第八單元基因的本質——從分子水平揭秘生命的延續(xù)一、單元概述自摩爾根提出基因的染色體理論后，基因在人們的認識中不再是抽象的“遺傳因子”，而是存在于染色體上的一個單位。那么，基因到底是什么？科學家經過不懈探索，通過一系列重要實驗，最終揭開了DNA和基因的“神秘面紗”，揭示了基因的本質。本單元包括對遺傳物質的探索、DNA的結構、復制以及DNA與基因的關系四部分內容。通過本單元的學習，將從分子水平揭秘DNA分子作為遺傳物質所具有的特征、DNA如何通過復制傳遞遺傳信息以及基因的本質。同時，本單元將在新情境下，運用物理學和化學等方法分析古人類基因組測序的原理和解決不同人種的親緣關系、新冠病毒與乙肝病毒的遺傳物質等問題，從而形成結構與功能相適應的觀念。二、單元要素（一）單元內容標準3.1親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上3.1.1概述多數生物的基因是DNA分子的功能片段，有些病毒的基因在RNA分子上3.1.2概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結構，堿基的排列順序編碼了遺傳信息3.1.3概述DNA分子通過半保留方式進行復制（二）單元學習任務1.相關概念建構--DNA雙螺旋結構、DNA半保留復制、遺傳信息、基因2.相關研究方法--模型建構（DNA雙螺旋結構模型）、假說-演繹法探究DNA復制方式、科學史探究DNA是遺傳物質的實驗證據3.DNA分子雜交探究生物之間的親緣關系、探究病毒的遺傳物質4.DNA分子結構和功能在基因工程中的應用（三）單元學習目標1.研讀教材，梳理探索遺傳物質本質、結構與復制方式的科學歷程，畫出DNA雙螺旋結構平面圖，簡要描述其結構特點和復制過程，闡明DNA半保留復制的重要意義，結合實例，概述基因的本質，初步構建基因、DNA、染色體關系圖。2.基于古人類基因組測序的情境，比較遺傳物質探索實驗的過程、現(xiàn)象及結論，歸納研究思路和方法的異同點，制作DNA結構和復制模型，闡明DNA作為遺傳物質所具有的特征，運用DNA指紋技術、DNA分子雜交技術判斷生物之間親緣關系。3.搜集與新冠肺炎和乙肝有關的資料，說出兩種疾病的病毒類型、發(fā)病特征和傳播途徑，比較兩種病毒的遺傳物質結構和復制的不同，為預防兩種疾病提出2-3條建議，設計實驗探究未知病毒的遺傳物質。4.圍繞“基因與DNA的關系”，重構單元思維導圖，拓展PCR技術和體內DNA復制的異同，預測研究DNA分子結構和功能對基因工程發(fā)展的意義，結合核酸檢測熒光定量RT-PCR技術過程，闡釋核酸檢測出現(xiàn)“假陰性”的原因。（四）單元學習計劃學習階段學習內容學時安排整體感知梳理遺傳物質的發(fā)現(xiàn)歷程以及DNA結構特點、復制方式的探究歷程，厘清基因與DNA的關系構建單元知識體系。2探究建構重走遺傳物質探索之路，比較遺傳物質探索實驗的過程、現(xiàn)象及結論，概括四個實驗所用的方法及其共性；通過制作DNA的雙螺旋結構模型，總結出DNA的結構特點；借助模型模擬DNA的復制過程，總結DNA復制的時期、場所、模板、原料、酶、能量、特點和意義。4應用遷移收集與新冠肺炎和乙肝有關的資料，說出兩種疾病的病毒類型、發(fā)病特征和傳播途徑，比較兩種病毒的遺傳物質在結構特點和復制方面的不同，聯(lián)系生活實際，為預防新冠肺炎和乙肝提出2-3條建議，并說明原因，設計實驗探究未知病毒的遺傳物質，寫出實驗思路和預期結果。1重構拓展重構本單元體系，從結構和功能相適應的角度運用基因的本質有關內容提出解決分子水平的遺傳問題的方法。2（五）學習資源學習階段資源類別資源分層整體感知1.DNA雙螺旋結構圖片、DNA結構介紹視頻2.人類基因組計劃的介紹TT探究建構1.格里菲思肺炎鏈球菌體內轉化實驗視頻、艾弗里肺炎鏈球菌體外轉化實驗視頻、噬菌體侵染細菌的實驗視頻2.2022年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的視頻、DNA分子雜交視頻3.DNA復制過程視頻、DNA指紋技術視頻TABT應用遷移1.