沪科教版普通高中教科书·生物学选择性必修3 生物技术与工程.pdf
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1、上海科技教育出版社生物学普通高中教科书生物技术与工程选择性必修 3编写人员名单主 编 张新时 执行主编 张可柱 分册主编 何兴明 石 建编著者(以姓氏笔画为序)汤 洋 汪绍鑫 陈 亮 郑达钊赵广宇 唐志哲 梁江遊 彭小敏 熊 硕审 读 王仁卿 李文军“葡萄美酒夜光杯,欲饮琵琶马上催。”“兰陵美酒郁金香,玉碗盛来琥珀光。” 唐朝诗人这些充满豪情的诗句,说明唐代的酒文化已经相当发达。我国先民早在 4000 年前的龙山文化时期就掌握了发酵酿酒技术,至少在 3000年前的周朝,人们就已在利用微生物发酵制取酱、豉和醋。古老的酿造技术只能利用天然的发酵过程为人类服务,而现代生物技术与工程则可以按需改造现有
2、的生物,甚至创造出全新的生物类型。20 世纪 70 年代以后,发酵工程、细胞工程、基因工程等取得了突飞猛进的发展。例如,现代生物技术开始利用生物芯片等寻找致病基因,甚至能采取基因治疗手段,为根治疾病带来了希望;基因工程和细胞工程应用于农作物技术,能够带来抗虫害、 抗冻和改善作物品质等益处, 还能使高品质经济植物的产量得到极大提升;此外, 工业菌种发酵工程已替代了一些传统化工工艺, 开启新型绿色工业之门。现在,现代生物技术与工程已经广泛应用于工业、农牧业、医药、环保等方面,产生了巨大的经济效益和社会效益。但与此同时,现代生物技术与工程产生的伦理问题和安全问题,也给人类社会带来了前所未有的冲击和挑
3、战。本模块是高中生物学选择性必修 3生物技术与工程,包括发酵工程、细胞工程、基因工程以及现代生物技术安全与伦理。同学们通过学习,可加深对必修内容的理解,并在动手实践中了解生物技术与工程的基本原理、获得基本知识,同时理解必须在法律和伦理的约束下,以人类需求为目标进行产品开发,进而推动生物学不断进步,提高人类生活质量。为了大家更好地学习,这一模块精心设立了如下栏目:致 同 学 们章首页 精美的图片和富有深意的章引言,让同学们带着问题出发,逐步学习一章的主要内容;以时间轴形式呈现的科学史,一目了然地呈现与本章学习内容有关的重要科学发现。第三章 基因工程赋予生物新的遗传特性70第三章 基因工程赋予生物
4、新的遗传特性“炎黄子孙”是海内外华人引以为荣的自我称谓,炎帝和黄帝并称中华始祖,关于他们的神话传说很多。相传黄帝统一天下后,他看见一只带有五彩翎毛的大鸟在天空翱翔,数不清的奇珍异鸟围着它翩翩起舞,这就是我国家喻户晓的古代传说“百鸟朝凤”。据尔雅释鸟所记载,凤凰形体为“鸡头、蛇颈、燕颔、龟背、鱼尾、五彩色,高六尺许”。凤凰是祥瑞、和谐的象征,是华夏民族的精神图腾。虽然具有多种动物特征的凤凰只存在于传说之中 , 但是现在科学家运用基因工程技术,确实能将一种生物的基因转入另一种生物体内,并使后者表现出原本不具有的特殊性状。怎样才能实现基因在不同物种之间转移和表达?这种新技术将对生命世界带来哪些奇妙的
5、变化?百鸟朝凤图卷局部图 (清 沈铨)1956 年科恩伯格实现DNA 的体外复制1972 年伯格实现DNA 的体外重组1973 年科恩和博耶实现外源基因的复制和表达1978 年史密斯发明寡核苷酸定点诱变技术1983 年穆利斯发明聚合酶链式反应技术1983 年植物转基因技术取得重大进展1989 年卡佩奇等创立小鼠的基因打靶技术70阅读空间 提供一些趣味性的自主阅读资料,既与正文相呼应,又引领同学们将学习与生活实际密切联系。阅读空间视野拓展视野拓展 包括时代亮点、历史长河、榜样人物、科学生活和绿色视野等,展现与本章内容有关的最新研究进展,回顾重大历史发现,介绍榜样人物的高贵品质,为同学们提供更多的
