精讲册微专题4　实验分析与设计

微专题4实验分析与设计高考生物学某省市专用微专题解读生物学选择性水平考试要求考生具有实验与探究能力,主要有四个层次的要求:第

一,具备理解实验目的、实验方法和实验操作步骤的能力,掌握相关的操作技能,并将这

些实验涉及的原理、方法和技能等进行综合的运用;第二,具备简单设计实验的能力;第

三,具备科学探究的系统思维;第四,运用所学的生物学知识及实验原理、方法和技能,

对给出的实验方案进行修改或完善。一、理清构成实验的组分一个完整的实验通常应该包括实验目的、思路、相关结果和对应的结论。实验思路包含相关操作和参考指标。经实验操作后,以某种变化为参照(即参考指标,一个

实验可以同时选择多个参考指标)得到的现象或数据即结果,分析得出实验结果的原因

即结论。不同类型的实验,设计过程有所区别,如图所示。

单纯性验证某个生物学事实,一般不需要设置对照组,仅由一个实验组即可完成。

如验证某病原体的蛋白质(A)的片段可以出现在吞噬细胞的溶酶体中,相关的操作(针

对性操作)可以是用放射性同位素标记蛋白A,将其在含有吞噬细胞的培养液中培养,一

段时间后采用差速离心法分离溶酶体;参考指标是溶酶体的放射性;结果是溶酶体有放

射性。若设计实验研究某种因素对某一生命活动的影响时,通常需要多个实验组,有时还

需要设置对照组。设置对照组的目的是排除非测试因素对实验结果的干扰,以提高实

验结果的可信度。实验中,各组的操作包含相同操作和不同操作。分析下面的案例:某种H+-ATPase是一种位于膜上的载体蛋白,具有ATP水解酶活性,能够利用水解ATP释放的能量逆浓度梯度跨膜转运H+。将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定pH的

溶液中(假设细胞内的pH高于细胞外),置于暗中一段时间后,溶液的pH不变。再将含有

保卫细胞的该溶液分成两组,一组照射蓝光后溶液的pH明显降低;另一组先在溶液中加

入H+-ATPase的抑制剂(抑制ATP水解),再用蓝光照射,溶液的pH不变。这一案例首先阐述了一个信息,即交代了H+-ATPase的作用,根据描述,可将其转化

为生理过程类示意图(图1)。

然后,案例中给出了一个实验,实验中交代了实验思路(相同操作、不同操作、参考指

标)和相关结果。实验中各组的相同操作就是“将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定

pH的溶液中(假设细胞内的pH高于细胞外)”。实验中,存在照射蓝光组,也存在黑暗中

进行的组,这是第一个不同操作;照蓝光组中有一组加入了H+-ATPase的抑制剂,从而抑

制ATP水解,照蓝光组中另一组则没有加入该抑制剂,这是第二个不同操作。实验所选

用的参考指标是溶液中pH的变化。实验的3种操作,可以看作是实验的分组过程(假设

为a、b、c三个组)。据此可以制成下表(“+”表示是或能或有变化,“-”表示无或无

变化)。

操作

参考指标(因变量)

相同操作(无关变量操作)不同操作(自变量操作)

是否照射蓝光ATP能否水解溶液中pH的变化分组a将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定pH的

溶液中并置于黑暗中一段时间-+-b+++(下降)c+--结合图1,分析表中内容:a、b组相比,ATP水解的功能均正常,但只有蓝光照射后,溶

液中的pH才能下降;b、c组相比,均有蓝光照射,但只有水解ATP的功能正常,溶液中的

pH才能下降。可以发现,溶液中的pH要降低(溶液中H+增加)必须照射蓝光,同时H+-ATPase水解

ATP的功能必须正常(为H+逆浓度梯度运至溶液的过程提供能量);载体蛋白H+-ATPase

位于质膜上。在图1的基础上进行完善,如图2所示。综上所述,本实验的实验目的是探究载体蛋白H+-ATPase的定位(所在的位置)及作

用机制;实验得出的结论是蓝光能通过保卫细胞质膜上的H+-ATPase发挥作用,导致H+

逆浓度梯度跨膜运输,细胞外溶液中H+浓度增加,溶液pH下降。典例1

(2024浙江1月选考,24节选)不经意间观察到一些自然现象,细究之下,其实有内在的逻辑。回答下列问题:(3)学者在野外考察中发现了一些现象:生活在寒冷地带的木本植物,多数体表颜色较

深,如叶为墨绿色,茎或枝条为黑褐色;而生活在炎热地带的木本植物,往往体表颜色较

浅,如叶为浅绿色,茎或枝条为浅灰色。有些学者对此现象的解释是:在寒冷环境下,深

色体表的植物能吸收较多的太阳能,有利于维持细胞内酶的活性。Ⅰ.某同学设计了实验方案以验证学者们的解释是否正确。在①②④各环节的选项中,

分别选择1—2项,填入方案中的空格,完善一套实验方案,使之简单、可行。①实验材料或器材的选择、预处理:

