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分子生物学的重要性

时间:2024-01-09 14:35:16

分子生物学的重要性

分子生物学的重要性范文1

本科实验与研究生实验不同,由于受到设备、空间和经费的限制,一般采取分组的方式。各组成员通过合作完成较有难度的实验,这样的方式对提升学生的合作能力,提高效率方面有很好的优势。但是,学生分组实验的弊病在于成效较低,这主要与学生自制力差、懒散,学习主动性差,实验操作意识差等因素有关。

因此,如何做好分子生物学实验教学,实验教学的收获的好坏,直接影响学生对微观世界研究的兴趣和加强学生自信心的非常重要的因素。

一、独立性实验在本科教学中的重要性

1.依靠自己,独立完成

动手能力是衡量本科毕业生素质的重要因素,直接影响本科教学质量。分组实验中,一般以动手能力强的学生会主导实验过程,导致有些学生得不到直接锻炼,因此会逐步淡化实验教学的质量。如果教师不能及时发现问题,学生毕业后的动手能力将为零。例如,在基因组DNA提取实验教学前,通过询问了解学生曾使用过微量移液器,但随机抽查学生进行示范操作时,却发现有些学生竟回答没有见过该“工具”,同时对移液器的规范操作也存在不小问题。如果进行分组实验,这些细微问题的老师是无法及时掌握的,而独立实验可以让每一个学生完全依靠自己严谨、细致的实际操作获得较理想的实验结果,对不理想的实验结果进行独立总结,发现问题,分析其原因。

2.积极参与,调动积极性

分组实验要求的是团队合作,这种团队的合作对于实验步骤复杂,涉及仪器数量受限制的情况下是适宜的。但分组实验不可避免的带来个别学生对实验过程中的懒惰情绪,无心参与实验,做一些与实验教学无关的事情。教学老师为了提高课堂效率,对个别学生也不会过多的关注。时间一长,这些学生失去对实验课的兴趣,导致个别学生完全脱离本科目在内的其他的实验。独立实验要求要对自己实验的结果负责,以实验结果评定实验课成绩,会造成一定的压力。因此,首先从思想上会对实验有明确的目的,在实际操作过程中逐步提高实验的兴趣,自始至终参与实验。例如,分子生物学基础试验,离心是重要的一个环节。分组实验离心一般是组内的一名成员负责离心,因此有些学生完全不了解离心机的基本操作方法。毒理试验可以让每一个同学都具有亲自操作离心机的机会,教学过程中讲解离心机的型号、规格,注意事项,还可以讲些离心机生产厂家的情况,都会提高学生拓展实验技能和认识,这些又恰恰是我们的实验教学应得到的预期成果。

3.独立分析结果,并作个人总结

分组实验中,一个教学班级最多得出6种结论,但是独立实验要求每个学生做一份实验报告,结果为整体班级人数的数量。学生通过彼此实验结果的对比,都能总结出自己的不足。同时,在独立实验的实验报告中增加实验心得,从学生的心得中了解和总结学生掌握知识的情况,直接获得实验教学课中存在问题的第一手材料,这些信息将为进一步提高实验教学质量提供依据。

二、独立实验施行过程中存在的问题

1.受到设备、空间、经费的限制

分子生物学是20 世纪中期随着研究核酸结构与功能才诞生的一门新兴学科,在资金投入基础方面远不及其他经典科学,投入基础薄弱是影响分子生物学实验教学效果的一个重要原因。而且分子生物学的研究对象均为核酸及蛋白质分子,对实验条件要求很高,实验仪器与实验耗材大多需要国外进口,其价格昂贵,这是导致独立实验不能顺利进行的最直接原因。近年来,学校投入到本科的教育经费虽然有一定增加,但仍然无法完全满足独立试验教学的需求。

2.传统实验教学的影响较深

分组实验在本科生实验教学中是非常传统的教学方法。实验内容较多,操作仪器设备体积较大,价格昂贵的实验课,更适合采用分组教学的方式,因此很多教师安排新课程的实验时也往往直接以分组的形式进行。但是,这种模式是以教师为中心的,在这种教学环境下学生是被动地按照实验要求和操作步骤进行。这种教学模式下培养的学生思维狭隘,办事循规蹈矩,缺乏创新精神和创造能力,已不能适应现代社会对人才的需要。

3.分组实验效率高,工作量少

独立实验中每个学生都是实验的参与者,需要教师的高度集中,稍不注意容易出现安全隐患。因此,教师必须将敬业乐教、安于奉献转化为自身的内在动力,才能适应教学要求。

三、解决独立实验现行问题的方法

针对目前独立实验开展过程中存在的问题,拟提出三个解决方案。第一,增加实验设备器材的数量。在尽可能的经费范围内,增加设备,特别是小型设备的数量;第二,实验过程尽量简单化。本科生实验教学主要是让学生了解实验原理,熟悉实验操作,总结实验结果为目的。比如,提取DNA的实验中,我们选取了用玻璃珠法提取DNA的实验。玻璃珠法提取DNA,实验原理简单,实验过程简化,但是却包含了与提取DNA相关的实验原理和操作内容。实验空闲时间再给学生讲解不同的DNA提取方法的差异,丰富理论知识,完全达到预期目标。第三,教学顺序灵活化。一般实验课,都是先讲与实验有关的理论和实验步骤等,由于分子生物学实验离心操作比较多,时间较长,因此可以先进行离心,离心期间再进行理论知识的讲解,将会大大提高实验效率。实践与理论相结合后,学生对知识的吸收非常快,同时也能引起对实验的兴趣,积极思考,这将带来意想不到的教学效果。

分子生物学的重要性范文2

1 分子生物技术概述

分子生物技术也称之为生物工程,是现代生物技术的主要标志,它是以基因重组技术和细胞融合技术为基础,利用生物体(或者生物组织、细胞及其组分)的特性和功能,设计构建具有预期性状的新物种或新品系,以及与工程原理相结合进行生产加工,为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系,其内容包括基因工程技术、细胞工程技术、DNA测序技术、DNA芯片技术、酶工程技术等。现代分子生物技术的诞生以70年代DNA重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的发明和应用为标志,迄今已走过了30多年的发展历程。实践证明在解决人类面临的粮食、健康、环境和能源等重大问题方面开辟了无限广阔的前景,受到了各国政府和企业界的广泛关注,是21世纪高新技术产业的先导。医学领域是分子生物技术最先登上的舞台,也是目前现代分子生物技术应用最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。据统计,国际上分子生物技术领域所取得研究成果的60%以上集中在医学领域。

2 分子生物技术在医学领域的重要应用

2.1 分子生物传感器在医学中的应用

分子生物传感器是利用一定的生物或化学固定技术,将生物识别元件(如酶、抗体、抗原、蛋白、核酸、受体、细胞、微生物、动植物组织)固定在换能器上,当待测物与生物识别元件发生特异性反应后,通过换能器将所产生的反应结果转变为可以输出、检测的电信号和光信号等,以此对待测物质进行定性和定量分析,从而达到检测分析的目的。分子生物传感器可以广泛地应用于对体液中的微量蛋白、小分子有机物、核酸等多种物质的检测。在现代医学检验中,这些项目是临床诊断和病情分析的重要依据。能够在体内实时监控的生物传感器对于手术中或重症监护的病人都很有帮助。

2.2 分子生物纳米技术在基因诊断中的应用

基因诊断是利用分子杂交及荧光技术检测DN段,已经为基因诊断在临床上的应用带来了巨大的发展前景。研究表明,利用纳米技术,如利用金纳米微粒结合杂交DN段,很容易进入机体细胞核,并与核内染色体组合,具有较高的特异性,可以克服目前基因诊断所面临的一些困难和问题,进一步提高了基因诊断在实验室中的地位。科学家通过超顺磁性氧化铁纳米粒脂质体对肝癌的研究,提高了直径3 mm以下的肿瘤检测率。结论表明,纳米微粒对肿

瘤早期发现、早期诊断具有重要意义。

2.3 分子生物技术在医学制药中的应用

分子生物技术发展的一个重要方向是医学制药的研究与开发。与传统的化学合成制药相比,它不仅具有针对性强、疗效好、副作用较小的优点,同时对蛋白质药物改造、提高疗效、降低毒性、提高稳定性具有重要作用,并且能够利用生物系统,将自然界中存在的含量极低的有效生物活性物质进行大规模生产以及建立起高效、快速、准确、简便的分子诊断技术和开发出新药,更重要的是可以预防和治疗一些应用传统治疗方法无法克服的疾病。目前这一领域的应用主要包括以下几个方面:生产基因工程药物;生产发酵工程药物;生产核酸类药物;利用生物系统加工天然药物;从海洋生物中纯化提取药物。

2.4 分子纳米技术在基因疗法中的应用

基因治疗是临床治疗学上的重大发展,其基本原理是:质粒DNA进入目的细胞后,可以修复遗传错误,或可产生治疗因子,如多肽、蛋白质、抗原等,纳米技术能使DNA通过主动靶向作用定位于细胞。将质粒DNA缩小到50~200nm,带上负电荷进入到细胞核,插入到细胞核DNA的确切部位,起到对症治疗效果。同时分子纳米技术能够快速有效地确定基因序列、基因和药物的体内走向、传送和定位传递,使临床诊断和治疗过程效率得以提高。同时无机纳米颗粒体积小,可在血管中随血液循环,透过血管壁进入各个脏器的细胞中,作为新型非病毒型基因载体能有效介导DNA的转导,并使其在细胞内高水平的表达,从而为基因表达、功能研究及基因治疗提供了新的技术和手段。

2.5 分子生物芯片技术在医学检验中的应用

分子生物学的重要性范文3

关键词:分子生物学;教学改革;实验教改

中图分类号: G642.0 文献标识码: A 文章编号: 1674-0432(2013)-08-92-2

引言

分子生物学是在分子水平研究生命现象本质及其规律的一门新兴学科,它是研究核酸等生物大分子功能、形态结构特征及其重要性和规律性的学科,是人类从生物分子水平上真正揭开生物世界奥秘,由被动适应自然界转向主动地改造和重组自然界的学科[1]。近些年来分子生物学已日益渗透到生物学的各个领域之中,并产生了巨大的影响。而分子生物学实验技术也已成为生物学、医学、农学等学科站在新的高度和角度揭示生命奥秘的重要手段。分子生物学的理论掌握和实验操作是掌握分子生物学精髓的重要途径。因此,从培养学生能力出发科学地创建分子生物学理论和实验体系、选择适当的实验教学方法及客观地评定学生实验课成绩,会对分子生物学理论课理解和实验教学的效果产生重要的影响。高等学校传统的分子生物学实验教学[2]往往只是结合各自的实验室条件开展有局限的分子生物学实验教学,缺乏科学的实验体系,忽略合适实验方法的选择,缺少对实验教学效果全面、客观、系统的评估,这些都不利于学生学习兴趣和创新能力的培养。而高校是孕育和培养创新型人才的摇篮。实验教学作为高校教学体系的一个重要组成部分,是培养学生科学思维、创新意识的重要途径[3]。本文就分子生物学课程教学的改革阐述一些观点和体会,以期为提高分子生物学教学质量及培养创新型和素质型人才提供一定的参考。

1 分子生物学教学改革具体的措施

1.1 教学体系的优化

分子生物学是在生物化学和遗传学的基础上发展而来[4]。随着分子生物学研究的快速发展,分子生物学已经成为一门独立的学科。很多分子生物学教材的内容与生物化学、细胞生物学、分子遗传学、遗传学等课程重复较多,例如DNA 和染色体的结构,RNA转录和蛋白质翻译等课程内容在分子生物学、生物化学和分子遗传学方面都有一定篇幅的介绍,重复的课程内容占用了大量的教学课时。因此,为了避免课程教学的重复,通过与生物化学、遗传学,细胞生物学,分子遗传学等课程的教师交流与研讨,对相关课程内容进行了具体而系统的优化,明确课程之间的有机衔接,突出了分子生物学的教学重点。在“RNA转录和蛋白质翻译”这部分的教学内容中进行了相应的优化,生物化学注重讲述转录和翻译的基本过程、而分子生物学则注重介绍具体的分子机制,又如原核和真核转录起始复合物的形成过程及分子机制的教学内容生物化学和分子生物学也进行了相应的侧重。

1.2教材的优化选择

通过多年的教学实践过程,选取适合本科生学习的分子生物学教材,对于学生系统的掌握本课程的理论知识及最新研究动态至关重要。课程设置之初选取阎隆飞主编的《分子生物学》第二版,之后开始侧重理论课与实验课的有机结合,选用朱玉贤等主编的《现代分子生物学》,它的知识体系较为完整,内容较前沿,尤其是第三版将分子生物学研究法分为了两章,分别讲述了DNA、RNA及蛋白质操作技术和基因功能研究技术,突出强调了分子生物学实验技术和原理,同时对基因组与比较基因组学也做了较大幅度的修改和充实[5]。这些内容均体现分子生物学的最新技术和研究成果,同时也满足学生了解分子生物学最新进展和考研的需要。为避免教材单一的局限性,还为学生推荐阎隆飞编著的《分子生物学》(第二版),LewinB主编的《Gene Ⅷ》,吴乃虎主编的《基因工程原理》(第二版)等书籍作为参考教材,并在教师的指导下有针对性地学习,这样不仅满足了大多数学生考研的需求,同时也加深了学生对分子生物学学习的兴趣及教学难点和重点的理解,取得了较好的教学效果。

