再议萨顿假说,重在逻辑推理
吴孝良
(霍邱二中,727100466@)
摘 要:高中生物学科作为实验科学,培养学生思维能力,尤以推理常作为重点的能力考查,包括批判性思维能力,分析和解决问题的能力。本文结合近年来对萨顿假说的讨论,提出从逻辑推理的角度分析萨顿假说的意义和在教学中的应用。
关键词:萨顿假说 逻辑推理 类比 演绎
人教版生物必修2“基因在染色体上”一节,从萨顿假说到摩尔根果蝇实验证明基因在染色体上这一科学结论,教材中总结分析了类比推理的方法,其意义回顾了减数分裂的过程,引出科学发展中“基因在染色体上”的实验证据——摩尔根的果蝇实验。分析萨顿假说的基础上,找出逻辑推理在生物学课堂教学和学生学习过程中的应用,培养学生的逻辑推理能力,提高学生科学素养。
一、萨顿假说的再现
教材中分析萨顿假说时,认为萨顿的推理过程为类比推理。理由:萨顿发现一种蝗虫的体细胞有24条染色体,生殖细胞中有12条染色体,受精作用后子代体细胞中又有24条染色体,与双亲的一样,这24条染色体按形态来分,两两成对,共12对。当萨顿发现孟德尔对遗传因子的描述为遗传因子成对存在,形成配子时成对的遗传因子分离,进入不同的配子,雌雄配子随机结合等。由此得到基因在染色体上的推论,虽说推理上有很强的逻辑关系,毕竟存在漏洞,需要实验证明。
笔者认为这里确实存在类比过程。史料可见:1883年,科学家观察到马蛔虫精子和卵细胞中的染色体只有体细胞的一半,1890年科学家确认精子和卵细胞的形成要经过减数分裂,1891年科学家描述减数分裂的过程。而在1865年孟德尔发表论文,1900年科学家根据论文归纳出孟德尔的分离定律和自由组合定律,1903年萨顿提出假说——基因在染色体上,1909年约翰逊将遗传因子改称基因(gene)。由此可见,萨顿做出如下表的类比也就顺理成章。
比较
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遗传因子状态
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染色体状态
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项目1
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体细胞中存在成对的遗传因子
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体细胞中存在同源染色体
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项目2
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减数分裂中成对的遗传因子分离
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减数分裂过程中同源染色体分离
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项目3
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减数分裂过程中决定不同性状的遗传因子自由组合
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减数分裂过程中非同源染色体自由组合
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结论
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遗传因子与染色体表现为行为的一致性
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假设
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遗传因子在染色体上(即基因在染色体上,基因表示遗传因子)
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由类比的结果推导出结论“基因与染色体表现为行为的一致性”,这符合类比推理的过程,当然也用到了归纳推理,二者存在某种关系,逻辑上是没有问题的。但是由此推导“基因在染色体上”,逻辑推理推理上还不够严谨。这属于逻辑推理吗?是逻辑推理中的演绎推理,不属于类比推理[1]。
下面分析人教版必修2P28图形如下:
如此区分的目的是让学生更加明白演绎的含义。如此说来萨顿本没有贡献之处,可他的科学方法让人们意识到基因和染色体的某种关联,基因在染色体上,意义好比科学的海洋中立一座灯塔,指引探索遗传物质的方向,另外这是一种具有创新意义的科学方法,可用在科学探索的诸多方面。逻辑推理的综合运用,让科学家有了更多的发现,推动了科学理论的不断进步。
二、逻辑推理的意义
高中生物课程的基本理念包括倡导探究性学习,人们发现众多生物学事实和理论是不断探究的过程,学习和认识生命世界和学习生物课程也离不开探究。探究的过程需要学生不断提高批判性思维的能力、分析问题和解决问题的能力等,培养其创新精神和实践能力[2]。能运用所学的知识和观点,比较、分析与综合等方法对生物学问题进行解释、推理,做出合理的判断与得出正确的结论[3],同时学会运用观察、实验与调查、假说演绎、建立模型与系统分析等科学研究方法。上述有关探究中推理、分析等科学方法都与逻辑推理分不开。简单介绍逻辑推理如下。
