高考生物一轮复习 【听课手册】02 第23讲　科学思维与实验探究 【正文】

第23讲科学思维与实验探究专题一推理分析使用较为单一的生物学概念、原理、模型、程序性知识等对生物学信息或经过理解转化后的信息进行较为直接的加工处理,建立因果关系的思维过程。北京等级考中,考查推理的类型有多种,我们重点讲解实验结果和结论的分析。考点一实验结果的分析解决方法1:从题干信息明确新情境的实验结论,找准自变量,准确解读图表信息,得出结果,建立结论与证据之间的因果关系。常见题型是“得出……结论的依据是……”。例1[2021·北京卷节选]北大西洋沿岸某水域生活着多种海藻和以藻类为食的一种水虱,以及水虱的天敌隆头鱼。柏桉藻在上世纪末被引入,目前已在该水域广泛分布,数量巨大,表现出明显的优势。为探究柏桉藻成功入侵的原因,研究者进行了系列实验。用三组水箱模拟该水域的环境。水箱中均放入柏桉藻和甲、乙、丙3种本地藻各0.5克,用纱网分区(见图a);三组水箱中分别放入0、4、8只水虱/箱。10天后对海藻称重,结果如图b,同时记录水虱的分布。①图b结果说明水虱对本地藻有更强的取食作用,作出判断的依据是与没有水虱相比,在有水虱的水箱中,。

②水虱分布情况记录结果显示,在有水虱的两组中,大部分水虱附着在柏桉藻上,说明水虱对所栖息的海藻种类具有。

解决方法2:从题干信息明确新情境的实验目的(或假设),找准自变量分组;准确解读图表信息,从各组对照实验中推理出实验结果(或预期实验结果),实验结果要和假设相呼应。常见题型是“预期结果或验证某假设的实验结果是……”。例2[2022·北京卷节选]干旱可诱导植物体内脱落酸(ABA)增加,以减少失水,但干旱促进ABA合成的机制尚不明确。研究者发现一种分泌型短肽(C)在此过程中起重要作用。已知N是催化ABA生物合成的关键酶。实验表明,野生型植物经干旱处理后,C在根中的表达远高于叶片;在根部外施的C可运输到叶片中。因此设想,干旱下根合成C运输到叶片促进N基因的表达。为验证此设想,进行了如下表所示的嫁接实验,干旱处理后,检测接穗叶片中C含量,又检测了其中N基因的表达水平。以接穗与砧木均为野生型的植株经干旱处理后的N基因表达量为参照值,在表中填写假设成立时,与参照值相比N基因表达量的预期结果(用“远低于”“远高于”“相近”表示)。接穗野生型突变体突变体砧木野生型突变体野生型接穗叶片中N基因的表达量参照值①

②

注:突变体为C基因缺失突变体。考点二实验结论的分析解决方法:从题干信息明确新情境的实验目的,准确解读图表信息得出结果,建立因果关系,进一步推理并概括出结论,结论要与实验目的相符合。例3[2024·北京卷节选]花葵的花是两性花,在大陆上观察到只有昆虫为它传粉。在某个远离大陆的小岛上,研究者选择花葵集中分布的区域,在整个花期进行持续观察。观察发现:有20种昆虫会进入花葵的花中,有3种鸟会将喙伸入花中,这些昆虫和鸟都与雌、雄蕊发生了接触(访花),其中鸟类访花频次明显多于昆虫;鸟类以花粉或花蜜作为补充食物。研究者随机选取若干健康生长的花葵花蕾分为两组,一组保持自然状态,一组用疏网屏蔽鸟类访花,统计相对传粉率(如图)。结果说明。

例4[2021·北京卷节选]胰岛素是调节血糖的重要激素,研究者研制了一种“智能”胰岛素(IA)并对其展开了系列实验,以期用于糖尿病的治疗。GT是葡萄糖进入细胞的载体蛋白,IA(见图甲)中的X能够抑制GT的功能。为测试葡萄糖对IA与GT结合的影响,将足量的带荧光标记的IA加入红细胞膜悬液中处理30分钟,使IA与膜上的胰岛素受体、GT充分结合。之后,分别加入葡萄糖至不同的终浓度,10分钟后检测膜上的荧光强度。图乙结果显示:随着葡萄糖浓度的升高,。研究表明葡萄糖浓度越高,IA与GT结合量越低。据上述信息,推断IA、葡萄糖、GT三者的关系为。

