Кривенкова И. Ф. Использование моделей на уроках генетики
Модели можно классифицировать по разным типовым признакам: статические модели изображают структуру оригинала, динамические отображают функционирование оригинала, предметные модели – это физические тела или системы.
В образовании чаще всего используются предметные модели и математические, которые являются статическими. Использование динамических моделей требует от учителя и учащихся особой подготовки.
Отличие имитационной модели от всех других типов моделей состоит в том, что она воспроизводит деятельность, процессы, происходящие в системе, а не отдельные элементы ее. Эта модель всегда динамическая. Имитационная модель рассматривает изучаемый предмет или явление в отрезке времени, а не в конкретной ситуации, как, например, предметные модели. В имитационных моделях описываются процессы, происходящие с этой системой за рассматриваемый период.
С использованием моделей можно доходчиво объяснить учащимся принципы моно- и дигибридного наследования, законы Менделя. На наглядном материале школьники получат подтверждение основным принципам генетики.
Статистический характер законов наследования представляет значительную трудность для восприятия особенно для учащихся девятых классов. Поэтому изучение закономерностей наследования признаков целесообразно проводить с применением наглядных моделей, облегчающих понимание статистического характера проявлений этих закономерностей.
Подробно остановимся на опытах Г. Менделя по изучению характера наследования ряда признаков у гороха.
Мендель долго выбирал подопытный объект и остановился на горохе, который подходил по многим важным критериям: сорта гороха обладают константными, легко различимыми признаками, дают при самоопылении плодовитое потомство, горох имеет короткий вегетационный период.
Далее предлагается продемонстрировать результаты опыта по изучению закономерности наследования жёлтой и зелёной окраски семян
гороха с использованием моделей.
К уроку необходимо приготовить:
не менее 50 штук желтых кружочков, имитирующих доминантную аллель гена окраски семян гороха;
не менее 50 штук зеленых кружочков меньшего диаметра, чем желтые, имитирующие рецессивную аллель гена окраски семян гороха;
не менее 50 штук белых кружков с ровными краями, имитирующих доминантную аллель гена формы семян гороха;
не менее 50 штук белых кружков с волнистыми краями, диаметром чуть меньше кружков с ровными краями (рис.1);
однохроматидные хромосомы (изготовленные из бумаги), несущие аллели генов по рассматриваемым признакам (рис.2);
две коробочки или два мешочка (удобнее использовать коробочки, т.к. брать из них предметные модели намного быстрее и удобнее).
Рис. 1. Предметные модели, имитирующие гаметы с определенными аллелями генов
 
Рис 2. Модели хромосом, несущие аллели
С использованием моделей формируются следующие понятия: аллельные гены, генотип, фенотип, гомозигота, гетерозигота, доминантные и рецессивные признаки. Закрепляются понятия диплоидный и гаплоидный набор хромосом, гамета, оплодотворение, зигота.
На моделях хромосом моделируют ситуацию скрещивания (с использованием магнитной доски) по следующей схеме:
Р АА х аа
фенотип жёлтые зеленые
гаметы А а
F1
Аа
желтые
Напоминают, что зигота образуется при слиянии родительских гамет. Каждая из гамет несёт материальные наследственные факторы - гены, определяющие развитие того или иного признака. В зиготе имеется два аллеля гена окраски семян, один из которых получен от материнского растения, другой - от отцовского. В данном случае речь идёт о генах, определяющих жёлтую или зеленую окраску семян. В опыте Менделя в первом поколении у гибридов, полученных в результате скрещивания растений с жёлтыми и зелёными семенами, все семена оказались жёлтыми.
Учащимся предлагается по записанной на доске схеме проследить «судьбу» генов, обуславливающих жёлтую и зелёную окраску семян.