新冠病毒、乙肝病毒、HIV病毒拓展資源2.探究遺傳物質的方法文本資源ABT重構拓展1.拓展資源：PCR技術視頻、RT-PCR核酸檢測的視頻資源2.四大結構ABT（六）單元學習目標追求三、單元內容（一）整體感知基因的本質——初步構建基因、DNA與染色體的關系對基因本質的百年探索從20世紀初，人們對遺傳物質的化學本質的爭論開始，多位科學家經過復雜的探索歷程，證明了DNA是遺傳物質，后來又闡釋了DNA雙螺旋結構的分子模型及DNA通過復制傳遞遺傳信息的過程。歷經百年，對遺傳物質的探索仍然在繼續(xù)。2022年諾貝爾獎委員會宣布將2022年生理學或醫(yī)學獎頒發(fā)給瑞典生物學家、進化遺傳學家斯萬特·帕博（SvantePaabo），以表彰他發(fā)現(xiàn)了與已滅絕古人類和人類進化相關的基因組。科學家是如何探索遺傳物質的本質的？為什么說DNA是主要的遺傳物質？基因是什么？它和DNA分子間有什么關系？它是如何將遺傳信息從親代傳遞給子代？如何通過DNA的結構和復制原理進行古人類的基因組測序，對比不同人種之間的親緣關系？【學習目標】1.研讀教材，梳理遺傳物質本質、結構與復制方式的探索歷程，嘗試總結用到的研究方法。2.畫出DNA雙螺旋結構平面圖，用自己的話簡要描述結構特點和復制過程，闡明DNA半保留復制的重要意義。3.結合人類基因組計劃等實例，概述基因的本質，初步構建基因、DNA、染色體的關系。學習活動1：探索歷程整體再現(xiàn)斯萬特·帕博通過對DNA測序發(fā)現(xiàn)了不為人知的丹尼索瓦人。DNA為什么可以作為判斷依據？請以時間軸梳理科學家對遺傳物質本質的探索歷程。學習活動2：初步感知DNA的結構和復制過程認識DNA的結構和復制過程是進行古人類基因組的測序所必需的。畫出DNA雙螺旋結構平面圖，用自己的話簡要描述其結構特點和復制過程，闡明DNA半保留復制的重要意義。學習活動3：構建基因、DNA、染色體之間的關系結合人類基因組計劃等實例，概述基因的本質，圍繞基因、DNA、染色體關系初步構建單元體系。（二）探究建構基因的本質——構建DNA結構和復制模型，揭示古人類基因組測序的原理人類的基因組測序及親緣關系分析獲得2022年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的瑞典科學家斯萬特·帕博通過其開創(chuàng)性研究，完成了一件看似不可能的事：為尼安德特人的基因組DNA測序，首次破譯了尼安德特人基因組草圖。證明了尼安德特人是現(xiàn)代人已滅絕的近親。帕博還通過對丹尼索瓦洞穴中發(fā)現(xiàn)的一塊4萬年前的手指骨碎片進行DNA測序，發(fā)現(xiàn)了一種以前不為人知的古人類——丹尼索瓦人。斯萬特˙帕博團隊為什么可以通過比對DNA就能確定他們是現(xiàn)代人的祖先？DNA是如何被人們發(fā)現(xiàn)的？為什么DNA可以作為遺傳物質？DNA是如何將遺傳信息傳給后代的？【學習目標】1.比較遺傳物質探索實驗的過程、現(xiàn)象及結論，歸納研究思路和方法的異同點，舉例說出對DNA是主要遺傳物質的理解。2.制作DNA結構和復制模型，分享交流DNA的結構特點和復制過程，闡明DNA作為遺傳物質所具有的特征。3.運用DNA指紋技術、DNA分子雜交技術判斷不同人類的親緣關系，解釋其中的生物學原理。學習活動4：探究遺傳物質的本質古人類DNA會遭受化學修飾并降解成短小的片段，最終獲得的標本中只剩下微量DNA，并且可能已被細菌和現(xiàn)代人的DNA污染。于是，在過去的30多年內，帕博走上了漫長的技術研發(fā)之路。起初利用現(xiàn)代遺傳學方法研究了數十年，隨后帕博改進方法，成功對4萬年前骨頭的線粒體DNA區(qū)域進行測序。此后佩博及其團隊不斷改進從古人類的骨遺骸中分離和分析DNA的方法，熟練使用最新的高通量測序技術并結合計算機分析技術成功分析并測序了尼安德特人基因組。