孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)之科學(xué)研究思維

王曉冰

[摘 要]孟德爾在做植物雜交實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了生物遺傳的基本定律。他更是通過一系列的實(shí)驗(yàn)研究和大量的統(tǒng)計(jì)分析，為現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)材料的精心選擇，實(shí)驗(yàn)方法的精心設(shè)計(jì)，數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法的運(yùn)用及測(cè)交實(shí)驗(yàn)法的首創(chuàng)，這些都是孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)取得成功的必不可少的條件?？茖W(xué)研究不僅僅需要無限的熱情、濃厚的興趣、

堅(jiān)忍不拔的毅力，還需掌握多種研究方法，多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)，開拓科研新思路，正是因?yàn)檫@些優(yōu)良的科學(xué)素養(yǎng)，才使孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)獲得了成功。

[關(guān)鍵詞]孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)；科學(xué)研究思維；交叉學(xué)習(xí)

[中圖分類號(hào)] G633.91 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 16746058（2018）02008102

近百年來，以孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)所展現(xiàn)的科學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)，解釋了生命發(fā)展過程中的最本質(zhì)的特征及作用規(guī)律。迄今為止，遺傳學(xué)已經(jīng)發(fā)展為當(dāng)代自然科學(xué)的重要組成部分。孟德爾從1856年開始，在八年期間進(jìn)行過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)修正和改進(jìn)，才成功地完成了豌豆雜交實(shí)驗(yàn)。在孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)之前，人們已經(jīng)對(duì)生物遺傳問題進(jìn)行了研究和探索，并且進(jìn)行了多次的、多種植物的雜交實(shí)驗(yàn)。但這些實(shí)驗(yàn)研究，由于實(shí)驗(yàn)選材和實(shí)驗(yàn)方法的限制，只是停留在混合遺傳上面，因此并沒有得出遺傳的本質(zhì)和規(guī)律。孟德爾在總結(jié)過去的經(jīng)驗(yàn)和吸取前人教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)選材和研究方法都進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理念，與當(dāng)時(shí)的社會(huì)背景和主流思想息息相關(guān)。比如在1868年，達(dá)爾文提出了融合遺傳的概念；19世紀(jì)中葉，由于原子論觀念的影響，很容易使人聯(lián)想到遺傳物質(zhì)也是顆粒式的。科學(xué)研究不僅僅需要無限的熱情、濃厚的興趣、堅(jiān)忍不拔的毅力，還需要多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)，開拓科研新思路。而正是因?yàn)槊系聽枔碛羞@些優(yōu)良的科學(xué)素養(yǎng)，才成功完成了豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，為遺傳學(xué)定律的誕生打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、新研究方法的提出

1.相對(duì)性狀分類和單因子分析法

孟德爾在眾多植株中經(jīng)過層層篩選和對(duì)比，最終選定了豌豆作為實(shí)驗(yàn)材料。為什么偏偏選豌豆呢？它又有什么特別之處呢？豌豆是自花傳粉，且閉花受粉（自然狀態(tài)下兩株豌豆是不能進(jìn)行相互受粉的），因此在自然狀態(tài)下一般都是純種。確定豌豆為實(shí)驗(yàn)材料之后，雖然豌豆具有多對(duì)易于區(qū)分的形狀，但是孟德爾并沒有一次性地對(duì)豌豆的所有相對(duì)性狀進(jìn)行分析。最開始時(shí)，他

僅研究豌豆的高莖和矮莖這一對(duì)相對(duì)性狀。在研究清楚這一對(duì)相對(duì)性狀后，以此作為研究的基礎(chǔ)對(duì)豌豆的其他相對(duì)性狀進(jìn)行分析。這種研究方式由簡(jiǎn)到繁，由單因素到多因素，更便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出。

2.數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法

孟德爾在總結(jié)分析前人實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)中意識(shí)到，能否精確地對(duì)數(shù)量龐大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有條理的分析是至關(guān)重要的，因?yàn)樗P(guān)系到實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒?。在?shí)驗(yàn)中，他記錄了豌豆的不同后代所表現(xiàn)出來的不同性狀，并用精確的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行精確的分析。這樣分析的結(jié)果，使得第二代F2中本來看似無序的性狀，呈現(xiàn)出了一定的規(guī)律——性狀分離比。孟德爾把數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法創(chuàng)新地引入了生物學(xué)的研究中，這是超越前人的創(chuàng)新，也是孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺晒Φ闹匾蛑弧＿@也有助于他后來發(fā)現(xiàn)基因分離定律，為以后的理論假設(shè)提供了非常重要的數(shù)據(jù)支持。

3.假說—演繹法

孟德爾通過用兩種自然狀態(tài)下純種的紫色豌豆和白色豌豆進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)，得到了第一代F1（觀察發(fā)現(xiàn)全部都是紫色的）。通過讓第一代F1自交得到第二代F2，孟德爾運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法，把第二代F2以性狀作為依據(jù)進(jìn)行分組，發(fā)現(xiàn)紫色豌豆和白色豌豆的數(shù)量比近似為3∶1。

