111673 (Психолого-педагогические аспекты изучения генетики в школе), страница 8

3.1 Особенности изучения генетики в школьном курсе

Генетические разделы школьного курса – камень преткновения для учащихся и учителей биологии. В учебниках и методических руководствах законы генетики представляются как инструктивный вывод из случайно поставленных опытов, безотносительно к тем концепциям, гипотезам, идеям, которые они должны были подтвердить или опровергнуть. Важнейшие теории генетики – хромосомная и генная – только упоминаются, но содержательно не раскрываются, не говоря уже об их логической структуре и социокультурных истоках. Методическая неразработанность генетического раздела школьного курса – одна из причин его плохого усвоения школьниками. Последствие этого – продолжающаяся генетическая безграмотность населения. Между тем четкое выявление социокультурных истоков и логической структуры генетических теорий вписывает их в общую систему естественнонаучных знаний, делает их усвоение не только посильным, но и интересным, придает учебной деятельности творческий характер.

Истоки генетики.

В классическом дарвинизме наследственность и изменчивость рассматривались как постулаты (исходные положения), принимаемые без доказательств, рассматриваемые лишь как факты движения силы эволюционного процесса. Очевидно, что умение Ч. Дарвина подспудно предполагало существование органического мира в форме дискретных видов: корпускулярность единиц наследственности. Без этого естественный отбор не смог бы выполнить своей творческой роли. Однако нечеткость в понимании наследственности мешала дальнейшему развитию дарвинизма, колебала всю структуру эволюционной теории, вызывала разрывы и диспропорции в ней. Необходимо было решить проблемы о механизмах и сущности наследственности и изменчивости, соотнести абстрактные объекты теории с реальными эмпирическими данными.

Во времена Ч. Дарвина в биологии была распространена модель «слитной наследственности»: считалось, что наследственные признаки сливаются, смешиваются (рис.). На такое объяснение направляли реально встречающиеся случаи наследования количественных признаков. Однако этой модели противоречили не менее известные факты стойкого сохранения признаков из поколения в поколение (губа Габсбургов, нос Бурбонов и т. д.). Шотландский математик Ф. Дженкин (1833-1885) проделал мысленный эксперимент, пытаясь «представить» в учение Ч. Дарвина конструкт «слитная наследственность». Результат – вывод о неспособности естественного отбора «подхватить» новое полезное наследственное изменение, которое мгновенно «растворяется» в системе «заболачивающих» скрещиваний. Школьникам желательно предложить самостоятельно воспроизвести мысленные эксперименты Ф Дженкина, оставив его символику: новый признак – А, часть этого признака, «разбавленная» в результате гибридизации во втором поколении А/2 т. д. При этом необходимо заменить предложенный Ф. Дженкином объект (белый на острове, населенном неграми) более подходящим, например, растения с белыми цветками, среди которых внезапно появляется красноцветковая форма / пусть красный цвет даст какое-то преимущество его обладателям как более заметный для опылителей/. Проделав эксперимент, школьники придут к выводу о том, что новоявленная форма с красными цветками (А), будучи представленной в одном экземпляре, может скрещиваться только с белоцветковыми формами. Результат – появление розовых форм (А/2). В следующем поколении розовоцветковые формы преимущественно будут размножаться с белыми, ибо их розовые сородичи слишком малочисленны. В новом поколении от прежнего признака останется лишь от прежнего признака остается лишь «четвертая часть» _А/4). В последующем признак будет «убывать» в геометрической прогрессии: А/8; А/16; А/32; А/64; А/128 и т. д. Вывод: признак исчезает так быстро, что естественный отбор не успевает подхватить его. Несостоятельность этой модели становится очевидной при изучении законов Менделя.

Несмотря на то, что идеи дискретности были известны со времен Левкина и Демокрита и получили конкретизацию в атомно-молекулярной и клеточной теориях, для построения корпускулярной модели наследственности потребовался научный подвиг Г. Менделя (1822-1864). Сам Ч. Дарвин не смог противопоставить построениям Ф. Дженкина мысленный эксперимент с корпускулярной наследственностью.

