加法原理、减法原理在生物实验中的运用

摘要：高考生物实验题重点考查学生的实验控制设计思路，生物实验通过控制需要研究的因素来达到认识事物本质的目的，控制研究因素是生物实验的灵魂。控制研究因素所依据原理的本质是减法原理和加法原理，灵活、巧妙科学地利用这两个原理设计生物实验有助于得出可靠、真实的实验结果或结论。深刻理解和掌握这两个原理能使学生在实验问题解答上起到意想不到，事半功倍的效果。实验设计原理大多都是基于加法原理、减法原理之上，“加法原理”和“减法原理”是实验设计过程中控制自变量的两种原理。与常态比较，人为增加某种影响因素的称为“加法原理”，而人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。在实验中科学设置处理才能减小或排除无关变量所造成的实验误差，确保结果准确，实验题中经常涉及加法和减法原理的运用。一、加法原理设计实验通过给研究对象施加自变量进行适当干预，探索因变量[1]。即为了“探求结果”，通过人为将某一变量添加，增加到实验中逼迫研究对象暴露出某种现象、属性、结果和本质，进而得出该研究因素在生物体中所起的作用。例1：验证“植物顶芽产生的生长素抑制侧芽生长”，选取长势良好，生长状况相同的多株幼苗，随机分成A、B、C、D4组，A组幼苗不做任何处理，其他三组均去除顶芽。然后B组幼苗切口不做任何处理;C组幼苗切口处放置不含生长素的空白琼脂;D组幼苗切口处放置含生长素的琼脂。4组置于相同且适宜的条件下培养。（1）对比A组和B组幼苗的预期结果，说明

。（2）对比B组和C组幼苗的预期结果，说明

。（3）对比C组和D组幼苗的预期结果，说明

。【答案】（1）顶芽抑制了侧芽的生长（2）琼脂本身对侧芽生长没有影响（3）对侧芽生长起抑制作用的是顶芽产生的生长素【解析】D组虽没有顶芽，采用了实验设计的加法原理，通过切口处添加放置含生长素的琼脂，验证了植物顶芽产生的生长素能够抑制侧芽生长。例2：某研究小组为了研究不同的酶抑制剂（可以抑制酶活性的一类物质）对酶活性的影响进行了相关实验，其结果如图所示，回答下列问题：（1）研究发现，竞争性抑制剂与酶结合后，底物不能再与酶结合;而非竞争性抑制剂与酶结合后，底物仍能与酶结合。据此推测，非竞争性抑制剂与酶结合的位点和底物与酶结合的位点（填“相同”或“不同”）。（2）为验证物质X属于酶抑制剂，某研究小组将浓度为m的底物均分为甲、乙两组，甲组加酶，乙组中加入酶和物质X。若甲组反应速率

（填“大于”或“小于”）乙组，则可验证。在该实验基础上，若要进一步探究物质X是竞争性抑制剂还是非竞争性抑制剂，请设计实验

（写出实验设计思路）。【答案】（1）不同（2）大于实验思路：在该实验基础上添加丙组，底物浓度大于m，加入酶和物质X，测定反应速率。【解析】在基本实验基础上添加物质X，测定反应速率变化绘制坐标图形，判断物质X是哪一类抑制剂。二、减法原理设计实验为了排除掉自变量对研究对象的干扰和影响，同时尽量保持被研究对象的稳定[2]，即为了“追踪求源”，将某一变量人为地去除掉，看产生什么样的结果，进而得出该研究因素在生物体中所起的作用。例3：如设置A密闭装置放入绿色植物和生石灰，设置B密闭装置放入绿色植物和水。证明二氧化碳是光合作用原料的实验组是

装置，A装置中生石灰的作用是

，A和B组中有淀粉生成的装置是

。【答案】A

吸收掉空气中二氧化碳

B【解析】证明二氧化碳是光合作用原料利用了典型减法原理。运用减法原理的典型实验还有光合作用需要光、呼吸作用需要水、有些植物种子萌发需要光等等。三、逐级递减、逐级递加设计实验有时通过逐级递增或逐级递减会使实验设计逻辑性更好，说服力更强。例4：证明不同的神经中枢在大脑中的位置，就是通过逐级递减的原理来证明，先破坏大脑左侧部位，观察出现症状;再破坏大脑右侧部位，观察出现症状;再破坏大脑中间部位，观察出现症状，逐步递减进行。通过比较则很容易准确判断出不同反射完成所涉及的神经中枢在大脑中存在的位置及其作用。四、同时运用减法原理和加法原理设计实验例5：探究胰岛素的生理作用，选健康，生长状况相同的多只小鼠，禁食处理后随机分成甲、乙、丙、丁四组。甲组小鼠注射10ml生理盐水，乙、丙、丁三组注射10ml胰岛素溶液，一段时间后乙、丙、丁三组出现反应迟钝、嗜睡等低血糖症状，甲组未出现低血糖症状。（1）乙、丙、丁三组小鼠出现低血糖症状后进行第二次注射，乙组注射10ml生理盐水;为尽快缓解低血糖症状丙组注射10ml某激素溶液、丁组注射某营养物质，问：丙组注射的激素是

，丁组注射的营养物质是

。（2）第二次注射后，丙、丁两组小鼠的症状都得到了缓解，缓解的机理分别是丙组

，丁组

。【答案】（1）胰高血糖素葡萄糖（2）胰高血糖素能促进非糖物质转化为葡萄糖、促进肝糖原分解，升高血糖注射葡萄糖，直接升高血糖【解析】乙、丙、丁三组小鼠第一次注射10ml胰岛素溶液后，血糖降低从而出现反应迟钝、嗜睡等低血糖症状。第二次注射后丙组注射的激素是胰高血糖素，具有升血糖作用;丁组注射的营养物质是葡萄糖，直接补充血糖，使血糖浓度直接升高，症状得到缓解。两次注射就是运用了两个原理巧妙设计实验。另外，同时运用两个原理设计的典型实验还有验证镁是植物生长的必需元素;研究甲状腺激素在蝌蚪生长和发育中的作用等等，都大大增强了实验准确性、说服力