“DNA分子结构科学史”教学实践

陈月艳

DNA是现代的标志。在生命科学史上，一般把1953年DNA结构模型的建立作为分子生物学的标志。在揭示DNA结构的研究历程中，划时代意义的成就、完美合作的结晶、痛失机遇的缺憾、科学认识和认识过程本身的迷人光彩等，所蕴含的教育营养是极其丰富的。高中生物课程标准中提出了“收集DNA分子结构模型建立过程的资料并进行讨论和交流”的学生活动。笔者在组织“DNA分子结构科学史”教学中，以DNA的结构如何与其担当遗传物质的功能相适应的问题为核心线索，分享DNA结构研究历程中的科学思维、科学研究方法、科学精神、科学审美和生命观念。

通过遗传物质分析的科学史学习，学生已经明确了DNA是主要的遗传物质。因此，课程伊始，教师首先引导学生思考的问题是，DNA作为遗传物质应该具有哪些功能？在学生充分讨论的基础上，师生共同从遗传信息的角度，总结分析DNA的如下功能特点：分子结构相对稳定，能携带大量的遗传信息;能够自我复制，传递遗传信息;能够指导蛋白质合成，表达遗传信息;分子结构可变，改变遗传信息。然后教师提出如下质疑导入新课：DNA分子具有怎样的结构能使其具有上述特性，从而担当遗传功能？科学家们是如何揭示DNA的分子结构的？

一、引导学生分析DNA结构研究历程中的科学思维和研究方法

1.引导学生分析莱文和科塞里的研究结果，明确DNA的基本结构单位

在本教學环节中，笔者首先引领学生通过分析图1所示的化学研究结果，获得DNA结构层次的如下结论：由C、H、O、N、P五种元素构成了DNA的三种组成物质，即磷酸、脱氧核糖、含氮碱基，由这三种物质构成了DNA的基本结构单位脱氧核糖核苷酸。碱基的差异导致组成DNA的核苷酸有4种。在获得上述结论的基础上，教师进一步提出质疑：4种脱氧核糖核苷酸如何组成DNA分子？

2.从遗传物质的功能特性角度，探讨莱文“四核苷酸假说”的不合理性

本教学内容主要包括以下环节：①教师简要介绍莱文作为美国国家科学院院士、著名的化学家在核酸研究领域所作的贡献，如确认组成DNA的糖是脱氧核糖、分析出核苷和核苷酸之间的关系等，然后利用图2，介绍莱文依据其所测得的DNA分子四种碱基数量相等的证据而提出的四核苷酸假说，并提出质疑：你认为莱文的四核苷酸假说合理吗？②学生通过讨论，得出如下结论：莱文的假说中DNA分子不具有多样性，因而不能携带不同物种以及同一物种不同个体的多样化的遗传信息，因而不合理。③教师提出质疑：莱文对核酸的研究作出了许多创造性的贡献，但是，为什么他的四核苷酸假说对于DNA研究起到了阻碍作用？学生对这个问题很感兴趣，通过讨论和交流，师生共同总结莱文的四核苷酸假说阻碍DNA研究的原因：莱文提出四核苷酸假说之时，科学界还没有揭示出哪一种物质是遗传物质，而该假说否认了核酸作为遗传物质所具有的复杂性和必不可少的多样性。人们很自然地认为，如果基因具有一些非同寻常的性质，那么，它必定是由氨基酸组成的多样化的蛋白质。又因为莱文在相关领域极高的声誉和学术地位，人们对其研究结论深信不疑，当人们不把DNA分子看作遗传物质时，一些化学家和生物学家便失去了对于DNA的研究热情。

3.引导学生从遗传物质携带多样化的遗传信息的角度，推测脱氧核糖核苷酸的连接方式

在该教学环节中，教师提供如下素材和问题，引导学生讨论、推测脱氧核糖核苷酸之间的连接方式：薛定谔在《生命是什么》一书中提出了这样的假设：像受精卵细胞核这样小的物质微粒，怎么能包含了涉及有机体未来的全部发育的精细的密码正本？担当遗传功能的物质的结构应提供了各种可能的排列，为了把问题讲清楚，就想到了莫尔斯密码。你认为薛定谔的假说合理吗？你认为脱氧核苷酸分子可能的连接方式应该是怎样的？

