高一生物大单元整体学习：基因的本质

第八单元基因的本质——从分子水平揭秘生命的延续一、单元概述自摩尔根提出基因的染色体理论后，基因在人们的认识中不再是抽象的“遗传因子”，而是存在于染色体上的一个单位。那么，基因到底是什么？科学家经过不懈探索，通过一系列重要实验，最终揭开了DNA和基因的“神秘面纱”，揭示了基因的本质。本单元包括对遗传物质的探索、DNA的结构、复制以及DNA与基因的关系四部分内容。通过本单元的学习，将从分子水平揭秘DNA分子作为遗传物质所具有的特征、DNA如何通过复制传递遗传信息以及基因的本质。同时，本单元将在新情境下，运用物理学和化学等方法分析古人类基因组测序的原理和解决不同人种的亲缘关系、新冠病毒与乙肝病毒的遗传物质等问题，从而形成结构与功能相适应的观念。二、单元要素（一）单元内容标准3.1亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA分子上3.1.1概述多数生物的基因是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分子是由四种脱氧核苷酸构成，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码了遗传信息3.1.3概述DNA分子通过半保留方式进行复制（二）单元学习任务1.相关概念建构--DNA双螺旋结构、DNA半保留复制、遗传信息、基因2.相关研究方法--模型建构（DNA双螺旋结构模型）、假说-演绎法探究DNA复制方式、科学史探究DNA是遗传物质的实验证据3.DNA分子杂交探究生物之间的亲缘关系、探究病毒的遗传物质4.DNA分子结构和功能在基因工程中的应用（三）单元学习目标1.研读教材，梳理探索遗传物质本质、结构与复制方式的科学历程，画出DNA双螺旋结构平面图，简要描述其结构特点和复制过程，阐明DNA半保留复制的重要意义，结合实例，概述基因的本质，初步构建基因、DNA、染色体关系图。2.基于古人类基因组测序的情境，比较遗传物质探索实验的过程、现象及结论，归纳研究思路和方法的异同点，制作DNA结构和复制模型，阐明DNA作为遗传物质所具有的特征，运用DNA指纹技术、DNA分子杂交技术判断生物之间亲缘关系。3.搜集与新冠肺炎和乙肝有关的资料，说出两种疾病的病毒类型、发病特征和传播途径，比较两种病毒的遗传物质结构和复制的不同，为预防两种疾病提出2-3条建议，设计实验探究未知病毒的遗传物质。4.围绕“基因与DNA的关系”，重构单元思维导图，拓展PCR技术和体内DNA复制的异同，预测研究DNA分子结构和功能对基因工程发展的意义，结合核酸检测荧光定量RT-PCR技术过程，阐释核酸检测出现“假阴性”的原因。（四）单元学习计划学习阶段学习内容学时安排整体感知梳理遗传物质的发现历程以及DNA结构特点、复制方式的探究历程，厘清基因与DNA的关系构建单元知识体系。2探究建构重走遗传物质探索之路，比较遗传物质探索实验的过程、现象及结论，概括四个实验所用的方法及其共性；通过制作DNA的双螺旋结构模型，总结出DNA的结构特点；借助模型模拟DNA的复制过程，总结DNA复制的时期、场所、模板、原料、酶、能量、特点和意义。4应用迁移收集与新冠肺炎和乙肝有关的资料，说出两种疾病的病毒类型、发病特征和传播途径，比较两种病毒的遗传物质在结构特点和复制方面的不同，联系生活实际，为预防新冠肺炎和乙肝提出2-3条建议，并说明原因，设计实验探究未知病毒的遗传物质，写出实验思路和预期结果。1重构拓展重构本单元体系，从结构和功能相适应的角度运用基因的本质有关内容提出解决分子水平的遗传问题的方法。2（五）学习资源学习阶段资源类别资源分层整体感知1.DNA双螺旋结构图片、DNA结构介绍视频2.人类基因组计划的介绍TT探究建构1.