融入生物科學現(xiàn)代進展實施初中生物學STS教育

盧芹

摘要生物科技發(fā)展日新月異，科學、技術(shù)、社會聯(lián)系空前緊密，課堂教學中融入生物科學的現(xiàn)代進展是實施STS教育、提高學生生物科學素養(yǎng)的有效途徑。

關(guān)鍵詞STS初中生物學現(xiàn)代進展課例

中圖分類號G633.91文獻標識碼B

生物科技發(fā)展日新月異，自20世紀中后期取得了許多重大突破，如DNA分子結(jié)構(gòu)和功能的揭示、哺乳動物體細胞克隆的成功、人類基因組計劃的實施等，這標志著21世紀人類將進入生物科技的新時代。一方面，生物科研成果更加迅速地轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力，顯現(xiàn)出巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，有力地促進了現(xiàn)代社會文明的發(fā)展。另一方面，生物科技的發(fā)展對社會和自然界也存在負面影響，如環(huán)境惡化；生物多樣性銳減等，而克隆技術(shù)和基因工程的研究范圍等問題更是沖擊著人類社會的道德倫理體系。

《義務(wù)教育生物課程標準》(實驗稿)中提到：“為適應(yīng)時代的發(fā)展，在繼承我國現(xiàn)行生物教學優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，生物學教學應(yīng)力求更加注重學生的全面發(fā)展和終身發(fā)展的需要及社會的需求，更多地反映生物科學技術(shù)的最新進展，提高學生的生物科學素養(yǎng)”。引導學生理解STS，是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的重要組成部分。

1哺乳動物體細胞克隆

人教版七年級上冊第二單元“生物和細胞”的第二章“細胞的生活”中安排了第二節(jié)“細胞核是遺傳信息庫”。教學內(nèi)容是生物學科的核心基礎(chǔ)科學知識，是現(xiàn)代生物技術(shù)的重大理論支持。在某種程度上說，生物學這門傳統(tǒng)的學科之所以能夠煥發(fā)旺盛生命力，該部分知識的作用舉足輕重，因此本節(jié)教學內(nèi)容是初中、高中乃至整個生物學科的重點，同時又是對學生進行STS教育的良好素材。在“遺傳信息在細胞核中”這一科學知識的處理方面，除通過教材中克隆羊“多莉”的身世資料分析，得出“遺傳信息在細胞核中”的科學結(jié)論之外，筆者增加克隆在我國保護生物多樣性等方面的應(yīng)用案例——中國科學院動物研究所的“克隆大熊貓”課題，拉近了學生和科學的距離，利于學生了解科學研究的曲折過程和科學家精神，這項課題的暫時擱淺又會使學生感受到科學是一個曲折的、開放的、不斷發(fā)展的系統(tǒng)，是一個永遠不會完結(jié)的過程。同時，幫助學生展望克隆技術(shù)的光明前景。

問題：克隆羊“多莉”誕生之前也有克隆動物，如1963年我國克隆魚、1978年我國克隆蛙、1986年英國克隆羊等，為什么1996年克隆羊多利的誕生意義不同?多利的細胞核供體細胞，來自一只6歲綿羊的體細胞—一乳腺細胞。而以前的克隆動物細胞核供體細胞是胚胎細胞，將胚胎細胞細胞核與第二只動物的去核卵細胞融合，融合細胞發(fā)育成早期胚胎后被植入第三只動物的子宮進而發(fā)育成為新個體。如果用一個并不準確但卻形象的說法來表述，這就像是年齡是0歲的細胞發(fā)育成新個體。而“多利”則是6歲綿羊的6歲乳腺細胞重新退回到生命的原點，再重新發(fā)育一次!這是生物科學研究中動物細胞全能性理論的重大突破，在生物科學發(fā)展史上具有里程碑的意義。

問題：如何利用體細胞克隆技術(shù)造福于人類或自然界?拯救瀕危動物——國寶大熊貓的克隆。由于棲息地減少，大熊貓數(shù)量減少，同時遺傳和環(huán)境等因素的影響使大熊貓的生殖力下降。大熊貓的珍貴性和稀少性決定了它的卵細胞很難得到，當然也不可能讓大熊貓作為風險很大的代孕母親。于是中國科學院動物研究所陳大元研究員提出設(shè)想——異種動物體細胞克隆，就是把大熊貓的體細胞的細胞核，與另一種動物的去核卵細胞結(jié)合，培養(yǎng)成胚胎，把胚胎植入“代孕母親”體內(nèi)繁殖大熊貓的方法。如果瀕危動物的體細胞可以通過異種動物克隆繁殖后代，就能夠為瀕危動物保護帶來新的希望。但是，異種動物克隆比同種動物克隆更加困難，目前仍是世界性的技術(shù)難題。