这个问题对于学生具有挑战性，在教师提出的薛定谔假说的铺垫下，学生能对这个问题产生极大的探讨热情。更多的学生从遗传物质应该能携带千变万化的遗传信息的角度，提出核苷酸之间连接成多核苷酸链的假说，这是一种最简单的组成方式，看起来不错。在学生构建DNA连接方式的基础上，教师展示1951年剑桥大学有机化学家亚历山大·托德研究组设想的DNA片段（图3）。

4.交流角逐摘取DNA分子空间结构研究桂冠的三个学术团体的工作

有关DNA发现过程的科学故事资料丰富而繁杂。在该教学环节中，笔者主要选取加州理工大学鲍林研究小组、伦敦皇家学院威尔金斯和富兰克林研究小组、剑桥大学沃森和克里克研究小组的工作，和学生交流不同研究机构的主要代表性研究成果，评述其研究方法，分析各个研究小组对于沃森和克里克研究的启示作用。

5.师生共同讨论分析沃森和克里克成功的原因

在该教学环节中，笔者从不同角度提出供学生思考的问题，在学生充分讨论发表自己的见解的基础上，教师提出自己的或其他人的一些评论观点。

问题1：在揭示DNA结构的研究历程中，沃森和克里克的研究成就是什么？

学生发现很难回答这个问题，因为他们关于DNA双螺旋的实证论据来自富兰克林和威尔金斯的X衍射图，他们的模型建造方法来自鲍林，他们对于氢键和碱基比例的研究结果来自查伽夫，他们对于碱基配对合理性的认识来自多纳休。他们似乎什么都不曾有，却似乎拥有了全部。

师生达成这样的共识：就像17世纪到19世纪很多人都观察到了细胞，但是一定有人站在一个更高的角度去概述细胞是生命的基本单位，从而建立细胞学说一样，当很多物理、化学成果已经揭晓，也一定需要有人不仅关注树木，而且关注森林，把物理和化学的研究资料和成果放到生物学背景上去思考，沃森和克里克时刻牢记DNA是遗传物质，因而能构建一个能揭示生命的秘密、有生命灵魂的DNA分子。

问题2：沃森和克里克所取得的成就是不劳而获吗？

无论是年龄、知识功底还是实验研究工作，沃森和克里克似乎都不该是发现DNA双螺旋结构的理想人选，他们的研究成果颇有争议。有人说沃森和克里克仅凭别人提供的线索，在最快的时间求得了正确的答案，他们的工作更多地不是在实验室完成的，而是在餐厅里聚餐、酒吧里小酌甚至湖上泛舟时以闲聊的方式一步步接近答案的。布拉格戏称他俩是“站在巨人的脚趾上”。沃森和克里克所取得的成就是不劳而获吗？

在学生讨论、发表自己观点的基础上，教师提供如下资料。

卡文迪许实验室主任布拉格的评价：你当然可以认为他们疏懒，或者油滑（连爬上巨人肩膀上的工夫都没花）。但你不妨认为这反映出他们俩的敏捷。就是这种敏捷，在科学研究竞争日益激烈的今天，是做出重大发现的重要因素。

沃森在剑桥的导师佩鲁茨的评价：我们羡慕他们不劳而获，其实是混淆了艰苦工作与艰苦思维之间的关系。沃森和克里克的成功凭借的是一种稀缺的想象力，而不是艰苦的实验数据收集，这绝不是投机取巧。对此，别人只能望尘莫及。

克里克对自己的评价：我想，沃森和我最值得称赞的是我们选对了问题并坚持不懈地为之奋斗。为了找到黄金，我们一路跌跌撞撞，总是犯错误，这是真的，但事实是我们仍在一直寻找黄金……在我看来，成功部分是靠运气，部分是靠正确的判断，灵感和坚持不懈。

