還原高考試題中的現(xiàn)代生物科學(xué)技術(shù)

王永田

(山東省費(fèi)縣教育局教科研中心 臨沂 273400)

《考試大綱》要求生物學(xué)學(xué)科命題要“在生物科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、科學(xué)探究的方法、分析和解決實(shí)際問題的能力等方面進(jìn)行測(cè)量”“要重視理論聯(lián)系實(shí)際，關(guān)注科學(xué)技術(shù)”[1]?？茖W(xué)技術(shù)推動(dòng)著生物學(xué)研究不斷取得新的成果，是高考命題取材的重要來源。因此，還原高考試題中的現(xiàn)代生物科學(xué)技術(shù)，采取相應(yīng)措施，可以提高教學(xué)的針對(duì)性。

1 定量細(xì)胞化學(xué)分析與細(xì)胞分選技術(shù)——流式細(xì)胞術(shù)

1.1 流式細(xì)胞術(shù)原理 流式細(xì)胞術(shù)可定量地測(cè)定某一細(xì)胞中的DNA、 RNA或某一特異的標(biāo)記蛋白的含量，以及細(xì)胞群體中上述成分含量不同的細(xì)胞的數(shù)量。

將細(xì)胞群體分散后對(duì)待測(cè)的某種成分進(jìn)行特異的熒光染色，然后將懸液中的細(xì)胞快速通過流式細(xì)胞儀。當(dāng)含有單個(gè)細(xì)胞的液滴通過激光束時(shí)，帶有不同熒光的細(xì)胞所在液滴被充上正電荷、負(fù)電荷，或不被充電，同時(shí)檢測(cè)器可測(cè)出并記錄每個(gè)細(xì)胞中的待測(cè)成分的含量。因細(xì)胞所帶電荷的種類不同，當(dāng)液滴通過高壓偏轉(zhuǎn)板時(shí)，帶有不同電荷的液滴偏轉(zhuǎn)到不同位置，從而達(dá)到將細(xì)胞分選的目的[2]。

1.2 高考試題中的流式細(xì)胞術(shù) 例1(2015年北京卷·3題·6分)流式細(xì)胞儀可根據(jù)細(xì)胞中DNA含量的不同對(duì)細(xì)胞分別計(jì)數(shù)。研究者用某抗癌物處理體外培養(yǎng)的癌細(xì)胞。24 h后用流式細(xì)胞儀檢測(cè)，結(jié)果如圖1。對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析不正確的是(C)。

A. b峰中細(xì)胞的DNA含量是a峰中的2倍

B. a峰和b峰之間的細(xì)胞正進(jìn)行DNA復(fù)制

C. 處于分裂期的細(xì)胞均被計(jì)數(shù)在a峰中

D. 此抗癌藥物抑制了癌細(xì)胞DNA的復(fù)制

圖1 流式細(xì)胞儀的檢測(cè)結(jié)果

解析： 本題以流式細(xì)胞術(shù)為背景，考查了細(xì)胞增殖過程中DNA的數(shù)量變化和細(xì)胞癌變的有關(guān)知識(shí)。由圖1可知，在b峰、a峰中細(xì)胞的DNA相對(duì)含量分別為80、40；在a峰與b峰之間細(xì)胞內(nèi)的DNA在逐漸增加，說明正進(jìn)行著DNA分子的復(fù)制；在實(shí)驗(yàn)組中，a、 b峰之間細(xì)胞數(shù)量明顯減少，說明該藥物對(duì)癌細(xì)胞DNA復(fù)制有抑制作用；在細(xì)胞分裂期的前、中、后三個(gè)時(shí)期的細(xì)胞應(yīng)位于b峰，而末期的細(xì)胞應(yīng)位于a峰處。

1.3 拓展延伸 試題圖中出現(xiàn)了DNA含量低于40或高于80的部分細(xì)胞，為什么？細(xì)胞死亡，統(tǒng)計(jì)誤差，還是細(xì)胞融合了？都不是，這與細(xì)胞培養(yǎng)有關(guān)。原代培養(yǎng)的細(xì)胞一般傳至10代左右就不易傳下去了，極少數(shù)細(xì)胞可能度過危機(jī)后又可順利地傳40～50代，并且仍保持原來染色體的二倍體數(shù)量及接觸抑制的行為，這種傳代細(xì)胞稱為細(xì)胞系。當(dāng)細(xì)胞系傳至50代以后又要出現(xiàn)危機(jī)難以再傳下去，部分細(xì)胞發(fā)生了遺傳突變，并使其帶有癌細(xì)胞的特點(diǎn)，有可能在培養(yǎng)條件下無限制地傳代培養(yǎng)下去，這種傳代細(xì)胞稱為永生細(xì)胞系或連續(xù)細(xì)胞系。該細(xì)胞系的特點(diǎn)是染色體明顯改變，一般呈亞二倍體或非整倍體，因此出現(xiàn)了低于a峰和高于b峰的曲線，如HeLa細(xì)胞系。拓展延伸的過程，既是對(duì)高考題的二次運(yùn)用，也是以科學(xué)技術(shù)為載體訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維的過程。

