透析载体,回归素养,高效备战——以2022年诺贝尔生理学或医学奖为例

吴明锋

(安徽省黄山市教育科学研究院)

北京时间2022年10月3日17时30分,瑞典生物学家、进化遗传学家,古基因组学的开创者斯万特·佩博因其“发现了与已灭绝古人类和人类进化相关的基因组”,获得了2022年诺贝尔生理学或医学奖。

斯万特·佩博通过对已灭绝的古人类——尼安德特人、丹尼索瓦人的基因组进行研究,揭示了当今人类与已灭绝的古人类之间的基因差异,为探索“人类进化”奠定了基础,还有助于找到来自远古祖先的“多种疾病风险因子”,为糖尿病、过敏反应、自身免疫病等疾病的治疗提供新靶点。

一、2022年诺贝尔生理学或医学奖中的生物学大单元知识网络

二、以2022年诺贝尔生理学或医学奖为背景的模拟试题

(一)关注人和动物体的免疫调节,感受生命观念,树立健康生活意识

原创试题：2022年诺贝尔奖得主——斯万特·佩博的科学之路是从揭示腺病毒逃避免疫系统攻击的机制开始的。他的研究团队发现,腺病毒的病毒蛋白并非免疫系统攻击的目标,病毒蛋白能够寻找到细胞内部的移植抗原并结合,阻止它们被运输到细胞表面。由于受感染的细胞表面没有移植抗原,所以免疫系统无法识别它是否受到感染。下列说法正确的是

( )

A.腺病毒蛋白是在病毒核糖体上合成加工而来的

B.B细胞和细胞毒性T细胞等抗原呈递细胞都能处理抗原信息到细胞表面

C.免疫系统清除体内被腺病毒感染的细胞是免疫防御功能的表现

D.抗原呈递细胞将抗原信息呈递到细胞表面的过程中体现了生物膜的流动性

【答案】D

核心知识：本题考查腺病毒的结构、增殖和人体的免疫。腺病毒没有细胞结构,没有核糖体,腺病毒蛋白是在腺病毒DNA的指导下,在宿主细胞核糖体上合成的,故A项错误;细胞毒性T细胞不属于抗原呈递细胞,故B项错误;免疫防御是机体排除外来抗原性异物的一种免疫防护作用,一般发生在细胞外液中,而免疫系统清除体内被腺病毒感染的细胞属于免疫监视功能的体现,故C项错误;抗原呈递细胞将抗原信息呈递到细胞表面的过程中往往由囊泡运输,因而能体现生物膜的流动性,故D项正确。

素养提升：本题以斯万特·佩博研究腺病毒逃避免疫系统攻击的机制为题面,让学生感受到科学家投身科学研究,探索科学真理,收获科研成果,获得心灵成就的艰辛和喜悦。潜移默化地引导学生在保持身心健康的状态下树立走上科学研究道路的目标和决心。题目从立德树人的目标出发,培育学生科研意识和社会责任意识。

(二)关注DNA分子的结构和PCR,淬炼科学思维,建构物质空间结构

高考原题(2021,山东,4题)我国考古学家利用现代人的DNA序列设计并合成了一种类似磁铁的“引子”,成功将极其微量的古人类DNA从提取自土壤沉积物中的多种生物的DNA中识别并分离出来,用于研究人类起源及进化。下列说法正确的是

( )

A.“引子”的彻底水解产物有两种

B.设计“引子”的DNA序列信息只能来自核DNA

C.设计“引子”前不需要知道古人类的DNA序列

D.土壤沉积物中的古人类双链DNA可直接与“引子”结合从而被识别

【答案】C

核心知识：本题考查DNA的来源、结构和DNA分子杂交技术。考古学家利用现代人的DNA序列设计并合成一种“引子”,最有可能的是带有标记的相对保守DNA单链片段(古人类和现代智人高度同源的区段)作探针,然后按照DNA分子杂交技术的原理,探针和样本中的古人类DNA单链相结合,从而特异性分离出古人类DNA。所以“引子”是单链DNA片段,彻底水解产物为磷酸、脱氧核糖和四种含氮碱基,共6种产物,故A项错误;设计“引子”的DNA序列信息既可以来自于核DNA,也可以来自质DNA,故B项错误;设计“引子”前不需要知道古人类的DNA序列,只需选取一段现代人相对保守的DNA序列制成探针,故C项正确;土壤沉积物中的古人类双链DNA需先处理成单链,才可与“引子”结合从而被识别,故D项错误。