Для того чтобы этот вывод стал очевиден для всех учащихся класса, учитель прибегает к демонстрации распределения аллелей гена в первом поколении с помощью модели. Модель представляет собой два непрозрачных мешочка (или коробочки) с жёлтыми и зелёными кружочками. В каждом мешочке по 50 кружочков одного цвета. Жёлтые имитируют гамету с доминантным аллелем гена, а зелёные - гамету с рецессивным аллелем гена. Учитель рассказывает о доминантных и рецессивных признаках, о гомо- и гетерозиготах и предлагает записать генотипы родительских форм, обозначая гены, определяющие жёлтую и зеленую окраску горошин, соответственно буквами А и а.
Учитель объясняет, что кружочки в мешочках имитируют совокупность гамет гомозиготных родителей (АА и аа). У демонстрационного стола ученик вытягивает из каждого мешочка по одному кружочку и показывает классу (имитируя процесс слияния половый клеток), а другие ученики проговаривают генотип и фенотип гибридов первого поколения.
При скрещивании гомозиготных родителей получаются гибриды первого поколения с генотипом Аа, который фенотипически выражен жёлтой окраской всех горошин, хотя и содержит аллель гена зелёной окраски.
Гибриды первого поколения (F1) были высеяны Менделем, и выросшим из этих семян растениям была предоставлена возможность самоопылиться. При этом образовались семена второго поколения (F2).
На доске записывается схема скрещивания гибридов первого поколения. На моделях хромосом моделируют ситуацию скрещивания.
Р Аа х Аа
фенотип желт. желт.
гаметы А; а А; а
Учащимся предлагается по записанной на доске схеме проследить «судьбу» генов, обуславливающих жёлтую и зелёную окраску семян, унаследованных во втором поколении.
Для того чтобы этот вывод стал очевиден для всех учащихся класса, учитель прибегает к демонстрации распределения генов во втором поколении с помощью статистической модели.
Модель представляет собой один мешочек с 50 желтыми кружочками и 50 зелеными кружочками. Мешочек имитирует совокупность гамет гетерозиготных родителей (Аа). Жёлтые имитируют гамету с доминантным аллелем гена, а зелёные - гамету с рецессивным аллелем гена.
Закономерность иллюстрируется тщательным перемешиванием ссыпанных в один мешочек жёлтых и зеленых кружочков и вытаскиванием случайно попавшихся двух кружочков, изображающих генотип каждого представителя гибридов второго поколения. Одновременно на демонстрационном столике или с помощью наборного полотна обращенном к учащимся, ведётся учет вынутых пар по генотипам: АА, Аа, аа.
Количество генотипов отмечается следующим образом: один случай - . , два одинаковых фенотипа - : , три - : . , четыре - : : , пять - : I, семь - , десять -
Когда мешочек опустеет, устанавливаются соотношения генотипов и фенотипов в F2, которые получаются примерно такими же, как и в опытах Менделя, т. е. соотношение генотипов (АА, Аа, аа) – 1АА : 2Аа : 1аа, а фенотипов (жёлтые и зелёные горошины) - 3 : 1.
Для расчета соотношения необходимо найти наименьшее кратное для полученных данных и сделать вычисления.
Таким образом, 1/4 часть гибридов второго поколения (F2) гомозиготны по доминантным аллелям АА (желтые горошины), 1/2 часть гибридов - гетерозиготы Аа и 1/4 - гомозиготы по рецессивному признаку (зелёные горошины).
Формулируется второй закон Менделя. Результаты оформляются с использованием решетки Пеннета.
Учитель подчёркивает, что возможность соединения гаметы А с гаметой а или с гаметой А равновероятностна при условии равной работоспособности всех гамет в равном их количестве. При случайном характере соединения гамет общий результат оказывается закономерным. Эта закономерность имеет статистический характер и определяется большим числом равновероятных встреч гамет.
Но что же произошло с генами, отвечающими за зелёную окраску? Ведь в первом поколении все горошины жёлтого цвета, в то время как во втором поколении имеются не только жёлтые, но и зелёные горошины. Учащиеся высказывают предположение, что зелёные горошины второго поколения имеют два аллеля гена, определяющие только зелёную окраску, как и одна из исходных родительских форм. Горошины первого поколения имеют одну аллель гена зелёной окраски, и, возможно, поэтому его действие не проявляется и подавляется доминантной аллелью, отвечающей за желтую окраску семян.