На фоне аргументов Ф. Дженкина становятся ясными исследования Г. Менделя, основанные на гипотезе корпулярной наследственности. Эти исследования показали, что новые признаки не исчезают, не смешиваться, не разбавляются и не «загрязняются». Даже «проскакивая» в отдельных поколениях, они рано или поздно проявляются у потомков и подхватываются или отвергаются отбором.

В школьной практике в учениках биологии законы Менделя излагаются как выводы, следующие из экспериментов, поставленных как бы в «концептуальном вакууме». Такой подход создает у школьников превратное представление о логике научного познания. На самом деле экспериментам всегда предшествует идея, пусть вначале неявно сформированная. В ходе исследования идея уточняется, сопоставляется с фактами и превращается вначале в гипотезу, а затем в закон или теорию. Для методологически правильной трактовки законов Менделя необходимо реконструировать истоки той идеи, которая направляла исследования ученого.

Г. Мендель, прежде всего, перенес в биологию новые для этой науки идеалы физического познания: выделил элементарные носители рассматриваемых свойств, тщательно спланировал эксперименты, статистически обработал их результаты. Следуя идеалам физики и математики, он сконструировал понятие наследственных факторов как алгебраических единиц, за которыми в то время не было еще какой-либо биологической или физико-химической реальности. Следуя идеалам физического познания, ученый избрал для исследований относительно простой объект, свойства которого можно было контролировать во всех проявлениях (горох).

Включение менделевского открытия в биологию требовало усвоения новой исследовательской программы точных наук, к чему современники Г. Менделя были явно не готовы. Время пришло тогда, когда идея дискретности окончательно утвердилась в естествознании с открытием квантов М. Планков (1900) и транслировать в системе культуры. Лишь после этого работы Г. Менделя были моментально «реанимировать» сразу в трех странах (Голландия, Австрия, Германия).

Итак, очевидно, что социокультурный фон менделизма составляют:

• учение Ч. Дарвина, показавшее контуры предмета новой науки – генетики, возникновение и развитие которой стало необходимым для «развертывания» теоретической схемы, для мысленного экспериментирования с абстрактными объектами – наследственностью и изменчивостью;

• - клеточная теория, воплотившая идеи элементарности, атомарности, дискретности, показавшая цитологические источники наследственности и изменчивости;

• идеи, идеалы и образцы физического познания (редукция сложного и простому, конструирование абстрактных объектов, мысленное экспериментирование с ними, выработка «правил соответствия» абстрактных объектов реальным; математическая формализация теоретической системы);

• статистика, конкретизировавшая идеи о связи случайности и закономерности.

Очевидно, что идеи в той или иной форме предшествовали эксперименту. Если они были в зародышевой форме, то «вызревали» параллельно с опытом, корректировались им, видоизменяли его.

При изучении экспериментов Г. Менделя методологически важно, чтобы школьники попытались сами сформулировать гипотезу, которая вытекает из эмпирических обобщений (законов наследственности):

1. По цепи поколений организмов и их клеток передаются не признаки, а наследственные факторы, их определяющие.

2. Развитие каждого признака контролируется двумя факторами, полученными от отцовской и материнской форм. Наследственные факторы гибрида, вытекающие на проявление одного признака, различны. Чаще проявляется только один из них (доминантный), реже промежуточное наследование.

3. Доминантный и рецессивный факторы у гибрида сосуществуют, не сливаясь, не смешиваясь, не разбавляясь. Передача фактора последующим поколениям не зависит от того, осуществил ли он свое действие в развитии особи или контролируемый им признак был подавлен.

4. При образовании гамет в которую из них попадает только один фактор из каждой из их пары. Гаметы с разными факторами образуются гибридами в равном числе и обладают равной жизнеспособностью. Встреча и слияние гамет при оплодотворении не зависят от факторов, которые они несут.

Доведение дискретного понимания наследственности до логического завершения – вклад исследований Г. Менделя в понимание картины биологической реальности, который способствовал укреплению и развитию дарвинизма. [ ]

Становление и развитие хромосомной теории.