6、学习意义启发。学业要求 聚焦生物学大概念,关注生物学学科核心素养,以表格的形式,简洁明了地将本章有关的课程标准内容要求和活动要求按一定逻辑呈现出来,有助于同学们将学习内容结构化联结, 以提升本章内容学习水平。学业要求思维训练 通过模型建构、曲线解读等形式,认识事物,探讨、阐释生命现象及其规律,进一步发展科学思维。思维训练课题研究课题研究 通过一个探究实验、调查研究活动或者模型制作活动等项目实现任务驱动,引领全章内容的学习。学业检测 每节正文之后,以核心素养为指向,围绕本节内容精心设计一组自评自测题,促进学习目标内化和巩固,便于同学们自我反馈、自我评价、主动发展。学业检测探究活动 通过实验探究、
7、资料探究、社会考察、经典再现、模型建构、方案设计、观点碰撞等形式引领同学们针对特定的主题进行观察提问、实验设计、方案实施、分析讨论,逐步增强对自然现象和社会现实的好奇心与求知欲,掌握科学探究的基本思路和方法,培养主动学习与思考的品质。探究活动第一章 发酵工程利用微生物进行规模化生产2课题研究尝试培养微生物 3第一节 无菌技术和制备培养基是培养微生物的基础 4 一、防止杂菌污染的技术 4 二、配制适合微生物生长繁殖的营养基质 6第二节 获取纯净的微生物培养物10 一、从微生物群体中分离出目标微生物10 二、培养特定微生物群体11第三节 测定微生物的数量16 一、间接计数法16 二、直接计数法20
8、第四节 发酵工程为人类提供多样的生物产品22 一、运用传统发酵技术生产食品22 二、利用发酵技术工业化生产产品25第二章 细胞工程通过细胞水平的操作获得产品32课题研究观察多肉植物的叶插繁殖过程33第一节 植物细胞工程包括组织培养和体细胞杂交等技术34 一、组织培养技术将外植体培育成新植株 34 二、体细胞杂交技术使两种细胞融合育出新植株40 三、植物细胞工程的应用提高了生产效率41第二节 动物细胞培养是动物细胞工程的基础44 一、动物细胞培养经历原代培养和传代培养44 二、动物细胞培养需要适宜的外部条件45目 录C O N T E N T S第三节 利用动物细胞融合技术可制备单克隆抗体50
9、一、细胞融合技术使不同细胞结合成一个细胞50 二、细胞融合技术是单克隆抗体制备的重要技术 51第四节 核移植和干细胞技术具有广阔的应用前景55 一、核移植技术可实现动物体细胞核的全能性55 二、干细胞技术的发展和应用58第五节 胚胎工程可处理早期胚胎获得目标个体62 一、胚胎形成经过了受精及早期发育等过程62 二、胚胎工程有广阔的应用前景65第三章 基因工程赋予生物新的遗传特性 70课题研究模拟DNA分子的剪切和拼接 71第一节 基因工程是一种重组 DNA 技术 72 一、生物科学与技术的发展催生了基因工程72 二、重组 DNA 技术需要三种基本工具 73 三、基因工程的基本操作程序74第二节
10、 基因工程的广泛应用改善了人类的生活品质80 一、基因工程赋予农作物新的优良性状80 二、基因工程在畜牧业、渔业上应用前景广阔 83 三、基因工程在医学领域贡献巨大84第三节 蛋白质工程是基因工程的延伸88 一、根据基因工程原理设计和改造蛋白质88 二、蛋白质工程可改变蛋白质的性状和功能91第四章 现代生物技术引发的安全与伦理思考96课题研究调查消费者对转基因产品的了解和接受程度97第一节 转基因产品的安全性引发广泛关注 98 一、转基因产品引发安全争议98 二、努力保障转基因产品的安全 100第二节 世界范围内应全面禁止生物武器 104 一、生物武器对人类造成威胁与伤害 104 二、生物武器
