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与高考等级要求变化有关的生物实验命题解读
江苏省南通市通州区二甲中学（226321） 张卓鹏

《2014年江苏省普通高中学业水平测试（选修科目）说明》于2013年12月出炉，与2013年的考试说明相比，命题的指导思想更加突出了高考的选拔性功能，《说明》指出高考命题不仅要从高中生物教学的实际出发，也要充分反映高校的选拔要求。强调高考试卷应具有较高的信度、效度，以及必要的区分度和适当的难度；在考试内容及要求中，实验考查内容的等级要求变化共有3处：“观察植物细胞的质壁分离和复原”由原来的b等级提高到c等级；“调查常见的人类遗传病”和“微生物的分离与培养”都由原来的a等级提高到b等级，可见对实验考查的要求将越来越高。现对上述相关的实验及命题进行解读，以便师生在高考复习中能诊断出高考题跳动的“脉搏”，找出学生答题与高考要求之间的差距。
一、观察植物细胞的质壁分离和复原
1.实验材料、仪器的选择和处理。
（1）实验材料的选择。最常用的实验材料是紫色洋葱鳞片叶，其外表皮细胞的液泡较大，细胞液中有紫色的花青素，在显微镜下紫色大液泡十分明显，便于观察质壁分裂及其复原的过程。如无紫色洋葱，可用葫芦藓或其他藓类植物的叶片代替。选择材料必须都是活细胞，因为只有活细胞的原生质层才具有选择透过性，否则将不会出现质壁分离及其复原现象。
（2）所用的外界溶液常为0.3 g/mL的蔗糖溶液。此实验若用KNO3溶液代替蔗糖溶液，可观察到细胞发生质壁分离后又发生了自动复原，原因是细胞主动吸收了K+和NO3-，提高了细胞液的浓度。
2.实验操作注意事项。
（1）蔗糖溶液的浓度为0.3 g/mL， 浓度过高，细胞质壁分离速度虽然很快，但不久就会将细胞杀死，细胞不能进行质壁分离复原；若浓度过低，则不能引起细胞质壁分离或速度太慢。
（2）装片制作中，取洋葱鳞片叶外表皮作为材料，将它平展地放在载玻片中央的清水滴中，注意洋葱表皮不能卷曲起来，以防止重叠影响观察；加盖玻片时，要先让靠下的一侧接触到水滴，在载玻片和盖玻片之间充满了清水，再轻轻地放下，以便挤出空气，装片里不能带有气泡，以免影响观察。
（3）先用低倍镜观察，找到洋葱表皮细胞，并且将要观察的细胞移到视野的中央，再用高倍镜观察。
3. 实验结果分析与评价。
（1）判断细胞的死活：待测细胞+蔗糖溶液如发生质壁分离和复原，则为活细胞；如不发生质壁分离，则为死亡细胞。
（2）测定细胞液浓度范围：待测细胞+一系列浓度梯度的蔗糖溶液细胞液浓度范围介于未发生质壁分离和刚刚发生质壁分离的两外界溶液的浓度之间。
（3）比较不同植物细胞的细胞液浓度：不同植物细胞+同一浓度的蔗糖溶液刚发生质壁分离时所需时间比较时间越短，细胞液浓度越小。
（4）比较未知浓度溶液的浓度大小：同一植物的成熟细胞+未知浓度的溶液刚刚发生质壁分离所需时间比较时间越短，未知溶液的浓度越大。
（5）验证原生质层和细胞壁伸缩性大小：成熟植物细胞+蔗糖溶液如发生质壁分离现象细胞壁伸缩性小于原生质层伸缩性；如不发生质壁分离细胞壁伸缩性大于或等于原生质层的伸缩性。
（6）鉴定不同种类的溶液(如一定浓度的KNO3和蔗糖溶液)：成熟的植物细胞+不同种类溶液如只发生质壁分离现象溶质不能通过半透膜的溶液(如蔗糖)；如质壁分离后自动复原溶质能通过半透膜的溶液(如KN03溶液)
4.例题及分析。
例1：下图是某同学在观察植物细胞的质壁分离与复原实验中的基本操作步骤，据图回答下列问题：