科學成果的取得必須有科學方法和技術手段的保證，科學探究是一個不斷深化的過程。1.格里菲思、艾弗里、赫爾希和蔡斯都分別采用了哪些技術手段來實現(xiàn)他們的實驗設計？比較肺炎鏈球菌的體外轉化實驗和噬菌體侵染細菌的實驗的過程、現(xiàn)象及結論，總結兩大實驗研究思路與研究方法的異同點。2.用35S標記的一組侵染實驗，放射性主要分布在上清液中；32P標記的一組實驗，放射性同位素主要分布在離心管的沉淀物中，這一現(xiàn)象說明了什么？在細菌裂解釋放出的噬菌體中，可以檢測到32P標記的DNA，但不能檢測到35S標記的蛋白質，這一結果又說明了什么？3.上述實驗能否說明DNA是主要的遺傳物質，為什么？4.結合肺炎鏈球菌的轉化實驗和噬菌體侵染細菌的實驗，分析DNA作為遺傳物質應具備哪些特點。學習活動5：構建DNA結構模型研究人員從小骨片中提取了DNA并測定，通過與早期現(xiàn)代人類、尼安德特人、倭猩猩和黑猩猩的DNA進行比對，發(fā)現(xiàn)這塊小骨片既不屬于早期現(xiàn)代人類，也不屬于尼安德特人，更不屬于倭猩猩和黑猩猩，而是與尼安德特人親緣關系較近的一種新人種——丹尼索瓦人。通過測定DNA就能確定他們的親緣關系。DNA有什么特點？如何通過DNA來判斷親緣關系的遠近？1.二次閱讀課本48頁DNA結構模型的構建科學史，說出哪幾位科學家分別為沃森和克里克構建DNA雙螺旋結構模型提供了什么樣的理論依據？歸納闡釋DNA雙螺旋結構的主要特點？2.動手制作DNA分子結構模型，說出DNA分子是如何儲存遺傳信息的，闡明其特性，分析為什么可以通過對比不同人類的DNA發(fā)現(xiàn)了尼安德特人等古人類。3.借助模型，分析DNA分子中堿基之間的數量關系。雙鏈DNA分子中，A與T的數量關系是？A+G的堿基數量之和占DNA中堿基總數的比例為？雙鏈DNA分子中，若一條鏈上A+T所占的比例為m，則互補鏈上A+T所占的比例為？在整個DNA分子中，A+T所占的比例為？雙鏈DNA分子中，若一條鏈上A+G/C+T=n，則互補鏈上A+G/C+T=？在整個DNA分子中，A+G/C+T=？【拓展提升1】早期現(xiàn)代人類、尼安德特人、倭猩猩、黑猩猩和丹尼索瓦人之間親緣關系的判斷，常用DNA分子雜交技術。DNA分子雜交是用不同的DNA探針與不同個體的DNA進行分子雜交，呈現(xiàn)出各自特有的雜交圖譜。DNA探針是用放射性同位素或者熒光分子標記的DNA片段，當兩種生物的DNA分子的單鏈具有互補的堿基序列時，互補的堿基序列就會結合在一起，形成雜合雙鏈區(qū)；沒有互補堿基序列的部位，仍然是兩條游離的單鏈。形成雜合雙鏈區(qū)的部位越多，說明DNA堿基序列的一致性越高，說明兩種生物的親緣關系越近。DNA分子雜交過程中應用的原理是什么？結合以下圖解說明如何通過這種方法判斷早期現(xiàn)代人類、尼安德特人、倭猩猩、黑猩猩和丹尼索瓦人之間親緣關系的遠近？學習活動6:模擬DNA復制過程帕博的發(fā)現(xiàn)讓我們了解到，中國西藏人之所以能適應西藏4000多米的高海拔低氧環(huán)境，可能因為西藏人從丹尼索瓦人那里繼承一個與低氧適應相關的EPAS1基因突變型。此外，遺傳有尼安德特人的VIP基因的智人后代將獲得應對更多病毒的抵抗力。丹尼索瓦人的EPAS1基因和尼安德特人VIP基因是如何傳遞給現(xiàn)代人的？親代的DNA分子與子代DNA有什么關系？1.模擬DNA分子復制過程，并總結出復制的條件和特點。2.從結構與功能相適應的角度，解釋DNA復制能準確進行的原因？【拓展提升2】2019年6月2日兒童節(jié)過后，“團圓”系統(tǒng)上線滿三年，該系統(tǒng)共接到兒童失蹤案3978件，找回3901個失蹤的孩子，找回率達98%，團圓系統(tǒng)也因此堪稱人販子的克星。打拐DNA數據庫是在全國范圍內，由各地方負責機構一方面對丟失孩子報案的家長采集DNA樣本，另一方面對各地在街頭流浪乞討和被組織從事違法犯罪活動的未成年人一律采集DNA樣本，并將這些數據錄入到專門的全國聯(lián)網的統(tǒng)一數據庫。