透析載體,回歸素養,高效備戰
——以2022年諾貝爾生理學或醫學獎為例

吳明鋒

(安徽省黃山市教育科學研究院)

北京時間2022年10月3日17時30分,瑞典生物學家、進化遺傳學家,古基因組學的開創者斯萬特·佩博因其“發現了與已滅絕古人類和人類進化相關的基因組”,獲得了2022年諾貝爾生理學或醫學獎。

斯萬特·佩博通過對已滅絕的古人類——尼安德特人、丹尼索瓦人的基因組進行研究,揭示了當今人類與已滅絕的古人類之間的基因差異,為探索“人類進化”奠定了基礎,還有助于找到來自遠古祖先的“多種疾病風險因子”,為糖尿病、過敏反應、自身免疫病等疾病的治療提供新靶點。

一、2022年諾貝爾生理學或醫學獎中的生物學大單元知識網絡

二、以2022年諾貝爾生理學或醫學獎為背景的模擬試題

(一)關注人和動物體的免疫調節,感受生命觀念,樹立健康生活意識

原創試題：2022年諾貝爾獎得主——斯萬特·佩博的科學之路是從揭示腺病毒逃避免疫系統攻擊的機制開始的。他的研究團隊發現,腺病毒的病毒蛋白并非免疫系統攻擊的目標,病毒蛋白能夠尋找到細胞內部的移植抗原并結合,阻止它們被運輸到細胞表面。由于受感染的細胞表面沒有移植抗原,所以免疫系統無法識別它是否受到感染。下列說法正確的是

( )

A.腺病毒蛋白是在病毒核糖體上合成加工而來的

B.B細胞和細胞毒性T細胞等抗原呈遞細胞都能處理抗原信息到細胞表面

C.免疫系統清除體內被腺病毒感染的細胞是免疫防御功能的表現

D.抗原呈遞細胞將抗原信息呈遞到細胞表面的過程中體現了生物膜的流動性

【答案】D

核心知識：本題考查腺病毒的結構、增殖和人體的免疫。腺病毒沒有細胞結構,沒有核糖體,腺病毒蛋白是在腺病毒DNA的指導下,在宿主細胞核糖體上合成的,故A項錯誤;細胞毒性T細胞不屬于抗原呈遞細胞,故B項錯誤;免疫防御是機體排除外來抗原性異物的一種免疫防護作用,一般發生在細胞外液中,而免疫系統清除體內被腺病毒感染的細胞屬于免疫監視功能的體現,故C項錯誤;抗原呈遞細胞將抗原信息呈遞到細胞表面的過程中往往由囊泡運輸,因而能體現生物膜的流動性,故D項正確。

素養提升：本題以斯萬特·佩博研究腺病毒逃避免疫系統攻擊的機制為題面,讓學生感受到科學家投身科學研究,探索科學真理,收獲科研成果,獲得心靈成就的艱辛和喜悅。潛移默化地引導學生在保持身心健康的狀態下樹立走上科學研究道路的目標和決心。題目從立德樹人的目標出發,培育學生科研意識和社會責任意識。

(二)關注DNA分子的結構和PCR,淬煉科學思維,建構物質空間結構

高考原題(2021,山東,4題)我國考古學家利用現代人的DNA序列設計并合成了一種類似磁鐵的“引子”,成功將極其微量的古人類DNA從提取自土壤沉積物中的多種生物的DNA中識別并分離出來,用于研究人類起源及進化。下列說法正確的是

( )

A.“引子”的徹底水解產物有兩種

B.設計“引子”的DNA序列信息只能來自核DNA

C.設計“引子”前不需要知道古人類的DNA序列

D.土壤沉積物中的古人類雙鏈DNA可直接與“引子”結合從而被識別

【答案】C

核心知識：本題考查DNA的來源、結構和DNA分子雜交技術。考古學家利用現代人的DNA序列設計并合成一種“引子”,最有可能的是帶有標記的相對保守DNA單鏈片段(古人類和現代智人高度同源的區段)作探針,然后按照DNA分子雜交技術的原理,探針和樣本中的古人類DNA單鏈相結合,從而特異性分離出古人類DNA。所以“引子”是單鏈DNA片段,徹底水解產物為磷酸、脫氧核糖和四種含氮堿基,共6種產物,故A項錯誤;設計“引子”的DNA序列信息既可以來自于核DNA,也可以來自質DNA,故B項錯誤;設計“引子”前不需要知道古人類的DNA序列,只需選取一段現代人相對保守的DNA序列制成探針,故C項正確;土壤沉積物中的古人類雙鏈DNA需先處理成單鏈,才可與“引子”結合從而被識別,故D項錯誤。

