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吴昌贵:跨学科思维方法在解答生物高考题中的妙用  

2014-05-24 21:13:46|  分类: 解题与错题整理 |  标签: |举报 |字号 订阅

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很多人都知道“生化不分家”的说法,确实,不论是生物实验中所用的各种化学试剂,还是细胞代谢中的各种化学反应都与化学学科息息相关。实际上,数学、物理作为重要的基础性学科也早已与生物学形成了千丝万缕的联系,例如孟德尔遗传定律中的概率方法、神经传导中的电位变化等。以上的这些学科联系在近几年高考生物试题中也有所体现,本文结合部分高考试题谈谈跨学科思维方法在解题中的巧妙运用。

1、数学思维方法

例12008全国卷·4)已知某种限制性内切酶在一线性DNA分子上有3个酶切位点,如图中箭头所指,如果该线性DNA分子在3个酶切位点上都被该酶切断,则会产生abcd四种不同长度的DNA片段。现有多个上述线性DNA分子,若在每个DNA分子上至少有一个酶切位点被该酶切断,则理论上讲,经该酶酶切后,这些线性DNA分子最多能产生长度不同的DNA片段种类数是( )

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A、3                B、4              C、9                 D、12

解析:本题一般解法是分3种情况,即只被一种酶切的、同时被两种酶切的和同时被三种酶切的,一种酶切的结果又有3种情况:a、bcd,ab、cd,abc、d,最多产生6种片段;两种酶切的结果也有3种情况:a、b、cd,ab、c、d,a、bc、d,最多产生7种片段;三种酶切的结果只有a、b、c、d1种,产生4种片段。综上所述,每个DNA分子上至少有1个酶位点被该酶切断,可以切得的片段种类最多有:abcdabbccdabcbcd 9种。

若换一个思路,既然每个DNA分子上至少有一个酶切位点被该酶切断这些线性DNA分子最多能产生长度不同的DNA片段种类数就应该切割位点与两个端点共5个点中任意选2个的组合数,再减去1(两个端点间的组合,酶未切割)的差值,即C52-1=9。

答案C

例2 (2011年新课标卷32)某植物红花和白花这对相对性状同时受多对等位基因控制(如A 、a ;B 、b ;C 、c ……),当个体的基因型中每对等位基因都至少含有一个显性基因时(即A_B_C_......)才开红花,否则开白花。现有甲、乙、丙、丁4个纯合白花品系,相互之间进行杂交,杂交组合组合、后代表现型及其比例如下:

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根据杂交结果回答问题:

⑴这种植物花色的遗传符合哪些遗传定律?

⑵本实验中,植物的花色受几对等位基因的控制,为什么?

解析:本题中多对等位基因控制一对相对性状,首先要根据F2的性状分离比确定该遗传是否符合孟德尔定律。个体的基因型中每对等位基因都至少含有一个显性基因时(即A_B_C_......)才开红花,乙×丙、乙×丁、甲×丁三杂交组合的F2红色类型的比例分别为(3/4)4、(3/4)3、(3/4)4,故三个杂交组合中F1涉及的4对或3对等位基因,每一对都符合基因分离定律,相互间符合基因的自由组合定律。

其次,是要确定花色受几对等位基因的控制。这个问题较难,解答它需要一定的数学推理能力。在完全显性遗传中,显性个体有纯合、杂合之分,而隐性个体必为纯合子,故推断等位基因的对数须从隐性基因的对数入手。 

假设甲、乙、丙、丁4个纯合白花品系各有x、y、z、w对(x、y、z、w均为正整数)隐性基因,则:x≥1,y≥1,z≥1,w≥1。                                         

因为乙×丙、甲×丁两杂交组合的F1 均为红花个体,且F2红色类型所占的比例均为(3/4)4所以有:

y+z=4            

x+w=4            

因为甲×乙、甲×丙、丙×丁三杂交组合的F1 均为白花个体,且F2也全为白花,所以甲乙之间、甲丙之间、丙丁之间都分别至少有1对相同的隐性基因。设甲乙间、甲丙间、丙丁间分别有p、q、r 对(p、q、r均为正整数)相同的隐性基因,则:

p≥1,q≥1,r≥1       ③

若设甲、乙、丙、丁4个纯合白花品系一共有v对(v为正整数)隐性基因,由①②③,则有:

=(x+y+z+w)-(p+q+r)= 8 -(p+q+r)≤ 5     ④

再联系乙×丙、甲×丁两杂交组合的F1 均为红花个体,且F2红色类型所占的比例均为(3/4)4,易得:

4≤v      ⑤

④⑤联立,得:4≤v≤ 5,即甲、乙、丙、丁4个纯合白花品系一共有4对或5对隐性基因。因为纯合亲本杂交,F1可得杂合体,即出现等位基因,所以控制植物花色的等位基因的对数应该与4个纯合白花品系一共具有的隐性基因对数相等,也是4对或5对。

答案⑴ 基因的自由组合定律和基因的分离定律(或基因的自由组合定律);          ⑵ 4对或5对。本实验的乙×丙和甲×丁两个杂交组合中,F2中红色个体占全部个体的比例81/(81+175)=81/256=(3/4)4,根据n对等位基因自由组合且完全显性时,F2中显性个体的比例为(3/4)n,可判断这两个杂交组合中都涉及到4对等位基因。综合其它杂交组合的实验结果,可进一步判断乙×丙和甲×丁两个杂交组合中所涉及的4对等位基因至少有3对是相同的,当第4对也相同时,则花色性状由4对等位基因控制,否则由5对等位基因控制。

2、物理思维方法

例12007全国卷1下图表示一段离体神经纤维的S点受到刺激而兴奋时,局部电流和神经兴奋得传导方向(弯箭头表示膜内、外局部电流的流动方向,直箭头表示兴奋传导方向),其中正确的是

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解析:此题在明确神经纤维上兴奋双向传导的前提下,只要知道物理常识:在电路中规定正电荷流动的方向为电流的方向,即可在B、C中迅速选出正确答案。

答案:C。

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例2 (2009年上海28)神经电位的测量装置如右图所示,其中箭头表示施加适宜刺激,阴影表示兴奋区域。用记录仪记录A、B两电极之间的电位差,结果如右侧曲线图。若将记录仪的A、B两电极均置于膜外,其它实验条件不变,则测量结果是(   )

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解析:根据静息电位(外正内负)、动作电位(外负内正)及兴奋后电位(外正内负)的变化,可得出题干右图中兴奋向右传导经过各部位时的电位,如下表格:

 

                      

A点左侧

A

AB之间

B

B点右侧

φAA电极电位)

-

+

-

-

-

φBB电极电位)

+

+

+

-

+

由于记录仪记录A、B两电极之间的电位差,曲线起始电位差为负值,联系物理上的电学内容可知纵轴电位差UABA-φB

若将记录仪的A、B两电极均置于膜外,同理可得兴奋向右传导经过各部位时的电位,如下表格:

 

                   

A点左侧

A

AB之间

B

B点右侧

φAA电极电位)

+

-

+

+

+

φBB电极电位)

+

+

+

-

+

由UABA-φB可知,电位差UAB依次为0、负、0、正、0,只能选C。

答案:C。

3、化学思维方法

(2011年新课标卷29在光照等适宜条件下,将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中,其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。回答问题:

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(1)图中物质A是 ______(C3化合物、C5化合物)。

(2)在CO2浓度为1%的环境中,物质B的浓度比A的低,原因是_______;将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后,物质B浓度升高的原因是______________。

(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中,暗反应中C3和C5化合物浓度达到稳定时,物质A的浓度将比B的________(低、高)。

(4)CO2浓度为0.003%时,该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的_______(高、低),其原因_______。

解析根据光合作用暗反应关系式:

当环境CO2浓度突然由1%降为0.003%时,反应物减少,CO2固定过程的反应速率肯定降低,即C5的消耗速率、 C3的生成速率均降低;但C3的还原、再生过程不受影响,反应速率不变,即C3消耗速率、C5生成速率不变,故短时间内C5含量增加,C3含量减少。然而,长时间来看,根据反应式的联系,不管哪一种CO2浓度条件下都应该能达到一种平衡状态,相当于化学平衡,此时C3浓度是C5浓度的2倍。此外,CO2浓度越低,生成的C3越少,消耗的ATP和[H](由光反应制造的)也就越少,故达光合速率最大时所需要的光照强度越低。

答案:(1)C3化合物(2)暗反应速率在该环境中已达到稳定,即C3和C5化合物的含量稳定,根据暗反应的特点,此时C3化合物的分子数是C5化合物的2倍;  当CO2浓度突然降低时,C5化合物的合成速率不变,消耗速率却减慢,导致C5化合物积累(3)高(4)低 ; CO2浓度低时,暗反应的强度低,所需的ATP和[H]少。

新疆大光华国际学校 吴昌贵2012-02-20  人教网
http://www.pep.com.cn/gzsw/jshzhx/shtyj/shtfx/201202/t20120220_1102854.htm
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