第一步，核質(zhì)融合并分裂為早期胚胎：陳大元采用的是向兔借卵，能否實現(xiàn)核質(zhì)融合即大熊貓的細胞核和兔的細胞質(zhì)是否排斥?歷經(jīng)挫折最終成功!第二步，代孕：尋找代孕動物的原則有三點：實驗動物易得；懷孕時間長短相似，保證胚胎有合適的發(fā)育時間；出生時的胎兒大小與大熊貓相似，保證子宮的容積相似，最終選擇用貓代孕。第三步，胚胎的全程發(fā)育：在代孕貓著床的七八個胚胎中，有兩個是大熊貓胚胎，即以貓胚胎作為掩護防止排斥反應(yīng)，大熊貓胚胎得以在貓的子宮著床。但是不幸，這些代孕貓患肺炎死亡，胚胎停止發(fā)育。此后3年，又用和大熊貓親緣關(guān)系更近的黑熊作為代孕母親，懷孕兩月后，B超檢查發(fā)現(xiàn)胎心停跳。由于胚胎未能繼續(xù)發(fā)育，成功克隆大熊貓還差最后一步。而隨著2005年科研項目到期，克隆大熊貓研究暫時擱淺。

2轉(zhuǎn)基因技術(shù)

八年級下冊第七單元“生物圈中生命的延續(xù)和發(fā)展”第二章“生物的遺傳和變異”中安排了第一節(jié)“基因控制生物的性狀”。教學內(nèi)容包括性狀的概念、基因的概念以及通過轉(zhuǎn)基因鼠的研究得出的“基因控制生物的性狀”的科學結(jié)論。筆者適時擴充了轉(zhuǎn)基因技術(shù)在社會生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用，如正在栽培的轉(zhuǎn)基因作物和飼養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因動物，市場上的轉(zhuǎn)基因食品和醫(yī)院里的轉(zhuǎn)基因藥品。并與學生討論轉(zhuǎn)基因技術(shù)的倫理問題和轉(zhuǎn)基因食品的安全性問題，請學生以角色扮演的形式參與相關(guān)決策。通過這些途徑，幫助他們更理性、辯證地看待科學、技術(shù)、社會的相互作用，形成科學的態(tài)度和價值觀。同時養(yǎng)成參與社會生活相關(guān)的一些重大生物學問題的討論并針對具體的社會問題發(fā)表自己的看法，做出個人或社會決策的意識和能力，培養(yǎng)其社會責任感。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是指利用分子生物學技術(shù)，將某些生物的基因轉(zhuǎn)移到其他物種中，改造生物的遺傳物質(zhì)，使遺傳物質(zhì)得到改造的生物在性狀、營養(yǎng)和消費品質(zhì)等方面向人類需要的目標轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、動物飼養(yǎng)和醫(yī)藥研究等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

世界上第一種轉(zhuǎn)基因植物是一種含有抗生素藥類抗體的煙草，1983年培育成功。世界上第一種轉(zhuǎn)基因食品是1993年投放美國市場的轉(zhuǎn)基因晚熟西紅柿。目前，中國批準進口和在國內(nèi)種植的轉(zhuǎn)基因品種有玉米、大豆、油菜、棉花、甜椒、番茄、木瓜等。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物可能同時具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病毒、抗蟲、抗寒、抗旱、抗?jié)?、抗鹽堿、抗除草劑等多重優(yōu)點，因此中國科學院院士、華中農(nóng)業(yè)大學教授張啟發(fā)曾指出：“農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因技術(shù)可保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是解決世界溫飽問題的根本途徑?！?/p>

轉(zhuǎn)基因技術(shù)在動物飼養(yǎng)領(lǐng)域也取得了很大進展。如從海洋中一種大頭魚的身上截取了一段基因，移植在來自大西洋的野生鮭魚基因鏈上。基因改變后的人工養(yǎng)殖鮭魚生長速度加快了兩倍，美國FDA(食品及藥物管理局)即將批準基因改良過的人工養(yǎng)殖鮭魚進入市場，在2011年，這種轉(zhuǎn)基因的魚肉將首次擺上美國家庭的餐桌。轉(zhuǎn)基因動物還在醫(yī)藥領(lǐng)域獨辟蹊徑。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得特殊基因的動物不僅可能直接生產(chǎn)多種藥品，比如轉(zhuǎn)基因綿羊能生產(chǎn)人的一種蛋白酶，而且利用轉(zhuǎn)基因豬的器官進行人類器官移植也已經(jīng)列入科學家的探討范圍。