问题3：有人认为“DNA双螺旋结构的揭示是数十位生物学家以及一群自称为分子生物学家的研究人员无意间合作的结果。”你同意这个观点吗？

在学生讨论、发表自己观点的基础上，教师提供如下资料和观点。

共同的研究目標促进了具有不同学术研究背景的沃森和克里克的完美合作。

科学家对成功者所表现的宽宏大度：由于威尔金斯在DNA双螺旋结构建立中的重要作用，当时沃森和克里克提出让威尔金斯在双螺旋结构论文上署名，但威尔金斯拒绝了。威尔金斯说：“用X射线分析DNA晶体并得到一些数据是应该的，因为我是物理学家，我没能用这些数据提出双螺旋分子结构模型，也是可以理解的，因为我不是生物学家。而沃森和克里克用我和富兰克林的数据提出了双螺旋模型是十分欣慰的事，我要衷心感谢，不然我和富兰克林的数据还要在办公室抽屉中放置。”威尔金斯以温和的方式表达了对这个即将证明具有重大生物学意义的螺旋结构的万分激动。富兰克林认识到沃森和克里克之所以致力于建造模型，所表达的是一种科学的方法，而不是为了逃避诚实的科学事业所需要的艰苦工作而采取的一种偷懒办法。鲍林曾对妻子说：“解决DNA的问题舍我其谁！”他对DNA结构的揭示表示由衷的惊喜，在他看到了模型之后，祝贺他的对手找到了答案。

我们为成功者喜悦，也为失败者遗憾，更从内心里对所谓失败者产生由衷的敬意，对科学研究过程中科学家们在竞争与合作中所表现的人性之美由衷地敬仰。科学家的探索留给我们的是DNA旋梯上的群星闪耀的无限智慧，留给我们的是DNA分子本身所焕发的永恒的生命的光辉，那么无论是谁发现了DNA，对于人类，其结果又有什么不同呢？

二、引导学生欣赏DNA分子结构的科学之美

该教学内容主要包括两个环节，一是师生共同总结DNA分子双螺旋结构要点，二是引导学生分析、鉴赏DNA分子的结构之美。

对于初学DNA结构的大多数学生而言，DNA不过是一种本身不具有生命性的大分子有机化学物质，学生不容易欣赏和体会其中所蕴含的生物学之美。教师对于DNA分子深邃的美学意义的渗透，应该贯穿于DNA结构和功能教学的始终，使学生体会到DNA简明清晰的结构中蕴含着深刻的生命逻辑和意义。

DNA是一个优雅的分子，它结构的外在美在于其简约性和确定性，它的这种外在美赋予了科学的内在美：一方面，就DNA分子的一条链而言，并不限制碱基排列顺序，这保证了DNA可以负载无穷的、多样的遗传信息，充分体现了基因的属性;另一方面，碱基配对的专一性保证了复制的高度精确性，只要一条链上的碱基序列确定了，其互补链上的碱基序列也随之确定。DNA分子简约的结构满足了其作为遗传物质的最重要属性，那就是变异的无穷多样性和复制的高度精确性。我们不难理解当沃森无意间把碱基A和T放在一起，发现它们从结构上刚好连接成一对时的欣悦，因为这一特性立即让他对查伽夫的碱基比例和DNA分子可能的复制机制产生顿悟。

三、引导学生依据DNA分子结构提出其可能的复制机制

该教学内容主要包括如下两个环节。

教师首先提出如下质疑，克里克曾说：“科学地讲，发现双螺旋过程是普通的，重要的不是发现的途径，而是发现的对象。”也有人这样评论：“与其说是沃森和克里克得出了DNA的结构，不如说是DNA结构造就了沃森和克里克。”那么，你认为发现DNA结构的意义是什么呢？为什么人们把1953年DNA结构的发现作为生物学研究进入分子生物学时代的标志呢？学生对该问题的回答呼应了课程伊始提出的问题，即DNA的结构如何和其功能相适应。认识了DNA的结构，就可以进一步研究DNA如何复制、如何指导蛋白质的合成进而控制性状、如何变异进而改变性状等问题，学生也会从现代生物技术基因工程的问世和应用等角度说明DNA结构发现的意义。

布置课后拓展作业。作业一：自主选择材料用具，制作DNA双螺旋结构模型;作业二：沃森和克里克在他们的千字短文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》的末尾写道：“我们未曾忽略，我们提出来的碱基特异性配对的原则立即展示出遗传物质可能的复制机制。”根据该模型，请你提出能保证亲子代DNA分子遗传信息一致性的DNA复制机制的假说。

责任编辑：李莎

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