2 細(xì)胞周期同步化技術(shù)

2.1 細(xì)胞周期同步化的原理 在一般培養(yǎng)條件下，群體中的細(xì)胞處于不同的細(xì)胞周期時(shí)相之中。為了研究某一時(shí)相細(xì)胞的代謝、增殖、基因表達(dá)或凋亡，常需采取一些方法使細(xì)胞處于細(xì)胞周期的同一時(shí)相，這就是細(xì)胞同步化技術(shù)。選用DNA合成抑制劑可逆地抑制S期細(xì)胞DNA合成而不影響其他細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)，最終可將細(xì)胞群體阻斷在G1/S期交界處；一些抑制微管聚合的藥物，因抑制有絲分裂紡錘體的形成和功能行使，可將細(xì)胞阻斷在有絲分裂中期，使細(xì)胞同步于M期[2]。

2.2 高考試題中的細(xì)胞周期同步化技術(shù) 例2(2017全國(guó)Ⅲ卷·29題·8分)利用一定方法使細(xì)胞群體處于細(xì)胞周期的同一階段，稱為細(xì)胞周期同步化。以下是能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞周期同步化的三種方法?；卮鹣铝袉栴}：

(1) DNA合成阻斷法： 在細(xì)胞處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的培養(yǎng)液中添加適量的DNA合成可逆抑制劑，處于 期的細(xì)胞不受影響而繼續(xù)細(xì)胞周期的運(yùn)轉(zhuǎn)，最終細(xì)胞會(huì)停滯在細(xì)胞周期的_______期，以達(dá)到細(xì)胞周期同步化的目的。

(2) 秋水仙素阻斷法： 在細(xì)胞處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的培養(yǎng)液中添加適量的秋水仙素，秋水仙素能夠抑制__________，使細(xì)胞周期被阻斷，即可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞周期同步化。經(jīng)秋水仙素處理的細(xì)胞 (填“會(huì)”或“不會(huì)”)被阻斷在間期。

(3) 血清饑餓法： 培養(yǎng)液中缺少血清可以使細(xì)胞周期停滯在間期，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞周期同步化，分裂間期的特點(diǎn)是 (答出1點(diǎn)即可)。

解析： (1)DNA復(fù)制發(fā)生在細(xì)胞分裂間期；DNA合成被阻斷后，分裂期不受影響，分裂間期受影響。最終細(xì)胞會(huì)停滯在細(xì)胞周期的間期。(2)秋水仙素通過抑制紡錘絲的形成來使染色體數(shù)目加倍，而紡錘絲形成于有絲分裂前期，經(jīng)秋水仙素處理的細(xì)胞不會(huì)被阻斷在間期。(3)分裂間期的特點(diǎn)是進(jìn)行DNA的復(fù)制和有關(guān)蛋白質(zhì)的合成，為分裂期做物質(zhì)準(zhǔn)備。

參考答案： (1)分裂、間(或答： S)；(2)紡錘體形成、不會(huì)；(3)完成DNA復(fù)制和有關(guān)蛋白質(zhì)的合成，為分裂期準(zhǔn)備物質(zhì)。

2.3 突破概念 有絲分裂是一個(gè)重要的核心概念，圍繞各個(gè)時(shí)期DNA、染色體、紡錘體等的變化規(guī)律和異常變化進(jìn)行命題，是一個(gè)高頻考點(diǎn)。細(xì)胞的生命活動(dòng)離不開多種物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，控制了一個(gè)環(huán)節(jié)就會(huì)影響整體的功能，細(xì)胞周期同步化是一個(gè)典型的“通過異?？颊！钡膶?shí)例。常見的還有突變體制備技術(shù)，主要從RNA與DNA兩個(gè)層次上進(jìn)行。在RNA水平上主要是RNA干擾方法，使mRNA無法翻譯成相關(guān)的蛋白質(zhì)，在mRNA層面上阻斷對(duì)應(yīng)基因的功能，達(dá)到制備基因突變體的目的；而基因敲除則是在DNA水平制備突變體的一種方法。此外，還涉及多種基因控制一種性狀、HIV侵染T細(xì)胞、細(xì)胞分化等知識(shí)。通過這類知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)核心概念的理解，特別是培養(yǎng)結(jié)構(gòu)和功能觀、物質(zhì)和能量觀，進(jìn)而培養(yǎng)生命觀念。

