重溫實驗過程培養嚴謹周密的解題思路

單林蘭

摘 要 科學實驗的嚴謹周密要求在解決實驗問題時要循序漸進、細致周到，善于設疑，設計清晰、仔細、完整的思路。“肺炎雙球菌轉化實驗”和“探究胰腺分泌活動的調節機制的實驗”給了我們很好的啟示和幫助，使我們獲得運用實驗的方法解決自然界和社會生活中的有關生物學問題的能力。

關鍵詞 實驗 過程 分析 思路

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

1 肺炎雙球菌轉化實驗的啟示

肺炎雙球菌能引起人患肺炎和小鼠患敗血癥。肺炎雙球菌有兩種類型，一種是光滑型(S型)細菌，菌體外有多糖類的膠狀莢膜，使它們可不被宿主正常的防護系統所破壞，具毒性，可使小鼠患敗血癥死亡，它們在培養基上形成光滑的菌落；另一種是粗糙型(R型)，沒有莢膜和毒性，不會使小鼠致死，形成的菌落邊緣粗糙。

1．1 肺炎雙球菌轉化實驗

1928年，格里菲斯將R型活菌和加熱殺死的S型細菌分別注入小鼠體內，小鼠不患病。將加熱殺死的S型細菌和活的R型細菌共同注射到小鼠體內，不僅很多小鼠因敗血癥死亡，且從它們體內分離出活的S型細菌。這說明，加熱殺死的S型細菌把某些R型細菌轉化為S型細菌，S型細菌有一種物質或轉化因素進入了R型細菌，使之產生了莢膜，從而具備了毒性，成為S型細菌。

1．1．1 實驗過程

（1） 將無毒性的R型活細菌注射到小鼠體內，小鼠不死亡。

（2） 將有毒性的S型活細菌注射到小鼠體內，小鼠患敗血癥死亡。

（3） 將加熱殺死后的S型細菌注射到小鼠體內，小鼠不死亡。

（4） 將無毒性的R型活細菌與加熱殺死后的S型細菌混合后，注射到小鼠體內，小鼠患敗血癥死亡。

1．1．2 轉化原因及驗證

1944年，艾弗里和他的同事經過10年努力，在離體條件下完成了轉化過程，證明了引起R型細菌轉化為S型細菌的轉化因子是DNA。他們把DNA、蛋白質、莢膜從活的S型細菌中提取出來，分別與活的R型細菌混合，然后培養在培養液中，他們發現，只有DNA能夠使R型活菌轉變為S型活菌，且DNA純度越高，轉化越有效。如果DNA經過DNA酶處理，就不出現轉化現象。

1．2 對肺炎雙球菌轉化實驗的剖析

1．2．1 肺炎雙球菌的結構

肺炎雙球菌是一種細菌，屬原核生物。由于擬核的DNA分子不與蛋白質結合，因此，用它作實驗材料易于觀察DNA在遺傳中的作用。

1．2．2 肺炎雙球菌的分類

肺炎雙球菌有兩種類型：一種是R型細菌，無多糖類的莢膜，是無毒性的；另一種是S型細菌，具有多糖類的莢膜，是有毒性的。莢膜是細菌細胞壁外圍繞的一層較厚的粘性、膠凍樣物質，其化學成分隨細菌種類不同而有差異，多數細菌的莢膜成分為多糖，如肺炎雙球菌。莢膜的形成受遺傳物質（基因）的控制。

1．2．3 肺炎雙球菌的致病性

莢膜與細菌的致病性有關，同時莢膜還能儲留水分而抗干燥，對保護細菌有作用。莢膜本身無毒性，但在宿主機體內保護細菌抵抗吞噬細胞的吞噬及消化，并能抑制宿主體內殺菌物質（如溶菌酶）的殺菌作用，使細菌易在體內大量繁殖。細菌若失去莢膜，致病力也隨之減弱或消失。當細菌進入人或動物體后，由于免疫效應，都要被吞噬細胞吞噬消化，加以消滅。由于S型細菌有莢膜，進入吞噬細胞后，受莢膜的保護，能抵抗吞噬細胞的吞噬和消化，從而能迅速增殖、擴散，引起機體發生疾病。而R型細菌無莢膜，則能被吞噬細胞吞噬、消化，所以不能使機體患病。肺炎雙球菌都會使人或小鼠患肺炎，由于小鼠抵抗力差而細菌毒性較強，可并發敗血癥。

