還原高考試題中的現代生物科學技術

王永田

(山東省費縣教育局教科研中心 臨沂 273400)

《考試大綱》要求生物學學科命題要“在生物科學和技術的基礎知識、科學探究的方法、分析和解決實際問題的能力等方面進行測量”“要重視理論聯系實際，關注科學技術”[1]。科學技術推動著生物學研究不斷取得新的成果，是高考命題取材的重要來源。因此，還原高考試題中的現代生物科學技術，采取相應措施，可以提高教學的針對性。

1 定量細胞化學分析與細胞分選技術——流式細胞術

1.1 流式細胞術原理 流式細胞術可定量地測定某一細胞中的DNA、 RNA或某一特異的標記蛋白的含量，以及細胞群體中上述成分含量不同的細胞的數量。

將細胞群體分散后對待測的某種成分進行特異的熒光染色，然后將懸液中的細胞快速通過流式細胞儀。當含有單個細胞的液滴通過激光束時，帶有不同熒光的細胞所在液滴被充上正電荷、負電荷，或不被充電，同時檢測器可測出并記錄每個細胞中的待測成分的含量。因細胞所帶電荷的種類不同，當液滴通過高壓偏轉板時，帶有不同電荷的液滴偏轉到不同位置，從而達到將細胞分選的目的[2]。

1.2 高考試題中的流式細胞術 例1(2015年北京卷·3題·6分)流式細胞儀可根據細胞中DNA含量的不同對細胞分別計數。研究者用某抗癌物處理體外培養的癌細胞。24 h后用流式細胞儀檢測，結果如圖1。對檢測結果的分析不正確的是(C)。

A. b峰中細胞的DNA含量是a峰中的2倍

B. a峰和b峰之間的細胞正進行DNA復制

C. 處于分裂期的細胞均被計數在a峰中

D. 此抗癌藥物抑制了癌細胞DNA的復制

圖1 流式細胞儀的檢測結果

解析： 本題以流式細胞術為背景，考查了細胞增殖過程中DNA的數量變化和細胞癌變的有關知識。由圖1可知，在b峰、a峰中細胞的DNA相對含量分別為80、40；在a峰與b峰之間細胞內的DNA在逐漸增加，說明正進行著DNA分子的復制；在實驗組中，a、 b峰之間細胞數量明顯減少，說明該藥物對癌細胞DNA復制有抑制作用；在細胞分裂期的前、中、后三個時期的細胞應位于b峰，而末期的細胞應位于a峰處。

1.3 拓展延伸 試題圖中出現了DNA含量低于40或高于80的部分細胞，為什么？細胞死亡，統計誤差，還是細胞融合了？都不是，這與細胞培養有關。原代培養的細胞一般傳至10代左右就不易傳下去了，極少數細胞可能度過危機后又可順利地傳40～50代，并且仍保持原來染色體的二倍體數量及接觸抑制的行為，這種傳代細胞稱為細胞系。當細胞系傳至50代以后又要出現危機難以再傳下去，部分細胞發生了遺傳突變，并使其帶有癌細胞的特點，有可能在培養條件下無限制地傳代培養下去，這種傳代細胞稱為永生細胞系或連續細胞系。該細胞系的特點是染色體明顯改變，一般呈亞二倍體或非整倍體，因此出現了低于a峰和高于b峰的曲線，如HeLa細胞系。拓展延伸的過程，既是對高考題的二次運用，也是以科學技術為載體訓練學生科學思維的過程。

2 細胞周期同步化技術

2.1 細胞周期同步化的原理 在一般培養條件下，群體中的細胞處于不同的細胞周期時相之中。為了研究某一時相細胞的代謝、增殖、基因表達或凋亡，常需采取一些方法使細胞處于細胞周期的同一時相，這就是細胞同步化技術。選用DNA合成抑制劑可逆地抑制S期細胞DNA合成而不影響其他細胞周期運轉，最終可將細胞群體阻斷在G1/S期交界處；一些抑制微管聚合的藥物，因抑制有絲分裂紡錘體的形成和功能行使，可將細胞阻斷在有絲分裂中期，使細胞同步于M期[2]。

2.2 高考試題中的細胞周期同步化技術 例2(2017全國Ⅲ卷·29題·8分)利用一定方法使細胞群體處于細胞周期的同一階段，稱為細胞周期同步化。以下是能夠實現動物細胞周期同步化的三種方法。回答下列問題：

(1) DNA合成阻斷法： 在細胞處于對數生長期的培養液中添加適量的DNA合成可逆抑制劑，處于 期的細胞不受影響而繼續細胞周期的運轉，最終細胞會停滯在細胞周期的_______期，以達到細胞周期同步化的目的。

