果蝇与诺贝尔奖
44 生物学教学
2011年(第36卷) 第2期
果蝇与诺贝尔奖
裴 柳
就。
关键词 果蝇 连锁互换 遗传负荷 同源基因 嗅觉受体 视觉归纳能力
(河北省石家庄市第一中学 050011)
摘 要 以果蝇作为研究对象, 已经成就了7位诺贝尔奖得主, 我国科学家也在果蝇 视觉归纳能力 的研究方面取得了卓越的成
在遗传学、发育的基因调控、各类神经疾病、嗅觉、视觉的记忆等研究领域中, 都有果蝇的身影。果蝇的研究已经获得了4届诺贝尔奖, 成就了7位诺贝尔奖得主。中国科学家也在果蝇研究中取得了卓越的成就。
1 活跃的模式生物 果蝇
果蝇(fr u it fl y) 属于果蝇科、果蝇属, 体长只有几个mm, 由于它喜欢在腐烂水果上飞舞, 所以被称为果蝇。
作为模式生物, 果蝇有很多优点。 饲养容易。用一只牛奶瓶, 放一些捣烂的香蕉, 就可以饲养数百甚至上千只果蝇; 繁殖快。达到性成熟的雌性果蝇生殖能力很强, 在25 左右温度下产卵初期每天可达50~70枚, 累计产卵可达上千枚, 十几天就繁殖一代。较短的生命周期及较强的繁殖能力使得在短时间内培养繁殖出大量特定种系的果蝇变得十分便利; 果蝇只有4对染色体, 数量少而且形状有明显差别。果蝇性状变异很多, 比如眼睛的颜色、翅膀的形状等性状都有多种变异, 这些特点对遗传学研究有很大的好处; 果蝇的神经系统也值得一提。
果蝇的整个中枢神经系统大约分布了300, 000个神经元, 相对简单, 因而对其生理、生化以及解剖的研究简单易行。但是, 它的神经系统又具有一定的复杂性, 使得果蝇可以完成觅食、交配、求偶、学习记忆, 以2 观察
2. 1 根毛观察 一般2d 后, 种子开始萌发出幼根, 可以让学生观察种子萌发时最先长出的结构; 再过1d , 幼根长长, 透过透明的注射筒可以观察到根尖的根冠和分生区, 第4d 幼根长出根毛, 可以用镊子轻轻取出萌发的种子, 观察根毛和根尖其他的结构。
2. 2 根长长实验 指导学生将实验装置平均分为甲乙2组, 将甲组幼苗轻轻取出, 用美术用的细油性笔在幼根上画上等距离的细黑线10条, 再把幼苗原样放回。乙组幼苗取出先剪去幼根尖端5mm, 再与甲组做同样的处理作为对照。此后滴水要少, 只需保持种子湿润, 避免水过多洗掉黑线。第2d 就能清晰地观察到甲组幼根等距离黑线被拉长的部位, 因为注射筒外有,
及昼夜节律等复杂行为。果蝇无论在蛋白质分子基础, 还是信号传导通路; 无论是神经编码方式, 还是突触传递机制, 以及神经疾病的发生和病症上, 都与哺乳动物有高度的相似性的途径。
2 果蝇的传奇白眼与 遗传学之父
在1910年, 摩尔根发现了一只突变白眼雄果蝇。他用这只白眼雄蝇与正常的红眼雌蝇交配, 子二代的结果是:雌果蝇全是红眼, 雄果蝇一半是红眼、一半是白眼。为什么白眼都出现在雄果蝇身上呢? 摩尔根让子一代的红眼雌蝇与最初发现的那只白眼雄蝇交配, 生出的果蝇无论雌雄都是红眼白眼各占一半。
摩尔根根据这些实验结果, 提出了一种假设:决定果蝇眼色的基因仅存在于X 染色体上, 雄果蝇只要X 染色体上有白眼基因, 白眼性状就表现出来。雌果蝇只有其一对X 染色体上都有白眼基因才会表现为白眼性状。根据这种假设, 就可以圆满解释上述实验结果。白眼基因存在于性染色体上, 它的遗传规律与性别有关, 称为 伴性遗传 。
摩尔根还通过适当选择交配对象, 如白眼黄身果蝇。让这种果蝇与普通的野生果蝇交配, 发现了基因连锁, 即位于同一染色体上的基因则会在一起遗传。只是长粗了。3 效果评析