Методический анализ преждевременных открытий Г. Менделя – необходимая предпосылка усвоения сущности хромосомной теории наследственности, так как эти открытия стояли у ее истоков. Хромосомная теория – превосходная модель для показа взаимодействия идей и фактов в биологическом познании.

Теоритические и экспериментальные предпосылки хромосомной теории «созревали» в недрах цитологии. Одним из источников этой теории стала умозрительная гипотеза наследственности А Вейсмена (1834-1914). В ее основе лежит идея резкого ограничения тела организма (сомы), клетки которой стареют и умирают, от половых клеток, которые не изменяются в течение жизни. Содержимое их ядер (зародышевая плазма) определяет совокупность наследственных свойств организма. Половые клетки, по А. Вейсману, потенциально бессмертны, они сохраняют зародышевую плазму полностью и обеспечивают непрерывность ее передачи из поколения в поколение – зародышевый путь. Наследственные изменения – результат непосредственного воздействия на зародышевую плазму. А. Вейсман разработал умозрительную иерархию гипотетических единиц наследственности. Наследственные единицы самого низкого уровня определяют отдельные признаки клеток. Единицы более крупного масштаба обусловливают развитие совокупности клеток какого-либо типа, тканей. Все эти факторы А Вейсман объединил в наиболее крупные единицы наследственности, отождествленные им с хромосомами.

Другой источник хромосомной теории – экспериментальные исследования немецкого цитолога и эмбриолога Т. Бовери (1862-1915). В 1887-1905 г. г. он четко сформулировал принцип индивидуальности хромосом, показал постоянство числа и формы хромосом у каждого вида, представил экспериментальные доказательства наследственной роли ядра (1889). По Т. Бовери, каждая хромосома вносит специфический вклад в развитие особи, причем от их числа в кратких наборах зависят размеры клеток (ядерно-плазменные отношения).

Благодаря исследованиям цитологов были сформированы обобщения – основа хромосомной теории (Т. Бовери и У. Сеттон, 1902-1903):

В зиготе и возникших из нее соматических клеток одна половина числа хромосом материнского происхождения (от сперматозоида). В результате ядро соматических клеток содержит пары сходных, гомологических хромосом – отцовских и материнских. Число пар равно гаплоидному числу хромосом.

Хромосомы сохраняют структурную и генетическую индивидуальность в жизненном цикле органов.

В мейозе гомологичные хромосомы попарно коньюгируют, а затем расходятся, попадая в разные зародышевые клетки.

Каждая хромосома играет определенную роль в развитии особи.

Было высказано и предложение о том, что все наследственные факторы одной хромосомы наследоваться совместно (идея сцепленного наследования).

Ознакомление школьников с результатами опытов Г. Менделя, с идеями А Вейсмана и формулировками хромосомной теории дает возможность им самостоятельно обнаружить «параллелизм» в поведении хромосомы и гипотетических наследственных факторов Г. Менделя.

Становится также ясной и исследовательская программа Т. Г. Моргана (1866-1945). Конкретизировав представления о генах, он показал их материальную природу, локализацию в хромосомах, заложив основу современной теории гена. Ознакомление с формулировками Т. Моргана показывает их связь с идеями А Вейсмана, Г. Менделя, Т. Бовери и У. Сеттона:

Гены находятся в хромосомах и в пределах одной хромосомы образуют одну группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом.

В хромосоме гены расположены линейно.

Частота кросинговера, происходящего в мейозе, пропорциональна расстоянию между генами.

В школьных учебниках хромосомная и генная теории в лучшем случае лишь называются, их положения четко не формулируются, умозрительные построения и эмпирические данные не отделяются друг от друга и не связываются между собой. В результате выпускники не только не могут сформулировать эти теории, но и не представляют себе того пути научного познания, который привел к открытию наиболее фундаментальных положений современной генетики.

Для преодоления недостатков необходимы специальные задания, рассчитанные на работу учащихся с текстом учебника и с формулировками идей А Вейсмана, г. Менделя, у. Сеттона и Т. Моргана.