1.3教学方法与教学手段的改善

在教学方法上,除了采用传统的教师讲授方法之外,为发挥学生作为教学主体的能动性,根据具体的教学内容安排启发式,讨论式等多种教学方法,让学生参与到教学过程中。如在讲授分子生物学研究法时,在班级内以各个学习小组为单位进行研究讨论会,以学生为主体讨论他们感兴趣的分子生物学实验技术,鼓励学生主动思考,自由发表他们的观点,通过讨论的方式测试相应的知识,以学生乐于接受的方式完成对知识的学习。本课程通过多种教学方法的有机结合,充分调动了学生的学习兴趣,分子生物学课程也因此受到学生的好评。近几年来学生考研选择生物化学及分子生物学作为专业课的人数日益增加并且考研专业课成绩逐年上升。

在教学手段上,采用传统教学与计算机辅助教学 CAI相结合的方法。计算机辅助教学 CAI 应用于高等学校教育已成为主流趋势,它的优势在于可以通过文本、图形、动画、音频、视频、仿真软件等多种媒体最大限度地整合教学资源,形象直观地进行教学内容的呈现[6],使学生通过多种展示方法理解并掌握课程的难点。如在“DNA高级结构” 这部分教学内容中,学生对DNA的分子结构感觉很抽象,在教学过程中通过图片和视频等手段使学生对此结构有了具体的感知。又如在“DNA复制,RNA转录,翻译和真核和原核生物的基因表达调控”的教学内容中,仅通过传统课堂讲解,学生无法理解,通过多媒体的方法,利用动画、视频和图片对其涉及的微观机制进行相应的演示,使学生理解其具体过程和分子机制,提高了学生学习的积极性。

2 分子生物学实验教学的改革措施

2.1加强实验教学条件建设,构建良好的实验教学平台

分子生物学是20世纪中期随着核酸的发现及结构和功能的研究发展起来的新兴学科,研究基础较为薄弱。我校前身是师范类院校,对物理、化学、数学、计算机等传统学科侧重较多。自2004年我校升级为本科院校,由师范类院校转变为综合类院校,学校增加了对各学科的实验教学投入。分子生物学实验室先后配备了Eppendorf PCR扩增仪、Eppendorf梯度PCR扩增仪、高效制冰机、UVP凝胶成像系统、Millipore超纯水系统、Eppendorf台式高速离心机、sigma大型高速冷冻离心机、日本三洋超低温冰箱、分子杂交仪等先进仪器,满足了分子生物学基础实验和综合性实验课程的开设要求,为学生的实验教学与科研构建了一个良好的平台,为我院分子生物学实验课教学改革提供了有力的支持。通过上述平台由我院学生参与的分子生物学方向科研实验在部级挑战杯竞赛中取得了良好的成绩。

2.2 实验教学体系的优化

之前由于实验条件的限制,我院分子生物学实验教学主要以基础性和验证性实验为主。随着实验条件的改善,逐步在实验设计上加大综合性、设计性实验、所占的比例。实验内容的选取也根据生物科学、生物技术专业的不同专业特点设置相应的实验教学内容。根据生物科学师范类专业的特点,在注重分子生物学基础验证实验的同时开设与分子生物学快速发展相结合的综合性实验。在生物技术专业的实验教学上则注重选取以实践操作为主的操作性和设计性实验。

在实验教学体系的优化中应注意各个实验内容之间的衔接与关联[7]。实验教学内容中建立好各实验之间的衔接对学生系统思维的培养具有重要意义,有利于学生对所学实验操作内容的理解和熟练掌握以及实验技术逻辑体系的建立。我院在实验课内容开设的顺序为基因组DNA的提取,聚合酶链式反应获得目的片段,电泳检测,大肠杆菌活化、感受态细胞的制备,质粒 DNA 提取,DNA 片断酶切,目的片段与载体的连接,转化等,当学生预习实验时,会注意到各实验内容之间彼此承接与关联。前面实验效果的好坏直接影响到下一个实验的正常进行,以此来培养学生在分子生物学实验操作过程中的系统性与逻辑性。

2.3分子生物学实验教学方法的探索

合理的实验教学方法可以使实验内容取得预期的实验效果,在实验教学方法上注重深入浅出的阐述原理,重点在实验环节的解析。针对学生的兴趣特点在教学方法上做了以下几点改进。一、把学生分成多个实验小组,每组选出一人辅助实验教师完成实验的准备工作。在学生准备实验的过程中发现问题。二、发现问题后,在实验课讲授的过程中,教师对问题有针对的讲解与演示,强调标准的操作方法及实验中各环节的注意事项。并将实验过程做成电子课件指导学生正确操作。三、在实验过程中注意实验操作主体的差异性指导。教师在实验课讲授和演示结束后,注意观察学生的操作过程,针对学生存在的普遍问题,给予及时纠正和指导;对于少数同学存在的个别问题个别指导。这样既保证学生实验操作的准确性,又达到在有限的时间内完成实验教学任务的要求。

2.4分子生物学实验课成绩评定方式的改进

科学、有效评价学生实验理论及操作技能是提高实验教学质量强有力的措施[8]。在分子生物学实验成绩评定中采用多样化考核手段,主要从两个方面评定:一、实验理论的评定,主要通过实验报告考察学生对实验原理和步骤的掌握和理解。通过结果分析考查学生对整个实验的理解与掌握。二、实验操作技能的评定。在实验过程中,各实验小组不同学生实验态度以及对实验教学内容的理解思考差异很大。鼓励那些大胆对实验步骤提出疑问的同学,同时激励其他的同学,在成绩评定中不同学生的评定会有所区别。

3 结语

如何教好分子生物学课程,提高学生的学习兴趣,改变学生为了考试而学习的观念,提高教学效果,是摆在所有分子生物学理论及实验教学工作者面前的一个共同问题[9-10]。通过以上的改革和探索。无论及教学,考研,科研还是就业都取得了一定的成效。为了更好地提高分子生物学的教学效果,希望能够与各高校的分子生物教师进行交流和合作,进一步优化分子生物学理论和实验教学的课程体系及教学方法和手段。从学生作为教学主体出发,发挥学生的主动性和能动性,以期培养出更高质量的高校毕业生。

参考文献

[1] 朱玉贤, 李毅. 现代分子生物学[M]. 第2 版. 北京: 高等教育出版社,2002:1-3.

[2] 高利臣, 肖璐, 冯涛. 分子生物学实验教学改革的几点思考 [J]. 实验室研究与探索,2010, 29(4):99-102.

[3] 毛范海, 朱林剑, 孙守林等. 改革实验教学内容和教学方式培养学生创新能力[J]. 实验技术与管理,2005,24(4):88-90.

[4] 王荣, 刘勇, 姜双林. 高等师范院校分子生物学课程教学改革与实践[J]. 生物学杂志. 2012, 29(1):100-102.

[5] 朱玉贤, 李毅, 郑晓峰. 现代分子生物学[M]. 第3版. 北京: 高等教育出版社, 2007:1-3.

[6] 吴元锋, 刘士旺, 毛建卫. 分子生物学教学的探索与实践[J]. 浙江科技学院学报, 2007, 19(4) : 326-328.

[7] 张宝珠, 陈德福. 培养学生实验能力“分子生物学实验”课程体系的建立[J]. 高等理科教育, 2005, 4(62):90-92.

[8] 杨晓杰, 刘质纯. 利用多媒体技术促进生物学教学改革[J]. 黑龙江高教研究, 2001, 103(5) : 112-113.

[9] 张宝珠, 陈德福. 培养学生实验能力“分子生物学实验”课程体系的建立[J]. 高等理科教育, 2005, 4(62):90-92.

分子生物学的重要性范文4

关键词:分子生物学;教授;应用性

【中图分类号】G633.91

引言:

我国的生命学科建立相比于其他学科来说比较晚,经过半个多世纪的教学内容和教学方式的探索,在分子生物学教学中取得了很大的进步和成就。同时,分子生物学科也成为我国比较重要的前沿学科之一,为我国的生命学科作出了巨大的贡献。对于生物学科的学生来说,掌握这么学科是十分重要的,对于后续的其他学科学习也有着很大帮助。作为很多专业的必修科目,学生在学习分子生物学时一定程度上会感觉到这门学科的困难性。所以在教学技巧上我们要讨论如何提高学生对这门学科的理解,同时怎样才能提高学生对这么学科的兴趣,这样才能让我们的教学质量得以提高。

1. 教学中存在的主要问题

由于属于生物学科中比较重要的位置,同时也是比较难理解的一门课程,所以学生在学习中以及教师在教授这门课程中都存在着很多问题,主要表现在以下几个方面:

1) 思想认识:很多学生对于分子生物学科的认识度不高,认为这门课程比较难懂,而不去学习,没有认识到这是一门作为后续学科的基础学科,没有给予足够的重视。

2) 教学内容:现在很多国内开设分子生物学的院校在教学内容的选取以及主线的确定上都没有达成一致,存在很多种类型的主线编排模式,层次不齐。

3) 教学方法:教学方法上,主要都是采取填鸭式教育方式,没有给学生更生动、形象地描述出这门课程的精彩所在,让学生没有足够的兴趣去学习,教学方法也显得很单调,导致教学质量严重下降。

4) 其他问题:还有诸如实验设备不能满足教学需求、师资水平有限以及给予学生的实训机会较少等诸多问题,这些都直接影响着教学的质量以及教学的效果。

2. 采取的教学改进措施

针对这些问题,我们在经过长时间的调研基础之上,分别提出了应对以及改进的措施,这些措施对于我们分子生物学教学有着很大的帮助。

2.1合理选取教学内容以及制定教学方式

分子生物学是一门专业性很强的学科,所以在教材的选取中一定要有明确的目的性。很多学生在接触分子生物学之前并没有太多的预备知识,所以考虑到这一点,在教材的选取中,一定要做到难易适中,教材的难易程度直接影响着学生对该课程的兴趣以及学习的信心。

在教学内容的安排上要做到科学化。本门课程最开始面临的比较晦涩的问题就是教学学时和实验学时的安排以及教学内容的安排。随着科技的不断进步,分子生物学与越来越多的学科产生相互融合、相互渗透的现象,这也导致很多学科与分子生物学科在内容上有一定的重复性。针对这个问题,我们只要把握两个要点就能够将教学内容合理进行安排:

其一是重点内容要突出。尽管很多学科与分子生物学科在内容上有所重合,但是在重点内容上还没有其他学科渗透进来,所以突出重点是主要应对策略,而分子生物学中很多基础问题,譬如"核酸结构"、"生物大分子相互作用"等问题上在很多生物相关学科中都有涉及,在本门课程中只需要简单复习即可。

其二就是要求教师提炼出与其他学科紧密联系的知识点,将学科知识的重复点淡化,而在有限的学时内,要多介绍本学科的发展动态和一部分新概念,提高课程的授课质量。

2.2培养学生的学习兴趣

兴趣是学习的最好老师,尤其是对这些专业性很强的学科来说,兴趣甚至堪比一把打开学科的万能钥匙。从表面形式上来看,我们只是给学生传授一门新的学科,但是从深层次来看,我们培养的其实是学生的科研兴趣,激发他们的学习欲望。只有兴趣使然才能够让学生更好地投入到科研中,取得一定的成果。

2.3提高教学效率

为了提高授课的质量,我们就要采取一定的手段在有限的学时中提高教师的授课效率以及学生的学习效率。多媒体教学是现在提高教学效率比较普遍使用的一种方法。

分子生物学是一门内容丰富、应用性强的学科,在亚显微分子水平上有着很大的运用。而在教学中不能让学生很直观地看到,可以教学起来比较抽象,单凭教师一张嘴是无法让学生深入理解。而多媒体教学的应用很大程度上解决了这一难点,能够让抽象复杂的内容在多媒体课件中更加具体化和简单化,让学生更容易理解。我们举一个简单的例子。

同时,建立相关的网络资源库,让学生在课后可以拓展自己对本课程知识范围的拓展,也能帮助学生对一些知识点的理解。

2.4科研带动教学

实战是对我们所学技能最好的考验,而科研就是分子生物学科中的实战。对于学生来讲,课本的知识理解地再深刻,与实际操作都有着一定差异,而分子生物学科作为一门应用性很强的学科,一定要通过让学生参与科研任务让学生把所学的知识,通过自己发散思维的加工应用到实践中去,才能体现学生对本门课程的掌握程度。