但早自轉(zhuǎn)基因技術(shù)誕生以來，其倫理問題一直是

爭論的焦點。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的支持者認為人口增加與糧食短缺的矛盾會傷害富裕國家中的窮人和廣大的貧窮國家及其人民，而轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以緩解這一矛盾。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的反對者則認為，在尚未完全弄清風險狀況的情況下就大規(guī)模推廣轉(zhuǎn)基因技術(shù)的做法違背了倫理原則。①轉(zhuǎn)基因食品可能會對消費者的健康造成傷害。雖美國人早在上世紀90年代就開始吃轉(zhuǎn)基因食品，目前并沒有發(fā)現(xiàn)有什么危害產(chǎn)生。但是，所謂的動物喂養(yǎng)實驗，并沒有進行非常長期的觀測，9個月或者最多1年的觀察期，并不能了解到其對動物乃至人類第二代、第三代的影響。②轉(zhuǎn)基因技術(shù)可能會對環(huán)境(包括實驗中的轉(zhuǎn)基因動物)造成傷害。③發(fā)展中國家的農(nóng)業(yè)是勞動密集型的，吸納了約80％的勞動力。如果被技術(shù)密集型和資金密集型的轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)代替，則大部分農(nóng)民將失去生活的依靠等。只有正視轉(zhuǎn)基因技術(shù)在發(fā)展和應(yīng)用過程中的負面性，深刻探究其倫理本質(zhì)，才能使轉(zhuǎn)基因技術(shù)更加符合人類和自然界的可持續(xù)發(fā)展。

3人類個體基因組的完整破譯

八年級下冊第七單元“生物圈中生命的延續(xù)和發(fā)展”第二章“生物的遺傳和變異”中安排了第三節(jié)“基因的顯性和隱性”。教學內(nèi)容包括孟德爾的豌豆雜交實驗和禁止近親結(jié)婚。存在隱性致病基因的攜帶者這一現(xiàn)象令學生心有余悸。筆者結(jié)合教材內(nèi)容之后的“科學、技術(shù)、社會”欄目適時增加人類基因組計劃的內(nèi)容，開闊學生的視野，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生了解和關(guān)注人類個體基因組的完整破譯給人類社會帶來的可能影響。同時中國作為唯一的發(fā)展中國家承擔3號染色體的測序工作能夠激發(fā)學生的民族自豪感，是愛國教育的寶貴資源。

人類基因組計劃是1990年啟動，英、日、法、德、中先后加入的一項規(guī)模宏大的科學計劃，其旨在測定組成人類染色體(指單倍體)中所包含的30億個核苷酸序列的堿基組成，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識并呈現(xiàn)其上的所有基因及其序列，進而破譯人類遺傳信息。人類基因組計劃是人類了解自身的奧秘所邁出的重要一步，是繼曼哈頓計劃和阿波羅登月計劃之后，人類科學史上的又一個偉大工程。截至2005年，人類基因組計劃的測序工作已基本完成。

在人類基因組計劃完成前，它的醫(yī)學實用價值已初露端倪。大量的企業(yè)，如巨數(shù)遺傳公司開始提供價格不昂貴，而且容易使用的基因測試，可以預(yù)測包括乳腺癌、凝血、纖維性囊腫、肝臟疾病在內(nèi)的很多種疾病以實現(xiàn)疾病預(yù)防甚至是治療。在不久的將來，把個人的致病基因和易感基因檢測出來，記錄在磁卡上，可做成個人基因身份證。對此基因組測序結(jié)果的可能應(yīng)用，反對者認為：①人類對基因結(jié)構(gòu)及基因相互作用尚缺乏足夠認識，通過基因檢測達到預(yù)防疾病的目的困難；多基因病與基因、環(huán)境和生活習慣都有關(guān)；正?；蛟诩庸せ蛐揎椫谐霈F(xiàn)錯誤而致??；許多遺傳病尚無有效治療辦法；②個人基因資訊泄露會導致失業(yè)、婚姻困難、人際關(guān)系疏遠等。支持者則認為：①通過基因檢測可及早采取預(yù)防措施，適時治療，挽救患者生命；②對于基因歧視可通過正確的科學知識傳播、倫理道德教育和立法得以解決。