逻辑推理主要包括演绎推理与简单判断的推理、复合判断的推理、归纳推理、类比推理等,我们主要介绍演绎推理、归纳推理和类比推理。归纳推理是指从个别对象推知一类对象,从个别性知识推知中概括出一般原理或规律的推理形式和思维方法。例如在具有细胞结构的生物中,对它们的遗传物质进行推理发现,所有具有细胞结构的生物的遗传物质都是DNA,这就是完全归纳的结论。但如果把病毒也作为生物,进行遗传物质的推理发现,只有一部分病毒的遗传物质是DNA,还有一部分病毒的遗传物质是RNA,所以我们说,绝大多数生物的遗传物质是DNA,这就是一个不完全归纳的结论。细胞里面水的含量是最多的,这也是一个不完全归纳的结论,因为有极少数细胞中含量是很少或几乎没有水,例如小麦胚细胞中淀粉最多,脂肪细胞中的脂肪最多。
演绎推理是指从一般到特殊,根据一类事物都有的一般属性、关系、本质来推断这类事物中的个别事物所具有的属性、关系和本质的推理形式和思维方法。前面所说的萨顿假说形成过程,主要用到的是演绎推理,但是这里有一个大前提,如果在同一过程中,两事物行为相似,则这两个事物可能是结合在一起,或说一个事物包含了另一个事物。染色体和基因的二者的状态有一致性,可以推测基因和染色体的关系,染色体可以在显微镜下观察到,而遗传因子不能在光学显微镜下观察到,得出这个结论具有一定的科学性。
类比推理是根据两个或两类事物在某些属性上有相同或相似之处,而且已知其中一个事物具有某种属性,由此推知另一个事物也可能具有这种属性的推理。例如,斯莱登和施旺发现植物和动物都是由细胞组成的,后来斯莱登发现了植物细胞中有细胞核,他通过类比推理,认为动物细胞中可能也有细胞核。他把这一想法告诉了施旺,后来施旺果然在动物中发现了细胞核,两位科学家建立细胞学说。在科学研究中,类比推理是提出假说的重要途径,往往可以引出新发现、新理论。应当注意的是,类比推理得出的结论不一定具有逻辑上的必然性,其是否正确,还需要用其他方法来检验。
不难看出,逻辑推理的各种形式,在解决现实生活中的问题具有重要意义。对于日常教学和学生学习方法的指导,同样意义重大。
三、逻辑推理的应用
人教版高中生物教材中,不乏类比推理的实例。在“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”的实验中,教材给的实验过程是非常简单的,虽说是一个验证实验,却蕴含了探究实验的过程。教师用书后附光碟中有人教社摄制的实验视频,实验先做了蛋白质、淀粉、葡萄糖和食用油四种对比样液,然后分别制备大豆、马铃薯、苹果、花生等组织样液,通过对比实验现象,分析大豆、马铃薯、苹果、花生等生物组织材料中含有的还原糖、淀粉、脂肪和蛋白质。如果按照教材简单的实验步骤,只进行上述生物组织材料中的实验,得出相应的实验现象,学生会提出问题,这些实验现象能说明检测到了相应的糖类、脂肪和蛋白质了吗?实验视频中给出的实验操作,非常科学地通过对比推理,证明生物组织材料中含有相应的物质。当然,这个设计还不严谨,却可以让学生体验到实验探究的过程,培养学生的逻辑推理能力。
在指导学生解题方面,除了指导学生解答遗传类问题,在其他方面的问题同样有作用。例如2016全国乙卷第29题(节选)在有关DNA分子的研究中,常用32P来标记DNA分子,用α、β、γ表示ATP或dATP(d表示脱氧)上三个磷酸基团所处的位置(A-Pα~Pβ~Pγ或dA-Pα~Pβ~Pγ)。回答下列问题:
(1)某种酶可催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上,同时产生ADP。若用该酶把32P标记到DNA末端上,那么带有32P的磷酸基团应在ATP的____(填“α”、“β”或“γ”)位上。
(2)若用带有32P的dATP作为DNA生物合成的原料,将32P标记到新合成的DNA分子上,则带有外的磷酸基团应在dATP的____(填“α”、“β”或“γ”)位上。
分析:本题主要考查ATP、DNA的分子结构,借助同位素标记法考查DNA复制等知识。如果考生由ATP的结构简式A—P~P~P,对腺嘌呤、核糖和三个磷酸基位置分析,画出下图,第(1)题远离腺苷的磷酸基团断裂,带有32P的磷酸基团应在ATP的α位上;在人教版选修3中对PCR过程中所需的四种原料:dATP、dGTP、dCTP、dTTP的分析了,由A—P~P~P,类比推理出dATP的结构如下图,ATP和dATP的区别如图位置1为核糖或脱氧核糖,位置2都为腺嘌呤。第(2)题中去掉的两个磷酸基团分别是α和β位上,可得出32P标记到新合成的DNA分子上,则带有外的磷酸基团应在dATP的γ位上。
这里就运用到类比推理,虽说考查了获取信息能力,逻辑推理能力也非常有帮助。教师重视逻辑推理的应用,教学中有利于理清知识点的联系,突出教学重难点;指导学生方面,有利于培养逻辑推理能力,提高学习能力和解题能力。
参考文献
[1]瞿玉堂 罗微:《“萨顿假说”不是类比推理的结果》,《中学生物教学》2014年第3期,第53~54页。
[2]中华人民共和国教育部制定:《普通高中生物课程标准(实验)》,人民教育出版2003年版,第2~3页。
[3]教育部考试中心:《2016年普通高等学校招生全国统一考试大纲(理科)》,高等教育出版社2015年12月第1版,第173~174页。