我们教授分子生物学给学生最终的木笔是要培养出有着娴熟操作能力以及具有创新思维的科研工作者,所以分子生物学科的科研任务,教师要选择一些简单但是能够将学生所学知识运用的来让学生参与进来。同时,也可以通过拨出一定科研经费,由教师带领学生,让学生体验整个科研的过程,包括立项、试验阶段以及到最后的答辩。教师在这个过程中起到一个引导帮助的作用。同时,科研带动教学的方法也能够提高学生对本门课程的学习兴趣。

2.5改革实验教学

实验教学是分子生物学一个重要组成部分,是对课堂理论教学成果的延伸,而作为一门应用型学科,实验教学部分尤为重要。

在实验前的课堂教学中,教师尽量只是教给学生基本的实验过程,而实际的操作过程由学生自己去动手实现。学生在这个实验过程中能够体验到获得成果的乐趣以及通过实验掌握一项操作技能,提高学生解决实际问题的能力。对实验中的突发问题,教师也可以交由学生自行解决,这样才能够让学生更加记忆犹新。

3. 结语

对于国内各大院校在分子生物学中表现出来的若干问题,上述办法通过在部分试点院校的改革实践,取得了不错的效果。尽管如此,我们依然要明白分子生物学作为一门专业性很强以及基础性很强的学科,其理论性和实践性的联系上需要更加紧密。所以在今后的教学过程中,我们的教师还需要通过自身的经验不断去改进本门课程的教学策略和方法,把我国分子生物学的教学水平提到一个新的高度。

参考文献:

[1]秦新民,多种教学方法相结合的分子生物学教学改革初探[J],科技信息,2010(13):531-532

分子生物学的重要性范文5

关键词:分子生物学;技术;昆虫生态学

分子生态学是应用分子进化和群体遗传学的理论、分子生物学的技术手段、系统发生学和数学的分析方法及其他学科的知识(如地理学、古气候学等)去研究种群、进化、生态、行为、分类、生物地理演化、生物保护等学科领域的各种问题。它主要通过大量使用分子生物学先进的技术和方法,在分子水平上研究生态现象,阐明生态现象的分子机制。昆虫分子生态学就是以昆虫作为研究对象,应用分子生态学的原理与方法研究昆虫进化和适应机制的一门科学。它主要通过分子生物学的方法检查昆虫种群或个体的遗传变异,分析和解释遗传变异的特点与规律,揭示遗传变异所反应的规律性的东西,从而进一步阐明昆虫之间一级昆虫与环境之间的相互作用关系。其研究的最典型特色是运用分子遗传标记来检测研究对象的遗传变异特征,揭示昆虫的演化规律。在昆虫分子生态学研究中应用较多的分子生物学标记技术有:同工酶(蛋白质电泳)方法、限制性片段长度多态性(RFLP)方法、随机扩增DNA多态性(RAPD)方法、扩增片段长度多态性(AFLP)及微卫星标记方法(SSR)及单核苷酸多态性(SNP)。其中,目前应用最多,最简便的是SSR和SNP技术。下面我们主要介绍在昆虫生态学研究中几种常用分子标记方法。

1.同工酶方法的应用

同工酶是指具有相同或相似催化功能而分子结构不同的一类酶。自从Hunter和Markert创立同工酶酶谱技术后,同工酶谱的变化即可作为鉴定物种、研究分类与进化、遗传与变异的重要指标。在昆虫分子生态学发展之初,同工酶被广泛应用与昆虫的分类、种群间抗性的遗传变异等方面,随着分子生物学技术的广泛应用,同工酶技术已慢慢被淘汰。

2.RFLP技术的应用

RFLP又叫作RestrictionFragmentLengthPolymorphism.即我们所说的限制性内切酶片段长度多态性,而且他作为第一代的生物分子类标记技术,这种技术是指通过已经发现的限制性内切酶来处理不同生物个体的DNA,通过利用限制性内切酶的多种特异性来达到获得不同的DN段的目的,这种技术一般是被应用于分子杂交,放射性同位素的显微技术中,而且也只是主要用于研究生物遗传的研究中,自问世以来已广泛运用于多门生物学科研究中。在昆虫生态学研究中可以用于昆虫遗传谱图的分析、遗传连锁图的构建及数量遗传性状等方面的研究。

3.RAPD技术的应用

RAPD,俗名是随机扩增多态性DNA技术,它是由两位美国科学家Wiliams和Welsh在1990年提出的,而且他们并不是研究的合作者,而是分开研究的,这种技术又被称作任意引物PCR。对于RAPD来说,它所使用的物质是十分不相同的,但是对于现存的所有引发物来说,他对于在DNA序列碱基序列上的特定结合位点来说,一旦这些特异性DNA位点达到了基因组分布的扩增条件,他就会根据DNA碱基对的配位原则,完成DNA另一条链的合成。

4.AFLP技术的应用

植物基因组的AFLP中的酶切,连接和pcr问题,只要酶切出来能看到些许弥散,pcr就应该能看出结果才对,AFLP技术的关键就是把握体系的问题,每一个实验室应该有自己的一套体系,照着做一般没有问题,分子标记,就是纯体力劳动,做得很多一般就会有结果的,这是量变到质变的过程。做AFLP需要用到试剂盒,但试剂盒不如自己做省事,也没必要。除非你做的量少。但是分子标记要的就是大量重复性的劳动。因此,试剂盒不如自己做省事,也没必要,并且试剂盒中很重要的酶往往量不够用,比如T4连接酶和内切酶EcoRI,除非你做的量很少,且不需要摸索体系。酶切出来能看到些许弥散,pcr就应该能看出结果,也不一定。接头制作和连接体系也很重要,连接时间一般影响不是很大。

5.微卫星标记技术在昆虫生态学研究中的应用

微卫星标记ms是一类由几个(多为1-5个)碱基组成的基序串联重复而成的DNA序列,其长度一般较短,广泛分布于基因组的不同位置,如(CA)n、(AT)n、(GGC)n等重复。自1981年Spritz首先在珠蛋白中发现微卫星序列到今天微卫星序列在生物学中的广泛应用,微卫星标记技术走过了近30多年的发展变化。其中,20世纪80、90年代是微卫星技术从开始到逐渐成熟的关键阶段。1982年Hamada等在研究真核生物基因组中Z-DNA形成时发现了一种新的重复因素——选择性的嘌呤-嘧啶聚合物。Jeffreys等通过对小卫星(minisatellite)的DNA指纹图谱鉴定证明了串联重复的DNA具有很高的长度差异性。与此同时,Tautz等的研究表明,这种“神秘而简单冶的DNA序列是遗传变异的重要来源。1989年Tautz首次应用了基于PCR的微卫星分型技术。随着微卫星分子标记的广泛使用,科研工作者对其进化、功能及在基因组中的分布等研究的了解迅速增加。近年来,微卫星分子标记也被广泛应用于昆虫学研究的各个领域。截至2012年6月,共有16396个昆虫上微卫星位点在NCBI中记录,其中双翅目、鳞翅目和膜翅目昆虫的微卫星登录数量最多,占75%。这些微卫星被广泛应用于昆虫遗传作图、种群遗传学研究、个体亲缘关系鉴定等方面。

6.SNP在昆虫分子生态学中的应用

SNP(SingleNucleotidePolymorphism)即单核苷酸多态性标记,又称单核苷酸多态性,指DNA序列中单个碱基的差别,碱基对由于排列方式不同,结合不同脱氧核苷酸对,这些核苷酸对构成密码子,密码子则以不同的排列顺序编码蛋白质,从而形成自然界多种多样的生命。SNP在基因组可以划分为两种形式:一是基因编码区的功能性突变,主要分布在基因编码区,故又称为cSNP,这类SNP较少,其变异率仅占周围序列的1/5,但因其在遗传疾病研究中具有重要意义而备受关注;二是遍布于基因组的大量碱基变异。就现在来说,SNP技术已经开始广泛用于昆虫分子生态学,包括昆虫种间鉴定,遗传图谱的分析、入侵害虫种群间亲缘关系的区分等研究。生态学的发展,SNP技术的萌芽是古人生态意识的总和,在古时,古人并不了解整个自然界,但是他们通过长期的打鱼,农牧以及狩猎积累了大量的朴素的生态学知识,比如说农作物的生长与季候的关系、常见的动物有哪些习性等等,在公园前四世纪时,希腊学者亚里士多德就曾经粗略的描述了动物有种不同的栖息地,还根据动物生活栖息地的特点将其分为了水栖和路栖,根据它的食性分成肉食和草食,还有杂食动物等等。随着人类社会的发展,人们对于生态的认识不再仅仅局限于以往的知识积累,人们通过自己的主动探究从而能够获得有关于自然界的种种知识,最后能够形成一个全面的生态学理念极其生态学系统的认知应用。本文通过描述几种技术在昆虫生态系统的运用从而得到现在科技在生态系统中的应用等等相关关系,这种应用不仅使各种技术得到提高,还对我们生态系统的探索起着极大的作用。

参考文献

[1]郭晓霞,郑哲民,于广志.同工酶在昆虫分类和进化研究中的意义[J].昆虫知识,2000,37(6):371-374.

分子生物学的重要性范文6

关键词: 高分子物理 概念 教学方法

随着高分子科学与技术不断发展,高分子科学已经渗透到各个领域与学科,是一个重要的交叉学科。高分子物理作为高分子专业的必修课程,占据着非常重要的地位。其主要是研究高分子的结构、性能及其相互关系的学科,与高分子材料的合成、加工、应用等都有着密切的联系。本课程的学习对于学生掌握专业基础知识及技能有着重要的影响。然而高分子物理因概念多、抽象、结构纷繁且性能多变而被视为高分子专业最难讲授和最难学的专业课程。不少同学认为高分子物理理论性强、推导多,在课堂教学中缺乏学习兴趣。针对这一问题,我对该课程教学方法进行研究,以增强教学效果,调动学生的学习积极性。在此过程中,我总结出以下心得体会。

1.高分子物理的概念浅析。

高分子物理中的概念在给其定义时,需同时兼顾两方面的内容,即每一个概念有它的物理意义,同时还要兼顾它属于高分子的范畴这一原则。所以,教师在教学时需根据这一特征,给每一概念一个准确的定义。同时在讲解每个概念时可应根据每一概念的特征,通过说明、举例等方法,阐明概念的外延,从而加深学生对概念的理解。

2.根据课程的特点进行的教学探索。

高分子物理教学在高分子及材料专业的本科阶段占有十分重要的地位,高分子物理的知识同时还是高分子材料流变学、高分子材料成型加工等课程基础。对于硕士阶段的学习而言,高分子物理基础知识,同样具有十分重要的地位。高分子物理,相对而言,是一门很年轻的学科,新知识大量涌现,在教学工程中很有必要向学生传授本学科的最新进展,引入一些新概念是解决这一问题的基本途径。譬如软物质、亚稳态及单链凝聚态等。

3.比较相近概念的异同,从而加深对概念的理解。

高分子物理中的许多概念之间存在着相互依存的关系,有的概念必须建议在前一概念的基础之上,有的几个概念成为一组,相互之间的区别微妙,需要认真理解,仔细区分。

高分子的链结构一节,存在大量的概念组,如一级结构和二级结构、全同立构与间同立构、自由旋转链与自由结合链等。对于这些概念组中的概念,必须准确地给出每个概念的内涵和外延,这样才能使学生有正确的理解。在教学一级结构与二级结构时,学生感觉记住这些难度较大,为此,我们可以采用表格的方式,分别列出哪些是一级结构,哪些是二级结构,并且,对作比较的每一条目,都给出一个例子。如此,学生就能准确理解哪些结构应归于一级结构,哪些归于二级结构。

4.启发、问题式教学法。

通过生活、科研中的案例,教师提出问题,启发学生思考,使学生的注意力集中到对基本概念的学习上,并产生要探求的欲望,明确学习目的。

在柔性链及刚性链的教学时,我们注意到,柔性与刚性只是相对而言,比如常温下的橡胶在低温时变成坚硬的物质,从而失去高弹性,即从柔性变成刚性。从而培养学生辩证地看待问题的能力。此时,要求学生举出生活中接触到的聚合物的相似的例子,从而引起他们的兴趣,加深他们的印象。

5.逆引式教学法。

在高分子物理课程的讲授中,传统的做法是先讲解概念,再联系生活或生产实例,介绍其应用。为消除课堂中理论学习的沉闷感,我们采用逆向引导的方式,先引出实例,罗列现象,让学生从现象中提炼、发掘和验证高分子物理的理论、概念。

时温等效原理是高分子物理中的一个重要原理,如果按照传统的教学方法讲解,就算对教材上的每一句话逐句讲解,效果也不好。为此,我们在这个概念的教学中,先让学生思考高分子的松弛行为,以橡胶为例,要得到低至某一很低的温度时天然橡胶的应力松弛行为,由于温度太低,松弛进行得很慢,要得到完整的数据可能需要几个世纪,那么如何解决这个问题呢?这时时温等效原理便派上了用场。如此一来,激发了学生的求职欲望,对这个概念的教学效果也会起到促进作用。

