培养学生科学素养的生动教材：生物科学史

在自然科学领域中，生物学的内容极其丰富、复杂而又充满活力，在其发生和发展的各个特定时期内，都有许多科学家们倾注了大量的精力，对许多重大问题进行一系列研究，他们曾经遇到各种障碍和坎坷，经历过无数的挫折和失败，但是，凭借科学家们的顽强毅力、聪明智慧、不断探索和通力协作，终于取得了令人振奋的成果和成功经验，在生命科学的历史长卷中写下了一页又一页的辉煌篇章。

生命科学史正是以生物科学产生和发展的过程为轮廓，以科学发展历程中带有重大转折作用的课题及事件为主线，用翔实的资料论述科学家们的创造性劳动，生动地描述他们进行科学探索的思维过程和方法，同时也对生物学发展的逻辑和社会历史背景等重大问题作出评论。生物科学史也是一门充满生命力的科学，是培养学生科学素养的生动教材。那么，生物科学史蕴含着哪些教育功能呢？我们回顾一下科学家们探索遗传奥秘的100多年的历史，会令人兴奋、感慨万千并受到启迪。

众所周知，在生命科学历史的长河中，“生命是什么”、“遗传的奥秘是什么”，始终是人类不懈探究的永恒主题。1865年，遗传学奠基人孟德尔通过豌豆的杂交试验，提出生物性状的遗传受遗传因子控制的假说，并发现了著名的孟德尔定律。但是，由于孟德尔的科学思想、研究方法及成果的超前性，使其被埋没了35年。直至1900年，孟德尔的《植物杂交试验》论文，才被德佛里斯（H.de Vries）、科伦斯（C.Correns）、切尔马克（E.Von Tsehermak）三位科学家几乎同时发现，并在世界科学界引起轰动和争论。这场争论的开始，几乎使孟德尔理论又面临被扼杀的危险。其间，贝特森（W.Bateson）成为孟德尔学说的坚定捍卫者，从1900～1904年他利用各种机会宣传孟德尔理论，利用一系列试验数据证明孟德尔理论的普遍意义。1906年，他建议把“我们所致力研究的新学科”叫做Genetics，从此“遗传学”宣告诞生。在遗传学的创立过程中，他和约翰逊（W.L.Johansen）一起提出许多新概念，如基因、等位基因、纯合子、杂合子、基因型、表现型等，1909年贝特森出版《孟德尔遗传原理》一书，完成对孟德尔著作的重新诠释，还提出“遗传病是由于缺少某种关键物质引起”的观点，把遗传与酵素（酶）联系起来。

那么，基因在哪里？基因是什么呢？1886年以前，科学家已经认识到减数分裂和受精过程中的染色体行为。1902年，萨顿（W.S.Sutton）等发现，染色体动态与贝特森提出的等位别型（后来称为等位基因）的行为完全平行，因此，提出“遗传因子一定是位于染色体上”的假说。但是，贝特森表示“染色质颗粒无论如何复杂，能够具有我们的遗传因子所具有的那种能力是不可思议的”。摩尔根（T.H.Morgan）也宣称绝不接受“没有实验基础的结论”。1911年，摩尔根等人通过果蝇的杂交实验证实，黑腹果蝇的白眼基因和残翅基因，位于细胞的X染色体上，发现基因的连锁遗传规律。1913年，他的学生斯特蒂文特（A.H.Sturtevant）推出果蝇X染色体上6个基因的连锁图；1916年，他的学生布里吉斯（C.B.Bridges）用实验证明，性连锁基因的行为与性染色体行为完全平行，从而提出染色体遗传学说；1921年他的学生缪勒（H.J.Muller）发现，用X射线照射X染色体能够诱发基因突变。1922年初贝特森参观了哥伦比亚大学内摩尔根领导的果蝇实验室，布里吉斯等人的工作，使其改变了对染色体遗传学说的认识，随后在多伦多国际遗传学会议上宣告：“对于从未见过细胞学奇异景象的人，怀疑染色体是可以原谅的；但是对于果蝇研究者们的主要论点再不能有所怀疑了。……我为升起的这颗西方的星，恭谨地奉献我的敬意……”这位毕生为遗传学的诞生和发展做出卓越贡献的著名学者，在其61岁（去世前4年）时放弃坚持了20年的错误，展现出一代伟人的高尚品格，堪称后辈学习的楷模。

