福建寧德市第五中學(xué)(352100) 陳愛星
DNA 的復(fù)制以及核DNA 的均等分配是細(xì)胞分裂的本質(zhì)問題。細(xì)胞的有絲分裂和減數(shù)分裂、動(dòng)物配子的形成過程、動(dòng)物的受精過程、DNA 分子的復(fù)制等是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。細(xì)胞分裂過程中染色體的標(biāo)記問題,既考查了對(duì)以上幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用,又考查了學(xué)生對(duì)細(xì)胞分裂與DNA 復(fù)制的理解與掌握。用元素標(biāo)記圖解法可有效解決染色體標(biāo)記問題。
染色體標(biāo)記問題一直都是學(xué)生很難突破的問題,常常使學(xué)生望而生畏。教師多是引導(dǎo)學(xué)生用常規(guī)圖解法分析與解決此類問題。而常規(guī)圖解法存在不少問題:(1)圖示比較復(fù)雜,教師需用較多時(shí)間,作較大篇幅的黑板講解;(2)若需同時(shí)體現(xiàn)染色體與DNA,則畫面復(fù)雜混亂;(3)不好體現(xiàn)多次分裂、不同分裂的過程。
常規(guī)圖解法可以直觀形象地解決染色體標(biāo)記問題,這是毋庸置疑的。但是如何做到既能表示DNA 復(fù)制與細(xì)胞的分裂過程,又能簡單明了且省時(shí)省力呢?元素標(biāo)記圖解法可有效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。元素標(biāo)記圖解法既可直觀形象地表示同源染色體、姐妹染色單體、DNA 分子、脫氧核苷酸鏈的所有標(biāo)記情況,又可表示多次分裂、不同分裂的各種情況。圖解簡單易畫,表達(dá)清晰明確。
(1)表示帶標(biāo)記的DNA 分子,如15N 標(biāo)記的DNA 分子,表示為15N/15N。說明:一個(gè)DNA 分子的兩條脫氧核苷酸鏈均被15N 標(biāo)記。這種表示方式在必修2教材P52“DNA的復(fù)制”一節(jié)中有呈現(xiàn)。
(2)表示帶標(biāo)記的染色體,如15N 標(biāo)記的帶有兩條姐妹染色單體的一條染色體,表示為15N/15N·15N/15N,其中的“·”表示著絲粒,表示兩條姐妹染色單體連在同一個(gè)著絲粒上。
(3)表示帶標(biāo)記的同源染色體,如15N 標(biāo)記的一對(duì)同源染色體,其表示形式如圖1 所示。兩個(gè)DNA 分子上下對(duì)應(yīng),便于解析問題。
圖1
(4)表示有絲分裂的過程及染色體、DNA 標(biāo)記情況,如15N 標(biāo)記了某細(xì)胞的所有DNA,將其放在含14N 的培養(yǎng)液中培養(yǎng)兩代,細(xì)胞中染色體與DNA的標(biāo)記情況如圖2所示。
圖2
說明:“1”表示第一次復(fù)制,“2”表示第二次復(fù)制。虛線穿過著絲粒,表示著絲粒分裂,姐妹染色單體分離。
(5)表示減數(shù)分裂的過程及染色體、DNA 標(biāo)記情況,如15N標(biāo)記了某原始生殖細(xì)胞的所有DNA,將其放在含14N 的培養(yǎng)液中培養(yǎng),原始生殖細(xì)胞連續(xù)分裂形成成熟生殖細(xì)胞。形成的成熟生殖細(xì)胞中染色體與DNA的標(biāo)記情況如圖3所示。
圖3
說明:上下對(duì)應(yīng)的兩個(gè)DNA 分子表示同源染色體。橫畫的虛線表示減數(shù)第一次分裂后期,同源染色體分離;豎畫的虛線穿過著絲粒,表示減數(shù)第二次分裂后期,著絲粒分裂,姐妹染色單體分離。
第一步,用元素標(biāo)記圖解法表示染色體的DNA分子。
第二步,畫出第一次復(fù)制后的子代DNA 分子(圓點(diǎn)表示著絲粒,虛線代表著絲粒分裂)。