(2) 秋水仙素阻斷法： 在細胞處于對數生長期的培養液中添加適量的秋水仙素，秋水仙素能夠抑制__________，使細胞周期被阻斷，即可實現細胞周期同步化。經秋水仙素處理的細胞 (填“會”或“不會”)被阻斷在間期。

(3) 血清饑餓法： 培養液中缺少血清可以使細胞周期停滯在間期，以實現細胞周期同步化，分裂間期的特點是 (答出1點即可)。

解析： (1)DNA復制發生在細胞分裂間期；DNA合成被阻斷后，分裂期不受影響，分裂間期受影響。最終細胞會停滯在細胞周期的間期。(2)秋水仙素通過抑制紡錘絲的形成來使染色體數目加倍，而紡錘絲形成于有絲分裂前期，經秋水仙素處理的細胞不會被阻斷在間期。(3)分裂間期的特點是進行DNA的復制和有關蛋白質的合成，為分裂期做物質準備。

參考答案： (1)分裂、間(或答： S)；(2)紡錘體形成、不會；(3)完成DNA復制和有關蛋白質的合成，為分裂期準備物質。

2.3 突破概念 有絲分裂是一個重要的核心概念，圍繞各個時期DNA、染色體、紡錘體等的變化規律和異常變化進行命題，是一個高頻考點。細胞的生命活動離不開多種物質結構基礎，控制了一個環節就會影響整體的功能，細胞周期同步化是一個典型的“通過異常考正常”的實例。常見的還有突變體制備技術，主要從RNA與DNA兩個層次上進行。在RNA水平上主要是RNA干擾方法，使mRNA無法翻譯成相關的蛋白質，在mRNA層面上阻斷對應基因的功能，達到制備基因突變體的目的；而基因敲除則是在DNA水平制備突變體的一種方法。此外，還涉及多種基因控制一種性狀、HIV侵染T細胞、細胞分化等知識。通過這類知識的學習和應用，可加強學生對核心概念的理解，特別是培養結構和功能觀、物質和能量觀，進而培養生命觀念。

3 特異蛋白抗原的定位與定性——免疫熒光技術

3.1 免疫熒光技術 免疫熒光技術就是將免疫學方法(抗原—抗體特異結合)與熒光標記技術相結合用于研究特異蛋白抗原在細胞內分布的方法。實驗步驟是： 先將已知的抗原或抗體標記上熒光素制成的熒光標記物，再用這種熒光抗體(或抗原)作為分子探針檢查細胞或組織內的相應抗原(或抗體)。抗原抗體復合物上含有熒光素，利用熒光顯微鏡觀察標本，可以看見熒光所在的細胞或組織，從而確定抗原或抗體的性質和定位[2]。

3.2 高考試題中的免疫熒光技術 例3(2014年北京卷·30題·16分)擬南芥的A基因位于1號染色體上，影響減數分裂時染色體交換頻率，a基因無此功能；B基因位于5號染色體上，使來自同一個花粉母細胞的四個花粉粒分離，b基因無此功能。用植株甲(AaBB)與植株乙(AAbb)作為親本進行雜交實驗，在F2中獲得了所需植株丙(aabb)。

(1)～(3)題略。

(4) 雜交前，乙的1號染色體上整合了熒光蛋白基因C、 R。兩代后，丙獲得C、 R基因(圖2)。帶有C、 R基因的花粉粒能分別呈現出藍色、紅色熒光。①丙獲得了C、 R基因是由于它的親代中的_________在減數分裂形成配子時發生了染色體交換。②丙的花粉母細胞進行減數分裂時，若染色體在C和R基因位點間只發生一次交換，則產生的四個花粉粒呈現出的顏色分別是__________。

圖2 熒光標記的擬南芥雜交實驗示意圖

解析： 本題考查了減數分裂過程中同源染色體聯會時的交叉互換及其應用。①親代乙中C、 R基因與A基因位于1號染色體上。故減數第一次分裂前期，同源染色體的非姐妹染色單體部分片段互換，致使C、 R在F2中與a基因位于1號染色體上。所以，丙獲得C、 R基因是由于F1在減數分裂形成配子時，發生了交叉互換。②丙的花粉母細胞減數分裂時，若染色體在C和R基因位點間只發生一次交換，則產生4種花粉粒： aC、 aR，以及交換產生的aCR、 a。花粉粒的顏色則是： 紅色、藍色、紫色、無色。