那么，基因究竟是什么呢？1885年，魏斯曼（A.Weismann）曾经提出，生物世代之间的联系在于遗传性状的传递，这种传递应是通过一个化学实体进行的。这预示着，一种遗传物质的发现是历史的必然。米歇尔（J.F.Miescher）首先发现核酸，但至今他是个被忘却的学者。早在1868年，他研究脓细胞、酵母和其他细胞化学时，在细胞核中分离出一种含磷高而含硫低的有机物，这种物质“可能在细胞发育中发挥着极为重要的作用”，被称为核素。他用鲑鱼精子研究核素时，发现一种化学组成不同于鱼精蛋白的酸性物质。由于米歇尔对核素研究的某些不足，曾受到一些人的批评和攻击。1885年，赫特维希（O.Hertwig）提出，核素可能负责受精和传递遗传性状。1895年，威尔逊（E.B.Wilson）指出，遗传也许受到从亲代传递到子代的一类特定化学物质的影响。1900年，科塞尔（A.Kossel）和他的学生莱文（P.A.Levene）等研究胸腺和酵母的核素时，发现了核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。莱文提出，来源不同的各种脱氧核糖核酸，4种碱基的克分子数相等，即“四核苷酸假说”。这个错误假说使人们误认为，核酸是一种结构简单而单一的物质，不可能行使遗传因子的复杂功能，从而导致对基因本质的研究偏离了正确思路，转向探索复杂的蛋白质与遗传因子的关系。1910年，德佛里斯力劝遗传学家们将精力集中在基因上，他认为“必须通过物理和化学相结合的方法，一直深入到分子或原子这样的单位上，才能正确解释生命世界的种种现象”。

核酸果真是一种简单而单一、且与遗传无关的物质吗？20世纪30年代，哈马斯顿（E.Hammarsten）等人的研究证明，DNA是一种高分子量的长链结构，分子量约为500 000～1 000 000之间。1936年斯坦利（W.M.Stanley）发现，烟草花叶病毒结晶后仍保持其物理、化学和生物学特性不变。1941年，比德尔（G.W.Beadle）和塔特姆（E.Tatum）提出“一个基因一个酶”的假设，明确地表述出基因的作用；1944年，艾维里（O.Avery）等人继续格里菲斯（F.Griffith）于1928年进行的肺炎双球菌转化的研究，通过肺炎双球菌的体外转化实验证明DNA具有转化作用。1951～1952年间，赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）的噬菌体浸染细菌进行复制繁殖的实验，证明DNA能够进行自我复制并指导蛋白质的生物合成；1950年，查格夫（E.Chargaff）用纸层析、离子交换层析和紫外线分光光度计测量等证实，不同物种的DNA分子中4种碱基的数量不等；同种生物体不同器官的DNA分子组成是恒定的，而且腺嘌呤与胸腺嘧啶的数目相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的数目相等，这就是著名的“查格夫法则”。(www.xing528.com)

DNA是遗传物质的观念终于被人们接受了，但由于它的结构仍然是个谜，尚无法解释基因的本质及其功能。因此，揭示DNA分子结构已成为基因研究的主题。早在1947年，剑桥大学的卡文迪什实验室在英国医学委员会的赞助下，建立“生物系统的分子结构单元”（分子生物学实验室的前身），最初成员为佩鲁兹（M.Perutz）和他的学生肯德鲁（J.Kendrew），克里克、赫胥黎、沃森陆续加入（克里克是佩鲁兹的研究生，沃森是肯德鲁的博士后）。沃森和克里克都是在阅读过薛定谔的《生命是什么》一书后，对基因产生浓厚兴趣的。1947年沃森在印第安纳大学当研究生时曾参加噬菌体研究小组，其博士论文中论述了噬菌体复制中X射线的效应。1949年，克里克在佩鲁兹指导下用X射线技术研究蛋白质分子的结构。1951年，25岁的沃森与大他12岁的克里克相遇，两位性格截然相反的学者在科学研究上建立起相互鼓励、密切合作的关系。