（1）图中步骤D在质壁分离和质壁复原实验中分别属于 (　　)
A．实验组，对照组　　　　　               B．实验组，实验组
C．对照组，对照组                          D．对照组，实验组
（2）在植物细胞质壁分离与复原实验的操作过程中，最好观察 细胞，图中用吸水纸在盖玻片一侧吸水的方法叫 。如果在显微镜下观察某一细胞看不到质壁分离现象，可能的原因是 。（至少答两点）
解析：植物细胞的质壁分离与复原实验属于自身对照实验。所谓自身对照是指对照组和实验组在同一研究对象上进行，是实验前后之间的对照。步骤D在质壁分离实验中属于实验组；在质壁分离复原实验中属于对照组。细胞要发生质壁分离现象，需满足的条件是：①具有中央大液泡的成熟植物细胞才可发生质壁分离现象，死细胞、动物细胞及未成熟的植物细胞（如根尖分生区细胞）不发生质壁分离现象。②外界溶液浓度大于细胞液的浓度。
答案：（1）A （2）紫色洋葱鳞片叶的外表皮细胞（或液泡中有色素的细胞） 引流 细胞已死亡 或细胞可能是幼嫩的细胞，未形成大液泡 或外界溶液浓度偏低
例2：按下面步骤进行质壁分离实验。
步骤一：在洁净的载玻片中央加一滴清水，取一片藓类小叶，盖上盖玻片。
步骤二：从盖玻片一侧滴入0.3 g/mL的蔗糖溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引。这样重复几次，使盖玻片下面的藓类小叶浸润在0.3 g/mL的蔗糖溶液中。
步骤三：在显微镜下观察，结果如图所示。
（1）图中A、B处的颜色分别是 。
（2）如果上述实验步骤二中从盖玻片的一侧滴入的是加有伊红(植物细胞不吸收的红色染料)的0.3g／mL的蔗糖溶液，则在显微镜下观察到A、B处颜色分别是 。
（3）如果将步骤二中浸润在0.3g/mL的蔗糖溶液中的藓类小叶的装片，放在80℃条件下处理一段时间(装片中的藓类小叶保持在0.3g/mL的蔗糖溶液中)。在显微镜下清晰地观察到细胞结构后，为更准确地判断A处颜色，对显微镜的操作方法是 、 。如果A处呈绿色，可能的原因是 。
解析：本题主要考查植物细胞的质壁分离及复原实验，以及显微镜的使用等相关知识。（1）由于细胞已发生质壁分离且细胞壁是全透性的，所以A处应为无色的蔗糖溶液，B处为叶绿体，呈绿色。（2）若滴入的是加入植物细胞不能吸收的伊红的蔗糖溶液，则A处为红色，B处仍为绿色。（3）在显微镜观察到清晰结构后，为进一步看清晰颜色，则需要将视野调暗，所以需要改变光圈大小，以及调节反光镜(或电光源亮度)；80℃高温下细胞已死亡，细胞膜、叶绿体膜失去选择透过性，叶绿素等色素进入A处，故A处呈绿色。
答案：（1）无色、绿色 （2）红色、绿色 （3）改变光圈大小 调节反光镜(或电光源亮度) 高温下细胞膜、叶绿体膜失去选择透过性，叶绿素等色素进入A处
二、调查常见的人类遗传病
1.实验材料、仪器的选择和处理。
（1）调查时，最好选取群体中发病率较高的单基因遗传病，如红绿色盲、白化病、高度近视等。多基因遗传病由多对基因控制，比较容易受环境因素的影响，不便于分析。
  （2）为保证调查的群体足够大，小组调查的数据，应在班级和年级中进行汇总。
2.实验操作注意事项。
某遗传病的发病率
=
某种遗传病的患病人数
某种遗传病的被调查人数
×100%