11、比常规武器更具危害性 105 三、针对生物武器的特点进行防护 107 四、我国反对生物武器及其技术和设备的扩散 108第三节 关注生物技术带来的伦理问题 110 一、生殖性克隆人引发伦理风波 110 二、我国禁止任何生殖性克隆人实验 112 三、其他生物技术也面临诸多伦理问题 113附录一 实验室规则116附录二 部分培养基配方117附录三 现场救护的基本原则119第一章 发酵工程利用微生物进行规模化生产 从繁华的都市到苍凉的沙漠,从生机勃勃的热带雨林到人迹罕至的北极冰川,从空气稀薄的高空到压力巨大的深海,从生物的体表到体内,处处都有微生物的踪迹。这些人类肉眼看不见的生命在地球的物质循环和能量
12、流动中,起着不可或缺的作用。人类文明发展的历史也与微生物息息相关,人们利用微生物获得酒、醋、面包等食物以及抗生素等多种药物,同时微生物也给人类带来麻烦甚至灾难。显微镜的问世,开启了人类认知微生物世界的大门,巴斯德(L. Pasteur)的实验奠定了现代微生物学的基础,使人类逐步认识并利用微生物。如今,微生物学与现代工程技术相结合发展为发酵工程,使传统发酵技术迈上了一个新的台阶,在修复环境、开发新能源和保障人类健康等方面发挥着无可替代的作用。那么,如何在实验室培养出所需的微生物?如何利用这些微生物的特定功能,规模化生产出对人类有用的产品呢?约公元前 6000 年早期酿酒工艺出现公元 533544
13、 年贾思勰著齐民要术公元 640 年马奶葡萄和葡萄酒酿制技术传入中原地区18571885 年巴斯德创立细菌学说1872 年 科 恩细菌研究出版1982 年沃伦和马歇尔发现幽门螺杆菌可致胃病21. 以表格、照片和观察日志等方式展示实验结果。2. 请教老师或专业人员,初步鉴定所培养微生物的种类。3. 比较来自不同环境中的微生物,其种类是否有差异。课题研究提出问题制订并实施研究计划成果交流 确定获取微生物的场所(如土壤、空气等)。 设计恰当的方法,将环境中的微生物转移至“皮冻”。 将含有微生物的 “皮冻” 放置在适宜的环境中, 持续一定时间。2. 怎样获取环境中的微生物? 查阅培养微生物的营养基质的
14、种类。 查阅营养基质“皮冻”的制作方法。 购买相关材料自制“皮冻”。1. 怎样制作营养基质?图 1-1 “皮冻”上的微生物群体怎样制作营养基质,培养出肉眼可见的微生物群体?尝试培养微生物从居住在人体肠道内,能为人类提供多种营养物质的益生菌群,到环伺在人体周围,随时会侵入人体兴风作浪的有害微生物,人们天天都在和微生物打交道。但由于微生物个体实在太小,人们往往无法感知它们的存在 , 只有借助显微镜才能目睹其真容。如果一个或几个微生物通过繁殖形成的成千上万甚至数百万个微生物聚集在一起,就能成为肉眼可见的“庞大”群体,便于人们开展研究。 查阅资料,明确判断微生物群体特征的方法。 观察“皮冻”表面是否出
15、现微生物。 如果出现微生物,观察其中微生物群体的特点。 依据微生物的群体特征,设计表格进行记录。3. 如何进行观察记录 ?3第一章 发酵工程利用微生物进行规模化生产4100 多年前,伤口感染曾是外科医生面临的难题之一。如今,为防止病人在手术时被病菌感染,手术前需要对手术室进行灭菌和消毒,手术中使用的各种手术器械、用品也必须经过灭菌处理, 连病人和医生也要进行消毒 (图1-2) 。那么,除了医疗卫生领域外,还有哪些领域需要进行灭菌和消毒呢?人们是如何进行灭菌和消毒的? 一、防止杂菌污染的技术微生物(microorganism)是肉眼看不见或者看不清的微小生物的总称,包括病毒、细菌、放线菌、真菌等
