普通高中课程标准实验教科书选修 3

现代生物科技专题 简介

人民教育出版社生物室 包春莹baocy@pep.com.cn

QQ:48444305

http://blog.sina.com.cn/bcying

2010 年 3 月

选修模块设计的指导思想

“ 选修模块是为了满足学生多样化发展的需要而设计的，有助于拓展学生的生物科技视野、增进学生对生物科技与社会关系的理解、提高学生的实践和探究能力。”（课标中“课程设计思路”）

选修 1 生物技术实践 选修模块 选修 2 生物科学与社会 选修 3 现代生物科技专题

本模块设计的指导思想

让学生进一步了解现代生物科学和技术中一些重要领域的研究热点、发展趋势和应用前景，以开拓视野，增强科技意识，为学生进一步学习现代生物科学类专业奠定基础。

一、本模块的内容范围

基因工程 克隆技术（改为细胞工程，内容标准不变） 胚胎工程 生物技术的安全性和伦理问题 生态工程

现代现代生物生物科技科技专题专题

科学

技术现代

基因工程

克隆技术

胚胎工程

生态工程

基本概念和基本原理

技术流程、操作和应用

伦理问题生物技术的安全性与伦理问题

社会社会

交流、讨论、辩论

具体内容标准——基因工程

概述基因工程的诞生 简述基因工程的原理及技术 举例说出基因工程的应用 简述蛋白质工程

具体内容标准——克隆技术

简述植物的组织培养 简述动物的细胞培养与体细胞克隆 举例说出细胞融合与单克隆抗体

具体内容标准——胚胎工程

简述动物胚胎发育的基本过程 简述胚胎工程的理论基础 举例说出胚胎干细胞的移植 举例说出胚胎工程的应用

具体内容标准——生物技术的安全性和伦理问题

关注转基因生物的安全性问题 举例说出生物武器对人类的威胁 讨论生物技术中的伦理问题

生 态 工 程

关注生态工程的建设 简述生态工程的原理 举例说出生态工程的实例

二、本模块的特点

1. 具体内容标准的特点（课标 P28 ） 共 17 项，其中简述 8 项，举例说出 6 项，关注 2 项，讨论 1 项。① 知识性目标以了解水平为主；② 情感性目标以经历（感受 : 参与、交流）和反

应（认同：表示感受、态度和价值判断）水平为主；

③ 技能性目标体现在活动建议中，主要是参观、调查、资料收集、撰写专题综述报告等。

二、本模块的特点

与选修 2 相比2. 以专题形式介绍现代生物科学和技术中一些重

要领域的研究热点、发展趋势与应用前景（不是全面介绍生物科技在社会中的应用）；

3. 生物科技的原理和过程介绍较为详细；4. 同样需要学生关注生物科技对社会产生的各种

影响。

三、教材的设计思路和呈现方式

1.1. 以学习专题方式呈现，以学习专题方式呈现，各个专题相对各个专题相对独立，但又相互联系。独立，但又相互联系。

本模块知识内容的构建顺序：从微观到宏观的顺序（分子水平、细胞水平、个体水平、群体水平）。

从基因文库中获取目的基因的基本原理

生态工程所遵循的基本原理 :

物质循环再生原理

物种多样性原理

协调与平衡原理

整体性原理

系统学和工程学原理

牛体外受精胚胎工厂化生产流程图

技术流程图可以帮助学生认识到这门技术不是纸上谈兵，是已经成为现实的技术体细胞核移植过程流程图 ( 帮助理解原理 )

胚胎移植繁育良种奶牛的技术流程图

热点讨论 1 、 2 、 3

克隆人

设计试管婴儿

基因“身份证”

