生物解題建模正當(dāng)時(shí)

晏廷波

模型是對(duì)原型的抽象和概括，人們通過(guò)研究模型來(lái)揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì).《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：要讓學(xué)生領(lǐng)悟建立模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用，人教版必修一《分子與細(xì)胞》不僅介紹了模型的類型，同時(shí)向?qū)W生提供活動(dòng)的樣本，例如光合作用過(guò)程的圖解（概念模型）.考綱明確要求考生具有對(duì)一些生物學(xué)問(wèn)題進(jìn)行初步探究的能力，包括建立模型與系統(tǒng)分析等科學(xué)研究方法.在高中生物教學(xué)中，恰當(dāng)運(yùn)用模型建構(gòu)教學(xué)，能為學(xué)生提供解決問(wèn)題的原型，指導(dǎo)學(xué)生探索，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，以下是筆者在教學(xué)中的一些探究，以期與同行進(jìn)行交流.

一、“補(bǔ)償點(diǎn)”移動(dòng)問(wèn)題

光照條件下，植物光合作用強(qiáng)度與呼吸作用強(qiáng)度相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度、CO2濃度分別稱為光“補(bǔ)償點(diǎn)”和CO2“補(bǔ)償點(diǎn)”.環(huán)境條件改變時(shí)“補(bǔ)償點(diǎn)”移動(dòng)問(wèn)題是考查的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)模型可以幫助師生直觀感受“補(bǔ)償點(diǎn)”的移動(dòng)情況.

例1科學(xué)家研究20℃時(shí)小麥光合作用強(qiáng)度與光照強(qiáng)度的關(guān)系，得到如圖1所示曲線A，請(qǐng)據(jù)圖分析回答：

（1）其他條件適宜，當(dāng)植物缺Mg時(shí)，b點(diǎn)（光補(bǔ)償點(diǎn)）移動(dòng)方向?yàn)椋ㄌ睢白笠啤薄坝乙啤被颉安蛔儭保?

二、“從性遺傳”問(wèn)題

從性遺傳是指由常染色體上基因控制的性狀，在表現(xiàn)型上受個(gè)體性別影響的現(xiàn)象.涉及從性遺傳的問(wèn)題時(shí)，師生往往受困于表現(xiàn)型、基因型和性別之間的關(guān)系.建立數(shù)學(xué)模型可以達(dá)到快速判定基因型所對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)型.

例2食指長(zhǎng)于無(wú)名指為長(zhǎng)食指，反之為短食指，該相對(duì)性狀由常染色體上一對(duì)等位基因控制（TS表示短食指基因，TL表示長(zhǎng)食指基因）.此等位基因表達(dá)受性激素影響，TS在男性為顯性，TL在女性為顯性.若一對(duì)夫婦均為短食指，所生孩子既有長(zhǎng)食指又有短食指，則該夫婦再生一個(gè)孩子是長(zhǎng)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(jì)算問(wèn)題.進(jìn)行概率計(jì)算，首先理清表現(xiàn)型、基因型和性別之間的關(guān)系.由于人的性別決定方式為XY型，根據(jù)題意，手指性狀與基因型的關(guān)系如下表2所示.

三、基因，DNA，染色體（單體）關(guān)系問(wèn)題

基因、DNA復(fù)制結(jié)合有絲（減數(shù)）分裂時(shí)對(duì)染色體（單體）的分配去向問(wèn)題往往令師生糾纏不清.

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

是（）.

A.每條染色體的兩條單體都被標(biāo)記

B.每條染色體中都只有一條單體被標(biāo)記

C.只有半數(shù)的染色體中一條單體被標(biāo)記

D.每條染色體的兩條單體都不被標(biāo)記

解析本題主要考察DNA半保留復(fù)制，考生需要對(duì)染色體、染色單體、DNA和脫氧核苷酸單鏈四個(gè)概念進(jìn)行分析，明確他們之間在數(shù)量、結(jié)構(gòu)、 空間位置等方面的聯(lián)系.建立它們之間關(guān)系的模型（如圖3）使解題變得直觀有效.

DNA復(fù)制是半保留復(fù)制，蠶豆根尖細(xì)胞在含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養(yǎng)基中完成一個(gè)細(xì)胞周期，每一個(gè)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(biāo)記的培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng)至中期，每個(gè)DNA分子復(fù)制的兩個(gè)DNA分子存在于同一條染色體的兩條染色單體上，其中一個(gè)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(gè)體細(xì)胞經(jīng)有絲分裂形成兩個(gè)子細(xì)胞（C1，C2），一個(gè)初級(jí)精母細(xì)胞經(jīng)減數(shù)第一次分裂形成兩個(gè)次級(jí)精母細(xì)胞（S1，S2），比較C1與C2，S1與S2細(xì)胞核中DNA數(shù)目及其貯存的遺傳信息，正確的是（）.

A.DNA數(shù)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(shù)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(xì)胞核中DNA在染色上，DNA中堿基對(duì)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(yīng)的DNA片段，根據(jù)上述信息可知：細(xì)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(xì)胞核中遺傳信息是否相同，可以轉(zhuǎn)換為判定子細(xì)胞的基因型是否相同.建模過(guò)程如下：設(shè)蛙的體細(xì)胞基因型為AaXBY（遵循基因自由組合定律），有絲、減數(shù)分裂過(guò)程中不同時(shí)期細(xì)胞的基因型如表3所示.

C1、C2是細(xì)胞有絲分裂形成的，有絲分裂是親代細(xì)胞的DNA經(jīng)復(fù)制后（基因復(fù)制）平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中，保持遺傳物質(zhì)的穩(wěn)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(shù)第一次分裂形成的兩個(gè)次級(jí)精母細(xì)胞，減數(shù)第一次分裂是DNA經(jīng)復(fù)制后隨同源染色體平均分給2個(gè)子細(xì)胞，染色體數(shù)目減半，有染色單體，無(wú)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(gòu)建議

建構(gòu)（construct）一詞通常運(yùn)用于建筑學(xué)，指把事先造好的材料，諸如鋼筋、水泥之類，通過(guò)合成建造成為一個(gè)新的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)品.在模型建構(gòu)過(guò)程中，由于師生生活閱歷，知識(shí)背景不同，個(gè)體對(duì)同一事物的建構(gòu)是不一樣的.因此在日常教學(xué)中，首先完成基本概念及其關(guān)系的建構(gòu)，例如先闡明基因和DNA，DNA和染色體的關(guān)系（圖3），之后建構(gòu)基因和染色體的關(guān)系.上述展開(kāi)工作做得越好，以后的壓縮（簡(jiǎn)化）越容易，只需用簡(jiǎn)易圖示便可以解答許多難題.例如已知二倍體生物細(xì)胞有絲或減數(shù)分裂某一時(shí)期細(xì)胞的基因型，即可判斷其他細(xì)胞中染色體數(shù)目，染色單體數(shù)目，染色體組數(shù)目，DNA數(shù)目.

（收稿日期：2016-11-05）