还原高考试题中的现代生物科学技术

王永田

(山东省费县教育局教科研中心 临沂 273400)

《考试大纲》要求生物学学科命题要“在生物科学和技术的基础知识、科学探究的方法、分析和解决实际问题的能力等方面进行测量”“要重视理论联系实际，关注科学技术”[1]。科学技术推动着生物学研究不断取得新的成果，是高考命题取材的重要来源。因此，还原高考试题中的现代生物科学技术，采取相应措施，可以提高教学的针对性。

1 定量细胞化学分析与细胞分选技术——流式细胞术

1.1 流式细胞术原理 流式细胞术可定量地测定某一细胞中的DNA、 RNA或某一特异的标记蛋白的含量，以及细胞群体中上述成分含量不同的细胞的数量。

将细胞群体分散后对待测的某种成分进行特异的荧光染色，然后将悬液中的细胞快速通过流式细胞仪。当含有单个细胞的液滴通过激光束时，带有不同荧光的细胞所在液滴被充上正电荷、负电荷，或不被充电，同时检测器可测出并记录每个细胞中的待测成分的含量。因细胞所带电荷的种类不同，当液滴通过高压偏转板时，带有不同电荷的液滴偏转到不同位置，从而达到将细胞分选的目的[2]。

1.2 高考试题中的流式细胞术 例1(2015年北京卷·3题·6分)流式细胞仪可根据细胞中DNA含量的不同对细胞分别计数。研究者用某抗癌物处理体外培养的癌细胞。24 h后用流式细胞仪检测，结果如图1。对检测结果的分析不正确的是(C)。

A. b峰中细胞的DNA含量是a峰中的2倍

B. a峰和b峰之间的细胞正进行DNA复制

C. 处于分裂期的细胞均被计数在a峰中

D. 此抗癌药物抑制了癌细胞DNA的复制

图1 流式细胞仪的检测结果

解析： 本题以流式细胞术为背景，考查了细胞增殖过程中DNA的数量变化和细胞癌变的有关知识。由图1可知，在b峰、a峰中细胞的DNA相对含量分别为80、40；在a峰与b峰之间细胞内的DNA在逐渐增加，说明正进行着DNA分子的复制；在实验组中，a、 b峰之间细胞数量明显减少，说明该药物对癌细胞DNA复制有抑制作用；在细胞分裂期的前、中、后三个时期的细胞应位于b峰，而末期的细胞应位于a峰处。

1.3 拓展延伸 试题图中出现了DNA含量低于40或高于80的部分细胞，为什么？细胞死亡，统计误差，还是细胞融合了？都不是，这与细胞培养有关。原代培养的细胞一般传至10代左右就不易传下去了，极少数细胞可能度过危机后又可顺利地传40～50代，并且仍保持原来染色体的二倍体数量及接触抑制的行为，这种传代细胞称为细胞系。当细胞系传至50代以后又要出现危机难以再传下去，部分细胞发生了遗传突变，并使其带有癌细胞的特点，有可能在培养条件下无限制地传代培养下去，这种传代细胞称为永生细胞系或连续细胞系。该细胞系的特点是染色体明显改变，一般呈亚二倍体或非整倍体，因此出现了低于a峰和高于b峰的曲线，如HeLa细胞系。拓展延伸的过程，既是对高考题的二次运用，也是以科学技术为载体训练学生科学思维的过程。

2 细胞周期同步化技术

2.1 细胞周期同步化的原理 在一般培养条件下，群体中的细胞处于不同的细胞周期时相之中。为了研究某一时相细胞的代谢、增殖、基因表达或凋亡，常需采取一些方法使细胞处于细胞周期的同一时相，这就是细胞同步化技术。选用DNA合成抑制剂可逆地抑制S期细胞DNA合成而不影响其他细胞周期运转，最终可将细胞群体阻断在G1/S期交界处；一些抑制微管聚合的药物，因抑制有丝分裂纺锤体的形成和功能行使，可将细胞阻断在有丝分裂中期，使细胞同步于M期[2]。

2.2 高考试题中的细胞周期同步化技术 例2(2017全国Ⅲ卷·29题·8分)利用一定方法使细胞群体处于细胞周期的同一阶段，称为细胞周期同步化。以下是能够实现动物细胞周期同步化的三种方法。回答下列问题：

(1) DNA合成阻断法： 在细胞处于对数生长期的培养液中添加适量的DNA合成可逆抑制剂，处于 期的细胞不受影响而继续细胞周期的运转，最终细胞会停滞在细胞周期的_______期，以达到细胞周期同步化的目的。