1．2．4 如何加熱殺“死”細菌

加熱的溫度一般為60℃左右，目的使蛋白質變性，細菌的感染力和致病性降低，但抗原的特性仍然存在。由于DNA具有相對穩定性，當DNA溶液加熱到沸點時，其氫鍵斷裂，雙螺旋解開，但若將其緩慢冷卻，分離的單鏈就可部分得以重聚，恢復雙螺旋結構，如果驟然冷卻，核酸就不能復性了。

1．2．5 轉化的實質

轉化作用是指一種生物由于接受了另一種生物的遺傳物質（DNA或RNA），而表現出后者的某些遺傳性狀或發生遺傳性狀改變的現象。轉化的實質是外源DNA與受體細胞DNA之間的重組，使受體細胞獲得了新的遺傳信息。因此，轉化作用可以看成廣義上的基因重組。加熱滅活的S型細菌遺留下各個DNA片段，其中包括控制莢膜形成的基因，這些片段從S細菌中釋放出來，并且在后繼的培養中被一些R型細菌所攝取，進入R型細菌的細胞中，以同源重組的置換方式，整合進入R型細菌的基因組中，使R型細菌轉化成S型細菌。可見，轉化后形成的S型細菌內含有兩種DNA（R型和S型）。

1．3 艾弗里實驗設計中最關鍵的思路

通過格里菲斯的實驗發現了轉化的問題，艾弗里來探究轉化因素，他們從S型細菌中提取、分離出各種成分，分別與R型細菌混合培養，并觀察其后代是否有S型細菌出現，從而證明了轉化因素是DNA。單獨地、來研究各種成分的作用是關鍵。艾弗里更加嚴密的一步是將DNA經過DNA酶處理，不出現轉化現象，從反面說明了DNA是遺傳物質。同時此實驗也證明了蛋白質等其他化學物質不是遺傳物質。

1．4 應用舉例

肺炎雙球菌轉化實驗中，將加熱殺死的S型細菌與R型活細菌相混合后，注射到小鼠體內，在小鼠體內S型和R型細菌含量變化情況如圖所示。下列有關敘述中錯誤是的（）

A． 在死亡小鼠體內存在著S型細菌和R型細菌；

B． 曲線ab段下降的原因是R型細菌被小鼠免疫系統所消滅；

C． 曲線bc段上升與S型細菌在小鼠體內增殖導致小鼠免疫力降低有關；

D． S型細菌的產生是由于R型細菌突變的結果。

分析：本題綜合考查R型和S型細菌的特點及細菌發生轉化的原因，引導學生對實驗作進一步思考。R型細菌的數量與小鼠免疫力有關，S型細菌的產生是由于R型細菌轉化的結果，而非基因突變所致。答案為D。

2 循序漸進地探究胰腺分泌活動的調節機制

2．1 為研究胰腺分泌活動的調節機制,研究人員做了下列實驗

實驗一:刺激通向胰腺的神經,胰液分泌量增加。

實驗二:切斷通向胰腺的所有神經,當食物經胃進入十二指腸時,胰液分泌量增加。

實驗三:切斷動物的胰腺神經后,從另一些動物的胃中取出部分被消化了的食物,取出少量直接導入胰腺神經已被切斷的實驗動物的十二指腸中,結果發現胰液大量分泌。

實驗四:把一些相同的食物成分不經過胃直接引入切斷了胰腺神經的動物的十二指腸中,結果胰液分泌不增多。

研究人員接著探究能促進胰液分泌的具體化學物質,他們分析胃內容物成分,分離提純,單獨刺激小腸觀察胰液分泌情況。發現用少量鹽酸刺激小腸,被切斷胰腺神經的胰腺分泌胰液增加。為進一步確定鹽酸與鹽酸刺激產生的小腸分泌物哪個是促進胰液分泌的化學物質,請你繼續完成具體探究,并預期實驗結果，續做實驗步驟:

① 取6只生長發育狀況一致健康小鼠,饑餓兩天,用少量鹽酸刺激小腸,收集小腸內容物,除去大分子雜質,得到鹽酸刺激小腸產生的分泌物。

② 切斷6只小鼠通向胰腺的所有神經，隨機分成A、B、C三組,每組2只。

③ 向A組小鼠血液注入2 mL稀鹽酸；向B組小鼠血液注入2 mL小腸分泌物；向C組小鼠血液注入2 mL蒸餾水。

④ 觀察胰液分泌情況,分析并得出結論。

2．2 實驗的嚴謹性

本實驗是發現問題、提出問題、層層釋疑的循序漸進過程，十分嚴謹。首先是證明胰液分泌受神經調節，然后，在切斷小鼠通向胰腺的所有神經，排除了神經調節后，進一步研究體液的調節。在體液調節方面，實驗二證明食物經胃進入十二指腸時,胰液分泌量增加，而食物經胃到達十二指腸時，又增加了胃液，那么到底是食物的刺激還是胃液的刺激呢？實驗四中把一些相同的食物成分不經過胃，而直接引入切斷了胰腺神經的小鼠的十二指腸中,結果胰液分泌不增多，這就說明不是由于食物直接刺激的原因，而是由于胃液的原因。那么胃液是不是直接原因呢？因為胃液進入十二指腸時，又刺激十二指腸產生了分泌物，這就要進一步確定鹽酸與鹽酸刺激產生的小腸分泌物哪個是促進胰液分泌的化學物質了，此時，將二者分開來單獨研究，問題就解決了。

2．3 實驗預測及結論

① 若A、C組小鼠胰液分泌量基本相等,則鹽酸不是促進胰液分泌的化學物質.

② 若A組小鼠胰液分泌量大于C組,則鹽酸是促進胰液分泌的化學物質；

③ 若B、C組小鼠胰液分泌量基本相等,則鹽酸刺激的小腸分泌物不是促進胰液分泌的化學物質；

④ 若B組小鼠胰液分泌量大于C組,則鹽酸刺激的小腸分泌物是促進胰液分泌的化學物質。

結論：胰液分泌受神經支配；胰液分泌也受體液調節,來自胃內的某些物質能促進胰液分泌。

2．4 應用舉例

下列有關激素研究實驗的敘述中不正確的是

（）

A． 將成熟的蘋果與未成熟的香蕉放在一起有利于香蕉的成熟，說明植物激素不因植物不同而具有特異性；

B． 將同齡分為兩組，一組飼喂普通飼料，一組飼喂普通飼料添加甲狀腺激素，可研究甲狀腺激素對幼齡動物發育的影響；

C． 將同齡成年小鼠分為兩組來研究激素的作用；

D． 血糖平衡的調節不只有激素的調節，還要受神經的調節。

分析：植物激素是植物中的微量有機物，在不同植物中成分是相同的，只是含量的不同對不同植物或同一植物的不同部位所起作用（促進或抑制）不同，幼年蝌蚪要進行變態發育，無性別差異，而成年小鼠由于雌性雄性激素的差異，在激素的研究中要用發育狀況相同的雄鼠來研究，血糖平衡的調節既有激素的調節，又有神經調節。因此選C。

3 總結

科學實驗的嚴謹周密要求我們在解決實驗問題時要循序漸進、細致周到，要善于設疑，設計清晰、仔細、完整的思路。具備驗證簡單生物學事實的能力，并能對實驗現象和結果進行解釋、分析和處理；具有對一些生物學問題進行初步探究的能力，包括確認變量、做出假設和預期、設計可行的研究方案、處理和解釋數據、根據數據做出合理的判斷等；會鑒別、選擇試題給出的相關生物學信息，能運用信息，結合所學知識進行實驗原理的闡述、實驗器材的選擇。能用文字、圖表等多種表達形式準確的描述實驗結果。能運用高中所學的相關概念、原理、過程等知識，運用實驗的方法解決自然界和社會生活中的有關生物學問題。