6.弄清每个概念的适用范围。

高分子物理是一门相对说来较为年轻的学科,许多基本问题还没有搞得很清楚,一些基本概念还有待进一步澄清,这是讲授专业课普遍遇到的问题。例如,在聚合物结晶模型中,每个模型的提出都有其研究背景,都能解释一些特定的现象,然而,几乎每个模型都有它不能说明的问题。对于每一个概念都要讲清它提出的背景,讲清它的适用范围。举例是一种很好的方法。

7.有效利用多媒体资源。

现代高校教学已经摆脱了黑板加粉笔的传统方式,多媒体教学手段的采用,不仅大大节省了板书时间,还使课堂教学生动起来。高分子物理中大量概念的教学,如果配合使用多媒体动画,就会收到事半功倍的效果。例如,银纹与裂纹、冷拉等概念,配合多媒体会加深学生对概念的理解。

8.采用互动式教学法,激发学生学习兴趣。

如果一味采用灌输的方式,就会极大地挫伤学生学习的积极性。为此,在高分子物理教学中,可以采用启发、互动的方式引起学生的兴趣。即使学生的回答不够准确,也要发现其中正确的部分,并给予肯定,使学生获得成功的感觉。例如,学生在观察某一聚合物的熔点时,给出的答案是100℃,应该指出,聚合物的熔点是一个温度范围,一般是指一个熔限,这样理解才是正确的。此时继续启发学生,既然是一个范围,那么究竟是指开始熔化的温度、熔化完全的温度还是这二者的平均值呢?这样学生会给出以上三种答案,不必急于指出何者为正确。然后通个比较几个具体的例子说明,一般而言,聚合物的熔点是指聚合物完全熔化的温度。

9.对于难度较大的概念,采用类比的方法教学。

高分子物理中的概念,有许多高度抽象,理解难度较大,不妨采用类比的方法,使学生已有的知识得到顺利迁移,从而轻松地学到新知识。例如,聚合物的应力松弛及蠕变。这两个基本概念可以认为是从两个方面来描述同一个问题。学生已经学过的物质知识中,光的波粒二象性正好与此类似,都是从两个方面来看待同一种想象。于是,学生对于聚合物的盈利松弛与蠕变理解起来也就没那么困难。

高分子物理中繁多而复杂的概念,其教学方法的合理选取,对于教学效果具有重要的作用。对于不同的概念,在教学过程中须根据概念的特点、难易程度及学生已有的基础来选择教学方法。

参考文献:

[1]朱平平,何平笙,杨海洋.高分子物理重点难点释疑.合肥:中国科学技术大学出版社,2011.

[2]徐世爱,张德震,余若冰.高分子物理习题集.上海:华东理工大学出版社,2007.

[3]何曼君,张红东,陈维孝,董西侠.高分物理.上海:复旦大学出版社,2011.

分子生物学的重要性范文7

论文关键词:大学生;量子物理;物理学史

量子力学是反映微观粒子(分子、原子、原子核、基本粒子等)运动规律的理论。它是20世纪初在大量实验事实和旧量子论基础上建立起来的,是人们认识和理解微观世界的基础。量子物理和相对论的成就使得物理学从经典物理学发展到现代物理学,奠定了现代自然科学的主要基础。量子力学的发现引发了一系列划时代的科学发现与技术发明,对人类社会的进步作出了重要贡献。通过量子物理的教学,有利于培养大学生的科学素质、科学思维方法和科研能力,培养学生的探索精神、创新精神、科学思维能力以及辩证唯物主义的科学观。另外,量子物理是处于发展中的理论,怎样将量子论和广义相对论(引力作用)统一起来仍是困扰人们的问题。“弦理论”的提出使人们看到了希望,通过这部分的教学可以培养学生的横、纵向思维和不断追求科学真理的精神。因此,在大学物理的教学中应适当增加量子物理的教学内容。由于量子物理里好多概念、思想和宏观世界里的完全不同,叫人无法理解,以致量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)都要说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”那么怎样让学生在轻松愉快的状态下学好量子物理呢?在教学过程中适当引入物理学史有利于学生掌握其核心,既培养了学生的学习兴趣,又有利于实现启发式教学,而非纯粹的概念和公式的教学。下面主要从几个方面阐述物理学史在大学生学习中的重要作用。

一、非物理专业大学生学习量子物理的需要

即使是物理专业的学生,多数人在学习量子物理时一直如在云里雾里,虽然知道微观粒子的波粒二象性,也知道不确定原理,了解原子的轨道理论,但是却不知道为什么这样。这一方面是由于量子物理里好多概念、思想和宏观世界里的完全不同。另一方面,学生没有掌握量子物理的核心,没有从整体上把握量子物理的基石。一些教材对这部分的介绍也较少。如果在教学中能够引入量子物理的发展史,不仅能吸引学生的注意力,调动学生的学习兴趣,还有利于学生理解量子物理的概念和思想,使学生能够身临其境地感受到那场史诗般壮丽的革命,深刻体会量子论的伟大,有利于学生辩证唯物主义观的形成。而非物理专业的学生与物理专业的学生相比,在学习量子物理时难度更大。这是由于物理专业的学生开设了许多物理专业课,如原子分子物理、物理学史等课程,为量子物理的学习奠定了基础。而非物理专业的学生没有前期的知识铺垫,对知识的掌握难度增大。如果能适当加入量子发展史的介绍,不仅降低了学生学习难度,还激发了学生学习兴趣,这就更突显出物理学史在大学物理教学中的重要作用。

从整体上介绍量子物理的发展史可以使学生掌握量子物理的核心,从整体上把握量子物理的基石,即波恩的概率解释、海森堡的不确定性原理和玻尔的互补原理。[2]这三大核心原理中,前两者摧毁了经典世界的因果性理论,互补原理和不确定原理又合力捣毁了世界的客观性和客观实在性理论。一些实验和理论斗争的介绍不仅可以吸引学生的学习兴趣,还可以培养学生的科学思维方法。19世纪末20世纪初,好多物理学家认为物理学大厦已经基本建成,后辈的工作只是做些细枝末节的修补和完善。但当时物理学天空漂浮着两朵小乌云,一朵是“以太的绝对参考系”,另一朵是“黑体辐射的紫外线灾难”。前者导致了相对论的建立,后者导致了量子物理的建立。

对量子物理三大基石的掌握,即波恩的概率解释、海森堡的不确定性和玻尔的“互补原理”是量子物理的三大支柱。大学所学的量子物理学是基于这三个支柱的。这就像数学中的公理一样,对于大学生而言不能去讨论为什么,只能是是什么。

二、大学生素质教育的需要

大学物理的量子部分教学不同于物理专业学生的量子物理教学。大学物理教学的目的主要是增强学生分析问题和解决问题的能力,培养学生科学的思维方法、辩证唯物主义观等素质教育,重在方法而非纯理论教学。因此,大学物理的教学目的与任务是使学生对物理学的基本概念、基本理论和基本方法有比较系统的认识和正确的理解,为进一步学习打下坚实的基础。更为重要的是,在大学物理课程的各个教学环节中,都应在传授知识的同时注重培养学生分析问题和解决问题能力,注重培养学生科研探索精神和辩证唯物主义世界观的形成。量子物理发展史的介绍和讲解有助于培养学生这方面的能力。

1.辩证唯物主义世界观的培养

在大学物理的教学过程中融入物理学史的内容有利于培养学生的辩证唯物主义世界观。如关于光的本性的争论持续了300年,光的波动理论和微粒理论艰苦卓绝地斗争了300年。量子论就是在这种斗争中逐渐建立起来的。托马斯·杨的双缝干涉实验、菲涅尔的圆盘衍射等实验形象的描述可使学生体会到光的波动性;而光电效应实验、康普顿的X射线散射实验等实验的介绍可使学生深刻体会光的粒子性;德布罗意电子波及实物粒子波理论的介绍及戴维逊和革末关于电子的实验,电子通过镍块时展现了X射线衍射图案,证明了电子具有波动性,由此人们认识到了光及实物粒子的波粒二象性。这部分的教学可使学生领悟到看似毫不相干的量实际上存在着深刻的联系,波动性和粒子性原来是不可分割的一个整体。就像漫画中教皇善与恶的两面,虽然在每个确定的时刻只有一面能够体现出来,但它们确实集中在一个人的身上。从中学生们可以深刻体会到任何事物都存在两面性,人们要辩证地看待问题。这部分历史的简单介绍还可以使学生深刻体会到人们对真理的认识是随着科技的发展而不断完善的过程,也是一个艰苦长期的斗争过程。对光的波粒二象性的认识有利于培养学生辩证唯物主义世界观。

2.分析问题和解决问题能力的培养

在大学物理的教学过程中适当引入一些实验的描述或利用多媒体等手段演示实验过程有利于培养学生的分析能力和解决能力。对康普顿实验的讲解分析可以培养学生的分析问题和解决问题的能力,尤其是康普顿的分析过程,而非纯理论上的推导分析。康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候发现一个奇怪的现象:散射出来的X射线分成两个部分,一部分和原来的入射射线波长相同,而另一部分却比原来的射线波长要长,具体的大小和散射角存在着函数关系。如果运用通常的波动理论,散射应该不会改变入射光的波长才对。但是怎么解释多出来的那一部分波长变长的射线呢?康普顿苦苦思索,试图从经典理论中寻找答案,却撞得头破血流。终于有一天,他作了一个破釜沉舟的决定,引入光量子的假设,把X射线看作能量为hν的光子束的集合。这个假定马上让他看到了曙光,眼前豁然开朗:那一部分波长变长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。光子像普通的小球那样,不仅带有能量,还具有动量。当它和电子相撞,便将自己的能量交换一部分给电子。这样一来,光子的能量下降,根据公式E=hν,E下降导致ν下降,频率变小,便是波长变大。这样,X射线被自由电子散射的问题得到完美的解决。然后再进行理论推导,根据动量和能量守恒解决该问题,这样不仅使学生印象深刻,还锻炼了物理思维能力。

3.求实精神的培养

通过大学物理量子史部分的教学,介绍科学家严谨的治学态度、勇于追求真理的精神,培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科学态度和刻苦钻研的作风。

4.科学观察和思维能力的培养

在教学的过程中适当融入量子发展史的内容有利于培养学生科学观察和思维能力。如玻尔的互补原理的提出过程。当海森堡完成“不确定原理”后向玻尔请教,两人就“不确定原理”是从粒子性而来还是波动性而来展开了论战,从而提出了互补原理:波和粒子在同一时刻是互斥的,但它们却在一个更高的层次上统一在一起,作为电子的两面性被纳入一个整体概念中。这就是玻尔的“互补原理”。它连同波恩的概率解释、海森堡的不确定性共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心,至今仍然深刻地影响人们对于整个宇宙的终极认识。讲解过程中应形象生动地描述海森堡和玻尔的讨论过程及他的思维过程,使学生有种身临其境的感觉,从而培养科学观察和思维的能力。在教学过程中适当介绍思维实验有利于培养学生的思维能力及科学分析能力。如海森堡不确定性原理的提出过程就借助了思维实验及1935年爱因斯坦提出EPR思维实验等。

5.创新意识的培养

通过学习大学物理学的研究方法、量子物理的发展史以及物理学家的成长经历等,引导学生树立科学的世界观,激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望以及敢于向旧观念挑战的精神。如普朗克能量子假设的提出体现了敢于向旧观念、权威学家挑战的精神。而创新意识对一个学生来说是非常重要的,对社会生产力的发展也起着重要作用的。

6.科学美感的培养

以麦克斯韦方程组为例,描述麦氏方程所表现出的深刻、对称、优美,使得每一个科学家都陶醉在其中,玻尔兹曼情不自禁地引用歌德的诗句“难道是上帝写的这些吗?”描述麦克斯韦方程组的美。一直到今天,麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范。许多伟大的科学家都为它的魅力折服,并受它深深的影响,有着对于科学美的坚定信仰,甚至认为:对于一个科学理论来说,简洁优美要比实验数据的准确来得更为重要。依此引导学生认识物理学所具有的明快简洁、均衡对称、奇异相对、和谐统一等美学特征,培养学生的科学审美观,使学生学会用美学的观点欣赏和发掘科学的内在规律,逐步增强认识和掌握自然科学规律的能力。

7.科学探索精神的培养

物理学在追求着大统一。许多科学家献身于这项伟大的事业,比如弦理论的提出。讲述其发展过程可激发学生的科学探索精神。

三、科学发展的需要

分子生物学的重要性范文8

功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料,或具体地指在原有力学性能的基础上,还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。功能高分子材料是上世纪60年展起来的新兴领域,是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。近年来,功能高分子材料的年增长率一般都在10%以上,其中高分子分离膜和生物医用高分子的增长率高达50%。