;A.两组等容量的烧杯,烧杯内盛满水B.两种生长状态类似且体表颜色深浅有明显差异的灌木C.一组烧杯的外壁均涂上油漆,另一组不涂D.所有植物根植于相同条件的土壤中②选定正确的监测指标:

;A.植物生物量的增加值B.C.植物根长的增加值D.植物高度的增加值③实验处理和过程:仿照寒冷地带的自然光照条件,将两组材料置于低下(4℃),

每次光照5小时。记录处理前后指标的量值。实验重复3次。AC（或BD）B④预测实验结果和得出实验结论。若

,则学者们的说法成立;否则无法成立。A.深色组水体的高于浅色组

B.深色组植物体表的高于浅色组C.深色组植物高度的增加值大于浅色组

D.深色组与浅色组测得的指标差异显著AD（或BD）实验组分

内容操作相同操作(无关变量操作)控制灌木的生长状态、栽培土壤和环境(低温)或相同烧杯等

不同操作(自变量操作)选择体表颜色深浅不同的灌木(或改变烧杯外壁颜色的深浅)参考指标

植物体表的(反映植物吸收能量、监测便捷)(或烧杯中水体的)预期结果(因变量)

深色组植物体表(或水体)的高于浅色组(测得的指标差异显著)结论

在寒冷环境下,深色体表的植物能吸收较多的太阳能以维持体温,有利于维持细胞内酶的活性分析:见表。二、设计实验验证简单生物学事实运用所学的实验方法和技能,按照要求设计生物学实验来验证生物学事实,并能够对实

验结果进行解释和分析,以及根据实验结果得出结论等。分析下面的案例:将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理,该植物根细胞中溶质

浓度增大,叶片中的脱落酸(ABA)含量增高,叶片气孔开度减小。有研究表明:干旱条件

下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的。

若以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料,设计实验来验证这一结论,需要先分析限定条件和实验组分。要验证“干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的”,“是否干旱处理”是本

实验的第一个不同操作,即先在正常条件下测定气孔开度,然后进行干旱处理,再次测定

气孔开度即可,见实验一。实验一:验证干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的。(自身对照)实验组分

内容操作相同操作(无关变量操作)选材均为ABA缺失突变体

不同操作(自变量操作)是否进行干旱处理参考指标

气孔开度预期结果(因变量)

干旱处理前后气孔开度不变再验证“干旱条件下气孔开度减小是由ABA引起的”,“是否进行ABA处理”是

本实验的第二个不同操作,即将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组,在干旱

条件下,一组进行ABA处理,另一组不作任何处理,作为对照组,一段时间后,分别测定两

组的气孔开度即可,见实验二。实验二:验证干旱条件下气孔开度减小是由ABA引起的。(空白对照)实验组分

内容操作相同操作(无关变量操作)从实验一获得干旱处理的ABA缺失突变体

不同操作(自变量操作)是否进行ABA处理参考指标

气孔开度预期结果(因变量)

ABA处理组气孔开度减小,对照组气孔开度不变本实验是在已知结论(“有研究表明:……”)的情况下设计的,属于对该结论再次

验证的实验(简单验证生物学事实),设计时要在结论给到的限定条件下进行(“在干旱

条件下”),设计实验组和对照组的数量要根据“不同操作”的数量来拟定。典例

(2024山东,23节选)由肝细胞合成分泌、胆囊储存释放的胆汁属于消化液,其分

泌与释放的调节方式如图所示。

(3)为研究下丘脑所在通路胆汁释放量是否受小肠Ⅰ细胞所在通路的影响,据图设计以下实验,已知注射各试剂所用溶剂对实验检测指标无影响。实验处理:一组小鼠不作注射处理,另一组小鼠注射

(填序号)。①ACh抑制剂②CCK抗体③ACh抑制剂+CCK抗体检测指标:检测两组小鼠的

。实验结果及结论:若检测指标无差异,则下丘脑所在通路不受影响。②ACh含量实验组分

内容操作相同操作(无关变量操作)控制小鼠的各项生理指标

不同操作(自变量操作)是否注射CCK抗体参考指标

ACh含量预期结果(因变量)

若检测指标无差异,则下丘脑所在通路不受影响分析:CCK抗体可与小肠Ⅰ细胞分泌的CCK特异性结合,从而阻断小肠Ⅰ细胞所在通路对肝细胞分泌胆汁的影响。相关实验设计组分见表。三、科学探究的系统思维科学探究通常包括提出问题、作出假设、制订计划、实施计划、得出结论、表达和