背景资料

争论焦点

讨论

科学、理性地看待这些问题，做到趋利避害

呈现方式

概述本领域的发展历程。

标题、章题图、引

言思考与探究

生产或生活中的问题

图文介绍原理和方法

讨论

问题—对策—案例

论坛或热点问题讨论

科技探索之路

进展追踪

专题小结

书海导航

网站链接

实践活动

拓展视野

内容主体、引导阅读、分析和讨论。

联系实际，深入社会；课外阅读，拓展视野。

收集资料，撰写报告。

总结梳理，课外延伸。本节作业，

深入思考。

标题、章题图、引

言思考与探究

生产或生活中的问题

图文介绍原理和方法

讨论

论坛或热点问题讨论

问题—对策—案例

科技探索之路

进展追踪

专题小结

书海导航

网站链接

实践活动

拓展视野

内容主体、引导阅读、分析和讨论。

联系实际，深入社会；课外阅读，拓展视野。

收集资料，撰写报告。

总结梳理，课外延伸。本节作业，

深入思考。

编写的设计思路和呈现方式

本模块的编写模式 序——致同学们 专题封 科技探索之 路 正文设计思路和呈现方式——知识的建构、能力的 培养与情感、态度、价值观的形成

给出定义给出定义

创设情景创设情景 ,, 引出专引出专题题

典型事例、典型图片，典型事例、典型图片，吸引学生的注意力，激吸引学生的注意力，激发学习兴趣发学习兴趣

专题引言 、题图和文字专题引言 、题图和文字

科技探索之 路 《基础理论和技术的发展催生了基因工程》 《细胞工程的发展历程》 《胚胎工程的建立》 《生物技术引发的社会争论》 《生态工程的兴起》

编写科技探索之 路的目的是：

概述本领域的发展历程，激发学生的学习兴趣。

介绍一些背景资料或呈现一些不同的观点，以激发学生学习的兴趣。

加深学生对科学史和科学本质的理解和认识，增强学生对科学、技术与社会关系的理解。

科技探索之 路

编年史的方法展示基因工程的发展历程：

有利于学生认识基因工程的发展历程；

有利于形成科学和技术是相互促进，不断发展的观点；

有利于学生形成生物技术的发展离不开众多科学家的共同努力的观点；

编写设计思路和呈现方式

本模块的编写模式 正文设计思路和呈现方式——知识的建构、能力的培养

与情感、态度、价值观的形成

从科学与技术互动的观念出发建构知识 以讨论等多种方式发展探究能力和思维能力 通过活动体验，领悟方法 , 加深对科学原理的理解 关注科学技术的社会应用，增强社会责任感

主要两种形式论坛形式（第1节）转基因生物与食物安全转基因生物与生物安全转基因生物与环境安全热点问题讨论形式（第2节）有朝一日克隆人真的来了，我们该怎么办？你支持设计试管婴儿吗？你要一张基因“身份证”吗？

编写模式

编写模式

先是生态工程原理（第 1节），然后是实例（第 2节）

实例：问题—对策—案例

四、本模块的教学建议1. 由于课程内容多属于生物科学前沿领域，进展迅速，

教学过程中需要及时补充最新进展的资料。2. 鉴于课标中要求大多是了解水平，教学中仍要避免讲得过深过专。

3. 重视现代生物科技的基本概念和原理的教学，避免变成泛泛的科普，或资料的搜集浏览。

4. 围绕生物科技与社会的关系，切实组织好资料搜集分析、讨论和辩论等活动。

5. 充分利用当地的活的课程资源和信息技术。6. 指导学习撰写综述报告（ 1~2篇；分期分批进行；进

一步拓展和延伸；有明确主题，对主题意义和价值的简述，层次清楚的内容、结论、讨论，资料文献的来源。教师要对报告评价）。

五、 教 材 内 容 答 疑

1 、有少数限制酶的识别序列由 5 个核苷酸组成 , 这样的限制酶是如何切割 DNA片段的 ? （教材第 5页） 这种类型的限制酶是不可能识别严格意义上的回文结构序列的，即其识别序列并不唯一，识别序列中间的那个核苷酸通常并不要求是某种特定的核苷酸 。例如：① 限制酶 Hinf I 的识别序列为 GANTC ，中间的核苷酸 N 可以是 A、 T、 C、 G 中的任何一个，即该限制酶有四种识别序列；