所谓功能性高分子材料,一般是指具有某种特别的功能或者是能在某种特殊环境下使用的高分子材料,但这是相对于一般用途的通用高分子材料而言。这一定义只是一个概括,不一定很确切,较多的人认为所谓功能性高分子材料是指具有物质能量和信息的传递、转换和贮存作用的高分子材料及其复合材料。如有光电、热电、压电、声电、化学转换等功能的一些高分子化合物。可以看出,这是一类范围相当大、用途相当广、品种相当多,而又是在生活、生产活动中经常遇见的一类高分子材料。

二.功能高分子材料

功能高分子材料按照功能特性通常可分成:分离材料和化学功能材料;电磁功能高分子材料;光功能高分子材料;生物医用高分子材料。功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支,它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。

随着时代的发展,在医学领域中越来越迫切地需要开发出能应用于医疗的各种新型材料,经多年的研究已发现有多种高分子化合物可以符合医用要求,我们也把它归属于功能性高分子材料。

一般归纳起来医用高分子材料应符合下列要求:化学稳定性好,在人体接触部分不能发生影响而变化;组织相容性好,在人体内不发生炎症和排异反应;不会致癌变;耐生物老化,在人体内材料长期性能无变化;耐煮沸,灭菌、药液消毒等处理方法;材料来源广、易于加工成型。

经多年研究,能较好符合上述要求的高分子化合物主要有两大类,一类是有机硅化合物,第二类是有机氟化物,最主要的两种产品是硅橡胶和聚四氟乙烯,例如美国GE公司开发了一批主要是有机硅方面的用于医学领域的功能高分子化合物。

三.生物医用高分子材料

目前,除人脑外的大部分人体器官都可用高分子材料来制作。对生物医用高分子材料,除了要求具有医疗功能外,还要强调安全性,即要对人体健康无害。目前在血液相容性高分子、组织相容性高分子、生物降解吸收高分子、硬组织材料用高分子和生物复合高分子材料、医用高分子现场固化材料、医用粘合剂、固定化酶、高分子药物释放和送达体系等都有相应的研究。随着环保概念的提出,生态可降解高分子材料的开发和应用也随之日益受到重视。如聚乳酸塑料PLA,在废弃后自然条件下,通过微生物的分解作用,只需六个月至两年时间即可完全降解,降解反应的产物为水、二氧化碳、乳酸等是植物生长良好的促进剂,对环境无任何污染。

离子交换与吸附树脂是一类带有可离子化基团或其他功能性基团如亲油基团的二维网状交联聚合物。常用的离子交换与吸附树脂多为球状珠粒,其粒径为0.3-1.2mm。此外,还要具有高的机械性能、较好的化学稳定性、热稳定性、亲水或亲油性、渗透稳定性和高的交换/吸附容量。在水/油中具有足够大的凝胶孔或大孔结构,由于它具有高效快速分析和分离功能,目前已广泛用于硬水软化、废水净化、高纯水制备、海水淡化特别是在食品工业、制药行业、治理污染和催化剂中应用的更为广泛,而且发展迅速。除一般用的离子交换树脂外,近来还发展了具有特殊吸附功能的离子吸附树脂:如高吸油树脂等,这些高分子吸附剂可以从有机溶剂或有机无机混合相体系中吸附有机溶剂如各种油类。

随着医用科技的蓬勃发展和环境污染的日益严重,当今材料技术的发展趋势一是从均质材料向复合材料发展,二是由结构材料往功能材料、多功能材料并重的方向发展。这种发展趋势使得医用复合材料和环境处理材料得到了快速发展。

四.医用高分子材料的发展方向

可生物降解医用高分子材料因其具有良好的生物降解性和生物相容性而受到高度重视,无论是作为缓释药物还是作为促进组织生长的骨架材料,都将得到巨大的发展。其中高分子纳米粒子以其特有的优点是近年来国内外一个极为重要的研究热点。

任何一种材料都是通过其表面与环境介质相接触的,因此材料的开发与应用必然涉及其表面问题的研究。一般高分子材料的表面对外界响应性较弱,但有些高分子表面的结构形态会因外界条件(如pH、温度、应力、光及电场等)的改变在极短时间内发生相应的变化,从而造成表面性质的改变,此乃智能高分子表面。因此设计这类智能表面将是生物医用高分子材料发展的一个重要方面。通常,在组织工程的应用中,高分子材料支架要负载上生长因子,以促进组织在生物体内的再生,另一方面,把特殊的粘附因子,如粘连蛋白结合到支架上,可使聚合物表面能够促进对某种细胞的粘附,而排斥其它种类的细胞,即支架对细胞进行有选择的粘附。为了使生长因子和粘附因子能够结合到可降解高分子材料上,就需要对材料进行表面改性,而有时表面改性很困难,因此,可利用与天然聚合物杂化的方法来达到上述目的,同时由于这些材料有良好的机械性能,又可以弥补天然聚合物强度不高、稳定性差的缺点。可见,生物杂化材料在这方面的表现是相当突出的,必将成为医用生物高分子材料发展的一个主要趋势。

参考文献:

1、焦剑.功能高分子材料.化学工业出版社,2007.7

2、俞耀庭,张兴栋等.生物医用材料.天津:天津大学出版社,2000.

3、陈先红,郑建华.生物降解高分子材料——聚酸酐的研究进展高分子材料科学与工程2003

分子生物学的重要性范文9

1.1酶生物传感器

酶生物传感器已经被广泛的应用于临床诊断和食品安全检测,其原理主要是应用酶的专一性生物催化作用,检测底物或生成物的浓度变化,如葡萄糖生物传感器[2]、Vc生物传感器[3]等。而酶生物传感器用于重金属检测则是利用重金属离子对酶产生的抑制作用影响酶的活性,使底物或产物产生浓度变化。抑制现象专一性的降低,使得对重金属的检测只能得到总的重金属量,而不能对产生影响的各种离子分别定量。研究人员对不同的酶传感器进行了研究。Guascito等[4]利用固定葡萄糖氧化酶生物传感器,通过安培法检测过氧化氢的分解状况,分别对Hg2+、Ag+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+及CrO42-对酶的抑制效果进行了测定,从而检测重金属离子。相类似的,Mohammadi等[5]利用固定化葡萄糖氧化酶和转化酶,通过恒电位法检测蔗糖的含量;同时利用Hg2+对转化酶的抑制作用影响了蔗糖的转化率,对Hg2+进行测定,检测限达到1×10-8-1×10-6mol/L。脲酶是一种分布广泛的酶,也是检测重金属离子常用的生物材料,它可以和不同形式的换能器相结合。Kuswandi[6]报道了一种简单的光纤生物传感器,利用重金属离子对脲酶的抑制作用进行监测,脲酶固定在一层超滤膜上。研究重金属离子Hg2+、Ag+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Co2+和Pb2+的抑制作用,是通过生物催化活性下降时尿素水解量变少而引起pH变化,在615nm波长处由光纤生物传感器进行检测。脲酶的活性可以通过加入半胱氨酸得到再生。流动注射检测Hg2+使得线性范围是1×10-9-×10-5mol/L,检测限为1×10-9mol/L(0.2μg/L)。MayMay等[7]将脲酶通过自组装单层膜固定在SPR传感器的金镀膜玻璃电极表面,检测镉离子对酶的抑制效果,证明了SPR生物传感器可以用于重金属离子的检测。其他的酶类也能用于重金属离子的检测。Ogunseitan[8]利用氨基乙酰丙酸脱羧酶检测铅离子的生物可利用度。Berezhetskyy等[9]开发了一种碱性磷酸酯酶电容生物传感器来检测水中的重金属离子,该方法也利用了重金属离子对酶的抑制作用。结果表明,各种重金属离子对该酶的抑制效果顺序为Cd2+>Co2+>Zn2+>Ni2+>Pb2+,检测限分别为Cd2+0.5mg/L、Co2+和Zn2+2mg/L、Ni2+5mg/L、Pb2+40mg/L。黑曲霉硝酸还原酶的活性也受到各种重金属离子的抑制,因而也能用来检测重金属离子污染[10]。Michel等[11]利用细胞色素3的Cr6+还原酶活性,研制了一种新的安培生物传感器,能够直接、快速的检测Cr6+。研究人员对酶的高度专一性保持了持续热切的兴趣。2012年,Soldatkin等[12]开发出了一种三酶(转化酶、变旋光酶和葡萄糖氧化酶)复合体系生物传感器,以陶瓷薄膜电极为支撑基质、电容大小的改变为检测信号进行检测。该传感器对Hg2+、Ag+有较好的检测特异性。

1.2细胞生物传感器

不同的细胞被用作生物传感器的生物敏感元件来检测重金属离子,表现出了不同的性质。Alpat等[13]利用Tetraselmischuii海藻细胞作为生物传感器的组成部分,对Cu2+进行检测。固定在碳糊电极上的海藻通过被动吸附能够积累重量百分比范围2.5%-20%的Cu2+,然后通过伏安测量进行检测,检测限能达到4.6×10-10mol/L。Durrieu等[14]则利用微球藻Chlorellavulgaris细胞膜外部的碱性磷酸酯酶对重金属的敏感性制成了光学生物传感器,球藻细胞被固定在了一层可以移去的膜上,置于光纤的尖部。对镉和铅离子在浓度范围为0.01-1mg/L进行了检测,碱性磷酸酯酶由于处于自然环境中而提高了其活性和稳定性。研究重金属离子对动物细胞的损伤过程,对于人们了解重金属的危害从而采取一定的预防措施有重要意义,这也需要生物传感器发挥生物敏感层一般由酶、抗体、核酸和细胞等组成图1生物传感器基本原理示意图作用。Liu等[15]用心底细胞作为生物传感器的生物敏感元件来检测重金属离子的危害。Hg2+、Pb2+、Cd2+、Fe3+、Cu2+和Zn2+等能引起心肌细胞在15min内表现出频率、振幅和持续时间的变化。Hiramatsu等[16]则利用基因工程小鼠作为传感器,研究了重金属对内质网的影响作用形式。生物传感器能够实现在体外近似模拟体内环境,从而使研究结果更具有实际意义。2.2.3微生物各种微生物的细胞也能被用来制作生物传感器,检测重金属离子。Tag等[17]利用酵母作为生物传感器的一部分,采用安培法流动注射分析Cu2+,该株酿酒酵母转入了融合了大肠杆菌lacZ基因代替了相同的包含Cu2+诱导启动子CUP1基因的质粒。这些菌株对不同的Cu2+浓度产生不同的灵敏性,两株不同的转基因酵母对于实际样本中Cu2+的检测浓度分别为1.6-6.4mg/L,0.05-0.35mg/L。Liao等[18]用绿色荧光蛋白细菌[EscherichiacoliDH5α(pVLCD1)]生物传感器对土壤中重金属的生物可利用度进行了检测。检测时间2h时Cd2+、Pb2+、Sb3+的检测浓度分别为:0.1nmol/L、10nmol/L和0.1nmol/L。Sumner等[19]则利用了从热带珊瑚中发现的野生红色荧光蛋白制成生物传感器并对Cu+、Cu2+进行检测。该仪器对于铜离子有较强的专一性,可以在一定程度上抵抗其他离子的干扰,红色荧光蛋白的检测限优于绿色荧光蛋白7个数量级。Amaro等[20]则以四膜虫(TetrahymenathermophilaMTT1、MTT5)金属硫蛋白激活子的真核生物荧光素蛋白基因作为信号载体,开发全细胞生物传感器,期间侧重金属离子的灵敏性可与原核生物相当。基因工程微生物在重金属离子检测方面也发挥了作用。科学家利用生物技术开发了两株具有特殊性能的细菌[21]:E.coliMC1061携带pmerRluxCDA-BE质粒(Hg-传感器)或携带parsluxCDABE质粒(As-传感器),并将其与光纤换能装置相结合构成生物传感器,对Hg、As进行检测,检测限可达到Hg2+、As5+和As3+分别为:μg/L、141μg/L和18μg/L。生物发光细菌也能被用来检测重金属。Petnen等[22]用PseudomonasfluorescensOS8(pTPT11)、Ps-eudomonasfluorescensOS8(pTPT31)分别检测汞和砷,得到了良好的效果(汞检测限达到0.003μg/kg)。

1.3免疫传感器

免疫传感器作为一种生物传感器,主要原理是依赖抗体与抗原(待检物)之间的高效特异性相互作用。随着对抗体结构和功能的逐步深入研究,将有助于稳定免疫传感器的性能。Lin等[23]将单克隆抗体固定在金纳米颗粒光纤探针上,用于结合Pb2+螯合物,引起局域化表面等离子体振荡信号的变化,实现检测Pb2+离子(检测限0.27μg/L,4℃、35d后仍可实现检测结果重现性)。Date等[24]将重金属离子(Cd2+、Cr6+、Pb2+)抗原微粒固定在固相支撑基质上,当待检物与金纳米颗粒标记抗体的混合物流经支撑基质时,剩余未与待检物结合的抗体可与固定抗原结合,实现竞争性间接检测待检物,检测信号与待检物浓度呈反比。该传感器检测时间短,7min内3种离子均可达到理论检测水平(抗体Kd限);检测效率高;采用微流控检测,可同时检测多种物质,有利于实现自动化控制操作等。