专题二论证分析在给定情境中,综合运用生物学知识或通过对信息进行分析与综合,得出结果或结论,阐明思维过程。北京等级考中,论证往往出现在复杂任务类型中,考查学生对信息的拆解、分析和综合的能力,属于考题中的难点。考点一阐明机制解决方法:推理出各个实验的小结论→结合所学知识→梳理逻辑关系→科学表述。例5[2022·北京卷节选]人体细胞因表面有可被巨噬细胞识别的“自体”标志蛋白C,从而免于被吞噬。某些癌细胞表面存在大量的蛋白C,更易逃脱吞噬作用。研究者以蛋白C为靶点,构建了可感应群体密度而裂解的细菌菌株,拟用于制备治疗癌症的“智能炸弹”。(1)A是引起群体感应的信号分子,细胞内外的A随细菌密度的增加而增加,A积累至一定浓度时才与胞内受体结合,调控特定基因表达,表现出细菌的群体响应。研究者将A分子合成酶基因、A受体基因及可使细菌裂解的L蛋白基因同时转入大肠杆菌,制成AL菌株。培养的AL菌密度变化如图甲。其中,AL菌密度骤降的原因是AL菌密度增加引起A积累至临界浓度并与受体结合,。

(2)蛋白K能与蛋白C特异性结合并阻断其功能。研究者将K基因转入AL菌,制成ALK菌株,以期用于肿瘤治疗。研究者向图乙所示小鼠左侧肿瘤内注射ALK菌后,发现ALK菌只存在于该侧瘤内,两周内即观察到双侧肿瘤生长均受到明显抑制。而向瘤内单独注射蛋白K或AL菌,对肿瘤无明显抑制作用。请应用免疫学原理解释“智能炸弹”ALK菌能有效抑制对侧肿瘤生长的原因。考点二构建概念模型解决方法:推理出各个实验的小结论→梳理逻辑关系→分析条件信息→按照题目要求科学表述。例6[2024·北京卷节选]植物通过调节激素水平协调自身生长和逆境响应(应对不良环境的系列反应)的关系,研究者对其分子机制进行了探索。生长素(IAA)具有促进生长的作用,脱落酸(ABA)可提高抗逆性并抑制茎叶生长,两种激素均作为信息分子,调节植物生长及逆境响应。(1)TS基因编码的蛋白(TS)促进IAA的合成。研究发现,拟南芥受到干旱胁迫时,TS基因表达下降,生长减缓。研究者用野生型(WT)和TS基因功能缺失突变株(ts)进行实验,结果如图甲。图甲结果显示,TS基因功能缺失导致。

(2)为了探究TS影响抗旱性的机制,研究者通过实验,鉴定出一种可与TS结合的酶BG。已知BG催化ABA⁃葡萄糖苷水解为ABA。提取纯化TS和BG,进行体外酶活性测定,结果如图乙。由实验结果可知TS具有抑制BG活性的作用,判断依据是_____________________________________________________________________。

(3)综合上述信息可知,TS能精细协调生长和逆境响应之间的平衡,使植物适应复杂多变的环境。请完善TS调节机制模型(从正常和干旱两种条件任选其一,以未选择的条件为对照,在方框中以文字和箭头的形式作答)。专题三对照分析对照原理是探究性实验设计的核心,关系到实验设计和结果分析,在探究实验中非常重要,北京等级考中大部分题目都涉及使用对照原理。把握好对照原则,学生分析综合性情境题目时会事半功倍。(一)实验过程中可以变化的因素称为变量。包括:自变量人为改变的变量称作自变量可操作因变量随着自变量的变化而变化的变量称作因变量可测量无关变量除自变量外,实验过程中可能还会存在一些可变因素,对实验结果造成影响,这些变量称为无关变量控制适宜且相同(二)在对照实验分析中,一定要遵循单一变量原则。实验设计时可以设计一个或多个自变量,但是分析结果时一定要逐一分析,这就是单一变量原则。单因子变量实验(1个自变量)对照组和实验组形成一次对照实验得出一个实验结论多因子变量实验(多个自变量)要研究自变量1,其他自变量就要保持一致,以自变量1处理的实验组和无自变量1处理的对照组形成一次对照实验,比较实验组和对照组的差异,从而更准确地评估自变量1的效果,这时得出一个实验结论1该实验有几个自变量就可以形成几次对照实验,得出几个小结论;最后将小结论整合成大结论(三)实验设计的核心是对照原理,而对照的核心在于控制变量,而在对照实验中,控制自变量常采用“加法原理”或“减法原理”。与常态比较,人为增加某种影响因素的称为“加法原理”。例如,在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验中,与对照组相比,实验组分别做加温、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液的处理,就利用了“加法原理”。与常态比较,人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。例如,在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,每个实验组特异性地去除了一种物质,从而鉴定出DNA是遗传物质,就用了“减法原理”。示例判断下列实验中采用的原理(填“加法原理”或“减法原理”)。A.验证过氧化氢酶可加快过氧化氢分解