（1）计算公式：

（2）研究某一病的发病率：应该在人群中随机抽样调查并统计。
（3）研究某一病的遗传方式：应该在患者家系中调查。
3. 实验结果分析与评价。
（1）有关资料表明，我国人群中高度近视的发病率为1%；红绿色盲中男性发病率为7%，女性发病率为0.5%。如调查计算出的发病率与上述数据偏差较大，可能原因有：调查的样本偏小，或未能做到随机抽样等。
（2）开展人类遗传病调查的基本步骤是：确定要调查的遗传病，掌握其症状及表现→设计记录表格及调查要点→分多个小组调查，获得足够大的群体调查数据→汇总结果，统计分析。
4.例题及分析。
例3：人类的某些遗传病男女发病机率差别很大，主要原因：一是致病基因位于性染色体上，称为伴性遗传；二是致病基因位于常染色体上，但是杂合子男女表现的性状不同，称为从性遗传。请根据以下两个实例，回答相关问题：
实例一：假肥大性肌营养不良。患者几乎全部为男性，在成年前因所有肌肉纤维坏死而死亡，无生育能力。致病基因是位于X染色体上的隐性基因。
实例二：遗传性斑秃（早秃）。患者绝大多数为男性，一般从35岁开始以头顶为中心脱发。致病基因是位于常染色体上的显性基因。
（1）请简要说明假肥大性肌营养不良症患者几乎全部为男性的原因_______。如果女性患病，最可能是患者发生了_________
（2）下面是某已妊娠的妇女到医院做遗传咨询时向医生的叙述：我的父母都正常，一个哥哥患假肥大性肌营养不良症死亡，姐姐正常，她生了一个正常的女儿和一个患该病的儿子。
①请根据她的叙述在下面方框中画出遗传系谱图。（图例：□ ○正常男、女  ■●患病男、女）

②该女子与她姐姐基因型相同的概率是________。
③该女子生出患病孩子的概率是________。
④假如你是医生，你给出的建议是：________，理由是________。
⑤若要确定胎儿是否患病，应采取________手段。
（3）某研究性学习小组的同学针对遗传性斑秃（早秃开展调查，统计结果如下表：（相关基因用B、b表示）
组别
家庭教
类型
子女情况
父
母
男性正常
女性正常
男性早秃
女性早秃
1
5
早秃
正常
1
2
2
1
2
2
正常
早秃
0
1
2
0
3
15
正常
正常
8
9
3
0
4
1
早秃
早秃
0
1
1
0
请回答：
①第________组家庭的调查数据说明早秃不符合一般的常染色体显性遗传特点。
②请简要说出早秃患者多数为男性的原因________
③第4组家庭女儿和儿子的基因型分别是________、________
解析：调查常见的人类遗传病试题常与遗传病的类型分析、遗传咨询、产前诊断等综合起来，有一定的难度和区分度，需要学生熟练掌握遗传的基本规律和调查遗传病的基本方法，准确获取所提供的信息资源，快速推断。
答案:（1）伴X染色体隐性遗传病女性患者的父亲必是患者，而该病男性患者在成年前已经死亡，不能生育后代   基因突变
（2）①见下图