② 又如 Sfi I限制酶的识别序列为GGCCNNNNNCCGG ，共 13 个核苷酸，中间的五个核苷酸 NNNNN也没有特定的要求，该酶可以识别并切割多种 DNA 分子。

某种特定核苷酸序列：不是唯一的

一旦酶切位点被破坏，限制酶就不再识别了

限制酶能识别特定的 DNA 序列并进行剪切，不同的限制酶可以对不同的核酸序列进行剪切。现以 3 种不同的限制酶 a 、 b 、 c 对 6.2 kb大小的线性 DNA 进行剪切，用凝胶电泳分离各核酸片段，实验结果如右图所示。那么 3 种不同的限制酶在此 DNA片段上的相应切点位置是：（ D ）

质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。某质粒上的标记基因如下图所示，通过标记基因可以推知目的基因是否转移成功。目的基因插入的位置不同，细菌在培养基上的生长情况也不同，下表是目的基因插入位置（插入点有 a、 b、 c ）与细菌的生长情况。推测①②③三种重组后的目的基因插入点，正确的一组是：（ ）

细菌在含青霉素培养基上生长情况

细菌在含四环素培养基上生长情况

① 能生长 能生长

② 能生长 不能生长

③ 不能生长 能生长

A ．①是 c ，②是 b ，③是 a ；B ．①是 a和 b ，②是 a ，③是 b ；C ．①是 a和 b ，②是 b ，③是 a ； D ．①是 c ，②是 a ，③是 b 。

2 、关于目的基因的获取

从基因文库中获取目的基因利用 PCR 技术扩增目的基因 人工合成

老师们的疑问：这三种方法不是并列的？

3、 PCR 原料中为什么用 dNTP？（教材第 10 页）

dNTP 包括dCTP、 dATP、 dGTP和dTTP

同 ATP用单磷酸腺苷和二磷酸腺苷是

不行的

4 、关于 PCR循环参数的确定 变性时间是如何确定的？

– 在选择的变性温度下， DNA 分子越长，两条链完全分开所需的时间也越长。如果变性温度过低或时间太短，模板 DNA 中往往只有富含 AT 的区域被变性。

– 在 PCR 的第一个循环中，有时常把变性时间设计为 5 min ，来增加大分子模板 DNA彻底变性的概率，又称此为预变性。

– 当模板 DNA的 G+C含量超过 55%时，需要更高的变性温度，来源于古细菌的 DNA聚合酶比 Taq DNA聚合酶更能耐受高温，因此更适合用来扩增富含 GC的 DNA 模板。

4 、关于 PCR循环参数的确定

复性温度的确定有什么考虑？ 复性过程（即退火）采用的温度至关重要。如果复性温度太高，寡核苷酸引物不能与模板很好地复性，扩增效率将会非常低。如果复性温度太低，引物将产生非特异性复性，从而导致非特异性的 DNA片段的扩增。

4 、关于 PCR循环参数的确定

延伸的时间是如何确定的？ Taq DNA聚合酶在最适反应温度（ 72~78 ℃ ）下聚合速率约为 2 000 bp/min。根据多数研究者的经验，确定了一个规则，即：靶基因的每 1 000 bp的扩增产物的延伸时间被设计为 1 min，以此类推。对于 PCR 的最后一个循环，许多研究者常把延伸时间增加为以前循环的延伸时间的 3倍以上，以使所有扩增产物完成延伸，这又称为后延伸。

4 、关于 PCR循环参数的确定

循环数目一般都为 30 ，这个数值是怎么来的？ PCR扩增所需的循环数目决定于反应体系中起始的模板拷贝数以及引物延伸和扩增的速率。 一旦 PCR 反应进入几何级数增长期，反应会一直持续下去，直至某一成分成为限制因素。从这一点上来说，扩增产物中绝大多数应该是特异性的扩增产物，而非特异性的扩增产物低到难以检测的程度。用 Taq DNA聚合酶在一个含有 105 个拷贝的靶序列的反应体系中进行 30 个循环后往往可以做到上述的理想情况。