4造血干細胞研究

七年級下冊第四章“人體內(nèi)物質(zhì)的運輸”中安排了第一節(jié)“流動的組織——血液”。教學內(nèi)容包括血液的組成成分和各部分的主要功能。筆者結(jié)合教材之后的“科學、技術(shù)、社會”欄目適時介紹造血干細胞的相關(guān)知識并進一步使學生了解白血病的簡單發(fā)病機理及治療，進一步加深醫(yī)學的發(fā)展和進步對人類健康的影響，呼吁學生捐獻造血干細胞，建立正確的血液觀。學生珍惜生命、關(guān)愛他人的情感得到升華。

造血干細胞具有兩個重要特征：自我更新和多潛能性。自我更新通過細胞周期分裂而完成，是造血干細胞有絲分裂的一種特殊方式。分裂產(chǎn)生的兩個子代細胞中，一個仍然保留造血干細胞的特征；另一個子代細胞相對成熟，進入細胞周期活躍狀態(tài)，通過系定向產(chǎn)生各種類型的成熟血細胞群體，這一過程即多潛能性。造血干細胞研究歷史可追溯至20世紀60年代，Till和McCulloch在1961年發(fā)現(xiàn)并鑒定脾克隆形成單位作為最早的造血干細胞。此后，由于巨大的基礎(chǔ)意義和臨床應(yīng)用前景，造血干細胞一直是生命科學研究領(lǐng)域中的重點和熱點，并隨后成為成體干細胞研究領(lǐng)域的重要范式。

201 1年1月的《cell》雜志發(fā)表一篇文章，采用基因表達分析結(jié)合體外驗證的綜合方法，解析了造血干細胞分化過程的全局調(diào)控結(jié)構(gòu)，提出了一些研究與構(gòu)造造血干細胞轉(zhuǎn)錄機制的框架性結(jié)論，對未來的相關(guān)研究具有方向與方法上的指導意義。通過這個研究模式，有助于在更深廣的維度上發(fā)現(xiàn)、證實、預(yù)測造血干細胞分化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制，同時有助于解析一些血液腫瘤的分化調(diào)控機制。還可以構(gòu)想一個血液干細胞分化的“編碼表”，為更有效地調(diào)控血液干細胞分化提供一個方案。

一般認為，白血病是造血干細胞克隆性疾病。白血病干細胞表達細胞膜表面抗原，與正常造血干細胞膜表面抗原非常近似，因而推測白血病干細胞可能起源于正常造血干細胞的惡性轉(zhuǎn)化，但白血病干細胞也可能起源于相對分化成熟的造血祖細胞甚至是成熟血細胞。關(guān)于白血病的治療最早采用骨髓移植法。骨髓移植是器官移植的一種，通過骨髓穿刺提取正常骨髓并由靜脈輸入患者體內(nèi)，以取代病變骨髓的治療方法。該療法可提高療效，改善預(yù)后，病人可能得到長生存期乃至根治。缺點是配型困難、骨髓捐獻者痛苦且恢復(fù)慢，風險大。近年來，臨床常用藥物來增加外周血中干細胞的數(shù)量實現(xiàn)外周血干細胞移植。外周血細胞分離采集術(shù)是相當安全的，使用的是一次性全封閉管道，不會造成任何感染，且此法適用于年齡較小的供體或其他不能接受骨髓采集的人。臍血移植是指利用新生嬰兒臍帶在被結(jié)扎后存留在臍帶和胎盤中的血液——臍帶血來進行的移植。雖然每個嬰兒臍帶中只有少量的血，但這些血液中含有大量的干細胞，是成體干細胞的主要來源之一。與非血緣骨髓移植相比，臍血來源豐富，采集方便；由于是以實物形式保存，不會被供者拒絕；尋找相合臍血所需時間短，可根據(jù)患者需要及時進行移植；移植后排斥反應(yīng)小、感染發(fā)生率低，移植成功率高。但同時，臍血移植也有不足之處，如臍血量有限，細胞數(shù)量少，在成人臍血移植有一定限制；具有潛在過繼遺傳性疾病的可能；造血重建的時間較長，感染、出血的發(fā)生機率較大。

初中生物教學實踐證明，在課堂教學中融入生物科學的現(xiàn)代進展，既能使學生在更寬闊的視野中理解科學的本質(zhì)、科學技術(shù)發(fā)展的規(guī)律、科學技術(shù)和社會之間的相互關(guān)系，同時又能切實地激發(fā)學生的學習熱情，提高學生的創(chuàng)新性思維能力，是實施生物學STS教育、提高學生生物科學素養(yǎng)的有效途徑。