第三步,畫出第二次復(fù)制(分裂)后細(xì)胞染色體的DNA標(biāo)記情況。
第四步,若繼續(xù)推測(cè)后期情況,可想象著絲粒分裂,染色單體分開的局面,進(jìn)而推測(cè)子細(xì)胞染色體的情況。
一個(gè)DNA 分子復(fù)制后,形成兩個(gè)子代DNA 分子,這兩個(gè)子代DNA 分子是什么關(guān)系?在哪里?單獨(dú)學(xué)習(xí)DNA 的復(fù)制時(shí),學(xué)生不難理解DNA 復(fù)制后會(huì)形成兩個(gè)子代DNA 分子,而在細(xì)胞分裂中,這兩個(gè)子代DNA 分子在哪里,學(xué)生往往就糊涂了。只要明確本質(zhì)問題,就容易突破認(rèn)知誤區(qū)。元素標(biāo)記圖解法可讓學(xué)生明確本質(zhì)問題,如圖4所示。
圖4 元素標(biāo)記圖解法表示染色體上的DNA(以15N標(biāo)記為例)
圖4上下對(duì)應(yīng),由此學(xué)生即可明白一個(gè)DNA分子復(fù)制后形成的兩個(gè)子代DNA 分子其實(shí)就在兩條姐妹染色單體上。把握這一點(diǎn)有助于學(xué)生解決許多染色體標(biāo)記問題。
[例1]用32P 標(biāo)記玉米體細(xì)胞(含20 條染色體)所有染色體上DNA 分子的兩條鏈,再將這些細(xì)胞轉(zhuǎn)入不含32P(含31P)的培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)。這些細(xì)胞在第一次細(xì)胞分裂的中期,一個(gè)細(xì)胞中被32P 標(biāo)記的染色體條數(shù)和染色體上被32P標(biāo)記的DNA分子數(shù)分別是( )。
A.20,20 B.20,40 C.10,20 D.40,40
用元素標(biāo)記圖解法指導(dǎo)解題,如圖5所示。
圖5
元素標(biāo)記圖解法直觀體現(xiàn)了原染色體和DNA以及后來的染色體和DNA 的變化。在有絲分裂中期,姐妹染色單體未分離,依然連在同一個(gè)著絲粒上,一條染色體有兩個(gè)DNA 分子,所以在有絲分裂中期染色體和DNA的標(biāo)記情況應(yīng)為選項(xiàng)B。
[例2]假定某高等生物體細(xì)胞的染色體數(shù)是10 條,其中染色體中的DNA 用3H-胸腺嘧啶標(biāo)記。將該體細(xì)胞放入不含有標(biāo)記的培養(yǎng)液中連續(xù)培養(yǎng)2代,則在形成第2代細(xì)胞的有絲分裂后期,沒有被標(biāo)記的染色體條數(shù)為( )。
A.5 B.40 C.20 D.10
用元素標(biāo)記圖解法指導(dǎo)解題,如圖6所示。
圖6
①說明:畫一條虛線穿過著絲粒,表示著絲粒一分為二,姐妹染色單體移向兩極,進(jìn)入兩個(gè)子細(xì)胞。同時(shí)也體現(xiàn)子細(xì)胞中染色體和DNA 的標(biāo)記情況,即每條染色體均被3H 標(biāo)記,每個(gè)DNA 分子均被3H 標(biāo)記,但每個(gè)DNA 分子中一條鏈被3H 標(biāo)記,一條鏈沒有被3H標(biāo)記。
②說明:形成的子細(xì)胞進(jìn)行第二次有絲分裂的染色體和DNA 的標(biāo)記情況。著絲粒未分裂時(shí),一條染色體兩個(gè)DNA 分子,染色體均帶標(biāo)記,其實(shí)只是其中的一個(gè)DNA 分子的一條鏈被標(biāo)記,因?yàn)橹z粒未分裂,所以仍視為染色體均帶標(biāo)記。
③說明:第二次有絲分裂后期著絲粒分裂,因此以虛線穿過著絲粒來表示。但因?yàn)榇藭r(shí)是后期,雖然姐妹染色單體分離,但還在一個(gè)細(xì)胞中。因此,用元素標(biāo)記圖解法可直觀追蹤和體現(xiàn)第2 代細(xì)胞的有絲分裂后期,一半染色體被3H 標(biāo)記,一半染色體沒有被3H標(biāo)記。即選D。