В беседе выясняются генотипы гибридов второго поколения. Учитель обращает внимание учащихся на тот факт, что у гибридов первого поколения, генотип которых Аа, фенотипически выражен лишь доминантный признак (аллель гена А). И у них горошины жёлтого цвета, как и у гомозиготных (АА) родительских форм. Учащиеся высказывают предположение о том, что среди гибридов второго поколения, имеющих жёлтую окраску, могут быть как гомозиготы с генотипом АА, так и гетерозиготы с генотипом Аа, т. е. фенотипически однородные, гибриды F2 с жёлтыми горошинами генотипически различны. Таким образом, в результате этой беседы закрепляется понимание закона чистоты гамет.
Аналогичным образом можно использовать статистические модели при изучении дигибридного скрещивания. Так, при изучении дигибридного скрещивания с помощью статистической модели иллюстрируется распределение генов, определяющих окраску горошин (жёлтую и зелёную), и генов, определяющих форму гороха (гладкие и морщинистые). Кружочки зелёного цвета имитируют аллель гена зелёной окраски горошин (а), жёлтого цвета – аллель гена жёлтой окраски горошин (А), белые круглые кружочки – аллель гена гладкой формы семян гороха (В), белые волнистые по краю кружочки – аллель гена морщинистой формы гороха (в).
Учитель сообщает учащимся, что эти два гена локализованы в двух различных парах гомологичных хромосом, и показывает их локализацию на моделях хромосом первой и второй пары.
Далее учитель обращает внимание учащихся на тот факт, что как парные хромосомы распределяются при мейозе в разные половые клетки (гаметы), так и гены распределяются при мейозе, и в каждую гамету попадает по одному аллелю гена из каждой пары. Причём возможность попадания аллеля гена А или а, гена В или в в ту или иную половую клетку равновероятна. Закономерности распределения генов можно установить с помощью статистической модели. Как это сделать?
Отвечая на вопрос учителя, учащиеся предлагают по аналогии с первым уроком смешать в одном мешочке жёлтые и зелёные кружочки (аллели генов А и а), а в другом – белые кружочки различной формы (аллели генов В и в). Такая смесь в двух мешочках будет обозначать сумму генотипов первого поколения гибридов (АаВв). Вынимая из каждого мешочка по паре кружочков и складывая обе пары рядом на столе или в наборное полотно, мы получим набор генотипов гибридов второго поколения.
Удобно и быстро это сделают два ученика: первый будет вынимать по одному кружочку из разных мешочков (у него в руках окажется один из генотипов (АВ, Ав, аВ или ав) одной гаметы, которая даст дигетерозигота АаВв), второй - два кружочка с неаллельными генами, которые будут соответствовать второй гамете. Учащиеся класса должны назвать генотип и фенотип. Третий ученик должен проводить статистическую работу по подсчету фенотипов.
Следует отметить, что количество гамет для установления статистической закономерности должно быть большим. В нашем случае, если мы ограничиваемся 50 кружочками каждого аллеля генов, получается, что каждое растение даст всего 50 половых клеток и в конечном итоге 50 растений.
В результате модельного эксперимента может получиться следующее соотношение фенотипов:
желтых и гладких - 27
желтых и морщинистых – 10
зеленых и гладких – 10
зеленых и морщинистых - 3
27 : 10 : 10 : 3 – эти цифры почти точно соответствуют кратному отношению 9 : 3 : 3 : 1. Находится наименьшее кратное для данных чисел, оно равно 3, и рассчитывается соотношение распределения фенотипов при дигибридном скрещивании, которое соответствует 9 : 3 : 3 : 1. Чем больше выборка, тем точнее получатся результаты соотношения.
В процессе имитационного моделирования происходит фронтальная работа с учащимися, они записывают и проговаривают названия генотипов, фенотипов, приобретают навыки записи генетических формул, осознанно воспринимают генетическую сущность полового процесса, цитологические основы наследственности.
|