素養提升：本題以考古學家利用現代人的DNA序列設計“引子”成功將古人類DNA識別并分離出來的科研過程為題面,讓學生感受科技發展對科學研究帶來的提升和進步,更側重展示了科學思維在科學探索中的智慧和能量。學生通過實例感知科學知識對科學研究的促進作用,增強學生民族自豪感,培育學生科研意識和社會責任意識,扎實落實立德樹人目標。

(三)關注基因工程和微生物技術,開展科學探究,豐富探究實驗能力

原創試題：斯萬特·佩博(2022年諾貝爾獎得主)用細菌來擴增提取到的古生物DNA。他先將提取到的含木乃伊DNA片段的樣液與DNA片段X(能和人類DNA特異性結合)相結合,與細菌質粒DNA結合在一起形成重組質粒,再將重組質粒導入細菌細胞,隨后將這些細菌細胞涂抹到含有抗生素的瓊脂平板上培養,放入37℃的恒溫箱中培養一段時間后,只含細菌質粒DNA的細胞無法生存,含有重組質粒的細胞才能生存,這樣就能獲得大量含有木乃伊DNA的細菌群。請結合材料和所學知識回答下列問題:

(1)細菌常被用作基因工程中擴增DNA的受體細胞,是因為其具有________的優點。

(2)將木乃伊DNA片段、DNA片段X與質粒DNA結合在一起的過程中,需要________酶的參與。而將重組質粒導入細菌細胞中,需要先用________處理細菌,使細菌細胞處于一種________的生理狀態。

(3)將細菌細胞涂抹到含有抗生素的瓊脂平板上培養的過程屬于微生物技術中的________過程,加入抗生素的培養基是一種________培養基,這種抗生素抗性基因最初可能位于________上面。

(4)為了排除樣液中其他生物DNA對實驗結果的影響,科學家另外設置了兩組實驗,請完善實驗步驟并預期實驗結果:

實驗一:將現代人DNA分子片段、DNA片段X、細菌質粒DNA混合在一起,加入工具酶,再導入細菌細胞中,其他操作同題述實驗組。

實驗二:將________,其他操作同實驗組。

預期結果:_____________________________。

【答案】(1)遺傳物質少、繁殖速度快、培養成本低

(2)限制酶和DNA連接 Ca2+能吸收周圍環境中DNA分子

(3)接種 選擇 DNA片段X

(4)不含木乃伊DNA的樣液、DNA片段X、細菌質粒DNA混合在一起,加入工具酶,再導入細菌細胞中

實驗一(加入現代人DNA分子片段組)有大量菌落存活;實驗二(加入不含木乃伊DNA的組織樣液組)幾乎沒有菌落存活

核心知識：本題以2022年諾貝爾獎為情境,考查基因工程和微生物培養技術。(1)細菌具有遺傳物質少、繁殖速度快、培養成本低的特點,常被用作基因工程中擴增DNA的受體細胞。(2)將木乃伊DNA片段、DNA片段X與質粒DNA結合在一起的過程中,需要限制酶和DNA連接酶的參與。將重組質粒導入細菌細胞中,需要先用Ca2+處理細菌,使細菌細胞處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的生理狀態。(3)將細菌細胞涂抹到含有抗生素的瓊脂平板上培養的過程屬于微生物技術中的接種,加入抗生素的培養基是一種選擇培養基。因題目中明確“只含細菌質粒DNA的細菌細胞無法生存,只有含有重組質粒的細胞才能在含抗生素的培養基上生存”,因此抗生素抗性基因最初可能位于DNA片段X上。(4)為了排除樣液中其他生物DNA對實驗結果的干擾,將不含木乃伊DNA的樣液、DNA片段X、細菌質粒DNA混合在一起,加入工具酶,再導入細菌細胞中,其他操作同題述實驗組。預期結果為實驗一(加入現代人DNA分子片段組)有大量菌落存活;實驗二(加入不含木乃伊DNA的組織樣液組)幾乎沒有菌落存活。

