生物解題建模正當時

晏廷波

模型是對原型的抽象和概括，人們通過研究模型來揭示原型的形態、特征和本質.《普通高中生物課程標準》指出：要讓學生領悟建立模型等科學方法及其在科學研究中的應用，人教版必修一《分子與細胞》不僅介紹了模型的類型，同時向學生提供活動的樣本，例如光合作用過程的圖解（概念模型）.考綱明確要求考生具有對一些生物學問題進行初步探究的能力，包括建立模型與系統分析等科學研究方法.在高中生物教學中，恰當運用模型建構教學，能為學生提供解決問題的原型，指導學生探索，同時激發學生的創造性思維，以下是筆者在教學中的一些探究，以期與同行進行交流.

一、“補償點”移動問題

光照條件下，植物光合作用強度與呼吸作用強度相等時所對應的光照強度、CO2濃度分別稱為光“補償點”和CO2“補償點”.環境條件改變時“補償點”移動問題是考查的難點和熱點，建立數學模型可以幫助師生直觀感受“補償點”的移動情況.

例1科學家研究20℃時小麥光合作用強度與光照強度的關系，得到如圖1所示曲線A，請據圖分析回答：

（1）其他條件適宜，當植物缺Mg時，b點（光補償點）移動方向為（填“左移”“右移”或“不變”）.

二、“從性遺傳”問題

從性遺傳是指由常染色體上基因控制的性狀，在表現型上受個體性別影響的現象.涉及從性遺傳的問題時，師生往往受困于表現型、基因型和性別之間的關系.建立數學模型可以達到快速判定基因型所對應的表現型.

例2食指長于無名指為長食指，反之為短食指，該相對性狀由常染色體上一對等位基因控制（TS表示短食指基因，TL表示長食指基因）.此等位基因表達受性激素影響，TS在男性為顯性，TL在女性為顯性.若一對夫婦均為短食指，所生孩子既有長食指又有短食指，則該夫婦再生一個孩子是長食指的概率為（）.

A.1/4B.1/3C.1/2D.3/4

解析本題考查遺傳性狀的概率計算問題.進行概率計算，首先理清表現型、基因型和性別之間的關系.由于人的性別決定方式為XY型，根據題意，手指性狀與基因型的關系如下表2所示.

三、基因，DNA，染色體（單體）關系問題

基因、DNA復制結合有絲（減數）分裂時對染色體（單體）的分配去向問題往往令師生糾纏不清.

圖3例3蠶豆根尖細胞（2N=12）在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養基中完成一個細胞周期，然后在不含放射性標記的培養基中繼續分裂至中期，其染色體的放射性標記分布情況

是（）.

A.每條染色體的兩條單體都被標記

B.每條染色體中都只有一條單體被標記

C.只有半數的染色體中一條單體被標記

D.每條染色體的兩條單體都不被標記

解析本題主要考察DNA半保留復制，考生需要對染色體、染色單體、DNA和脫氧核苷酸單鏈四個概念進行分析，明確他們之間在數量、結構、 空間位置等方面的聯系.建立它們之間關系的模型（如圖3）使解題變得直觀有效.

DNA復制是半保留復制，蠶豆根尖細胞在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養基中完成一個細胞周期，每一個DNA分子都有一條脫氧核苷酸鏈含3H（如圖3），然后在不含放射性標記的培養基中繼續培養至中期，每個DNA分子復制的兩個DNA分子存在于同一條染色體的兩條染色單體上，其中一個DNA分子的一條鏈含3H（圖略）.答案：B

例4（2010安微理綜）雄蛙的一個體細胞經有絲分裂形成兩個子細胞（C1，C2），一個初級精母細胞經減數第一次分裂形成兩個次級精母細胞（S1，S2），比較C1與C2，S1與S2細胞核中DNA數目及其貯存的遺傳信息，正確的是（）.

A.DNA數目C1與C2相同，S1與S2不同

B.遺傳信息C1與C2相同，S1與S2不同

C.DNA數目C1與C2不同，S1與S2相同

D.遺傳信息C1與C2不同，S1與S2相同

解析細胞核中DNA在染色上，DNA中堿基對的排列順序就是遺傳信息.已知核基因在染色體上，基因是有遺傳效應的DNA片段，根據上述信息可知：細胞核遺傳信息相同，核基因組成（基因型）必然相同.所以本題中判定細胞核中遺傳信息是否相同，可以轉換為判定子細胞的基因型是否相同.建模過程如下：設蛙的體細胞基因型為AaXBY（遵循基因自由組合定律），有絲、減數分裂過程中不同時期細胞的基因型如表3所示.

C1、C2是細胞有絲分裂形成的，有絲分裂是親代細胞的DNA經復制后（基因復制）平均分配到兩個子細胞中，保持遺傳物質的穩定性，所有C1和C2的遺傳信息相同（基因型都是AaXBY），S1和S2是減數第一次分裂形成的兩個次級精母細胞，減數第一次分裂是DNA經復制后隨同源染色體平均分給2個子細胞，染色體數目減半，有染色單體，無同源染色體，遺傳信息不同（常染色體上基因可能不同，XY兩條性染色體上基因不同）.答案：B

四、模型建構建議

建構（construct）一詞通常運用于建筑學，指把事先造好的材料，諸如鋼筋、水泥之類，通過合成建造成為一個新的結構性產品.在模型建構過程中，由于師生生活閱歷，知識背景不同，個體對同一事物的建構是不一樣的.因此在日常教學中，首先完成基本概念及其關系的建構，例如先闡明基因和DNA，DNA和染色體的關系（圖3），之后建構基因和染色體的關系.上述展開工作做得越好，以后的壓縮（簡化）越容易，只需用簡易圖示便可以解答許多難題.例如已知二倍體生物細胞有絲或減數分裂某一時期細胞的基因型，即可判斷其他細胞中染色體數目，染色單體數目，染色體組數目，DNA數目.

（收稿日期：2016-11-05）