素养提升：本题以考古学家利用现代人的DNA序列设计“引子”成功将古人类DNA识别并分离出来的科研过程为题面,让学生感受科技发展对科学研究带来的提升和进步,更侧重展示了科学思维在科学探索中的智慧和能量。学生通过实例感知科学知识对科学研究的促进作用,增强学生民族自豪感,培育学生科研意识和社会责任意识,扎实落实立德树人目标。

(三)关注基因工程和微生物技术,开展科学探究,丰富探究实验能力

原创试题：斯万特·佩博(2022年诺贝尔奖得主)用细菌来扩增提取到的古生物DNA。他先将提取到的含木乃伊DNA片段的样液与DNA片段X(能和人类DNA特异性结合)相结合,与细菌质粒DNA结合在一起形成重组质粒,再将重组质粒导入细菌细胞,随后将这些细菌细胞涂抹到含有抗生素的琼脂平板上培养,放入37℃的恒温箱中培养一段时间后,只含细菌质粒DNA的细胞无法生存,含有重组质粒的细胞才能生存,这样就能获得大量含有木乃伊DNA的细菌群。请结合材料和所学知识回答下列问题:

(1)细菌常被用作基因工程中扩增DNA的受体细胞,是因为其具有________的优点。

(2)将木乃伊DNA片段、DNA片段X与质粒DNA结合在一起的过程中,需要________酶的参与。而将重组质粒导入细菌细胞中,需要先用________处理细菌,使细菌细胞处于一种________的生理状态。

(3)将细菌细胞涂抹到含有抗生素的琼脂平板上培养的过程属于微生物技术中的________过程,加入抗生素的培养基是一种________培养基,这种抗生素抗性基因最初可能位于________上面。

(4)为了排除样液中其他生物DNA对实验结果的影响,科学家另外设置了两组实验,请完善实验步骤并预期实验结果:

实验一:将现代人DNA分子片段、DNA片段X、细菌质粒DNA混合在一起,加入工具酶,再导入细菌细胞中,其他操作同题述实验组。

实验二:将________,其他操作同实验组。

预期结果:_____________________________。

【答案】(1)遗传物质少、繁殖速度快、培养成本低

(2)限制酶和DNA连接 Ca2+能吸收周围环境中DNA分子

(3)接种 选择 DNA片段X

(4)不含木乃伊DNA的样液、DNA片段X、细菌质粒DNA混合在一起,加入工具酶,再导入细菌细胞中

实验一(加入现代人DNA分子片段组)有大量菌落存活;实验二(加入不含木乃伊DNA的组织样液组)几乎没有菌落存活

核心知识：本题以2022年诺贝尔奖为情境,考查基因工程和微生物培养技术。(1)细菌具有遗传物质少、繁殖速度快、培养成本低的特点,常被用作基因工程中扩增DNA的受体细胞。(2)将木乃伊DNA片段、DNA片段X与质粒DNA结合在一起的过程中,需要限制酶和DNA连接酶的参与。将重组质粒导入细菌细胞中,需要先用Ca2+处理细菌,使细菌细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态。(3)将细菌细胞涂抹到含有抗生素的琼脂平板上培养的过程属于微生物技术中的接种,加入抗生素的培养基是一种选择培养基。因题目中明确“只含细菌质粒DNA的细菌细胞无法生存,只有含有重组质粒的细胞才能在含抗生素的培养基上生存”,因此抗生素抗性基因最初可能位于DNA片段X上。(4)为了排除样液中其他生物DNA对实验结果的干扰,将不含木乃伊DNA的样液、DNA片段X、细菌质粒DNA混合在一起,加入工具酶,再导入细菌细胞中,其他操作同题述实验组。预期结果为实验一(加入现代人DNA分子片段组)有大量菌落存活;实验二(加入不含木乃伊DNA的组织样液组)几乎没有菌落存活。