3 特異蛋白抗原的定位與定性——免疫熒光技術(shù)

3.1 免疫熒光技術(shù) 免疫熒光技術(shù)就是將免疫學(xué)方法(抗原—抗體特異結(jié)合)與熒光標(biāo)記技術(shù)相結(jié)合用于研究特異蛋白抗原在細(xì)胞內(nèi)分布的方法。實(shí)驗(yàn)步驟是： 先將已知的抗原或抗體標(biāo)記上熒光素制成的熒光標(biāo)記物，再用這種熒光抗體(或抗原)作為分子探針檢查細(xì)胞或組織內(nèi)的相應(yīng)抗原(或抗體)。抗原抗體復(fù)合物上含有熒光素，利用熒光顯微鏡觀察標(biāo)本，可以看見熒光所在的細(xì)胞或組織，從而確定抗原或抗體的性質(zhì)和定位[2]。

3.2 高考試題中的免疫熒光技術(shù) 例3(2014年北京卷·30題·16分)擬南芥的A基因位于1號(hào)染色體上，影響減數(shù)分裂時(shí)染色體交換頻率，a基因無此功能；B基因位于5號(hào)染色體上，使來自同一個(gè)花粉母細(xì)胞的四個(gè)花粉粒分離，b基因無此功能。用植株甲(AaBB)與植株乙(AAbb)作為親本進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)，在F2中獲得了所需植株丙(aabb)。

(1)～(3)題略。

(4) 雜交前，乙的1號(hào)染色體上整合了熒光蛋白基因C、 R。兩代后，丙獲得C、 R基因(圖2)。帶有C、 R基因的花粉粒能分別呈現(xiàn)出藍(lán)色、紅色熒光。①丙獲得了C、 R基因是由于它的親代中的_________在減數(shù)分裂形成配子時(shí)發(fā)生了染色體交換。②丙的花粉母細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂時(shí)，若染色體在C和R基因位點(diǎn)間只發(fā)生一次交換，則產(chǎn)生的四個(gè)花粉粒呈現(xiàn)出的顏色分別是__________。

圖2 熒光標(biāo)記的擬南芥雜交實(shí)驗(yàn)示意圖

解析： 本題考查了減數(shù)分裂過程中同源染色體聯(lián)會(huì)時(shí)的交叉互換及其應(yīng)用。①親代乙中C、 R基因與A基因位于1號(hào)染色體上。故減數(shù)第一次分裂前期，同源染色體的非姐妹染色單體部分片段互換，致使C、 R在F2中與a基因位于1號(hào)染色體上。所以，丙獲得C、 R基因是由于F1在減數(shù)分裂形成配子時(shí)，發(fā)生了交叉互換。②丙的花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí)，若染色體在C和R基因位點(diǎn)間只發(fā)生一次交換，則產(chǎn)生4種花粉粒： aC、 aR，以及交換產(chǎn)生的aCR、 a。花粉粒的顏色則是： 紅色、藍(lán)色、紫色、無色。

參考答案： (4)①父本和母本；②藍(lán)色、紅色、藍(lán)和紅疊加色、無色。

3.3 觸類旁通——區(qū)別熒光標(biāo)記與同位素標(biāo)記 熒光標(biāo)記與同位素標(biāo)記是學(xué)生容易混淆的技術(shù)。熒光標(biāo)記技術(shù)是利用熒光蛋白或熒光蛋白基因作為特定的標(biāo)志物對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記的分析方法。例如，人鼠細(xì)胞膜融合證明細(xì)胞膜的流動(dòng)性，熒光鼠的培育與基因定位等。而同位素標(biāo)記法也稱為同位素示蹤法，是用示蹤元素標(biāo)記化合物，根據(jù)特定化合物的放射性或質(zhì)量差別，對(duì)一系列化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行追蹤的分析方法。例如，在“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”中，利用35S和32P分別標(biāo)記噬菌體外殼和DNA，證明進(jìn)入大腸桿菌的是DNA；用18O標(biāo)記水和碳酸氫鹽，證明光合作用放出的氧氣來自水等[3]。經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法不僅是利用了當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)，更重要的是體現(xiàn)了科學(xué)思維——取材恰當(dāng)、巧妙設(shè)計(jì)、嚴(yán)謹(jǐn)論證等，引導(dǎo)學(xué)生在此基礎(chǔ)上模仿設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，會(huì)收到觸類旁通的效果[4]。