16、。在自然环境中,微生物种类繁多、分布广泛。它们可以通过多种方式传播到生物体或者食物等基质上。如果要创造一个没有外来杂菌干扰的环境,就需要通过灭菌和消毒等技术来消除这些微生物。在微生物研究、医疗操作、食品生产中采取的防止其他微生物污染的技术, 就是无菌技术 (aseptic technique)。 灭菌方法灭菌(sterilization)是指用强烈的理化因素杀死环境或物体内外所有的微生物,使微生物永远丧失其生长繁殖能力,常用的是高温灭菌法、紫外线灭菌法等物理灭菌法。在微生物培养中,针对不同的实验用品需采用不同的灭菌方法。最常用的是高压蒸汽灭菌法(high pressure steam ster
17、ilization),将待灭菌的物品放入高压蒸汽灭菌锅(图 1-3)中,通过加热使蒸汽压达到0.1MPa、 温度为121时,维持 2030min,即可达到灭菌目的,此法适用于培养基、无菌水、工作服、玻璃器皿等物品的灭菌。培养皿等玻璃器皿也可采用在 160180的灭菌烘箱中放置 2h,利用热空气进行灭菌;图 1-2 手术前的消毒图 1-3 高压蒸汽灭菌锅第一节 无菌技术和制备培养基是培养微生物的基础5第一节 无菌技术和制备培养基是培养微生物的基础像接种环、接种针、镊子等金属用具,以及玻璃试管口、瓶口等适用于火焰灼烧灭菌。热空气灭菌、灼烧灭菌均属于干热灭菌法(dry heat sterilizat
18、ion)。高压蒸汽灭菌法和干热灭菌法都是利用高温使微生物细胞内的蛋白质等活性物质变性,从而使微生物丧失活性,达到灭菌的目的。针对无菌室和超净工作台等物体表面的灭菌,通常采用紫外线灭菌法(ultraviolet sterilization)。消毒方法 消毒(disinfection)是指用化学、物理、生物等方法消除或杀灭外界环境中的致病微生物的措施。煮沸消毒法是最常用的消毒方法,它是针对某些实验器具、餐具、饮用水等,采用在 100煮沸 510min 的方法,达到消毒的目的。巴氏消毒法是指利用低于 100的热力杀灭微生物的湿热消毒方法,广泛应用于牛奶、啤酒、人乳及婴儿合成食物等不能进行高温灭菌的液
19、体的消毒。例如,将牛奶在 6265下维持 30min 消毒,可保证牛奶食用安全,且不失原本风味。还有化学药剂消毒法,如采用碘酒、 体积分数为70%的酒精、 双氧水、 来苏尔等化学药剂,对实验室的空间、操作台表面、实验人员的工作服与手等进行消毒。防 腐在微生物的研究和应用中,控制有害微生物的措施除了灭菌、消毒外,还有防腐。防腐是利用某种理化因素完全抑制微生物的生长、繁殖,以防止食品、生物制品等发生腐败的措施。防腐的方法很多,原理有所不同。1. 低温:利用 4以下的低温保存食物、生化试剂、生物制品、菌种等。2.缺氧:利用抽真空、 充氮或二氧化碳等方法, 防止食品、 粮食等变质, 达到保鲜的目的。3
20、. 干燥:采用晒干、烘干等干燥方法对粮食、食品等进行干燥保藏。4. 高渗:通过盐腌和糖渍等高渗措施保存食物。5. 高酸度:利用乳酸菌发酵产生乳酸,借助其酸度达到抑制杂菌、防止腐败变质的目的。6. 高醇度:利用白酒、黄酒保存食品。7. 防腐剂:在需要保存的对象中,加入适量的苯甲酸、乙二酸、山梨酸等防腐剂,以达到防止腐败变质的目的。阅读空间第一章 发酵工程利用微生物进行规模化生产6实验探究配制培养基由于不同微生物的营养方式存在差异、实验研究的目的不尽相同,实验室配制的培养基营养成分、物理状态是不一样的。尽管配制的培养基类型不同,但是,配制的基本方法和操作步骤是基本相同的。目的要求1. 运用培养基配
