有時空性。細胞之所以在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生穩(wěn)定性差異,是因為組織特異性基因選擇表達成了組織特異性蛋白的緣故。從理論上講,已分化的細胞仍然具有發(fā)育成一個完整個體的潛能。3. 細胞分化是漸進性的,其方向的限定早于形態(tài)差異的出現(xiàn)且分化細胞的表型保持相對穩(wěn)定,一般不可逆轉(zhuǎn)

3、。之所以采用完整的陳述句的形式來表述概念,是因為這種表述方式更易于確認需要學生理解和掌握概念的內(nèi)容及意義,也更易于建立概念之間的聯(lián)系。二、“細胞分化”概念教學的組織在分析“細胞分化”的概念內(nèi)涵及層級之后,教學設(shè)計應(yīng)該緊緊圍繞著相應(yīng)的概念條款展開,通過列舉事實、分析討論或者基于資料的探究等活動,幫助學生深層理解這些概念內(nèi)涵,并基于概念理解而構(gòu)建合理的知識結(jié)構(gòu)（見圖1）。1. 列舉事實,嘗試定義。呈現(xiàn)人的受精卵發(fā)育至胎兒的圖片列舉學生熟知的根尖分生區(qū)細胞分化成伸長區(qū)、成熟區(qū)的事實,然后,引導學生抽象概括出:“細胞分化是指在個體發(fā)育中,由一個或一種細胞增殖產(chǎn)生的后代,在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能上會發(fā)生穩(wěn)

4、定性差異的過程?！边@是廣大教師一貫堅持的做法,值得肯定。因為事實是用來幫助學生建立和理解概念的,事實當然要圍繞著概念的結(jié)構(gòu)來排布。但是,定義常常不等同于概念?！岸x”通常用“是”來表述，說得十分肯定?！案拍睢泵枋鲆活愂挛锏谋举|(zhì),有時并不用“是”來描述。在引導學生下定義之后,教師還應(yīng)該設(shè)置下列問題吸引學生深入思考細胞分化的結(jié)果和生物學意義。在人的個體發(fā)育過程中,假若沒有細胞分化,受精卵能發(fā)育成胎兒嗎？為什么？細胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)上由現(xiàn)特化，對于細胞完成其生理功能有何意義？從遺傳的角度分析，受精卵為什么能夠發(fā)育成一個完整個體?問題3的設(shè)置實際上是指向“細胞全能性”這一核心概念的豐富內(nèi)涵,之所以在此設(shè)置

5、問題3,一方面是因為不僅已分化的細胞具有發(fā)育成完整個體的潛能,未分化的受精卵在自然條件下更容易發(fā)育成一個完整的個體。也就是說,“細胞全能性”這一概念是隨著教學進程不斷建構(gòu)起來的;另一方面,其用意還在于探討細胞分化的原因,起到承上啟下的教學功效。2. 探究發(fā)現(xiàn),明晰原因。美國地平線研究組(HorizonResearchTeam)主席維斯(Weiss)及高級研究助理帕斯利(Pasley)經(jīng)過了18個月的觀察,對364節(jié)課詳細分析,發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)課堂主要有幾個特征,其中包括:在課堂教學過程中,教師善用多種策略,為某個科學概念提供清晰的闡釋;吸引學生從事動腦筋的活動;幫助學生理解學科的核心概念等。因此,可以

6、引入相關(guān)科學史對細胞分化原因進行探討。資料1:最早試圖對細胞分化機制作出解釋的學者是Weismann(1883),他根據(jù)當時對馬蛔蟲的研究結(jié)果,提出了“體細胞分化是由于遺傳物質(zhì)丟失造成的,每一種組織只保留了其特有的遺傳物質(zhì)”的見解。在馬蛔蟲這一特例中,在卵裂過程中體細胞的染色體確實發(fā)生丟失現(xiàn)象。因此,Weismann這一觀點在當時看來既符合邏輯,又有實際例證,因而被學術(shù)界所普遍接受。你同意上述觀點嗎?根據(jù)是什么?資料2:1958年Steward等利用胡蘿卜根的韌皮部組織培養(yǎng)出了完整的新植株;1970年Steward用懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單個細胞培養(yǎng)成了可育的植株。資料3:1969年Nitch將煙草