變式:假定某高等生物體細(xì)胞的染色體數(shù)是10 條,其中染色體中的DNA 用3H-胸腺嘧啶標(biāo)記,將該體細(xì)胞放入不含有標(biāo)記的培養(yǎng)液中連續(xù)培養(yǎng)2 代,則在形成的第2 代細(xì)胞中被標(biāo)記的染色體條數(shù)為______。
用元素標(biāo)記圖解法指導(dǎo)解題,圖解同圖6。
變式題考查的是完成第二次有絲分裂后形成的子細(xì)胞中染色體被標(biāo)記的情況。引導(dǎo)學(xué)生思考想象,有絲分裂后期姐妹染色單體的分離是隨機(jī)的,第二次復(fù)制后所形成的染色單體情況是3H/1H·1H/1H,隨機(jī)移向兩極后子細(xì)胞中則可能都是被標(biāo)記的染色體,也可能都不是被標(biāo)記的染色體,還可能部分是被標(biāo)記的染色體。因此,在形成的第2 代細(xì)胞中被標(biāo)記的染色體條數(shù)為0~10條。
有絲分裂可以只用一條染色體表示,但減數(shù)分裂必須體現(xiàn)同源染色體。
[例3]假設(shè)將含有一對(duì)同源染色體的精原細(xì)胞的DNA 分子用15N 標(biāo)記,并供給14N 的原料,則該細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂產(chǎn)生的4 個(gè)精子中,含15N 標(biāo)記的DNA的精子所占比例為( )。
A.0 B.25% C.50% D.100%
用元素標(biāo)記圖解法指導(dǎo)解題,如圖7所示。
圖7
①說明:同源染色體中間一條虛線穿過,代表同源染色體分離。
②說明:姐妹染色單體之間虛線穿過“·”,代表著絲粒分裂,姐妹染色單體分離,同時(shí)也體現(xiàn)一對(duì)同源染色體的四條單體分別進(jìn)入四個(gè)配子中。由圖解可知,四個(gè)配子均被15N標(biāo)記。即選D。
[例4]如圖8 所示,將A 細(xì)胞中兩對(duì)同源染色體的雙鏈DNA 用15N 作標(biāo)記,放在14N 的培養(yǎng)液中進(jìn)行兩次分裂,則E 細(xì)胞中被15N 標(biāo)記的染色體有______條。
圖8
由圖8可知,A細(xì)胞先進(jìn)行了一次有絲分裂后,再進(jìn)行一次減數(shù)分裂,即復(fù)制了兩次。用元素標(biāo)記圖解法指導(dǎo)解題,如圖9所示。
圖9
由圖9 可知,有絲分裂時(shí)同源染色體未分離,姐妹染色單體分離,因此有絲分裂形成的子細(xì)胞染色體是15N/14N;進(jìn)行第二次復(fù)制后,形成15N/14N·14N/14N;染色單體存在時(shí),所有的染色體均被15N 標(biāo)記,其實(shí)只是2 個(gè)DNA 分子中的其中一條鏈被15N標(biāo)記;著絲粒分裂,則一半染色體有標(biāo)記,一半染色體沒有標(biāo)記。因此E 細(xì)胞(MⅡ后期,次級(jí)卵母細(xì)胞)中被15N標(biāo)記的染色體有2 條。
元素標(biāo)記圖解法可快速解決染色體標(biāo)記的系列問題。解題的關(guān)鍵是要抓住3 個(gè)要點(diǎn)——DNA的半保留復(fù)制方式、復(fù)制的次數(shù)、分裂類型,從而確定畫圖時(shí)是否需要體現(xiàn)同源染色體。抓住以上要點(diǎn)后就可以根據(jù)題目要求畫圖解決問題。元素標(biāo)記圖解法能夠更清楚明了地呈現(xiàn)細(xì)胞分裂中的DNA 復(fù)制、DNA 標(biāo)記、染色體標(biāo)記等情況,使學(xué)生更易于理解突破,且簡單好畫,還能將姐妹染色單體、同源染色體予以區(qū)分,有利于學(xué)生解決問題能力和思維能力的培養(yǎng)。