素養提升：本題考查基因工程和微生物培養技術等基礎知識的同時強調了探究性實驗中對照組的設計,考查了學生獲取信息和科學思維預測實驗結果的能力。綜合性較強,對學生歸納分析、科學探究能力要求較高,能有效淬煉學生的思維品質,深入理解生命觀念和社會責任,扎實提升學生科學核心素養。

(四)關注PCR和凝膠電泳等科技手段,肩負社會責任,創新引領未來

原創試題：斯萬特·佩博因其“發現了與已滅絕古人類和人類進化相關的基因組”而獲得了2022年諾貝爾生理學或醫學獎。在其發現過程中運用了多種科技手段,下列說法正確的是

( )

①DNA探針制備過程中需先用限制酶處理雙鏈DNA分子以獲得DNA單鏈

②用現代人DNA制作的DNA探針能和古人類DNA形成雜合雙鏈,說明古今人類有著特殊的、保守的DNA同源片段

③在外加電場力的作用下,木乃伊DNA和其他分子在凝膠中遷移的速度和方向不同,可據此將木乃伊DNA和其他雜質區分開來

④在凝膠電泳分離木乃伊DNA的過程中,不同分子大小不同、帶電荷的性質和數量不同,因而擴散的速率和方向也不同

⑤DNA水解酶分解DNA的過程需要水的參與,木乃伊制作過程中進行了脫水處理,這為提取古生物DNA創造了有利的條件

⑥科學家將現代人類DNA中的保守序列制成引物,用PCR技術從樣液中提取和擴增古人類DNA分子,該過程中需要解旋酶的參與

A.①④⑤⑥ B.①③④⑤

C.②③④⑤ D.②③④⑥

【答案】C

核心知識：本題以諾獎得主的科研過程為情境,考查了學生對PCR、凝膠電泳等技術手段的理解。科學家用解旋酶或高溫處理等手段,可將雙鏈DNA分子分離成DNA單鏈,故①錯誤;現代人DNA和古人類DNA能形成雜合雙鏈,說明古今人類有著特殊的、保守的DNA同源片段,故②正確;在外加電場力的作用下,木乃伊DNA和其他分子在凝膠中遷移的速度和方向不同,可據此將木乃伊DNA和其他雜質區分開來,故③正確;在凝膠電泳分離木乃伊DNA的過程中,不同分子大小不同、帶電荷的性質和數量不同,因而擴散的速率和方向也不同,故④正確;DNA水解酶分解DNA的過程需要水的參與,木乃伊制作過程中進行了脫水處理,這就使得古生物的DNA有可能保存下來,進而為提取古生物DNA創造了有利的條件,故⑤正確;PCR技術中,利用高溫條件可以將DNA雙鏈打開形成單鏈,不需要加入解旋酶,故⑥錯誤。

素養提升：本題考查學生對PCR和凝膠電泳技術等原理和過程的理解,兼顧DNA分子的結構和特點,綜合激發學生的思維能力。讓學生清晰感受科學—技術—社會在生物學學術研究中的緊密結合,引領學生構建跨學科思維體系,引導學生建構大單元知識網絡,對學生的核心素養養成有著明顯的促進作用,有利于立德樹人育人目標的實現。

三、結論——透析諾獎載體,回歸素養準線,高效備戰2023高考

2022年諾貝爾生理學或醫學獎的情境中蘊含了“增強免疫,守護健康”的生命觀念;串聯了“透析DNA結構,明晰PCR過程”的科學思維;探索了“厘清基因工程過程,明確微生物培養設計”的科學探究;滲透了“科學技術社會共進,科技改變未來生活”的社會責任。

諾貝爾獎代表著科學界的尖端成就。以諾貝爾獎獲得者的科研情境入題,有利于在宏觀上高屋建瓴地對學生素養的養成產生正向引導作用。但在高考備考過程中,教師應引導學生透過現象看本質,厘清情境烘托,回歸素養準線,高效備戰高考。