7、的單個單倍體孢子培養(yǎng)成了完整的單倍體植株。分析資料2和資料3,你得出的結(jié)論是什么?基于對上述3則資料的分析探究,學生就容易得出以下結(jié)論:高度分化的植物體細胞,遺傳物質(zhì)并沒有丟失,仍含有發(fā)育成一個完整個體所需的全套基因,具有發(fā)育的全能性;在二倍體染色體組中,只要有一套單倍體的基因組,就含有該物種的全部遺傳信息,因此,植物的生殖細胞也具有發(fā)育的全能性。至此細胞全能性的概念內(nèi)涵已昭然若揭,師生共同歸納（見圖2）。學生仍然會有2個疑問:既然已分化細胞中含有相同的遺傳信息,為什么細胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能會出現(xiàn)穩(wěn)定性差異？已分化的動物細胞是否也像植物細胞那樣具有發(fā)育的全能性?針對疑問1,教師可以列舉事實

8、,循循善誘,問題指向要明確,最終讓學生領(lǐng)悟“細胞分化是組織特異性基因表達的結(jié)果”。例如:通過分子雜交實驗表明,在任何時間一種細胞的基因組只有一少部分基因在活動。在幼紅細胞中,糖酵解酶系的編碼基因、核糖體蛋白基因是否均能表達?血紅蛋白基因、胰島素基因是否都能表達?細胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與生理功能主要由哪種化學物質(zhì)直接體現(xiàn)?幼紅細胞最終分化成紅細胞的主要原因是什么?針對疑問2,教師要向?qū)W生說明到目前為止,人們還沒有成功地將單個已分化的動物體細胞培養(yǎng)成新個體,這是因為動物細胞的發(fā)育潛能隨著分化程度的提高而逐漸變窄。但這種分化潛能的變化是對細胞整體而言的,對細胞核來說是否還保持著全能性呢?進而引導學生分析細

9、胞核移植實驗。3. 因果分析,把握特征。學生一旦理解了細胞分化的因果關(guān)系,就容易從中把握細胞分化的特征:漸變性細胞在發(fā)生形態(tài)差異之前的一定時間,細胞分化命運即已確定,基因活動模式已發(fā)生改變,從基因到蛋白質(zhì)再到細胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能特化是一個漸變過程。不可逆性一一分化細胞的表型保持相對穩(wěn)定,以執(zhí)行特定的功能。然而,在某些條件下,分化細胞的基因活動模式可發(fā)生可逆的變化,又回到未分化狀態(tài)。三、“細胞全能性”的概念詮釋正如前文所言,細胞全能性是指細胞具有分化出各種組織和細胞,并能發(fā)育成完整個體的潛能。然而不同版本的教材表述不一,人教版以黑體字非常醒目地標明:“細胞的全能性是指已經(jīng)分化的細胞,仍然具有發(fā)育成完整個體的潛能?！敝袊貓D版將概念的外延進一步縮小:“高度分化的植物細胞仍然有發(fā)育成完整植株的潛能,這是細胞的全能性?！闭憬萍及鎰t以舉例說明的形式來表述概念:“受精卵具有分化出各種細胞的潛能,這種潛能稱為細胞的全能性?！辈煌姹窘滩?各執(zhí)一端,莫衷一是。在此,我們還是援引翟中和院士在生命科學和生物技術(shù)一書中的闡釋:“每一個細胞,不論低等生物或高等生物的細胞、單細胞生物或多細胞生物的細胞、結(jié)構(gòu)簡單或復雜的細胞、未分化或分化的細胞（除個別終末分化的細胞外）、性細胞或體細胞都包含著全套的