素养提升：本题考查基因工程和微生物培养技术等基础知识的同时强调了探究性实验中对照组的设计,考查了学生获取信息和科学思维预测实验结果的能力。综合性较强,对学生归纳分析、科学探究能力要求较高,能有效淬炼学生的思维品质,深入理解生命观念和社会责任,扎实提升学生科学核心素养。

(四)关注PCR和凝胶电泳等科技手段,肩负社会责任,创新引领未来

原创试题：斯万特·佩博因其“发现了与已灭绝古人类和人类进化相关的基因组”而获得了2022年诺贝尔生理学或医学奖。在其发现过程中运用了多种科技手段,下列说法正确的是

( )

①DNA探针制备过程中需先用限制酶处理双链DNA分子以获得DNA单链

②用现代人DNA制作的DNA探针能和古人类DNA形成杂合双链,说明古今人类有着特殊的、保守的DNA同源片段

③在外加电场力的作用下,木乃伊DNA和其他分子在凝胶中迁移的速度和方向不同,可据此将木乃伊DNA和其他杂质区分开来

④在凝胶电泳分离木乃伊DNA的过程中,不同分子大小不同、带电荷的性质和数量不同,因而扩散的速率和方向也不同

⑤DNA水解酶分解DNA的过程需要水的参与,木乃伊制作过程中进行了脱水处理,这为提取古生物DNA创造了有利的条件

⑥科学家将现代人类DNA中的保守序列制成引物,用PCR技术从样液中提取和扩增古人类DNA分子,该过程中需要解旋酶的参与

A.①④⑤⑥ B.①③④⑤

C.②③④⑤ D.②③④⑥

【答案】C

核心知识：本题以诺奖得主的科研过程为情境,考查了学生对PCR、凝胶电泳等技术手段的理解。科学家用解旋酶或高温处理等手段,可将双链DNA分子分离成DNA单链,故①错误;现代人DNA和古人类DNA能形成杂合双链,说明古今人类有着特殊的、保守的DNA同源片段,故②正确;在外加电场力的作用下,木乃伊DNA和其他分子在凝胶中迁移的速度和方向不同,可据此将木乃伊DNA和其他杂质区分开来,故③正确;在凝胶电泳分离木乃伊DNA的过程中,不同分子大小不同、带电荷的性质和数量不同,因而扩散的速率和方向也不同,故④正确;DNA水解酶分解DNA的过程需要水的参与,木乃伊制作过程中进行了脱水处理,这就使得古生物的DNA有可能保存下来,进而为提取古生物DNA创造了有利的条件,故⑤正确;PCR技术中,利用高温条件可以将DNA双链打开形成单链,不需要加入解旋酶,故⑥错误。

素养提升：本题考查学生对PCR和凝胶电泳技术等原理和过程的理解,兼顾DNA分子的结构和特点,综合激发学生的思维能力。让学生清晰感受科学—技术—社会在生物学学术研究中的紧密结合,引领学生构建跨学科思维体系,引导学生建构大单元知识网络,对学生的核心素养养成有着明显的促进作用,有利于立德树人育人目标的实现。

三、结论——透析诺奖载体,回归素养准线,高效备战2023高考

2022年诺贝尔生理学或医学奖的情境中蕴含了“增强免疫,守护健康”的生命观念;串联了“透析DNA结构,明晰PCR过程”的科学思维;探索了“厘清基因工程过程,明确微生物培养设计”的科学探究;渗透了“科学技术社会共进,科技改变未来生活”的社会责任。

诺贝尔奖代表着科学界的尖端成就。以诺贝尔奖获得者的科研情境入题,有利于在宏观上高屋建瓴地对学生素养的养成产生正向引导作用。但在高考备考过程中,教师应引导学生透过现象看本质,厘清情境烘托,回归素养准线,高效备战高考。