5 、目的基因的检测与鉴定——分子杂交技术（教材第 14 页）

探针标记种类 放射性同位素、荧光、生物素（一种维生素）

检测基因工程是否成功 检测转基因生物染色体的 DNA 是否插入了目的基

因： DNA 分子杂交技术（ Southern杂交） 检测目的基因是否转录出了 mRNA ： Northern杂

交（探针是 DNA ）或 Eastern杂交（探针是 RNA ）

检测目的基因是否翻译成蛋白质：用免疫组织化学技术或Western杂交，原理都是抗原和抗体反应

6 、大肠杆菌能生产糖干扰素吗？ （教材第 15 页） 干扰素是哺乳动物细胞在诱导物的诱导下产生的一种

特异糖蛋白； 科学家用通过基因工程用大肠杆菌生产出来的干扰素

是没有糖链的，但同样能够抑制病毒在细胞内的增殖，加强巨噬细胞的吞噬作用和对癌细胞的杀伤作用；

真核细胞表达的干扰素需要糖链来稳定结构、帮助溶解，并通过转运系统分泌到细胞外，进入血液循环系统，以发挥其抗病毒抗肿瘤的生物功效；

2002年，科学家们发现在一种名为 Campylobacter jejuni 的细菌里存在生产糖蛋白的基因簇，即 pgl 基因簇，此基因编码的蛋白能够起糖基转移酶的作用，科学家用基因工程方法将这套基因克隆至大肠杆菌共表达，使得大肠杆菌也能够生产相应的糖蛋白。

7、基因诊断 目前四大类疾病可以通过基因进行诊断

由单个基因突变引起 的疾病常见病和多发病（多是多个基因引起 的，如糖尿病、心脏病等）

癌症（抑癌基因或癌基因异常） 感染性疾病（ SARS 、禽流感等外源性基因）

现状：目前已经对 1 000 中单基因病、几十种染色体病和近百种代谢缺陷症能用此种方法进行明确诊断

目标：开发简便、高效的多种疾病同步检测技术

基因诊断常用技术（ DNA诊断技术） 核酸分子杂交技术，其中最主要的是限制性内切酶谱

分析法 内切酶：从核酸链中间水解二酯键，将核酸链切断，多数需要识别特殊的位点

外切酶：作用于单链或双链，从核酸的一端开始，一个接一个地将核苷酸水解下来或切成短链，无特异性。

PCR 技术 基因测序 基因芯片：简便、高效检查多种疾病的基因突变，建

立高通量、自动化和快速检测基因突变的平台（不仅可检验基因突变与否，还可检验基因表达的高低）

8 、基因治疗

纠正或替代引发疾病基因的技术（从根源上解决问题）

途径 插入正常基因 修复突变基因 关闭引发疾病的基因

基因治疗进展缓慢的原因 基因治疗有效时间短，需多次治疗 重复将外源载体导入体内，可引发免疫排斥反应 经改造的病毒载体仍有一定毒性，非病毒载体效率低 基因疗法最适合治疗单基因疾病，多基因疾病困难

9 、原代培养和传代培养（教材 45页）

从机体上获取的组织，通过酶或机械方法分散成单个细胞进行培养，在首次传代前的培养一般称为原代培养（初代培养）。

原代培养的最大优点是：组织细胞刚脱离机体，生物性状尚未发生较大变化，在一定程度上能够反映体内的状态。

原代培养的细胞在生长、繁殖一定时间后，由于空间不足或细胞密度过大导致营养枯竭，会影响细胞的生长，因此需要进行扩大培养，即传代或称为传代培养（继带培养），也就是将细胞按 1:2～ 1:4 的比例传代。