格里菲思肺炎链球菌体内转化实验视频、艾弗里肺炎链球菌体外转化实验视频、噬菌体侵染细菌的实验视频2.2022年诺贝尔生理学或医学奖的视频、DNA分子杂交视频3.DNA复制过程视频、DNA指纹技术视频TABT应用迁移1.新冠病毒、乙肝病毒、HIV病毒拓展资源2.探究遗传物质的方法文本资源ABT重构拓展1.拓展资源：PCR技术视频、RT-PCR核酸检测的视频资源2.四大结构ABT（六）单元学习目标追求三、单元内容（一）整体感知基因的本质——初步构建基因、DNA与染色体的关系对基因本质的百年探索从20世纪初，人们对遗传物质的化学本质的争论开始，多位科学家经过复杂的探索历程，证明了DNA是遗传物质，后来又阐释了DNA双螺旋结构的分子模型及DNA通过复制传递遗传信息的过程。历经百年，对遗传物质的探索仍然在继续。2022年诺贝尔奖委员会宣布将2022年生理学或医学奖颁发给瑞典生物学家、进化遗传学家斯万特·帕博（SvantePaabo），以表彰他发现了与已灭绝古人类和人类进化相关的基因组。科学家是如何探索遗传物质的本质的？为什么说DNA是主要的遗传物质？基因是什么？它和DNA分子间有什么关系？它是如何将遗传信息从亲代传递给子代？如何通过DNA的结构和复制原理进行古人类的基因组测序，对比不同人种之间的亲缘关系？【学习目标】1.研读教材，梳理遗传物质本质、结构与复制方式的探索历程，尝试总结用到的研究方法。2.画出DNA双螺旋结构平面图，用自己的话简要描述结构特点和复制过程，阐明DNA半保留复制的重要意义。3.结合人类基因组计划等实例，概述基因的本质，初步构建基因、DNA、染色体的关系。学习活动1：探索历程整体再现斯万特·帕博通过对DNA测序发现了不为人知的丹尼索瓦人。DNA为什么可以作为判断依据？请以时间轴梳理科学家对遗传物质本质的探索历程。学习活动2：初步感知DNA的结构和复制过程认识DNA的结构和复制过程是进行古人类基因组的测序所必需的。画出DNA双螺旋结构平面图，用自己的话简要描述其结构特点和复制过程，阐明DNA半保留复制的重要意义。学习活动3：构建基因、DNA、染色体之间的关系结合人类基因组计划等实例，概述基因的本质，围绕基因、DNA、染色体关系初步构建单元体系。（二）探究建构基因的本质——构建DNA结构和复制模型，揭示古人类基因组测序的原理人类的基因组测序及亲缘关系分析获得2022年诺贝尔生理学或医学奖的瑞典科学家斯万特·帕博通过其开创性研究，完成了一件看似不可能的事：为尼安德特人的基因组DNA测序，首次破译了尼安德特人基因组草图。证明了尼安德特人是现代人已灭绝的近亲。帕博还通过对丹尼索瓦洞穴中发现的一块4万年前的手指骨碎片进行DNA测序，发现了一种以前不为人知的古人类——丹尼索瓦人。斯万特˙帕博团队为什么可以通过比对DNA就能确定他们是现代人的祖先？DNA是如何被人们发现的？为什么DNA可以作为遗传物质？DNA是如何将遗传信息传给后代的？【学习目标】1.比较遗传物质探索实验的过程、现象及结论，归纳研究思路和方法的异同点，举例说出对DNA是主要遗传物质的理解。2.制作DNA结构和复制模型，分享交流DNA的结构特点和复制过程，阐明DNA作为遗传物质所具有的特征。3.运用DNA指纹技术、DNA分子杂交技术判断不同人类的亲缘关系，解释其中的生物学原理。学习活动4：探究遗传物质的本质古人类DNA会遭受化学修饰并降解成短小的片段，最终获得的标本中只剩下微量DNA，并且可能已被细菌和现代人的DNA污染。于是，在过去的30多年内，帕博走上了漫长的技术研发之路。起初利用现代遗传学方法研究了数十年，随后帕博改进方法，成功对4万年前骨头的线粒体DNA区域进行测序。此后佩博及其团队不断改进从古人类的骨遗骸中分离和分析DNA的方法，熟练使用最新的高通量测序技术并结合计算机分析技术成功分析并测序了尼安德特人基因组。