(2) 秋水仙素阻断法： 在细胞处于对数生长期的培养液中添加适量的秋水仙素，秋水仙素能够抑制__________，使细胞周期被阻断，即可实现细胞周期同步化。经秋水仙素处理的细胞 (填“会”或“不会”)被阻断在间期。

(3) 血清饥饿法： 培养液中缺少血清可以使细胞周期停滞在间期，以实现细胞周期同步化，分裂间期的特点是 (答出1点即可)。

解析： (1)DNA复制发生在细胞分裂间期；DNA合成被阻断后，分裂期不受影响，分裂间期受影响。最终细胞会停滞在细胞周期的间期。(2)秋水仙素通过抑制纺锤丝的形成来使染色体数目加倍，而纺锤丝形成于有丝分裂前期，经秋水仙素处理的细胞不会被阻断在间期。(3)分裂间期的特点是进行DNA的复制和有关蛋白质的合成，为分裂期做物质准备。

参考答案： (1)分裂、间(或答： S)；(2)纺锤体形成、不会；(3)完成DNA复制和有关蛋白质的合成，为分裂期准备物质。

2.3 突破概念 有丝分裂是一个重要的核心概念，围绕各个时期DNA、染色体、纺锤体等的变化规律和异常变化进行命题，是一个高频考点。细胞的生命活动离不开多种物质结构基础，控制了一个环节就会影响整体的功能，细胞周期同步化是一个典型的“通过异常考正常”的实例。常见的还有突变体制备技术，主要从RNA与DNA两个层次上进行。在RNA水平上主要是RNA干扰方法，使mRNA无法翻译成相关的蛋白质，在mRNA层面上阻断对应基因的功能，达到制备基因突变体的目的；而基因敲除则是在DNA水平制备突变体的一种方法。此外，还涉及多种基因控制一种性状、HIV侵染T细胞、细胞分化等知识。通过这类知识的学习和应用，可加强学生对核心概念的理解，特别是培养结构和功能观、物质和能量观，进而培养生命观念。

3 特异蛋白抗原的定位与定性——免疫荧光技术

3.1 免疫荧光技术 免疫荧光技术就是将免疫学方法(抗原—抗体特异结合)与荧光标记技术相结合用于研究特异蛋白抗原在细胞内分布的方法。实验步骤是： 先将已知的抗原或抗体标记上荧光素制成的荧光标记物，再用这种荧光抗体(或抗原)作为分子探针检查细胞或组织内的相应抗原(或抗体)。抗原抗体复合物上含有荧光素，利用荧光显微镜观察标本，可以看见荧光所在的细胞或组织，从而确定抗原或抗体的性质和定位[2]。

3.2 高考试题中的免疫荧光技术 例3(2014年北京卷·30题·16分)拟南芥的A基因位于1号染色体上，影响减数分裂时染色体交换频率，a基因无此功能；B基因位于5号染色体上，使来自同一个花粉母细胞的四个花粉粒分离，b基因无此功能。用植株甲(AaBB)与植株乙(AAbb)作为亲本进行杂交实验，在F2中获得了所需植株丙(aabb)。

(1)～(3)题略。

(4) 杂交前，乙的1号染色体上整合了荧光蛋白基因C、 R。两代后，丙获得C、 R基因(图2)。带有C、 R基因的花粉粒能分别呈现出蓝色、红色荧光。①丙获得了C、 R基因是由于它的亲代中的_________在减数分裂形成配子时发生了染色体交换。②丙的花粉母细胞进行减数分裂时，若染色体在C和R基因位点间只发生一次交换，则产生的四个花粉粒呈现出的颜色分别是__________。

图2 荧光标记的拟南芥杂交实验示意图

解析： 本题考查了减数分裂过程中同源染色体联会时的交叉互换及其应用。①亲代乙中C、 R基因与A基因位于1号染色体上。故减数第一次分裂前期，同源染色体的非姐妹染色单体部分片段互换，致使C、 R在F2中与a基因位于1号染色体上。所以，丙获得C、 R基因是由于F1在减数分裂形成配子时，发生了交叉互换。②丙的花粉母细胞减数分裂时，若染色体在C和R基因位点间只发生一次交换，则产生4种花粉粒： aC、 aR，以及交换产生的aCR、 a。花粉粒的颜色则是： 红色、蓝色、紫色、无色。