沃森和克里克是怎样建构DNA分子双螺旋结构模型呢？显然，“查格夫法则”对他们构思DNA分子的4种碱基之间的结构联系有着重大启示，另一个重要启示则来源于X射线衍射晶体学提供的资料。1950年，鲍林（Pauling）发表的有关蛋白质结构的——螺旋模型，对他们有很大的启发，使其意识到：先从理论上推测出一种物质分子的各种结构模型，再运用X射线衍射提供的实验数据对模型进行校正，是研究和揭示生物大分子空间结构的极其合理的方法。于是，建议佩鲁兹将楼梯下的一间斗室供他们讨论DNA使用。他们经常与威尔金斯（M.Wilkins）和富兰克林（R.Franklin）沟通研究信息，利用威尔金斯提供的X射线数据，富兰克林提供的当时最好的X射线衍射B型DNA图像，经过一系列数据分析、推测和多次建立模型，终于在1953年3月18日提出DNA双螺旋结构模型。DNA双螺旋结构模型的关键特征，在于内部的特异性碱基遵循互补配对原则，而且互补碱基对的排列顺序可以改变。这样，DNA不仅能够自我复制，而且具有特异性及其多样性，从而使科学家们信服基因的化学本质是DNA。

在提出DNA双螺旋结构模型之前，受其他科学家研究工作的启发，沃森曾经作出一个预测：“DNA→RNA→蛋白质”，并把这个公式贴在办公室的墙壁上。提出DNA双螺旋结构模型之后，沃森和克里克先后发表论文阐述DNA＂半保留复制”的设想。此后，科恩伯格（A.Kornberg）、梅塞尔森（M.S.meselson）和斯塔尔（F.W.Stahl）等科学家揭示出DNA半保留复制的机制。1958年克里克发表《论蛋白质的合成》的论文，提出了著名的“连接物假说”，讨论了核酸中碱基序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系，并详尽地阐述了“中心法则”。此后，梯明（H.Temin）、德尔贝克（R.Dulbecco）和巴尔蒂莫（D.Baltimore）等发现逆转录酶和RNA病毒复制，为此，克里克于1970年提出了更为完善的中心法则图解。至此，遗传物质及其作用原理告一段落。

总之，遗传学诞生至今有100年的历史。如果以10年为一个历史阶段，第1个10年科学家们主要是探索基因与性状之间的关系；第2个10年则揭示了基因与染色体的关系；但是，从1910～1930年间对基因本质的研究曾经偏离了正确思路。此后的20年科学家们逐渐认识到基因与DNA的关系，为揭开遗传奥秘奠定了基础。50年前，沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型，是人类探索生命奥秘的历史必然，它宣告人类对遗传物质及其作用原理的研究迈出了具有里程碑意义的一步，这个发现的重要意义在于叩开了遗传奥秘的大门，改变了整个生物学研究的模式，加速了生命科学发展的历史进程。50年后，人类基因组DNA序列测定的完成，则是生命科学跨入基因组学或后基因组时代新的里程碑。这半个世纪中基因科学的迅速发展，足以使人们欣赏和感悟到DNA双螺旋结构是生命科学中的一朵奇葩，是20世纪生物学的最伟大的成就之一。

综观遗传物质及其作用原理的发现史，使我们认识到科学发现是不能计划或凭空设想的，而是在良好的研究环境和氛围中，通过许多科学家创造性的思维和脚踏实地的努力取得的。在生物科学史中，不仅记载着生命科学知识的形成过程，而且蕴含着科学家的创造性思维方式和灵活多样的科学方法，体现着科学家尊重事实、服从真理和实事求是的科学态度，以及勇于创新、善于合作和无私奉献的科学精神。因此，在高中生物学教学中注重科学史的学习，必将对培养学生的生物科学素养产生深远的影响。