但严格说来，不论在进行传代时稀释与否，将细胞从一个培养瓶转移到另一个培养瓶即称为传代培养。

关于传代培养 在进行传代时，如果是悬浮细胞，只需简单稀释即可，若需完全更换培养液只需低速离心沉淀，再悬浮于合适的培养液中即可。一般细胞每毫升接种数量为 5×104～ 8×105 个，传代密度太低，细胞容易死亡，表现出细胞在达到增长前有较长的滞留期。在培养过程中，培养液会由于 pH下降而呈现黄色，表明细胞已经达到最大密度需要换液或进行传代培养。如果是单层贴壁的细胞，等长满培养瓶表面，即可进行传代，多数细胞需用胰蛋白酶处理将细胞从生长物表面分离下来，以促进传代培养。

胰蛋白酶会消化细胞吗？

胰蛋白酶除了可以消化细胞间的蛋白质外，长时间作用也会消化细胞膜蛋白，对细胞有损伤作用；作用时间太短，细胞不容易脱落，因此必须控制好作用时间。

实际应用中的处理：做预实验，摸清效果最好时胰蛋白酶的用量和作用时间。

10 、传代代数与细胞的世代

传代代数与细胞的世代（增殖代数）并不是同一个概念。在细胞培养时，所说的“第 10 代细胞”，仅指该细胞已经传代10次；细胞传一代后，一般能倍增 3～6次，经过三个阶段，即潜伏期、指数生长期和平台期。当细胞达到平台期时，需要进行传代培养，否则细胞会中毒，发生形态改变，甚至死亡。

11 、 CO2 培养箱（教材 46页） 细胞培养中所用的培养箱一般称为 CO2 培养箱，它的气体环境是 95%

的空气和 5%的 CO2 。 CO2 的作用： CO2既是细胞代谢产物，也是细胞所需成分，它主要与维持培养液的 pH 有直接关系。动物细胞多数需要微碱性环境， pH为7.2～ 7.4 ，以不超出 6.8～ 7.6 为宜。在细胞培养过程中，随着 CO2

释放量的增多，培养基会变酸，因此常加入 NaHCO3 （与 CO2溶于水后所形成的 H2CO3 构成一个缓冲对）来调节 pH。 NaHCO3 具有释放CO2 的倾向，加入 CO2 可以抑制这个反应的进行。培养箱中 CO2浓度应与培养液中 NaHCO3浓度相平衡，如果培养箱中 CO2浓度设定在5% ，培养液中 NaHCO3 的加入量应为 1.97 g/L ；如果 CO2浓度维持在 10% ，则 NaHCO3 的加入量应为 3.95 g/L 。

气体环境改为 95%氧气和 5%的 CO2 ，行不行？显然是不行的。氧气是一种氧化剂，浓度太高，会损伤细胞的。在有些细胞培养中，还需要加入抗氧化剂如巯基乙醇等。

12 、细胞系和细胞株 细胞系和细胞株，两者曾一度混用，导致有些文献中概念

不清。下面所指的概念是现在国内外比较通用的，也是绝大多数研究者接受的观点。

原代培养物经首次传代成功即称为细胞系（ Cell Line ），因此细胞系可泛指一般可能传代的细胞。其中能够连续传代的细胞叫做连续细胞系或无限细胞系，不能连续培养的称为有限细胞系。大多数二倍体细胞为有限细胞系。

通过选择法或克隆形成法从原代培养物或细胞系中获得具有特殊性质或标志物的培养物称为细胞株（ Cell Strain ），也就是说，细胞株是用单细胞分离培养或通过筛选的方法，由单细胞增殖形成的细胞群。细胞株的特殊性质或标志必须在整个培养期间始终存在。

13 、在体细胞核移植中，为什么注入去核卵母细胞的是供体细胞而不是供体细胞的细胞核？（教材 48页） 体细胞核移植技术最初是用玻璃微型吸管将供

体细胞的细胞核吸出，再注入到去核卵母细胞内，后来通过实验的不断摸索发展出了另外一种方法，即直接将供体细胞注入到去核卵母细胞透明带内，然后用病毒介导或者电脉冲等方式使两个细胞融合，因为这种方法操作简便，对卵母细胞损伤较小，现在较为常用。