B.验证基因A在生物体中的作用

C.验证光是光合作用的条件

D.艾弗里的肺炎链球菌转化实验

(四)常见对照组类型1.空白对照:不处理、不加药剂或自然组。空白对照可评定测量方法的准确度以及观察实验是否处于正常状态,可以排除假阳性的结果。示例在艾弗里证明DNA是遗传物质的实验中:“R型活细菌+S型细菌细胞提取物+DNA酶”

“R型活细菌+S型细菌细胞提取物”

2.条件对照:给对照组施以部分实验因素,但不是所要研究的实验因素。示例探究酶的高效性,加酶组是,加入FeCl3组是。

3.阳性对照:已知必然是阳性的结果,目的是排除假阴性。示例为评估外源基因Vgb在菊花中的稳定性以及对生态环境的影响,研究人员将目的基因转入菊花细胞,随机选取转基因菊花株系提取DNA,检测导入情况。注:CK表示质粒阳性对照,1为空白对照,2~10为转基因株系。4.阴性对照:已知必然是阴性的结果,目的是排除假阳性。阴性对照主要分为溶剂对照、假手术处理对照等,临床试验中常采用安慰剂做阴性对照。5.自身对照:实验前是对照组,实验后是实验组。(五)常见题型1.动物疾病模型题例[2023·西城二模节选]为研究绞股蓝多糖对环磷酰胺所致免疫功能低下模型小鼠免疫功能的影响,进行实验得到下表所示结果(CD4+/CD8+的值越大说明细胞免疫越强,香菇多糖是已知药物)。(1)对照组

(2)

(3)模型+已知药物(对照)

(4)模型+实验药物(低浓度)

(5)模型+实验药物(中浓度)

(6)模型+实验药物(高浓度)

组别剂量/(mg·kg-1)CD4+/CD8+7d14d对照组1(正常鼠)?2.392.42对照组2(模型鼠)?1.241.45香菇多糖组2002.172.31绞股蓝多糖组1001.631.74绞股蓝多糖组2001.891.93绞股蓝多糖组4001.942.052.免疫学实验的题型[2023·海淀期中节选]为研究N通道与膜融合相关蛋白S的关系,科研人员将固定有N通道抗体的磁珠加入大鼠DRG细胞裂解液中充分孵育,离心收集磁珠,弃去上清液,分离磁珠上的蛋白。对照组磁珠上固定了无关抗体。电泳后进行抗原—抗体杂交检测,结果如图所示。结果说明。

无关抗体的作用:帮助排除非特异性结合

的影响。以评估实验结果的可靠性,确保

实验数据不受非特异性结合的干扰。

实验组

对照对照3.基因工程题型中的对照实验实验组:转入重组DNA的细胞。阴性对照:转入空载体的细胞。阳性对照:表达目的基因的细胞。空白对照:不转入载体,细胞未做任何处理。例7[2024·北京卷节选]玉米是我国栽培面积最大的农作物,籽粒大小是决定玉米产量的重要因素之一,研究籽粒的发育机制,对保障粮食安全有重要意义。研究者获得矮秆玉米突变株,基因型记作rr。(1)观察发现,突变株所结籽粒变小。籽粒中的胚和胚乳经受精发育而成,籽粒大小主要取决于胚乳体积。研究发现,R基因编码DNA去甲基化酶,亲本的该酶在本株玉米所结籽粒的发育中发挥作用。突变株的R基因失活,导致所结籽粒胚乳中大量基因表达异常,籽粒变小。野生型及突变株分别自交,检测授粉后14天胚乳中DNA甲基化水平,预期实验结果为________________________________________________________________________。