科学成果的取得必须有科学方法和技术手段的保证，科学探究是一个不断深化的过程。1.格里菲思、艾弗里、赫尔希和蔡斯都分别采用了哪些技术手段来实现他们的实验设计？比较肺炎链球菌的体外转化实验和噬菌体侵染细菌的实验的过程、现象及结论，总结两大实验研究思路与研究方法的异同点。2.用35S标记的一组侵染实验，放射性主要分布在上清液中；32P标记的一组实验，放射性同位素主要分布在离心管的沉淀物中，这一现象说明了什么？在细菌裂解释放出的噬菌体中，可以检测到32P标记的DNA，但不能检测到35S标记的蛋白质，这一结果又说明了什么？3.上述实验能否说明DNA是主要的遗传物质，为什么？4.结合肺炎链球菌的转化实验和噬菌体侵染细菌的实验，分析DNA作为遗传物质应具备哪些特点。学习活动5：构建DNA结构模型研究人员从小骨片中提取了DNA并测定，通过与早期现代人类、尼安德特人、倭猩猩和黑猩猩的DNA进行比对，发现这块小骨片既不属于早期现代人类，也不属于尼安德特人，更不属于倭猩猩和黑猩猩，而是与尼安德特人亲缘关系较近的一种新人种——丹尼索瓦人。通过测定DNA就能确定他们的亲缘关系。DNA有什么特点？如何通过DNA来判断亲缘关系的远近？1.二次阅读课本48页DNA结构模型的构建科学史，说出哪几位科学家分别为沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型提供了什么样的理论依据？归纳阐释DNA双螺旋结构的主要特点？2.动手制作DNA分子结构模型，说出DNA分子是如何储存遗传信息的，阐明其特性，分析为什么可以通过对比不同人类的DNA发现了尼安德特人等古人类。3.借助模型，分析DNA分子中碱基之间的数量关系。双链DNA分子中，A与T的数量关系是？A+G的碱基数量之和占DNA中碱基总数的比例为？双链DNA分子中，若一条链上A+T所占的比例为m，则互补链上A+T所占的比例为？在整个DNA分子中，A+T所占的比例为？双链DNA分子中，若一条链上A+G/C+T=n，则互补链上A+G/C+T=？在整个DNA分子中，A+G/C+T=？【拓展提升1】早期现代人类、尼安德特人、倭猩猩、黑猩猩和丹尼索瓦人之间亲缘关系的判断，常用DNA分子杂交技术。DNA分子杂交是用不同的DNA探针与不同个体的DNA进行分子杂交，呈现出各自特有的杂交图谱。DNA探针是用放射性同位素或者荧光分子标记的DNA片段，当两种生物的DNA分子的单链具有互补的碱基序列时，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的单链。形成杂合双链区的部位越多，说明DNA碱基序列的一致性越高，说明两种生物的亲缘关系越近。DNA分子杂交过程中应用的原理是什么？结合以下图解说明如何通过这种方法判断早期现代人类、尼安德特人、倭猩猩、黑猩猩和丹尼索瓦人之间亲缘关系的远近？学习活动6:模拟DNA复制过程帕博的发现让我们了解到，中国西藏人之所以能适应西藏4000多米的高海拔低氧环境，可能因为西藏人从丹尼索瓦人那里继承一个与低氧适应相关的EPAS1基因突变型。此外，遗传有尼安德特人的VIP基因的智人后代将获得应对更多病毒的抵抗力。丹尼索瓦人的EPAS1基因和尼安德特人VIP基因是如何传递给现代人的？亲代的DNA分子与子代DNA有什么关系？1.模拟DNA分子复制过程，并总结出复制的条件和特点。2.从结构与功能相适应的角度，解释DNA复制能准确进行的原因？【拓展提升2】2019年6月2日儿童节过后，“团圆”系统上线满三年，该系统共接到儿童失踪案3978件，找回3901个失踪的孩子，找回率达98%，团圆系统也因此堪称人贩子的克星。打拐DNA数据库是在全国范围内，由各地方负责机构一方面对丢失孩子报案的家长采集DNA样本，另一方面对各地在街头流浪乞讨和被组织从事违法犯罪活动的未成年人一律采集DNA样本，并将这些数据录入到专门的全国联网的统一数据库。