1.4DNA生物传感器

DNA生物传感器也被用于重金属离子的检测。Babkina等[25]用安培生物传感器检测了重金属离子与单链DNA的结合,检测限分别可以达到:1.0×10-10mol/LPb2+、1.0×10-9mol/LCd2+和1.0×10-7mol/LFe3+。Oliveira等[26]利用生物传感器对重金属离子(Pb2+、Cd2+和Ni2+)与双链DNA的相互作用进行了研究,指出二者相互结合能引起双链DNA结构的改变。Lan等[27]对体外试验中依赖金属离子的DNA酶(MetalIon-DependentDNAzymes)进行了研究,指出该酶对金属离子的特异性活性依赖性,可用于开发灵敏的重金属离子(Pb2+,Cu2+等)检测生物传感器。

1.5其他

光系统Ⅱ(PSⅡ)是多亚单位的色素和蛋白质的复合物,可以催化光引起的从水到质体醌的电子传递。这个复合物包括至少含有6个膜整合肽其中有捕获光能的复合体(LHCⅡ)等,见图2。光系统Ⅱ位于膜上,其色素、蛋白可与重金属离子相互作用,引起检测体系变化,并转换为可检测的信号,按照检测信号的不同可分为,安培计生物传感器和光学生物传感器两大类。对光合作用有影响的物质一般都对PSⅡ电子传递链有影响。目前认为重金属抑制光合作用是通过(1)抑制酶的作用,如原叶绿素酯还原酶、质体蓝素或Calvin循环中的一些酶;(2)重金属与蛋白质的疏水基团发生相互作用;(3)一些重金属(Hg2+、Cu2+、Cd2+、Ni2+和Zn2+)可以替代叶绿素分子中的Mg2+,从而抑制了光合作用;(4)重金属Cd2+、Cu2+对光合作用影响研究表明,Cd2+会引起PSⅡ中的D1蛋白结构破坏,从而影响PSⅡ的活性,而PSⅡ可能是Cu2+作用的目标[28]。基于此原理科学家开发了检测重金属离子的生物传感器。Bettazzi等[29]用一次性的丝网印刷类囊体膜电极,结合电化学方法检测重金属对光系统Ⅱ的抑制作用,可以检测到0.6mg/LCd2+的抑制效果。此外,一些蛋白质、肽类等物质也被用于开发检测重金属离子的生物传感器。Martinez-Neira等[30]报道了一种以运动蛋白质(伸缩蛋白、肌动蛋白和肌球蛋白等)为基础的生物传感器,用以检测汞离子。HgCl2能够快速的抑制由肌动蛋白活化的肌球蛋白ATP酶的活性,从而抑制体外模拟的蛋白收缩。汞离子对于肌动蛋白丝运动性的抑制作用也可以直接观察到,这为生物传感器的开发提供了新的思路。Yin等[31]将牛血清蛋白固定在压电石英晶体胶体金表面质成生物传感器,通过压电石英晶体阻抗法检测铅离子。得到检测的线性范围为1.0×10-7-3.0×10-9mol/L,检测限1.0×10-9mol/L。Wu等[32]将金属硫蛋白固定在电极表面,通过表面等离子体共振(SPR)对Cd、Zn、Ni等进行检测。Bontidean等[33]报道了一种新的以合成的植物螯合肽(Glu-Cys)20Gly(EC20)为生物敏感元件的电容生物传感器来检测重金属离子(Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+和Zn2+),检测浓度范围100fmol/L-10mmol/L。该生物传感器可以贮存15d。Bontidean等[34]利用不同的生物传感器(蛋白、细菌细胞、植物)检测了土壤中生物可利用汞的含量。指出细菌细胞生物传感器和蛋白(融合蛋白GST-SmtA)生物传感器对于检测汞离子污染是有效的,植物传感器效果欠佳。

2展望

2.1不同生物敏感材料的比较

不同生物敏感材料对于重金属离子检测的作用效果有所不同,其本身性质也存在差异。各种酶作为生物传感器的组成成分,主要是依赖于重金属离子对酶的抑制作用,从而引起检测环境中反应物的相对变化进行检测。重金属对酶的抑制作用专一性相对比较广泛,因此在多种离子存在时,很难区分各自的种类和浓度。细胞生物传感器采用完整的细胞作为生物传感器的一部分,既有利于全面研究重金属离子对细胞的作用,也能通过保持细胞的自然状态提高细胞内各种生物分子的生物活性和稳定性。随着生物技术的不断发展,通过各种转基因和其他技术手段可以生产出各种具有某些特殊性质的工程菌类用于重金属检测,从而提高生物传感器对于某种特定重金属离子检测的专一性。其他生物材料也具有各自的优点,如蛋白质和多肽类物质可以通过改变pH值,影响其本身性质实现活性的恢复。免疫传感器用于重金属检测,因其分子量小,故与换能器信号检测联系密切。

2.2不同换能方式的比较

分子生物学的重要性范文10

关键词 生物技术 分子生物学 教学改革

中图分类号:G642 文献标识码:A DOI:10.16400/ki.kjdkz.2017.03.022

Exploration on Teaching Reform of

Molecular Biology Course in Biotechnology

ZHANG Tiejun, CHEN Xinmei, OUYANG Yongchang*

(School of Life Science, Guangzhou Medical University, Guangzhou, Guangdong 511436)

Abstract Molecular biology is an important basic course for students majoring in biotechnology. Due to update the theory of molecular biology knowledge quickly, the development of experimental technology, fast, and the content is more abstract, from the rational use of teaching methods, to promote discussion, to carry out small class teaching, the use of cyber source, enhance the ability of autonomous learning, establish evaluation system, and optimize the experimental teaching system and other aspects of teaching reform, in order to improve the specialty of biological technology molecular biology teaching effect, cultivate unity of knowledge, ability and quality, application of compound bio technology professionals.

Keywords biotechnology; molecular biology; teaching reform

生物技术专业培养具备生命科学的基本理论和较系统的生物技术的基本理论、基本知识、基本技能,具有良好科学素养及创业精神,能在科研机构或高等学校从事科学研究或教学工作,能在科研机构、高等学院和相关企业等单位中从事科学研究、教学、管理及商业服务的高级专门人才。

分子生物学是从分子水平上研究生命现象、生命本质及其规律的的科学,主要研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学,是21世纪最具活力的生命科学之一。[1]目前,分子生物学是生物技术专业学生一门重要的专业必修课。因此,确定合理、科学的教学改革方案,优化、重组教学内容,精心设计教学方法和教学手段,对保证生物技术专业分子生物学课程教学质量具有重要意义。[2]

1 分子生物学教学现状

(1)分子生物学是生物技术专业的一门主要课程,教学单位往往会根据教师上课需求以及市场需求来选择教材,然而,却有可能忽略了对学生的接受能力以及理解程度的考虑。部分分子生物学教材内容高深莫测、专业词汇多且与实际联系不够紧密,造成学生在学习过程中困难重重,严重降低了学生对该学科学习的积极性。

(2)教学条件限制。在分子生物学课堂中,使用多媒体设备等教学手段对提高学生的学习积极性以及学习效果有明显的促进作用。然而,部分教学单位由于教育资源分布不均匀,难以利用先进的教学手段。

(3)分子生物学课程所涉及的知识c以及生物学过程,大多数是看不见摸不着的微观世界,学生在学习的过程中难以直观感受。

(4)理论知识更新快,实验技术发展快。分子生物学作为生命科学的前沿学科,其发展日新月异,这也对教学提出了更高的要求。授课老师需及时接纳最新知识,充分备课。

2 分子生物学教学改革的主要措施

2.1 PBL教学法的合理运用

PBL(problem-based learning,问题式学习)教学法于1969 年由美国Barrows教授创立,并引入高等教育,很快在高校中广泛应用。是一种以问题为导向,以学生为中心的教学方法。其主要流程是:老师提出问题,学生作为主体进行分组讨论,学生解决问题。[3]在PBL教学过程中,学生是主体,老师则主要起到辅导的作用。分子生物学课程内容复杂,用传统的教学方式不易调动学生的学习积极性,而且课堂效率不高。在课堂中适当引入PBL教学法,可改善教师唱独角戏,学生被动接受的状况。

在进行PBL教学前的备课过程中,任课老师应查阅大量的文献,充分考虑在讨论案例过程中可能出现的问题,内容涉及分子生物学以及其他学科如生物化学、细胞生物学等。在课堂上,教师应寓教于乐,充分调动学生积极性,控制好课堂节奏,同时应根据教学大纲的安排,强调学习过程中应掌握的知识要点。[4]

在分子生物学的教学过程中,PBL教学可分为四个阶段:(1)提出问题。开展PBL教学的时间不宜在课程开始的阶段,而应在课程中后期,学生具有一定的分子生物学基础后再开展。PBL教学讨论的主要题目应该是分子生物学教学过程中的重点或者难点,并且结合生活实际的讨论内容。教师在这个过程中是组织者的身份。(2)人员组成。为调动学生参与的积极性,同时考虑到团队的高效性,将每个班级分成4~6组,每组包括4~6 名同学。分组结束后,要求各组成员选拔出该组的组长并选定拟解决的问题,然后进行人员的分工,明确每个成员应完成的内容和时间节点。老师负责全程把控,掌握教学的整体节奏与进展,及时了解各组的情况,包括进程、主要观点、存在问题、后续进展等。鼓励各组结合自己的研究、思考提出自己的想法。对成效较好的小组,给予肯定和表扬;对存在问题较多或进展较慢的小组有针对性的指导,帮助小组找到解决问题的核心路径。(3)成果展示。学生展示自己的研究成果,并开展充分讨论。主讲老师在学生讨论完毕后,对学生的成果、讨论的主题、各组的亮点、学生关注点较集中或争议较大的问题、学生未掌握到的知识点、研究时未关注的部分、下一步学习或研究中需要改进的研究方法进行总结、归纳,并提出改进意见。[5](4)考核评分。考核评分是对PBL学生成果的集中体现,评分体系主要包括三部分:一是课件制作,占比30%,评价标准主要是内容正确、重点突出、课件美观、清晰易懂,能综合运用图片、音频、视频、动画等表达自己的观点;二是课件展示,占比40%,准备充分、逻辑正确、条理分明、落落大分,能清晰的阐述自己的研究成果、观点等;三是课堂讨论:占比30%,主动思考,积极参与,能够抛出富有启发意义的论点,回答问题时中肯全面。

2.2 提倡分组讨论,开展小班教学

在讨论课开始前2周,老师将要讨论的内容告知学生。以小组为单位进行学习,各小组成员间可以进行分工协作,分头寻找资料、讨论并汇总;课堂上以小组形式提出问题,介绍小组观点、结论,老师也会对该小组的汇报进行点评;课后以小组为单位进行复习,增强学习效果。小组学习活动的意义既体现个人的价值和责任,更强调成员间彼此赋予信心和力量,通过体验团队的智慧和协作,培养了学生间可贵的团队合作精神。

分子生物学的课堂提倡小班教学。一方面,可以增加师生间互动的频率。由于分子生物学课程所涉及的知识点以及生物学过程,大多数是看不见摸不着的微观世界,学生在学习的过程中难以直观感受,这就增加了学生学习该课程的难度。小班教学有助于老师关注每一个学生对相关知识的把握;另一方面,小班教学易于实施多种教学形式,灵活掌握教学要求和进度,便于及时调整教学内容。

2.3 利用网络资源,提升自主学习能力

自主学习强调的学生作为知识的主动构造者自己进行学习的意愿和能力,反映了教学向个性化、创新化、自主化、多元化过渡的趋势。分子生物学作为前沿科学,信息量大、更新快,要积极利用互联网信息资源,提升学生学习和借鉴优秀研究成果、自主学习的能力。教师要由照着教材讲变成开放式、启发式教学,最大限度调动学生学习的积极性、思考的主动性、课堂的参与性。鼓励学生自主学习,主动去学习和研究当前科研的最前沿知识,在研究的过程中敢于提出自己不同的看法,培养学生探索创新精神。[6]让学生由被动受教变成自主学习,主动参与到课堂学习中,形成教学工作“教”与“学”相辅相成、相互促进。教师要积极拓展教学内容的外延,主动介绍国内外优秀的生物网站、资源库、期刊、论坛等,鼓励学生积极开展课外阅读,丰富学科专业知识、前沿信息、专业词汇等知识,激发学生探索新知识的热情,也不断培养学生自主学习、发现问题、解决问题的能力。[7]