下圖是公安機關對3名被拐兒童的DNA進行鑒定，得到的DNA指紋圖譜，根據該圖譜，該父母的孩子最可能是哪位？為什么？親代的DNA分子與子代DNA有什么關系？你認為公安機關人員可以采集哪些組織樣本進行這種檢測？為什么？請結合自己的學習并查閱資料，分析打拐DNA數據庫尋找孩子的可行性，說出自己的觀點及依據。（三）應用遷移基因的本質——探究病毒的基因本質探究病毒的基因本質新型冠狀病毒肺炎（CoronaVirusDisease2019，COVID-19），簡稱“新冠肺炎”。時至今日，全世界仍然籠罩在新型冠狀病毒的陰影之下，由于該病毒極強的傳染性使人們談之色變。在中國政府的支持下鐘南山院士和國家科研團隊率領的醫(yī)療團隊迅速做出應對措施，在比較短時間率先研制出了疫苗，現(xiàn)已全國推廣，甚至于遠銷國外。乙型病毒性肝炎是由乙型肝炎病毒（HBV）引起的一種世界性疾病。發(fā)展中國家發(fā)病率高，據統(tǒng)計，全世界無癥狀乙肝病毒攜帶者（HBsAg攜帶者）超過2.8億,我國約占9300萬。多數無癥狀，其中1/3出現(xiàn)肝損害的臨床表現(xiàn)。目前我國有乙肝患者3000萬。這兩種病毒的遺傳物質是什么？科學家是如何通過實驗探究病毒的遺傳物質類型？【學習目標】1.搜集并分析與新冠肺炎和乙肝有關的資料，說出兩種疾病的病毒類型、發(fā)病特征和傳播途徑。2.比較兩種病毒的遺傳物質在結構特點和復制方面的不同，聯(lián)系生活實際，為預防新冠肺炎和乙肝提出2—3條建議，并說明原因。3.設計實驗探究未知病毒的遺傳物質，寫出實驗思路和預期結果。學習活動7：比較DNA病毒和RNA病毒的異同病毒類型遺傳物質遺傳物質結構特點遺傳物質的復制新冠病毒乙肝病毒1.結合271BAY中關于新冠肺炎和乙肝的相關資源，說出兩種疾病的病毒類型、發(fā)病特征和傳播途徑，對比新冠病毒和乙肝病毒的核酸在結構特點、復制等方面的異同。【拓展提升3】在新冠肺炎的預防方面，專家們給了很多切斷傳染源避免感染的措施，各國也陸續(xù)研制出了疫苗，從新冠病毒和乙型肝炎病毒的基因的本質角度，分析兩種疫苗的有效期可能會有哪些不同？學習活動8：利用遺傳物質探索方法探究未知病毒遺傳物質有些病毒對人類健康會造成很大危害，通常，一種新病毒出現(xiàn)后需要確定該病毒的類型。根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型。假設在宿主細胞內不發(fā)生堿基之間的相互轉換。請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定未知病毒的遺傳物質，簡要寫出實驗設計思路和預期的實驗結果及結論。（四）重構拓展基因的本質——重構基因與DNA的關系PCR技術在古人類基因組測序中，要利用PCR技術。PCR是聚合酶鏈式反應的縮寫。該技術由穆里斯等人于1985年發(fā)明，為此，穆里斯于1993年獲得了諾貝爾化學獎。它是一項根據DNA半保留復制的原理,在體外提供參與DNA復制的各種組分與反應條件,對目的基因進行大量復制的技術。通過這一技術，可以在短時間內大量擴增目的基因。【學習目標】1.重構“基因與DNA的關系”的思維導圖，從結構和功能相適應的角度運用基因的本質有關內容解決分子水平的遺傳問題。2.結合拓展材料，比較PCR技術和DNA體內復制的異同，預測研究DNA分子結構和功能對基因工程發(fā)展的意義。3.結合核酸檢測熒光定量RT-PCR技術過程，闡釋核酸檢測出現(xiàn)“假陰性”的原因。【單元檢測】1.單元知識重構重構基因與DNA的關系思維導圖重構“脫氧核苷酸、基因、DNA和染色體的關系”，從結構和功能相適應的角度運用基因的本質有關內容解決分子水平的遺傳問題。2.單元知識拓展（PCR技術）PCR反應需要在一定的緩沖溶液中才能進行，需提供DNA模板，分別與兩條模板鏈結合的2種引物，4種脫氧