②50% ③12.5%（或1/8） ④选择女性胎儿  她的后代女性不会患该病 ⑤基因诊断 （3）①3  ②女性杂合子（Bb）表现正常，男性杂合子（Bb）患病 ③Bb  BB 或Bb
三、微生物的分离与培养
1.实验材料、仪器的选择和处理。
(1)灭菌方法的选择。接种环、接种针、试管口等使用灼烧灭菌法；玻璃器皿、金属用具等使用干热灭菌法，所用器械是干热灭菌箱；培养基、无菌水等使用高压蒸汽灭菌法，所用器械是高压蒸汽灭菌锅。
（2）制备牛肉膏蛋白胨固体培养基时，称取牛肉膏和蛋白胨时动作要迅速。目的是防止牛肉膏和蛋白胨吸收空气中水分。
（3）平板冷凝后，要将平板倒置。防止冷凝后形成的水珠滴落在培养基上，污染培养基。
（4）菌种保藏。对于频繁使用的菌种，采用临时保藏法，对此种保存的菌种3～6个月后需重新接种；对于需要长期保存的菌种，可以采用甘油管藏法。将菌种放在低温环境中保藏的目的是降低微生物的新陈代谢速度，延缓菌种衰老。
2.实验操作注意事项。
（1）利用平板划线法进行微生物接种，把聚集的菌种逐步稀释分散到培养基的表面，为达到这一目的，操作上应注意：①除第一次划线外，每次划线前要灼烧接种环；②冷却后从上一区划线末端开始划；③首尾区划线不相连。
（2）取菌种和划线前都要求接种环冷却后进行，其目的是防止高温杀死菌种。
（3）平板划线法最后灼烧接种环的目的：防止细菌污染环境和操作者自身。
3. 实验结果分析与评价。
（1）培养基的制作是否合格。如果未接种的培养基在恒温箱中保温1～2 d后无菌落生长，说明培养基的制备是成功的，否则需要重新制备。
（2）接种操作是否符合无菌要求。如果培养基上生长的菌落的颜色、形状、大小基本一致并符合大肠杆菌菌落的特点，则说明接种操作是符合要求的；如果培养基上出现了其他菌落，则说明接种过程中，无菌操作还未达到要求，需要分析原因，再次练习。
（3）是否进行了及时细致的观察与记录。培养12 h与24 h后的大肠杆菌菌落的大小会有明显不同，及时观察记录的同学会发现这一点，并能观察到其他一些细微的变化。这一步的要求主要是培养学生良好的科学态度与习惯。
4.例题及分析。
例4：多环芳烃菲在染料、杀虫剂等生产过程中被广泛使用，是土壤、河水中常见的污染物之一。下图表示科研人员从被石油污染的土壤中分离获得能降解多环芳烃菲的菌株Q的主要步骤。请回答：

（1）步骤①～③的培养过程中，培养液中加入多环芳烃菲作为唯一碳源，目的是 。
（2）步骤①～③的培养过程中，需将锥形瓶放在摇床上振荡，一方面使菌株与培养液充分接触，提高营养物质的利用率；另一方面能 。
（3）步骤④用平板划线法纯化菌株Q过程中，在做第二次以及其后的划线操作时，总是从上一次划线的末端开始划线，原因是 。采用固体平板培养细菌时要倒置培养的目的是 。
（4）接种环通过灼烧来灭菌，完成步骤④中划线操作，共需灼烧接种环 次。
（5）为了获得分解多环芳烃菲能力更强的菌株，研究人员又对菌种Q进行了诱变处理，得到突变株K。为了比较两种菌株降解多环芳烃菲的能力，设计了下列实验，请补全实验步骤：
①取9只锥形瓶均分成三组，编号为A、B、C。
② 。
③ 。
④28℃恒温培养3天后，测定锥形瓶中多环芳烃菲的降解率。
解析：本题考查实验室微生物培养的方法。真正理解微生物培养的条件、实验中无菌处理的方法，以及平板划线法操作方法及原因，是解答本题的关键。
答案：（1）筛选出菌种Q （2）增加培养液中的溶氧量 （3）线条末端细菌的数目比线条起始处要少 防止冷凝后形成的水珠滴落在培养基上污染培养基 （4）6 （5）向9只锥形瓶中分别加入等量以多环芳烃菲为唯一碳源的培养液 向A、B、C三组培养液中分别加入等量的无菌水、菌株Q菌液和突变株K菌液
四、巩固练习
1.下面是一组用新鲜洋葱表皮进行的实验处理和结果，请分析回答：
实验分组
处理方法
实验结果
第1组
①将材料置于30%蔗糖溶液中
①发生质壁分离
②然后将材料移至蒸馏水中
②发生质壁分离复原
第2组
③将材料置于60%蔗糖溶液中
③迅速发生质壁分离
④然后将材料移至蒸馏水中
④质壁分离不能复原
第3组
⑤将材料置于7%的尿素溶液中
⑤开始发生质壁分离，然后逐渐自动复原
第4组
⑥将材料放入100℃热水中3min后取出，重复第1组实验
⑥不发生质壁分离
（1）洋葱表皮细胞在第1、2、3组实验中均发生了质壁分离现象，其内部结构基础和外在条件分别是_________________ 。
（2）比较第1和第2组实验结果的差异，说明_____________________ 。
（3）比较第1和第3组实验结果，出现实验结果差异性的原因是__________________。
（4）比较第1和第4组实验结果，出现实验结果差异性的原因是_________________ 。
2.人群中有耳垂和无耳垂是一对相对性状，已知无耳垂是隐性性状，有耳垂是显性性状。某小组计划调查该市50个家庭的父母与子女间这对相对性状的遗传（假设一对夫妻只生一个孩子），作为一次研究性学习活动。
（1）如果你是该小组中的一员，请设计一张本市部分家庭耳垂性状遗传的调查统计表（统计表画在下面），用于调查时统计数据。