2.4 建立形成性评价体系

“形成性评价”的概念是由斯克里文 1967 年所著《评价方法论》 中首先提出来的,与传统的“终结性评价”不同,它是对学生的学习过程进行的评价,旨在确认学生的潜力,改进和发展学生的学习。因此,形成性评价方式更能体现出学生的学习效果。[8]分子生物学课程的目的在于培养学生形成良好的分子生物学学习习惯和实验习惯,提高他们的科学素养和创新能力。期中或期末考试不能全面真实地反映出学生的真实学习情况,采取形成性评价的方式显得更加科学和必要。具体如下:一是平时成绩,占课程总成绩60%,包括课堂考勤,占总成绩5%、课堂作业,占总成绩10%、课堂提问,占总成绩5%、PBL讨论会,占总成绩10%、实验考评,占总成绩30%。二是期末考试,占课程总成绩40%。由于形成性评价是强调过程的评价方式,引导学生重视平时的学习情况,大大减少了学生考前突击的可能,也更能真实地反映出学生的真实水平。

2.5 优化实验教学体系

分子生物学实验技术是生物技术专业学生必须掌握的重要基本技能之一。其研究方法及策略已被广泛应用于生命科学的研究当中。[9]通过对学生实验技能的培养,一方面有利于将理论教学与实践教学相结合,丰富教学内容,提升教学的实践性、实用性、综合性,便于学生理解和掌握;另一方面,在提升学生综合素质、学习兴趣、创新能力、思考能力等方面也有十分重要的作用。[10]因此,增加分子生物学实验学时数,开展综合实验也是课程改进的一个重要方向。在实验教学中,教师要结合分子生物学快速发展的特点,选取与教学内容相适应的操作性、设计性实验,并做好不同实验之间的关联与衔接,建立实验的逻辑体系。一是分组分工,辅助实验老师提前做好实验准备工,并提前观察、发现问题及时记录。二是教师针对前期准备工作中发现的问题有针对性的阐述,并对实验流程、操作方法、各环节中注意事进行讲解与演示,指导学生开展实验。三是讲解与演示结束后,学生动手实验,教师应注意注意观察过程和细节,对共性问题,要及时统一纠正,对个别同学的个性问题,要个别指导。既确保操作的准确性、严谨性,也要保证实验质量,通过实验检验教学情况。

3 结语

生物技术专业应用人才培养是一个综合性、系统性的工程,涉及到教育环节的方方面面。课程教学是其重要的一环,分子生物学课程教师要积极发挥作用,不断提升专业能力、教学能力,教学理念与时俱进、教学手段丰富灵活,激发学生学习的主动性、创造性,提升学习内容掌握能力及应用效果,为国家培养知识、能力、素质协调统一的应用性、复合型人才。

*通讯作者:欧阳永长

基金项目:广州市高等学校教育教学改革项目 项目编号2017B10

参考文献

[1] 朱玉贤,李毅,郑晓峰等.现代分子生物学(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2013.

[2] 朱红威,邵菊芳,冷云伟.生物工程专业分子生物学课程教学改革的探索[J].安徽农业科学,2011.39(4):2512-2514.

(下转第50页)(上接第47页)

[3] Shin IS, Kim JH. The effect of problem-based learning in nursing education: a meta-analysis. Adv Health Sci Educ Theory Pract, 2013, 18: 1103-1120.

[4] 李善妮,萧小鹃,曾海涛,等.五年制临床医学专业医学分子生物学教学改革与实践[J].生命的化学,2016.36(5):726-729.

[5] 高云,刘小宇,缪明永,等.PBL教学法在医学分子生物学教学中的应用.基础医学教育,2015.17:767-769.

[6] 杨静,苏燕,杨文杰,等.自主学习模式下生物化学与分子生物学理论教学改革初探[J].高校医学教学研究,2015.5(2):19-21.

[7] 姜寒玉,司怀军,魏小红,等.基于创新能力培养的“分子生物学”课程教学改革的几点探析[J].赤峰学院学报,2015.31(4):239-240.

[8] 宾晓芸,银联飞,李朝敢,等.形成性评价在生物化学教学中的构建及应用效果初探[J].中国高等医学教育,2015(7):51-52.

分子生物学的重要性范文11

关键词:分子生物学实验;教学改革;教学手段

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)37-0272-03

分子生物学课程是现代生物科学的前沿和交叉学科。分子生物学实验是分子生物学研究的重要手段和组成部分,是分子生物学教学的有力补充,学好分子生物学实验课程对于培养学生的动手能力,强化理论教学效果具有重要作用。分子生物学与其他学科的交叉也主要体现为分子生物学实验技术的应用[1]。分子生物学实验技术涉及很多现代生物技术中的核心技术,掌握分子生物学实验技术已成为农学、林学、医学、生物学等各学科的基本需要[2-5],因此各个高校一般都将分子生物学实验课程作为生物类专业学生的专业基础课,紧抓教学质量,以期培养出更适应社会需求的人才。我国也早在2007年1月,由教育部财政部下发了教高[2007]1号《关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》、教高[2007]2号《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》等相关文件,明确提出要高度重视实践环节,提高学生实践能力,加强实验、实习等教学环节,着力培养学生创新精神和创新能力[6]。四川大学作为全国最早开设分子生物学实验课程的学校之一,对该课程一直非常重视,每年投入大量的经费

改善实验室的教学条件,为了适应新时代的需求,经过多年的教学实践,分子生物学实验课程也不断在教学内容,教学方法、考核方式等方面进行大力的改革。

一、分子生物学实验教学改革前现状分析

(一)教学内容系统性、完整性不够强

分子生物学实验课程改革前实验教学内容多为验证性实验,如:植物基因组DNA、总RNA及质粒的提取、琼脂糖凝胶电泳、目的基因的PCR扩增、目的基因的酶切及与载体的连接、感受态细胞的制备、重组子的转化与鉴定等实验,实验内容虽然都是现代生物前沿基础技术,而且具有一定的连贯性,但每次实验都是单独授课,学生只需按照步骤完成实验即可。这样授课的弊端就是学生上完课后并不能把理论知识与实验技术有机结合,缺乏思考,遇到实际科研问题时不能运用所学技能解决,缺乏拓展性、创新性思维的训练。

(二)教学手段简单,学生学习积极性差,教学效果不明显

改革前实验课程采用的教学形式单一,很难调动学生学习的积极性。一般是教师确定实验的目的和方案,实验员准备好实验所需试剂和仪器,学生只需在规定的时间内进行操作,完成实验方案,上交实验报告。这种程序化、被动式的教学导致学生对分子生物学实验课程教学目的不明、学习兴趣不高,产生学习上的倦怠心理。

分子生物实验课程开设在本科二年级下学期,实验操作中用到的仪器精密度较高,价格昂贵,实验试剂加入的量均为微量级别,这与学生在此之前所做的实验完全不同。虽然在上课时教师反复强调实验的操作步骤和注意事项等方面,但很多细节学生不能及时掌握,实验中容易出现试剂种类加错,试剂加入量不准确或错误操作仪器等,导致实验失败甚至仪器损坏等问题。此外,实验课程一般设置是每周一次或隔周一次,学生不能经常练习,巩固加深实验技术,有些知识刚学会,还没完全掌握,到下一次实验时已记不清如何操作,导致教学效果不明显。

(三)考核方式相对单一,不能全面反映学生学习的真实情况。

改革前该课程的学生学习成绩的评定标准为课堂上实验操作考核只占总成绩的20%,考勤占10%,实验报告占70%。但教师在对学生成绩评定过程的研究中发现由于分子生物学实验课程是生命科学学院全体学生的专业必修课,开设的班级多,每次课学生人数较多,课堂上老师并不能关注到每个学生,学生成绩的评定主要还是根据实验报告中结果的好坏与报告的质量来定,以至于学生中形成一种思维:只要实验报告写的页数多,图片精美,讨论深刻就能得高分,实验过程中操作是否规范,是否动作标准并不重要。这使得很多学生对实验技术的学习流于应付,不能达到学习该课程的目的。

这些问题严重影响了分子生物学实验课程的教学质量,也使得学生忽视实验技能的提高,思维趋于懒惰,缺乏科研的自主性、创新性。分子生物学实验课程作为一门实践性的专业基础学科,教师不只要注重学生动手能力的锻炼,也要培养学生勤于思考的习惯和分析处理问题的能力。

二、分子生物学实验教学改革方式

为了改变以上的缺点,改进教学模式,提升教学质量,提高学生学习的积极性、主动性和创造性,达到分子生物学实验课程的学习目的,在学校及学院的支持下我院分子生物学实验课程组对本门课程进行了全面改革,以学生为本,开发多样化学习方式[7],学生由被动式学习转为自主探究性学习[8],改进课程考核方式等。经过近两年的试验,效果明显。实验课程的主要改革内容如下:

(一)学校加强经费投入和师资力量建设,提高教师教学能力

四川大学生命科学学院历来重视实验中心的建设,目前分子生物学实验室设备固定资产达到300多万元,实验教师均具有博士学位,教辅人员的学历也在硕士研究生及以上。学院鼓励教师积极参加国际、国内各种教学研讨会,与全国的同行进行教学交流,学习其他兄弟院校的先进经验,提高教学能力。此外,该课程每年还给教师配备了研究生助教,多人同时在课堂上进行指导,及时发现并纠正学生实验操作中的错误,帮助其形成良好的实验习惯,掌握正确的实验操作方式。

(二)拍摄实验操作视频,便于学生课前课后反复学习

为了让学生更清楚实验操作的方式及仪器的正确使用方法,教师将分子生物学实验中涉及的实验内容和仪器使用按照模块化的方式分别进行视频拍摄,并结合多年教学经验,在视频中增加了学生实验中易错环节的提示,对初学者进行指导。学生在上课前就能清楚知道每个实验的正确操作方法及注意事项,上课时有意识地加强学习,降低实验失败率,提高课程训练效率。

(三)建立课程网站和虚拟实验室,加强师生间及学生间的联系,提高学习的积极性

为了有效整合教学资源,拓展教师的教学方式、教学空间,提升教学质量,提高学生的学习兴趣和自主学习能力,培养学生的独立能力及科研素质,加强师生之间的互动,使课程教学内容与教学活动完整呈现,我们建立了分子生物学实验的课程网站,将实验操作视频、动画、图片、PPT等资料放置其上,供学生自由学习。此外,我们还注重师生间课后的联系与互动,利用网络平台收集和批改学生作业,对学生学习中遇到的问题及时在网上作答,方便学生的学习,促进其对相关知识的理解与把握。

随着社会新形势的发展对人才要求的提高,传统的实验教学受课程开设的时间、地点、人力和财力等问题的限制,不能显著提高教学质量,设计型和探究型实验更难以开展。为解除此类限制课程教师还建立了虚拟实验室,提供可操作的虚拟实验仪器和试剂,学生既可通过实验仿真平台动手操作,又可自己设计实验,利于培养学生的实验设计能力,分析解决问题的能力,科学探究精神和创新意识,学生对于科学知识的学习、探究、运用更有自主性[9,10]。

(四)重视实验内容的系统性,提高大学生的创新能力

教学内容上整合原有的分子生物学课堂小实验,创建系统分子生物学综合大实验[11],给定选择题目后由学生自行选择并设计综合大实验流程。第一次上课教师只需要讲解进入实验室的要求与注意事项,给定几个备选大实验题目,提供模块化实验视频,由学生课后学习视频,自行选择题目并设计大实验流程。第二次课程为实验设计的展示,学生分别用PPT展示、讲解自己的设计,由其他同学对其设计的流程进行提问,讨论其设计是否合理,是否能继续优化,最后确定最终流程。第三次课程开始动手能力的培养,是前期课程知识的应用与实践。对于实验中出现的问题,首先要学生自己设法提出解决方案,并于实验完成后师生共同讨论实验中的得失与感悟。实验内容的系统化后整个过程学生都参与其中,将学到的理论知识运用到实际的科研问题中,充分强调学生在实验中的主体地位,不仅使学生养成总结和反思的习惯,也大大提高学生的创新能力。因此,综合大实验能够充分挖掘学生的潜能,对培养学生独立思考能力,实验动手能力以及解决实际问题的能力具有重要的意义。

(五)加强课程考核方式改革,提高学习积极性,科学检验学习效果

实验课程中提高学生的主动性和积极性,不仅需要教学内容和手段的提高,还要有科学合理的考核方式的配合[12]。为了充分检验学生的学习效果,改变学生“轻操作重报告”的观念,避免出现“高分低能”的现象,我们将课程考核方式变为:实验流程设计占总成绩的30%,实验操作占40%,实验结果占10%,实验报告占20%。实验流程的设计充分考核了学生对实验目的,原理等的认识及对整个课程系统性的把握,能正确地将分子生物学实验涉及的方法有机结合,真正达到课前自学的目的。这部分内容是作为作业在第二次上课讨论各自的实验设计前上交,教师及时评定成绩。讨论后学生便清楚自己所获得的分数,督促其后续工作认真努力,也有利于教师及时了解学生自学情况和对实验整体的把握情况,可以有针对性地对学生进行辅导。

在实验操作课程中,由于学生在课余时间自学教学视频,因此在课堂上教师的主要角色由知识的传授者转变为实验操作过程的监督者,实验的讲授时间缩短,有针对性地增加实验技能的指导时间。为了公平评价每个学生,在实验中教师为学生准备了胸牌,上面清楚地记录了每个学生的姓名及学号,方便教师监督其操作过程是否符合规范,及时纠正错误。该过程成绩由于在总成绩中所占比例较重,激发了学生在课前的学习热情,提高了学习效果。

在实验完成后,分子生物学实验课程还增设了实验内容相关问题的讨论和抢答环节,鼓励学生积极思考,提升了学习的趣味性,巩固学习效果。

三、分子生物学实验教学改革效果

经过两届学生的实验教学,分子生物学实验教师对两个年级349名学生进行了调查,学生的实验技能与实验素质普遍提高,科研能力明显增强。学生普遍认为新的课程形式更能调动其实验积极性,锻炼其科研思维能力,提高实验操作的动手能力,并改变其“做的好不如写的好”的错误观念,全面客观体现学生的学习效果,学生在课程中收获较多。

四、结束语

高等教育肩负着培养数以万计的高素质专门人才和一大批拔尖创新人才的重要使命。提高高等教育质量,既是高等教育自身发展规律的需要,也是办好让人民满意的高等教育、提高学生就业能力和创业能力的需要,更是建设创新型国家,构建社会主义和谐社会的需要。分子生物学发展迅速,为了培养高素质人才,适应社会需求,实验课程的教学方法应不断更新。改革是一个需要不断摸索与改进的过程,希望在此基础上我们不断总结工作中的得失,开创新的方法,培养更多具备创新精神、科学思维及实践动手能力的人才。

参考文献:

[1]马利刚,郑晓珂,赵乐,武慧敏,黄睿.中医院校研究生分子生物学课程实验设计探讨[J].中国西部科技,2014,13(11):99-100.