参考答案： (4)①父本和母本；②蓝色、红色、蓝和红叠加色、无色。

3.3 触类旁通——区别荧光标记与同位素标记 荧光标记与同位素标记是学生容易混淆的技术。荧光标记技术是利用荧光蛋白或荧光蛋白基因作为特定的标志物对研究对象进行标记的分析方法。例如，人鼠细胞膜融合证明细胞膜的流动性，荧光鼠的培育与基因定位等。而同位素标记法也称为同位素示踪法，是用示踪元素标记化合物，根据特定化合物的放射性或质量差别，对一系列化学反应进行追踪的分析方法。例如，在“噬菌体侵染细菌实验”中，利用35S和32P分别标记噬菌体外壳和DNA，证明进入大肠杆菌的是DNA；用18O标记水和碳酸氢盐，证明光合作用放出的氧气来自水等[3]。经典实验中的科学方法不仅是利用了当时的科学技术，更重要的是体现了科学思维——取材恰当、巧妙设计、严谨论证等，引导学生在此基础上模仿设计实验，会收到触类旁通的效果[4]。

4 细胞内特异核酸的定位与定性——原位杂交技术

4.1 原位杂交技术 用标记的核酸探针，通过分子杂交来确定特异核苷酸序列在染色体上或在细胞中位置的方法，称为原位杂交[2]。原位杂交技术在显微和亚显微水平上研究基因定位、特异mRNA表达等问题中具有重要意义。近年来的电镜原位杂交技术，通过检测与抗生物素相连的胶体金颗粒，效果更佳。

4.2 高考试题中的原位杂交技术 例4(2015年江苏卷·33题·8分)荧光原位杂交可用荧光标记的特异DNA片段为探针,与染色体上对应的DNA片段结合,从而将特定的基因在染色体上定位。请回答下列问题：

(1) DNA荧光探针的制备过程如图3所示,DNA酶随机切开了核苷酸之间的_______键，从而产生切口,随后在DNA聚合酶的作用下,以荧光标记的_______为原料,合成荧光标记的DNA探针。

图3 DNA荧光探针的制备过程示意图

(2) 图4表示探针与待测基因结合的原理。先将探针与染色体共同煮沸,使DNA双链中________键断裂,形成单链。随后在降温复性过程中,探针的碱基按照__________原则,与染色体上的特定基因序列形成较稳定的杂交分子。图中两条姐妹染色单体中最多可有___________条荧光标记的DNA片段。

图4 探针与待测基因结合的原理图

解析： 本题以DNA原位杂交技术为背景材料，考查了DNA分子的结构、DNA的复制和减数分裂的有关知识。(1)DNA酶Ⅰ随机切开核苷酸之间的磷酸二酯键从而产生切口，形成DNA分子片段。在DNA聚合酶Ⅰ作用下，以荧光标记的四种脱氧核苷酸为原料，合成荧光标记的DNA探针。(2)将探针与染色体共同煮沸，使DNA双链中氢键断裂形成单链，随后在降温复性过程中，探针的碱基按照碱基互补配对原则，与染色体上的特定基因序列形成较稳定的杂交分子，图中两条姐妹染色单体中含有2个DNA分子共有4条链，所以最多可有4条荧光标记的DNA片段。

参考答案： (1)磷酸二酯、脱氧核苷酸；(2)氢、碱基互补配对、4。

4.3 回扣基础——科学技术为载体 纵观以原位杂交、基因探针等科学技术为背景材料的试题，本质在于考查学生对生物学基础知识的运用能力。尤其是DNA复制、基因工程和减数分裂等是考查的重点。在复习备考时，应在引导学生回扣基础知识的基础上，加强科学技术为背景材料的训练。例如，以基因工程为主题组织题目，并从以下几方面检测目的基因： 通过DNA分子杂交技术，检测目的基因是否整合到转基因生物的DNA上；检测目的基因是否转录出mRNA；通过抗原—抗体杂交技术，检测目的基因是否表达出蛋白质。

此外，放射自显影技术、细胞培养与细胞工程、酵母菌双杂交技术、细胞及其组分的分析方法——差速离心法等也是现代生物学常见的科学技术。

还原高考题中的科学技术，选择以科学技术为背景命制或选择部分题目进行训练，不仅可以有效消除学生审题时对新技术的不适感，而且对于引导学生体验科学技术在生命科学研究中的作用具有重要意义。还原高考题中的科学技术，根本目的在于落实考纲要求，提升学生的核心素养。在选择或利用材料改编试题时，要注意科学性，优化使用材料，不能为了还原而还原，防止表面化和题海战术。