实验没有改进前, 学生难以取得培养皿等实验用具, 只能分组在实验室做实验, 缺少对实验现象的连续观察, 很多学生没有动手的机会。改进后, 实验用具容易获得, 学生人人动手, 经教师指导后课下独立完成实验, 只须在上课时将自己做的实验装置带到课堂观察交流, 符合 课程标准 中面向全体学生的要求。
实验改进后, 促使学生通过对实验材料的连续观察, 树立了事物是发展变化的辩证唯物主义观点, 通过对照和分析, 能更准确地得出科学的结论, 符合 课程标准 中引导学生主动参与、乐于探究、勤于动手, 逐步培养学生获取新知识的能力、分析和解决问题的能力[1]
。因此, 以果蝇为模型, 研究哺
乳动物神经系统的一些基本问题, 是一个简捷而有效
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在L e w is 的启发下, V ol hard 和W ieshaus 系统地搜寻控制胚胎发育的起始基因。他们将突变剂搀入食物, 喂食雄果蝇, 再使之与雌果蝇交配, 结果产生了很多突变, 有些突变非常特别, 例如无肌肉或皮肤由神经细胞所构成。通过大规模的筛选, 整理出胚胎发育5000个重要基因和139个必要基因。这些基因的先后作用, 使胚胎的构造逐步划分, 渐趋复杂, 形成许多体节, 每一体节再进一步受 同源基因 的调控发育成不同的构造
[3]
例如, 白眼黄身果蝇与野生的红眼灰身果蝇交配, 后代中白眼黄身者或红眼灰身者占99%, 而没有表现为连锁遗传的即白身灰身者或红眼黄身者, 只占1%。
实验发现, 不同基因之间的连锁程度有差异, 摩尔根认为是因为形成配子时染色体上会发生基因交换。摩尔根推测, 同一条染色体上的两个基因, 相距越远则发生交换的可能性越大, 据此, 摩尔根绘出了果蝇4对染色体的基因图:把每条染色体上的所有基因排成一条直线, 交换率越小的基因的位置愈近。这就是遗传第三定律 基因的连锁和交换定律。
摩尔根有关白眼果蝇的研究, 获1933年诺贝尔奖。随后他的发现在育种工作和医学实践中产生了重要的应用价值。
3 果蝇的致死突变和 果蝇突变大师
摩尔根的学生米勒主要研究果蝇的诱变。在探索过程中最为人称道的是他设计出的一系列检测突变。例如, 他创造的C1B 法和M u ller 5技术可用来检测X 染色体上的隐性突变或致死突变, 他创造的平衡致死系统可用来保存和检测常染色体上的突变基因。
米勒指出, 无论是以X 射线引起的基因突变还是自然界的突变, 其本质上是一样的, 都是为生物进化提供原材料。在实验中清醒地看到, 虽然用X 射线等物理因素及其他化学因素均可以引起生物基因突变, 大大提高突变率, 但突变多数是有害的, 甚至是致死的。由于有害基因的存在, 从而造成生物群体对生存环境条件适应度的降低, 米勒把这一现象叫做 遗传负荷 , 这一科学概念对进化遗传学和群体遗传学产生了重大影响。
1946年, 米勒证明了X 射线能使果蝇的突变率提高150倍, 同时, 辐射也会引起染色体畸变, 获诺贝尔奖和 果蝇的突变大师 称号。4 果蝇的 同源基因 与胚胎发育之谜
1995年, 美国的E. B. Le w i s 、E ri c W ieschaus 和德国N ussl e i n-V ol hard 三位发育遗传学家摘取了诺贝尔生理学或医学奖桂冠。
Le w is 发现导致4个翅膀的突变, 其基因其实组合成一串, 共同控制着某一部位的发育。多一对翅膀是因为整个体节加倍的原故, 这种 同源基因 引起的突变