21、制的原理与方法,配制马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)培养基,为酵母菌的纯化培养做准备。2. 使用不同的无菌技术,完成培养基配制。材料器具 去皮马铃薯、葡萄糖、琼脂、蒸馏水,滤纸、天平、药匙、纱布、量筒、搪瓷杯、玻璃棒、电磁炉、锥形瓶、棉塞、高压蒸汽灭菌锅、酒精灯、培养皿。活动程序1. 配制培养基原料称量、溶解 根据培养基的配方,准确称取各原料成分(图 1-4 )并置于搪瓷杯中,加入适量蒸馏水,在电磁炉上边加热边搅拌(图 1-4 ),以防琼脂糊底或溢出,直至琼脂完全溶解,然后加蒸馏水至 1000mL(PDA 培养基的原料称量、溶解步骤见附录二)。调节 pH 配制培养基时,需要根据微生物的类群调节 pH
22、。一般来说 , 细菌适合于中性环境,放线菌适合于偏碱性环境,而酵母菌和霉菌适合于微酸性环境。先用精密 pH 试纸测定培养基的原始 pH,再滴加 1mol/L 的 NaOH 或盐酸溶液,边滴加边搅拌,并随时用 pH 试纸测试,直至达到所需 pH。分装、包扎 将配制好的培养基分装到锥形瓶内(不超过其容积一半为宜);用棉塞塞紧,棉塞外包一层牛皮纸或旧报纸(图 1-4 )。用记号笔注明名称、组别、日期。 二、配制适合微生物生长繁殖的营养基质微生物需要从生活环境中获取各种营养物质,以维持自身的生命活动。微生物代谢方式不同,因而对营养物质的需求也有差异。在培养微生物时,可根据微生物生长繁殖和代谢的需要,将
23、各种营养物质混合在一起,配制成适合微生物生长、繁殖和产生代谢产物的营养基质培养基(culture medium)。7灭菌 将洗净晾干的培养皿,用旧报纸进行包扎,每包 610 套,与配制的培养基一起放置于高压蒸汽灭菌锅中,121灭菌 20min。2. 倒平板倒平板前,实验操作人员先洗手,再用体积分数为 70% 的酒精消毒。用紫外线照射无菌室或者超净工作台,灭菌 2030min,或用 70% 的酒精擦拭超净工作台表面。 倒平板的全过程需要在酒精灯火焰旁的无菌区进行操作。待培养基冷却至 50左右时,右手持装有培养基的锥形瓶,在酒精灯火焰旁拔出棉塞(图 1-4 )。 右手拿锥形瓶,瓶口通过火焰,灼烧灭
24、菌(图 1-4 )。左手持培养皿,将皿盖打开一条缝。右手将锥形瓶中的培养基约 15mL 倒入培养皿(图1-4 )。立即盖上培养皿盖,待培养基冷却至凝固后,倒置平板备用。 称量 溶解 分装 拔出棉塞 灼烧灭菌 倒平板图 1-4 制备培养基分析讨论 1. 培养基配制后为什么要立即进行灭菌?2. 已灭菌的培养基如何进行无菌检查?3. 灭菌后制成的培养基为什么要及时使用?第一节 无菌技术和制备培养基是培养微生物的基础第一章 发酵工程利用微生物进行规模化生产8微生物的营养要素主要作用碳源(carbon source)能够提供微生物生长繁殖所需碳元素的营养来源。氮源(nitrogen source)能够提
25、供微生物生长繁殖所需氮元素的营养来源。能源(energy source)能够为微生物生命活动提供最初能量来源的营养物质。生长因子(growth factor)对调节微生物正常代谢必需的、不能用简单的碳源和氮源自行合成的微量有机物,如维生素、含氮碱基等。无机盐(mineral salts)为微生物提供除碳源、氮源以外的其他各种重要元素。水微生物最基本的营养要素,在微生物生存中起重要作用。配制培养基时,除满足微生物所需的营养物质外,还要有适宜的 pH 和渗透压。同时,还要根据研究目的的差异,配制不同物理状态的培养基。培养基按照其物理状态划分, 可分为液体培养基 (liquid medium)、固体
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