[2]李博伟,郦和生.分子生物学技术在水环境微生物研究中的应用[J].绿色科技,2014,(4):224-226.

[3]伏建国,刘金良,杨晓军,安榆林,骆嘉言.分子生物学技术应用于木材识别的研究进展[J].浙江农林大学学报,2013,30(3):438-443.

[4]龙华.分子生物学的发展[J].生物学通报,2005,40(5):58-60.

[5]郭燕,柳小青,马红梅,陈海婴.分子生物学在媒介生物研究中的应用[J].广东农业科学,2013,(9):155-158.

[6]中华人民共和国教育部“关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见”[Z].2007.

[7]曾文婕,黄甫全.课程改革与研究的新动向:彰显学习为本[J].课程教材教法,2013,33(7):3-10.

[8]刘智运.构建大学生研究性学习的新体系[J].教学研究,2006,29(5):377-383.

[9]罗星凯.实施科学探究性学习必须正视的问题[J].全球教育展望,2004,33(3):43-46.

[10]卢福芝.生物综合性实验教学研究与实践[J].科教文汇,2012,(4):106-108.

分子生物学的重要性范文12

关键词 手性分子;右旋氨基酸;D-构型;L-构型;螺旋构象

中图分类号 TN914 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)102-0200-02

1 生命是对称性自发破缺的反物理现象

对称性是基本的物理规律。然而,现实世界中对称性常常是破缺的:包括时间、空间、不同种类的力相互作用,不同种类的粒子相互作用,生物分子手性特征,以及整个复杂纷纭的生命世界都是对称性自发破缺的产物,也就是说生命现象归根结底就是对称性自发破缺的一种反物理现象。

2 四价碳元素形成错综复杂的手性分子

碳原子在形成有机分子的时候,一个碳原子可以与四个原子或基团,通过四根共价键形成三维的空间结构。由于相连的原子或基团不同,它会形成两种分子结构。这两种分子虽然从原子组成上来看是一模一样,但它们的空间结构是完全不同,这两种分子不管怎样旋转都不会重合,它们构成了实物和镜像的关系,人和照镜子中的人一样,也就像左手和右手那样的关系,称这两种分子具有手性,所以又叫手性分子。手性分子,是化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子。这两种分子拥有完全一样的物理、化学性质。但从组成分子的三维空间结构形状上来看,它们依然是两种分子。这种情形就像是镜子里和镜子外的物体那样,看上去互为对应。因此,这两种分子互为同分异构体,这种异构的形式成为手性异构,有R型和S型两类。

对手性的研究手性及手性物质只有两类:左手性和右手性。有时为了对比,另外加上一种无手性也称“中性手性”。左手性用learus或者L表示,右手性用dexter或者D表示,中性手性用M表示。

除了利用偏光照射所产生的角度偏差正负值相反外,对映异构体在化学特性、物理特性上大致相同。一个化合物的分子与其镜像不能互相叠合,则必然存在一个与镜像相应的化合物,这两个化合物之间的关系,相当于左手和右手的关系,即互相对映。这种互相对应的两个化合物成为对映异构体(enantiomers)。这类化合物分子成为手性分子(chiral molecule)。不具有对称面和对称中心的分子有一个重要的特点,就是实体和镜象不能重叠,镜面不对称性是识别手性分子与非手性分子的基本标志。

生物分子几乎都是有手性,即分子形式为右撇子和左撇子,也就是左旋分子或右旋分子。在法国生物学家巴斯德发现酒石酸晶体的镜像后就更激起了科学家的兴趣。然而,手性分子是如何形成的却一直让人迷惑不解。过去,生物化学领域趋向于认为,单一手性形式的分子合成通常从一开始就要利用手性本体,也就是说生物分子自身在催化着手性形式的形成。而且在一些化学反应中手性产物的形成进一步扩大了。2006年6月16日出版的英国《自然》刊发文章称,最近,美国研究人员发现,物质的固体相—液体相平衡可能参与了生物分子手性的形成。比如,氨基酸固相—液相的平衡,可以由刚开始时的小小的不平衡导致严重偏向一种手性形式,即左旋或者右旋。而这种现象出现在水溶液中,因而也可以解释生命起源以前的左手性和右手性,即为什么原先左、右手性分子数量相等的分子为何会转变成生物分子偏爱一种手性。而为什么生物世界中具有活性作用的分子常常是左旋?如左旋糖苷。

3 地球生命的产生和演变过程中偏爱左旋手性分子

生物体内一些分子单一手性的不对称性,正是生命力的体现。维持这种不平衡状态的是生物体内的酶,生物一旦死亡,酶便失去活力,造成左右不平衡的生物化学反应也就停止了。由此可见,生命与分子的不对称息相关。正如Hoffmann在其所著的The Same and Not the Same一书中提到的:生命活动依赖于分子的手性,构成生命体系生物大分子的基本单元如碳水化合物、氨基酸等大部分物质都是手性分子。许多生理现象的产生都源于分子手性的精确识别与严格匹配,手性的生物受体与客体的两个对应异构体以不同的方式相互作用。

生命往往只偏爱对一种手性分子,如地球上的生命偏爱糖为D-构型,氨基酸为L-构型,蛋白质和DNA的螺旋构象又都是右旋的。所以,当手性药物、农药等化合物作用于这个不对称的生物世界时,两个异构体表现出来的生物活性往往是不同的,甚至是截然相反的作用。手性是生命过程的基本特征,构成生命体的有机分子绝大多数都是手性分子。人们使用的药物绝大多数具有手性,被称为手性药物。手性药物的“镜像”称为它的对映体,两者之间在药力、毒性等方面往往存在差别,有的甚至作用相反。

二十世纪60年代,一种称为“反应停”的手性药物(一种孕妇使用的镇定剂,已被禁用)上市后导致1.2万名婴儿的生理缺陷,因为反应停的对映体具有致畸性。因此,能够独立地获得手性分子的两种不同镜像形态极为重要。作为生命的基本结构单元,氨基酸也有手性之分。也就是说,生命最基本的东西也有左右之分。惊人的发现:组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸,而没有右旋氨基酸,我们已经发现的氨基酸有20多个种类,除了最简单的甘氨酸以外,其它氨基酸都有另一种手性对映体。那么,是不是所有的氨基酸都是手性的呢?答案是肯定的,检验手性的最好方法就是,让一束偏振光?通过它,使偏振光发生左旋的是左旋氨基酸,反之则是右旋氨基酸。通过这种方法的检验,人们发现了一个令人震惊的事实,那就是除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量的右旋氨基酸之外,组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸,而没有右旋氨基酸。这也不难理解,比如目前机械工业,绝大多数机器设备安装使用顺时针(右旋)螺丝螺母,但有些特殊零部件使用了反时针(左旋)螺丝和螺母。

地球上活体生物对左旋手性分子的偏爱,就像我们目前世界上机械工业普遍偏爱使用顺时针(右旋)螺丝和螺母一样。假如世界上诞生的第一台机器所采用的螺丝螺母的螺纹是采用逆时针的话,那么,我们今天的机械工业就会普遍使用(左旋)螺丝和螺母,而所有的机器设备的功能作用与目前世界上机械设备还是一样,只不过所有机器零部件的螺旋全都相反而已。也就是说,假如某个星球上诞生的第一个生命细胞的“糖为L-构型,氨基酸为D-构型,蛋白质和DNA的螺旋构象为左旋作为的游戏规则”。那么那个星球上演化出来的所有生物手性分子刚好与地球上的相反,那个星球上生物界具有生物活性作用的分子常常是右旋,如右旋糖苷。那个星球上照样能够演绎着五彩缤纷的生命世界。可是,假如有一天人类通过宇宙飞船登上了那个“生命偏爱右旋分子”的星球,即使那个星球上所有的气候环境,物理条件跟地球上完全一致,人类也是无法在那个星球上生存。因为,那个星球上无法找到人类所需要的食物,组成那个星球所有动物的肉类,所有植物的水果、根茎、种子的分子“手性”与我们地球上的刚好是相反,它们对于我们地球上的生命来说,是不可以利用“废物”,甚至是“毒物”。

4 右旋分子往往是地球上生命的克星

因为地球上生物是由左旋氨基酸组成的生命体,它不能很好地代谢右旋分子,所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担,甚至造成对生命体的损害。

在手性药物未被人们认识以前,欧洲一些医生曾给孕妇服用没有经过拆分的消旋体药物作为镇痛药或止咳药,很多孕妇服用后,生出了无头或缺腿的先天畸形儿,有的胎儿没有胳膊,手长在肩膀上,模样非常恐怖。仅仅4年时间,世界范围内诞生了1.2万多名畸形的“海豹婴儿”。这就是被称为“反应停”的惨剧。后来经过研究发现,反应停的R-体有镇静作用,但是S-对映体对胚胎有很强的致畸作用。

正是有了60年代的这个教训,所以现在的药物在研制成功后,都要经过严格的生物活性和毒性试验,以避免其中所含的另一种手性分子对人体的危害。在化学合成中,这两种分子出现的比例是相等的,所以对于医药公司来说,他们每生产一公斤药物,还要费尽周折,把另一半分离出来。如果无法为它们找到使用价值的话,它们就只能是废物。在环境保护法规日益严厉的时代,这些废品也不能被随意处置,考虑到可能对公众健康产生的危害,这些工业垃圾的处理也是一笔不小的开支。因此,医药公司急切地寻找一种方法来解决这个问题,比如,他想要左旋分子,那么他就得想办法把另一半右旋分子转化成左旋分子。现在,这个令人头痛的问题已经得到了解决。科学家用一种叫做“不对称催化合成”的方法解决了这一问题。这个方法可以广泛地应用于制药、香精和甜味剂等化学行业,给工业生产一下子带来了巨大的好处,这项研究也获得了2001年度的诺贝尔化学奖。毫无疑问,这个成果具有重要意义。

我们知道,在自然界的各个方面,尤其是物理和化学中,都广泛地存在着许多对称的概念:带负电的电子与带正电的反电子,磁场的南极和北极,以及化学中的分解和合成反应。就连遥远的河外星系也存在着正旋和逆旋的旋涡结构。科学家们不禁感到疑惑:这是否在提示我们在宇宙中存在着一种奇特的普适性的对称规律?看来,手性真是一种奇妙的东西,手性的氨基酸甚至决定着我们这个世界存在的方式,对手性的研究,在造就工业奇迹的同时,也启发了我们对地球生命起源新的认识,甚至对宇宙起源的重新认识。地球上没有找到右旋氨基酸的生命,但是,按照手性的原则,漫漫的宇宙中确实是可能存在右旋氨基酸的生命,甚至,有智慧的右旋氨基酸的生命。

参考文献

[1]赵树磊.生物手性分子螺旋结构与旋光性的理论研究[D].曲阜师范大学,2009年硕士学位论文.

[2]手性分子螺旋结构与旋光度的理论研究[D].曲阜师范大学,2006年硕士学位论文.

[3]黄梅芳,刘朋生.旋光性高分子的合成研究之进展[J].湘潭大学社会科学学报,2002,26(z1).

[4]冯锋.甲基取代的手性环酯化合物的螺旋结构与旋光性分析[J].高等学校化学学报,2004,25(01).