觀察到上述現(xiàn)象之后，孟德爾充滿了疑惑：這些背后是不是存在什么特定的規(guī)律？于是他提出了若干問題：為什么第一代F1全是紫色？而第一代F1自交所產(chǎn)生的第二代F2，紫色和白色的比卻是3∶1呢？背后是不是存在什么規(guī)律？于是他進(jìn)行積極地想象和推理，并提出合理的假說。其中最重要的假說是“決定同一性狀的成對(duì)的遺傳因子彼此分離進(jìn)入到各自的配子中去”。接下來就是進(jìn)行演繹推理。孟德爾分析：如果第一代F1產(chǎn)生兩種配子，它們的數(shù)量比是1∶1，用第一代F1與純種的白色豌豆雜交，則會(huì)出現(xiàn)兩種基因型的個(gè)體，它們所表現(xiàn)出來的性狀只有兩種，且數(shù)量之比是1∶1。這就是巧妙的測(cè)交實(shí)驗(yàn)，是對(duì)假說的演繹。果不其然，孟德爾進(jìn)行測(cè)交實(shí)驗(yàn)之后，測(cè)交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與預(yù)期的推論一致。這樣，通過實(shí)驗(yàn)完成了對(duì)推論的驗(yàn)證。孟德爾最終得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)論，此時(shí)分離定律的雛形已然出現(xiàn)。

二、交叉學(xué)習(xí)，開拓科研新思路

“數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法”和“假設(shè)—演繹法”這兩種方法得以使用，得益于孟德爾集眾多學(xué)科知識(shí)于一身，并且敢于創(chuàng)新，懂得融會(huì)貫通，把數(shù)學(xué)的一些思維方法應(yīng)用到生物的科學(xué)研究中，開創(chuàng)了科學(xué)探究的新思路。因此，作為生物教師，應(yīng)不斷充實(shí)自我，多進(jìn)行學(xué)科的交叉學(xué)習(xí)，并學(xué)會(huì)創(chuàng)新，不斷開拓科學(xué)研究的新思路 。

三、科學(xué)精神產(chǎn)生推動(dòng)力

科學(xué)精神是人類精神文明的產(chǎn)物，是一種勇于開拓創(chuàng)新和在追求真理道路上能夠一往無前的大無畏精神。孟德爾實(shí)驗(yàn)中所用的豌豆是一年生草本植物。在豌豆的雜交實(shí)驗(yàn)中，要完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，不僅要考慮如何避免各種外因的影響，更需要年復(fù)一年地耐心等待。與此同時(shí)，要觀察豌豆種子的子葉顏色，必須逐粒剝開種皮來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。工作時(shí)不僅僅需要細(xì)心，面對(duì)如此大的工作量，更需要的是耐心。八年的實(shí)驗(yàn)中，不知道有多少汗水和淚水，這需要多么大的精神支撐才能夠完成實(shí)驗(yàn)呀！

我們現(xiàn)在來看孟德爾實(shí)驗(yàn)之所以能夠成功，一方面是源于實(shí)驗(yàn)材料的精心選擇，實(shí)驗(yàn)方法的精心設(shè)計(jì)，數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法的運(yùn)用，及首創(chuàng)了測(cè)交實(shí)驗(yàn)法。另一方面，孟德爾從小在生物、數(shù)學(xué)、物理這些學(xué)科上都有過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，能夠集眾多學(xué)科知識(shí)本領(lǐng)于一身，并且他敢于創(chuàng)新，懂得融會(huì)貫通，將數(shù)學(xué)思維方法與生物學(xué)的科學(xué)探究有機(jī)結(jié)合，從而開辟了科學(xué)研究的新思路?？茖W(xué)研究是困難重重、非常漫長的過程，科學(xué)家要承受來自各個(gè)方面的壓力。他們既要謹(jǐn)小慎微，又要大膽創(chuàng)新，缺少哪一樣，都有可能導(dǎo)致失敗。因此，我們?cè)诳茖W(xué)研究中，不但要學(xué)習(xí)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，更要體會(huì)和領(lǐng)悟每個(gè)學(xué)科的思維方法?？茖W(xué)研究思維方法是科學(xué)精神的外在表現(xiàn)，人們的實(shí)踐創(chuàng)造活動(dòng)既不能缺乏科學(xué)精神的引導(dǎo)，也不能缺乏科學(xué)思維方法的應(yīng)用，只有具備科學(xué)精神并掌握和運(yùn)用科學(xué)研究思維方法的人，才能真正發(fā)現(xiàn)科學(xué)的本質(zhì)和規(guī)律。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1]張青祺.孟德爾的生平、科學(xué)成就和科學(xué)方法[J].生物學(xué)通報(bào)，1983（1）.

[2]王莉芹，陳雅敏.數(shù)學(xué)史教育：科學(xué)與人文的巧妙結(jié)合[J].基礎(chǔ)教育參考，2012（10）.

（責(zé)任編輯 黃春香）