下图是公安机关对3名被拐儿童的DNA进行鉴定，得到的DNA指纹图谱，根据该图谱，该父母的孩子最可能是哪位？为什么？亲代的DNA分子与子代DNA有什么关系？你认为公安机关人员可以采集哪些组织样本进行这种检测？为什么？请结合自己的学习并查阅资料，分析打拐DNA数据库寻找孩子的可行性，说出自己的观点及依据。（三）应用迁移基因的本质——探究病毒的基因本质探究病毒的基因本质新型冠状病毒肺炎（CoronaVirusDisease2019，COVID-19），简称“新冠肺炎”。时至今日，全世界仍然笼罩在新型冠状病毒的阴影之下，由于该病毒极强的传染性使人们谈之色变。在中国政府的支持下钟南山院士和国家科研团队率领的医疗团队迅速做出应对措施，在比较短时间率先研制出了疫苗，现已全国推广，甚至于远销国外。乙型病毒性肝炎是由乙型肝炎病毒（HBV）引起的一种世界性疾病。发展中国家发病率高，据统计，全世界无症状乙肝病毒携带者（HBsAg携带者）超过2.8亿,我国约占9300万。多数无症状，其中1/3出现肝损害的临床表现。目前我国有乙肝患者3000万。这两种病毒的遗传物质是什么？科学家是如何通过实验探究病毒的遗传物质类型？【学习目标】1.搜集并分析与新冠肺炎和乙肝有关的资料，说出两种疾病的病毒类型、发病特征和传播途径。2.比较两种病毒的遗传物质在结构特点和复制方面的不同，联系生活实际，为预防新冠肺炎和乙肝提出2—3条建议，并说明原因。3.设计实验探究未知病毒的遗传物质，写出实验思路和预期结果。学习活动7：比较DNA病毒和RNA病毒的异同病毒类型遗传物质遗传物质结构特点遗传物质的复制新冠病毒乙肝病毒1.结合271BAY中关于新冠肺炎和乙肝的相关资源，说出两种疾病的病毒类型、发病特征和传播途径，对比新冠病毒和乙肝病毒的核酸在结构特点、复制等方面的异同。【拓展提升3】在新冠肺炎的预防方面，专家们给了很多切断传染源避免感染的措施，各国也陆续研制出了疫苗，从新冠病毒和乙型肝炎病毒的基因的本质角度，分析两种疫苗的有效期可能会有哪些不同？学习活动8：利用遗传物质探索方法探究未知病毒遗传物质有些病毒对人类健康会造成很大危害，通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换。请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定未知病毒的遗传物质，简要写出实验设计思路和预期的实验结果及结论。（四）重构拓展基因的本质——重构基因与DNA的关系PCR技术在古人类基因组测序中，要利用PCR技术。PCR是聚合酶链式反应的缩写。该技术由穆里斯等人于1985年发明，为此，穆里斯于1993年获得了诺贝尔化学奖。它是一项根据DNA半保留复制的原理,在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件,对目的基因进行大量复制的技术。通过这一技术，可以在短时间内大量扩增目的基因。【学习目标】1.重构“基因与DNA的关系”的思维导图，从结构和功能相适应的角度运用基因的本质有关内容解决分子水平的遗传问题。2.结合拓展材料，比较PCR技术和DNA体内复制的异同，预测研究DNA分子结构和功能对基因工程发展的意义。3.结合核酸检测荧光定量RT-PCR技术过程，阐释核酸检测出现“假阴性”的原因。【单元检测】1.单元知识重构重构基因与DNA的关系思维导图重构“脱氧核苷酸、基因、DNA和染色体的关系”，从结构和功能相适应的角度运用基因的本质有关内容解决分子水平的遗传问题。2.单元知识拓展（PCR技术）PCR反应需要在一定的缓冲溶液中才能进行，需提供DNA模板，分别与两条模板链结合的2种引物，4种脱氧