[3]
。
他们三人的研究揭开了胚胎发育的神秘面纱, 建立了动物基因控制早期胚胎发育的模式。这一突破性的成就, 将有助于解释、诊断和治疗人类自然流产以及一些不明原因的畸型。
5 果蝇的嗅觉记忆与 气味专家
人类的嗅觉长期以来一直是一个非常神秘的领域。美国科学家理查德 阿克塞尔和琳达 巴克发现了果蝇在嗅觉功能上有个特定的大脑区域, 他们因在气味受体和嗅觉上的杰出研究被授予2004年的诺贝尔生理学或医学奖。
在对果蝇的研究中, 他们发现了1000种不同的基因控制着相当数量的嗅觉受体。这些受体位于鼻上皮上端的嗅觉受体细胞之内, 可以探测到吸入的气味。
每个嗅觉受体细胞只含有一种嗅觉受体, 每个受体可以探测到数量有限的气味
[2]
。这些细胞直接向特
定的微型终端传送神经反应, 微型终端再向大脑其他的部分传送信息。数个嗅觉受体所得到的信息在大脑进行综合, 形成一种模式。因此, 人们能够在春天时感觉到丁香的香味, 并在其他时候记起这种香味。
两位科学家的科研成果已经得到了运用。例如, 训练老鼠搜寻地震后被埋在废墟下的人。老鼠经训练记住人类的气味后, 科学家在它脑内植入与电子发报机相连的电极。当它们在废墟中, 嗅到 目标 的气味之后, 脑电波图形显示这一信息。技术人员就可以确定小老鼠的位置, 找到被困人员的下落。6 果蝇的 视觉归纳能力 与中国科学家
中国科学院生物物理研究所刘力等和德国科学家合作利用基因操纵方法和一个果蝇飞行模拟器所做的一项实验中, 首次发现果蝇具有对视觉刺激进行归纳并对视觉图像进行识别和记忆的能力, 并找到了相关神经细胞, 证明了果蝇由脑的一个特定区域控制视觉功能。经过研究在果蝇大脑 扇形体 内发现了其进行视觉记忆所需的神经细胞
[4]
, 可能使果蝇在触须位置长出肢来或是在眼部长 同源基因 还存在于哺乳类等其他动物。 同源
出翅膀等。
基因 包含一段在演化上相当保守的 同源框 顺序, 该顺序规范一段约60个氨基酸, 可以与DNA 相结合的 同源结构区 。目前在果蝇身上已发现有60种以上的蛋白质在演化上具有 同源结构区 。
[3]
。 扇形体 共有6层,
每一层由几十个神经元组成, 并特别 掌管 一个特定的功能, 有些层负责处理图形的高度区别, 有些层负责处理图形的大小或朝向, 在处理过程
(下转第41页)
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生物学实验中量化使用酶样品
赵 赣
(华南农业大学生命科学学院生物化学与分子生物学系 广州 510642)
有关酶活性的实验一般都涵盖了酶的专一性、p H 、温度以及抑制剂、激活剂对酶活性的影响等内容。常用淀粉酶(如让学生用自制的唾液淀粉酶或课前准备好的其他淀粉酶液) 来考察完成这些内容。虽然简单, 但却能够让初学生物化学的学生在一个有限的时间里对酶的一些基本性质有一个初步的观察体验, 所以是一个非常好的实验课内容。
但是, 淀粉酶酶样品的稀释度不同是否会在教学效果上产生不同的影响呢? 可用一块白瓷板按下表进行所列步骤进行操作。
表1 最适酶用量的实验步骤
蒸馏水(滴) 淀粉酶原液(滴) 淀粉溶液(滴)
稀碘液(滴) 观察颜色
(注1)
解的最终产物葡萄糖和麦芽糖遇碘只显碘液本身的颜色, 这样学生即可根据所观察到的颜色变化来选择一个合适的稀释度(如稀释的淀粉酶酶液降解淀粉所得到的产物与碘液反应显红棕色时的酶液稀释比例) 来稀释原酶液。只有用此稀释后的酶液进行其他后续实验来观察不同的因素(如p H 、温度、抑制剂、激活剂等) 对酶活性的影响时, 结果才会正确显现。