交流等环节。“科学探究”主要指对结论未知的问题进行探究,在这个前提下,作出假

设和预期、确认变量、设计可行的探究方案、处理和解释数据、根据数据作出合理

的判断等。分析下面的案例:病毒V是一种新出现的病毒,其核酸类型未知。病毒V的宿主细胞为细胞A。(1)提出问题:根据遗传物质的化学组成,可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两类。以上案例所提到

的病毒V是一种新病毒,其核酸是DNA还是RNA,这是未知的。结合科学探究的系统思

维,可以提出问题:病毒V的核酸是DNA还是RNA?(2)制订计划:若要设计实验来验证病毒V的核酸类型,除了选择合适的实验材料,还需采用科学的操

作方法。科学家曾利用同位素标记实验获得多项生物学重大成果,例如证明DNA是遗传物质、

DNA的半保留复制等。同位素标记实验是用同位素作为一种标记,制成标记化合物代

替相应非标记化合物,所利用的同位素及其化合物除了物理性质可能有差异,与自然界

存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的。以具有放射性的同位素为例,利用放射性同位素不断地放出特征射线的性质,可以追踪它在体内

或体外的位置、数量及其转变等。可以采用放射性同位素标记的方法在体外探究病

毒V核酸的类型。实验材料是病毒V、细胞A及相关培养液等。设计实验时,需要清楚思路中应该包含的组分,即实验操作和合适的参考指标。为了使

实验结果更加可视化,可设计甲、乙两个能相互印证的实验组。这两个组之间最多只

能存在一个不同操作(自变量操作),两个组其他条件的控制应该是保持完全相同的(相

同操作)。

相同的操作一般从实验材料本身的属性及其所处的环境条件来确定。该实验所用的

材料病毒V是没有细胞结构的生物(属性),需要寄生在活细胞A中才能生存(所处的环境

条件)。而体外实验还需要为A配制合适的培养液。甲、乙两组相同操作大致就是先将宿主细胞A培养在培养液中,然后接种病毒V。

不同操作是根据实验的目的来设计的。本实验解决的问题是检测病毒V的核酸是

DNA还是RNA。DNA和RNA所含碱基类型有所不同,DNA特有碱基是胸腺嘧啶(T),

RNA特有碱基是尿嘧啶(U)。两组的不同操作(自变量操作)大致过程就是在甲组培养

液中添加含有放射性同位素标记的胸腺嘧啶,乙组培养液中添加含有放射性同位素标

记的尿嘧啶。(3)设计流程草图:注:“*”代表被放射性同位素标记的碱基;①②③代表操作的先后顺序观察草图,各组细胞A均因吸收培养液中各种碱基,都可检测到放射性,因此,检测

甲、乙两组细胞的放射性情况不能作为本实验的参考指标。病毒V只有一种核酸,合成子代病毒的核酸时,只能利用T或U其中一种,因此甲、乙两组收集得到的病毒V中,只

有一个组的病毒带有放射性,可以作为本实验的参考指标。(4)实施计划:甲组:将细胞A培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养液中,之后接种病毒V。培养一

段时间后收集病毒并检测其放射性。乙组:将细胞A培养在含有放射性标记尿嘧啶的

培养液中,之后接种病毒V。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。(5)根据预期结果得出结论:若甲组收集的病毒有放射性,乙组无,病毒V即为DNA病毒;反之为RNA病毒。典例

(2023重庆,14,3分)药物甲常用于肿瘤治疗,但对正常细胞有一定的毒副作用。

某小组利用试剂K(可将细胞阻滞在细胞时期)研究了药物甲的毒性与细胞

的关系,实验流程和结果如图所示。下列推测正确的是(

)A.试剂K可以将细胞阻滞在G1期B.试剂K对细胞阻滞作用不可逆C.药物甲主要作用于G2+M期,Ⅱ组的凋亡率应最低D.在机体内,药物甲对浆细胞的毒性强于造血干细胞

[注]G1:DNA合成前期;S:DNA合成期;G2:分裂准备期;M期:分裂期C分析:本题利用试剂K(可将细胞阻滞在细胞时期)研究了药物甲的毒性与细胞周

期的关系,通过制订并实施方案后,得出了相关数据(表格数据和柱状图数据),现引导考

生分析与探讨得出的结果。相关分析见表。实验组分

内容

目的操作相同操作(无关变量操作)使用细胞的类型和生理状态;培养总时长(24h)

排除非测试因素对实验结果的干扰

不同操作(自变量操作)各组之间①培养过程中是否添加试剂K(Ⅰ组与Ⅱ组;Ⅰ组与Ⅲ组)②试剂K的添加顺序(Ⅱ组与Ⅲ组)观察细胞各时期细胞占比,探讨试剂K对细胞分裂的影响(阻滞在哪个时期)