4 細(xì)胞內(nèi)特異核酸的定位與定性——原位雜交技術(shù)

4.1 原位雜交技術(shù) 用標(biāo)記的核酸探針，通過分子雜交來確定特異核苷酸序列在染色體上或在細(xì)胞中位置的方法，稱為原位雜交[2]。原位雜交技術(shù)在顯微和亞顯微水平上研究基因定位、特異mRNA表達(dá)等問題中具有重要意義。近年來的電鏡原位雜交技術(shù)，通過檢測(cè)與抗生物素相連的膠體金顆粒，效果更佳。

4.2 高考試題中的原位雜交技術(shù) 例4(2015年江蘇卷·33題·8分)熒光原位雜交可用熒光標(biāo)記的特異DNA片段為探針,與染色體上對(duì)應(yīng)的DNA片段結(jié)合,從而將特定的基因在染色體上定位。請(qǐng)回答下列問題：

(1) DNA熒光探針的制備過程如圖3所示,DNA酶隨機(jī)切開了核苷酸之間的_______鍵，從而產(chǎn)生切口,隨后在DNA聚合酶的作用下,以熒光標(biāo)記的_______為原料,合成熒光標(biāo)記的DNA探針。

圖3 DNA熒光探針的制備過程示意圖

(2) 圖4表示探針與待測(cè)基因結(jié)合的原理。先將探針與染色體共同煮沸,使DNA雙鏈中________鍵斷裂,形成單鏈。隨后在降溫復(fù)性過程中,探針的堿基按照__________原則,與染色體上的特定基因序列形成較穩(wěn)定的雜交分子。圖中兩條姐妹染色單體中最多可有___________條熒光標(biāo)記的DNA片段。

圖4 探針與待測(cè)基因結(jié)合的原理圖

解析： 本題以DNA原位雜交技術(shù)為背景材料，考查了DNA分子的結(jié)構(gòu)、DNA的復(fù)制和減數(shù)分裂的有關(guān)知識(shí)。(1)DNA酶Ⅰ隨機(jī)切開核苷酸之間的磷酸二酯鍵從而產(chǎn)生切口，形成DNA分子片段。在DNA聚合酶Ⅰ作用下，以熒光標(biāo)記的四種脫氧核苷酸為原料，合成熒光標(biāo)記的DNA探針。(2)將探針與染色體共同煮沸，使DNA雙鏈中氫鍵斷裂形成單鏈，隨后在降溫復(fù)性過程中，探針的堿基按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，與染色體上的特定基因序列形成較穩(wěn)定的雜交分子，圖中兩條姐妹染色單體中含有2個(gè)DNA分子共有4條鏈，所以最多可有4條熒光標(biāo)記的DNA片段。

參考答案： (1)磷酸二酯、脫氧核苷酸；(2)氫、堿基互補(bǔ)配對(duì)、4。

4.3 回扣基礎(chǔ)——科學(xué)技術(shù)為載體 縱觀以原位雜交、基因探針等科學(xué)技術(shù)為背景材料的試題，本質(zhì)在于考查學(xué)生對(duì)生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用能力。尤其是DNA復(fù)制、基因工程和減數(shù)分裂等是考查的重點(diǎn)。在復(fù)習(xí)備考時(shí)，應(yīng)在引導(dǎo)學(xué)生回扣基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)為背景材料的訓(xùn)練。例如，以基因工程為主題組織題目，并從以下幾方面檢測(cè)目的基因： 通過DNA分子雜交技術(shù)，檢測(cè)目的基因是否整合到轉(zhuǎn)基因生物的DNA上；檢測(cè)目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA；通過抗原—抗體雜交技術(shù)，檢測(cè)目的基因是否表達(dá)出蛋白質(zhì)。

此外，放射自顯影技術(shù)、細(xì)胞培養(yǎng)與細(xì)胞工程、酵母菌雙雜交技術(shù)、細(xì)胞及其組分的分析方法——差速離心法等也是現(xiàn)代生物學(xué)常見的科學(xué)技術(shù)。

還原高考題中的科學(xué)技術(shù)，選擇以科學(xué)技術(shù)為背景命制或選擇部分題目進(jìn)行訓(xùn)練，不僅可以有效消除學(xué)生審題時(shí)對(duì)新技術(shù)的不適感，而且對(duì)于引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)在生命科學(xué)研究中的作用具有重要意義。還原高考題中的科學(xué)技術(shù)，根本目的在于落實(shí)考綱要求，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。在選擇或利用材料改編試題時(shí)，要注意科學(xué)性，優(yōu)化使用材料，不能為了還原而還原，防止表面化和題海戰(zhàn)術(shù)。