參考答案： (4)①父本和母本；②藍色、紅色、藍和紅疊加色、無色。

3.3 觸類旁通——區別熒光標記與同位素標記 熒光標記與同位素標記是學生容易混淆的技術。熒光標記技術是利用熒光蛋白或熒光蛋白基因作為特定的標志物對研究對象進行標記的分析方法。例如，人鼠細胞膜融合證明細胞膜的流動性，熒光鼠的培育與基因定位等。而同位素標記法也稱為同位素示蹤法，是用示蹤元素標記化合物，根據特定化合物的放射性或質量差別，對一系列化學反應進行追蹤的分析方法。例如，在“噬菌體侵染細菌實驗”中，利用35S和32P分別標記噬菌體外殼和DNA，證明進入大腸桿菌的是DNA；用18O標記水和碳酸氫鹽，證明光合作用放出的氧氣來自水等[3]。經典實驗中的科學方法不僅是利用了當時的科學技術，更重要的是體現了科學思維——取材恰當、巧妙設計、嚴謹論證等，引導學生在此基礎上模仿設計實驗，會收到觸類旁通的效果[4]。

4 細胞內特異核酸的定位與定性——原位雜交技術

4.1 原位雜交技術 用標記的核酸探針，通過分子雜交來確定特異核苷酸序列在染色體上或在細胞中位置的方法，稱為原位雜交[2]。原位雜交技術在顯微和亞顯微水平上研究基因定位、特異mRNA表達等問題中具有重要意義。近年來的電鏡原位雜交技術，通過檢測與抗生物素相連的膠體金顆粒，效果更佳。

4.2 高考試題中的原位雜交技術 例4(2015年江蘇卷·33題·8分)熒光原位雜交可用熒光標記的特異DNA片段為探針,與染色體上對應的DNA片段結合,從而將特定的基因在染色體上定位。請回答下列問題：

(1) DNA熒光探針的制備過程如圖3所示,DNA酶隨機切開了核苷酸之間的_______鍵，從而產生切口,隨后在DNA聚合酶的作用下,以熒光標記的_______為原料,合成熒光標記的DNA探針。

圖3 DNA熒光探針的制備過程示意圖

(2) 圖4表示探針與待測基因結合的原理。先將探針與染色體共同煮沸,使DNA雙鏈中________鍵斷裂,形成單鏈。隨后在降溫復性過程中,探針的堿基按照__________原則,與染色體上的特定基因序列形成較穩定的雜交分子。圖中兩條姐妹染色單體中最多可有___________條熒光標記的DNA片段。

圖4 探針與待測基因結合的原理圖

解析： 本題以DNA原位雜交技術為背景材料，考查了DNA分子的結構、DNA的復制和減數分裂的有關知識。(1)DNA酶Ⅰ隨機切開核苷酸之間的磷酸二酯鍵從而產生切口，形成DNA分子片段。在DNA聚合酶Ⅰ作用下，以熒光標記的四種脫氧核苷酸為原料，合成熒光標記的DNA探針。(2)將探針與染色體共同煮沸，使DNA雙鏈中氫鍵斷裂形成單鏈，隨后在降溫復性過程中，探針的堿基按照堿基互補配對原則，與染色體上的特定基因序列形成較穩定的雜交分子，圖中兩條姐妹染色單體中含有2個DNA分子共有4條鏈，所以最多可有4條熒光標記的DNA片段。

參考答案： (1)磷酸二酯、脫氧核苷酸；(2)氫、堿基互補配對、4。

4.3 回扣基礎——科學技術為載體 縱觀以原位雜交、基因探針等科學技術為背景材料的試題，本質在于考查學生對生物學基礎知識的運用能力。尤其是DNA復制、基因工程和減數分裂等是考查的重點。在復習備考時，應在引導學生回扣基礎知識的基礎上，加強科學技術為背景材料的訓練。例如，以基因工程為主題組織題目，并從以下幾方面檢測目的基因： 通過DNA分子雜交技術，檢測目的基因是否整合到轉基因生物的DNA上；檢測目的基因是否轉錄出mRNA；通過抗原—抗體雜交技術，檢測目的基因是否表達出蛋白質。

此外，放射自顯影技術、細胞培養與細胞工程、酵母菌雙雜交技術、細胞及其組分的分析方法——差速離心法等也是現代生物學常見的科學技術。

還原高考題中的科學技術，選擇以科學技術為背景命制或選擇部分題目進行訓練，不僅可以有效消除學生審題時對新技術的不適感，而且對于引導學生體驗科學技術在生命科學研究中的作用具有重要意義。還原高考題中的科學技術，根本目的在于落實考綱要求，提升學生的核心素養。在選擇或利用材料改編試題時，要注意科學性，優化使用材料，不能為了還原而還原，防止表面化和題海戰術。