(2)已知Q基因在玉米胚乳中特异表达,为进一步探究R基因编码的DNA去甲基化酶对Q基因的调控作用,进行如下杂交实验,检测授粉后14天胚乳中Q基因的表达情况,结果如下表。组别杂交组合Q基因表达情况1RRQQ(♀)×RRqq(♂)表达2RRqq(♀)×RRQQ(♂)不表达3rrQQ(♀)×RRqq(♂)不表达4RRqq(♀)×rrQQ(♂)不表达综合已有研究和表中结果,阐述R基因对胚乳中Q基因表达的调控机制。_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例8[2023·海淀期中节选]B淋巴细胞癌是一种B细胞恶性增殖导致的肿瘤,TAA是B淋巴癌细胞表面肿瘤抗原。已知P⁃T细胞(被激活的T细胞)可特异性识别L-细胞(B淋巴癌细胞)表面的TAA,通过细胞免疫裂解肿瘤细胞。抗原呈递时,TAA可与MⅠ或MⅡ蛋白形成复合物转运到细胞表面,进而被T细胞识别,激活细胞免疫。请将下列选项前字母填入表格①~④处,以探究P⁃T细胞通过识别哪种复合物杀伤B淋巴癌细胞。组别细胞类型抗体类型检测指标实验组1①

d肿瘤细胞死亡率实验组2②

③

对照组b④

a.正常B细胞b.L-细胞c.MⅠ蛋白的抗体d.MⅡ蛋白的抗体e.无关抗体结果显示实验组1的检测指标显著低于实验组2和对照组,说明。

专题四评价分析依据生物学知识阐释研究方案的合理性,论述研究结果与结论之间的一致性。北京等级考中,考查了科学探究中假设—方案—证据—结论的一致性。解决方法:依次从以下几个方面进行评价分析(1)明确实验目的,找准自变量和因变量。(2)依据自变量设置的对照实验是否合适。(3)实验设计是否遵循单一变量原则、重复原则、等量原则等。(4)操作方法是否正确(例如是否是注射胰岛素)。(5)实验步骤是否正确,有无漏做或颠倒。(6)检测试剂的选择、使用方法是否正确。例9[2024·北京卷节选]采集酵母菌时O2浓度的陡然变化会导致部分菌体死亡。研究者推测,酵母菌接触O2的最初阶段,细胞产生的过氧化氢(H2O2)浓度会持续上升,使酵母菌受损。已知H2O2能扩散进出细胞。研究者在无氧条件下从发酵罐中取出酵母菌,分别接种至含不同浓度H2O2的培养基上,无氧培养后得到如图所示结果。请判断该实验能否完全证实上述推测,并说明理由。_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________专题五上下游关系分析考题中A→B→C题型最初是由基因调控的信号通路发展来的,研究基因上下游既可用加法实验也可用减法实验。加法实验:施加特定物质、通过转入基因实现某基因的过表达。减法实验:施加特定物质的抑制剂、选用某基因的缺陷突变体、敲除特定基因。实验材料通常需要野生型WT(A、B基因都有)、A基因缺失突变体(A-)、B基因缺失突变体(B-)、双突变体(A-B-)、A基因过表达突变体(A+)、B基因过表达突变体(B+)。解决方法:依据单一变量原则和对照原则分析出上下游关系后,还需要分析A基因对B基因的调控效果,B基因对C基因的调控效果。上下游最关键的证据是双突变体和B缺失突变体。示例1:ABC①WT + + 参照值(对照)②A- - + 降低③B- + - 0④A-B- - - 0①②结果对比,证明A基因参与调控过程,即A→C;①③结果对比,证明B基因参与调控过程,即B→C;③④结果对比,证明A基因在B基因的上游调控,即A→B→C。基于上述关系继续分析:①③或②④结果对比,证明B基因是正向调控;进而①②结果对比,证明A基因是正向调控。即ABC示例2:ABC①WT + + 参照值(对照)②A- - + 升高③B- + - 0④A-B- - - 0⑤A+ ++ + 降低⑥B+ + ++ 升高①②结果对比,证明A基因参与调控过程,即A→C;①③结果对比,证明B基因参与调控过程,即B→C;③④结果对比,证明A基因在B基因的上游调控,即A→B→C。基于上述关系继续分析:①③或②④或①⑥结果对比,证明B基因是正向调控;进而①②或①⑤结果对比,证明A基因是负向调控。即ABC示例3:ABC①WT + + 参照值(对照)②A- - + 升高③B- + - 升高④A-B- - - 升高⑤A+ ++ + 降低⑥B+ + ++ 降低①②结果对比,证明A基因参与调控过程,即A→C;①③结果对比,证明B基因参与调控过程,即B→C;③④结果对比,证明A基因在B基因的上游调控,即A→B→C。基于上述关系继续分析:①③或①⑥结果