每组是否加入药物甲(每组分成的两个

平行组之间)观察药物甲处理后细胞的凋亡率,通过与第一个平行实验组得到的数据对比,进而确定第二个平行组中药物甲的作用时期各组之间:比较第一个不同操作(是否加入试剂K)带来的影响:与Ⅰ组相比,Ⅱ组(加入试

剂K)S期细胞相对增多、G2+M期的细胞明显减少,这一结果可以说明试剂K能将细胞

阻滞在S期。比较第二个不同操作(试剂K的添加顺序)带来的影响:与Ⅱ组相比,Ⅲ组(先

有试剂K,后无试剂K)S期细胞明显减少、G2+M期细胞明显增多,说明试剂K对细胞周

期的阻滞作用是可逆的。每组:题中柱状图中Ⅰ、Ⅲ组的数据(细胞凋亡率)与G2+M期细胞的数量占比基本

相同,因此,推测药物甲主要作用于G2+M期(进而推知Ⅱ组细胞凋亡率的数据应最低)。拓展:分裂能力越强的细胞,药物甲对其毒性越大。浆细胞为高度分化的细胞,不再进行

细胞分裂,造血干细胞分裂能力强,所以药物甲对造血干细胞的毒性强于浆细胞。四、评价与修订实验综合运用所学的生物学知识及实验原理、方法和技能,对给出的实验方案进行修改或

完善。分析下面的两个案例,并对案例中的实验进行评价与修订:案例1:某同学为探究pH对人唾液淀粉酶活性的影响,设计了如下实验步骤:①在A、B、C、D、E5支试管中分别加入pH5.0、6.0、7.0、8.0、9.0的适宜浓度缓

冲液5mL,再分别加入质量分数为1%的淀粉液1mL。②各试管中分别加入适当浓度的唾液稀释液1mL,摇匀。③将5支试管放入70℃恒中,保相同且合适。④取出各试管,分别加入斐林试剂2mL,摇匀。⑤观察各试管溶液的颜色,通过颜色深浅判断唾液淀粉酶作用的最适pH。在不考虑试剂的浓度和加入量、pH梯度以及实验重复次数的条件下分析上述实验:酶活性是保证酶发挥生物学效应的重要指标。对于人体来讲,、pH等多种环境条

件都会影响到酶活性,进而影响机体的新陈代谢。由于唾液淀粉酶的最适人的

体(约为37℃),因此,需将唾液稀释液和淀粉液的混合液置于37℃条件下保

段时间,再将两溶液混匀,使反应在适宜的充分进行。故在步骤③中出现一处错

误,需将保70℃改为37℃。实验结果的检测步骤中,本实验利用还原糖与斐林试剂的颜色反应判断淀粉液被唾液

淀粉酶的水解程度。由于斐林试剂与还原糖反应显色需要在高下进行,因此,观

察各试管溶液的颜色之前应将各试管放在(50~65℃)中一段时间。故在步骤④

⑤处出现不足。案例2:科研人员探究了不同(25℃和0.5℃)条件下密闭容器内蓝莓果实的CO2生成速率

的变化,结果见图1和图2。某同学拟验证上述实验结果,设计了如下方案:①称取两等份同一品种的蓝莓果实,分别装入甲、乙两个容积相同的瓶内,然后密封。②将甲、乙瓶分别置于25℃和0.5℃条件下储存,每隔一段时间测定各瓶中的CO2浓

度。③记录实验数据并计算CO2生成速率。分析该同学的实验步骤,分析结果见表。实验组分

内容操作相同操作(无关变量操作)控制蓝莓果实的品种、质量及容器体积等

不同操作(自变量操作)(25℃组和0.5℃组)参考指标

CO2生成速率要通过影响细胞呼吸相关酶的活性进而影响呼吸强度,设计本实验的过程

中,25℃和0.5℃距过大;此外,蓝莓果实的成熟度也会影响细胞呼吸强度。为使

实验结果更可靠,在思考两组的相同操作时,还需考虑选取的果实成熟度应一致,且每个

件下至少有3个平行重复实验。典例

(2021广东,19节选)人体缺乏尿酸氧化酶,导致体内嘌呤分解代产物是尿

酸(存在形式为尿酸盐)。尿酸盐经肾小球滤过后,部分被肾小管细胞膜上具有尿酸盐

转运功能的蛋白URAT1和GLUT9重吸收,最终回到血液。尿酸盐重吸收过量会导致高

尿酸血症或痛风。目前,E是针对上述蛋白治疗高尿酸血症或痛风的常用临床药物。

为研发新的药物,研究人员对天然化合物F的降尿酸作用进行了研究。给正常实验大鼠

(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制剂,获得了若干只高尿酸血症大鼠,并将其随机分

成数量相等的两组,一组设为模型组,另一组灌服F设