酶样品中酶量的多少对实验结果影响甚大。在其他反应条件固定的条件下, 酶量太小, 活性小, 可能要反应较长的时间才能观察到实验现象、测得实验数据, 甚至于可能在预定的时间内因为反应程度不够而根本观察不到实验现象、测不出实验数据, 这就可能导致实验课拖堂甚至于失败。而酶量太大, 活性大, 则可能在预定的时间内由于反应过头而导致根本观察不到应有的实验现象, 甚至于导致学生误以为是试剂有问题。例如, 酶量太大时, 加与不加激活剂, 其实验现象可能都无区别。酶量太大时, 所测酶活性的数据都可能是一个不客观的数据。而只有酶量适当的样品, 才可能真实反映酶促反应的情况。
在这堂实验课中, 通过这个酶液稀释的过程, 有助于初步确定在该反应条件下适宜反应的酶量, 以顺利进行后续的实验, 保证实验课的顺利进行。如果省去这个过程, 而在后续的实验中却笼统地要求反应进行几分钟来观察实验现象、测定实验数据, 或者按照一定反应时间间隔来取样观察时, 则都有可能像前面分析的那样由于样品中的酶量太大或太小而给实验带来不便。因此, 无论是用唾液淀粉酶液还是用微生物来源的淀粉酶液进行教学的过程中都要注意这个问题。(上接第45页)
中, 对图形的记忆就产生了。果蝇还具有对视觉刺激进行归纳的能力, 是通过 基因-脑-行为-认知 结合完成的
[4]
1234562
2 21
222222 2 2 2 2 21
2222室温处理5m i n 1
1
1
1
说明:加淀粉酶(如唾液) 原液时, 只在第一穴中加入2滴。将它与该穴中的蒸馏水混匀后, 取出2滴加入第二穴中。待将它与该穴中的蒸馏水混匀后, 取出2滴加入第三穴中。如此操作, 直至在最后一个穴中取出2滴弃去, 以保证每个穴中都有2滴混合液。
这里, 按照上述说明的淀粉酶液滴加方法, 可以保证酶液按不同穴号依次得以稀释。由于淀粉遇碘变蓝色, 淀粉被酶降解后所得糊精遇碘可显红棕色, 而其降3 教学体会
本节教学通过谈论生活中有关生病、治病、防病的一些名词, 总结、归纳免疫系统的组成, 并适当加以补充完善, 符合学生由已知到未知、由简单到复杂、由零碎到系统的认知规律, 学生交流比较踊跃; 资料分析:感冒病毒和相应抗体浓度随时间的关系 学生更容易理解抗体与抗原的关系, 为特异性免疫过程的学习作铺垫, 学生分析图表的能力较强; 采用自主学习的方式, 充分利用教材图片, 借助多媒体工具逐步呈现, 让学生来描述免疫发生的过程, 学生的表达能力得到了锻炼; 学生完成 体液免疫与细胞免疫 的知识结构模型, 不仅使体液免疫与细胞免疫的过程简洁明了, 学生的知识、能力得到进一步提升, 而且还能将体液免疫与细胞免疫的联系表现出来, 使其更易懂易记。
。
主要参考文献
[1]惠俊爱, 惠俊美. 2002. 模式生物及其研究进展. 生物学通报, 37
(8):4
[2]李文琪, 范少光. 2006. 嗅觉研究进展 2004年诺贝尔生理学
或医学奖获奖工作简介. 生理科学进展, 37(1):83~96[3]王祖武. 1996. 胚胎发育的基因调控. 自然杂志. 18(3):177~178[4]L i u G, Seiler H, W en A, et a. l 2006. D istinctm e m ory traces f or t w o vis
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