14 、供体细胞的细胞质中的遗传物质是否也能表达出相应性状？

两种来源的线粒体有三种可能的命运 ① 供体来源的线粒体被降解 ，只剩下受体来源的线粒体；② 两种来源的线粒体同时存在，核移植个体的线粒体呈异

质性； ③ 受体来源的线粒体被选择性降解，供体来源的线粒体占

主导。 据研究发现，线粒体呈异质性的情况主要存在于核移植

个体胚胎发育早期，大部分核移植个体后代中主要存留的是受体来源的线粒体，如多莉羊的线粒体中的 DNA就来自于受体卵母细胞，只有少部分保留的是供体来源的线粒体。

目前，供体和受体来源的线粒体的命运如何还没有完全一致的规律，还有待于进一步深入的研究。

15 、单克隆抗体的制备，专一性抗体检验阳性，为什么要两次？（ P53 ）

经过多次筛选，就可获得足够数量的能分泌所需抗体的细胞

16 、判断卵子受精以观察到两个极体为标志，卵母细胞减数分裂不是形成三个极体吗？（教材 63页）

在人类以及大部分哺乳动物中，第一极体很少再进行第二次分裂，只有少部分哺乳动物的第一极体才会分裂形成两个第二极体 ；

即使分裂，在实际操作中也不容易三个都同时观察到，但只要能看到两个，就足以说明问题。

17 、关于原肠胚（教材 66-67页）

教材 P67 提到内胚层和外胚层 原教材：三个胚层

原肠胚发育到最后，出现三个胚层，但原肠胚有很长一段时间是没有三个胚层的。原来的教材强调的是一个完整的结果，现在教材给学生展示的是一个真是的发育情况。类似的情况，比如对于减数分裂的描述必修、选修不太一致，也是站的立足点不一样。

18 、为什么要讨论生物技术的安全性和伦理问题？

向公众传播正确的科学知识，造就正确的伦理舆论导向

建立起科学研究的道德规范，使科学家能够理性地进行科学研究

为国家制定相关的法规和政策提供哲学和社会学基础

两个实例（核酸保健品和艾滋病西瓜）

核酸保健品 “ 科学新概念”“核酸基因营养品”被卫生部下属的中国保健科技会视作“第三呆保健食品领航产品”

背景： 2000年的“人类基因组计划”广告：三段论式的演绎推理（ 1 ）大前提：一切疾病都与基因受损有关；（ 2 ）小前提：核酸是基因的载体，是支配生命的根本物质；（ 3 ）结论：补充核酸，即可增强基因自主修复能力

邹承鲁院士

核酸营养之争 在学术上没有多大意义，这不过是一个商业炒作和学术道德问题。

科研与公众利益的联系日益紧密，该做什么，不该做什么，一个有良知的科学家应该守住道德的底线。

19 、对于任何一个生物技术安全性和伦理问题，公众都有截然不同的见解，那么我们讨论它还有什么意义？

生活在不同社会中的人类群体，其价值观取向存在差异，对同一个生物技术安全性和伦理问题都有不同的看法

科学家和媒体责无旁贷地要引导正确 的社会舆论

正确的社会舆论将引导 出正确的法规、政策和社会效果，有利于科学技术的发展

中学生学习这部分内容有什么用？

学习这部分内容最终目的是要能理性地看待生物技术的安全和伦理问题，将来能运用包括这些知识在内的科学背景改善自己的工作

这部分知识采用讨论方式，就是要告诉学生，他们不是知识的被动接受者，而应该积极参与学习的全过程，培养学生分担社会责任的意识

许多社会问题在不同的条件下，由不同的解，培养学生要用辩证的眼光看待复杂的社会问题

补充热点问题

强制性婚检在 2003年以前我国为什么实行强制性婚检？ 为什么强制性婚检被取消？ 强制性婚检被取消后出现了什么问题？我们应该怎么做？

代孕母亲这里涉及到什么伦理问题？你的观点是什么？

安乐死

谢谢大家！有不妥之处请批评指正！