（2）该实验的不足之处是                                   。
3.微生物的分离和培养是现代生物工程应用中的重要环节。下图甲、乙、丙是大肠杆菌分离和培养过程中部分操作和实验结果示意图，请据图回答有关问题：

（1）上图甲所示的是制备固体培养基时的实验操作步骤之一，它称为_____，若用该培养基培养大肠杆菌，除考虑营养条件外，还要考虑_____、_____和渗透压等条件。
（2）培养大肠杆菌时，在接种前需要检测培养基是否被污染。对于固体培养基应采用的检测方法是_____。
（3）上图乙是平板划线法接种操作示意图，正确的操作顺序是A→B→ _____（用字母和箭头表示）；找出图乙中两处错误的操作（用字母表示）_____、_____。
（4）上图丙是某同学用平板划线法接种后的培养基培养12h后的实验结果，如果培养基上_____，则说明无菌操作基本符合要求。
4.氢气是一种清洁能源，可由产氢菌群无氧发酵产生。科研人员从厌氧活性污泥中获得产氢菌群，并利用硫酸纤维素钠和聚二甲基二烯丙基氯化铵能形成中空微胶囊的特性将其固定化。在此基础上比较固定化产氢菌和游离产氢菌的菌体浓度随时间的变化、不同温度下条件下氢气产率的变化，结果如下图。请分析回答：

（1）本实验中，固定化产氢菌采用的方法称为 。
（2）由图1可知，与游离的产氢菌相比，固定化的产氢菌培养后菌体浓度增加较 ，其主要原因是 。
（3）由图2可知，固定化产氢菌生产氢气的优势表现在氢气产率高、 。
（4）实验中使用的发酵培养液成分如下表：
培养液成分
葡萄糖
蛋白胨
牛肉膏
酵母汁
NaCl
K2HPO4
半胱氨酸
微量元素
含量（g/L）
20
4
2
1
2
1.5
0.5
适量
其中为产氢菌群提供氮源的成分有 。培养基配制时，培养基灭菌采用的最适方法是 ，灭菌与调pH的先后顺序是 。
（5）在生产实践中，为了充分发挥固定化产氢菌的优势，除了探究固定化产氢菌发酵所需的适宜条件外，还需探究 。
参考答案：
1.（1）内部结构基础是有原生质层和原生质层内外两个溶液体系的存在；外在条件是原生质层内外两个溶液体系存在浓度差
（2）高浓度溶液加快质壁分离现象的出现，但由于引起细胞过度失水，导致细胞死亡，使质壁分离复原不能发生
（3）尿素是能被细胞主动吸收的小分子物质，随着尿素分子不断的进入细胞内部，当细胞内外浓度趋于一致时，质壁分离就会自动复原
（4）高温致使细胞死亡，死亡的细胞原生质层失去选择透过性，不能发生质壁分离
2.（1）
父亲性状
母亲性状
儿子性状
女儿性状
有耳垂
无耳垂
有耳垂
无耳垂
有耳垂
有耳垂

有耳垂
无耳垂

无耳垂
有耳垂

无耳垂
无耳垂

（2）被调查的家庭数目太少
3.（1）倒平板 温度 pH （2）将未接种的培养基在适宜的温度下放置适宜的时间，观察培养基上是否有菌落产生 （3）G→F→E→C→D→H C D （4）生长的菌落颜色、形状、大小基本一致，并符合大肠杆菌菌落的特点
4.（1）包埋法 （2）快 微胶囊有利于形成无氧的环境，便于产氢菌的生长繁殖 （3）对温度变化适应性更强 （4）蛋白胨、牛肉膏、酵母汁、半胱氨酸 高压蒸汽灭菌 先调PH，后灭菌 （5）固定化产氢菌可重复使用的次数