例谈学科交叉在生物解题中的应用

第1页共7页例谈学科交叉在生物解题中的应用陶勇(广东省封开县江口中学526500)在高中生物学教学中会经常碰到生物学与物理，化学等学科交叉的内容，这些学科交叉的内容综合性较强，如果没有一定的多学科基础作为支撑，是难以在这些方面有所突破有所提高的。为了切实解决综合性的生物学难点，提高学科交叉题型的解题技巧与能力，下面结合几个例题来谈谈学科交叉在生物学解题上的应用。1生物与物理中光学部分的学科交叉在解题中的应用例1．如果在载玻片上依次写上b、d、p、q四个字母，那么在显微镜目镜的视野中从左往右依次可以看到的是（）A.b、d、p、qB.d、b、q、pC.p、q、b、dD.q、p、d、b解析：使用显微镜观察多种多样的细胞是高考考纲实验部分的要求。此题考查的是显微镜的成像原理，利用光学中光的折射和反射，经两块凸透镜（物镜和目镜）的两次放大，即被检物体在物镜下形成一个倒立放大的实像，这个像正好位于目镜的一倍焦距以内，经目镜第二次放大为正立放大的虚像（此时的正立方向与第一次放大后的实像方向一致，即实际还是倒立的放大的虚像）。那么眼睛所看到的最终效果是倒立放大的虚像。则可以看到字母b的倒像q、字母d的倒像p、字母p的倒像d、字母q的倒像b，由于字母的左右次序也倒过来了，即从右往左依次是字母q、p、d、b，那么从左往右依次看到的是字母b、d、p、q答案为A。除了考查成像原理外，还比较多的考查显微镜的放大倍数，即线性（直径或半径，长度或宽度）放大，而不是面积或体积的放大。总的放大倍数等于物镜放大的倍数乘以目镜放大的倍数。例如：若第一次总的放大倍数为N1,视野直径为D1，则视野面积S1=∏（D/2）2，若第二次总的放大倍数为N2（N1﹤N2），则视野直径为D1×（N1/N2），视野面积S2＝（N1/N2）2×S1，那么第二次在整个视野中观察到的被检物体数是第一次观察到的（N1/N2）2，如2005年高考上海生物卷第28题就考查了显微镜的放大倍数。如果只观察直径上的被检物体，则第二次观察到的被检物体数目为第一次的N1/N2。例2．海洋中不同颜色的藻类吸收不同波长的光，红藻、绿藻、褐藻在海洋中的垂直分布依次是（）A.浅、中、深B.深、中、浅C.深、浅、中D.浅、深、中第2页共7页解析：不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光，红藻反射出了红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光。海水对各种颜色的光的折射率、散射和吸收强度不同。各种色光的穿透能力不同，只有能量高，也就是频率高、波长短的蓝紫光才能到达深海，别的光在到达前就被吸收或反射了。水层对光波中的红、橙部分吸收显著多于对蓝、绿部分的吸收，即到达深水层的光线是相对富含短波长的光，所以，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方，吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层。答案为C。此外还应关注光谱、绿叶中的色素、树叶的颜色、叶绿素的荧光现象、色素在光合作用过程中的作用等相关内容。可见光（即白光）通过三棱镜会形成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光的一个连续光谱。绿叶中的色素主要有四种，即橙黄色的是胡萝卜素，黄色的叶黄素，蓝绿色的叶绿素a，黄绿色的叶绿素b。由于结构上的相似性，它们可以被分为两大类，即胡萝卜素和叶黄素归为类胡萝卜素（主要吸收蓝紫光），叶绿素a和叶绿素b归为叶绿素（主要吸收红光和蓝紫光）。例如2008年高考海南生物卷第2题和第3题就考查了色素在光合作用过程中的作用和吸收光谱，2008年高考上海卷第21题和2007年高考上海生物卷第30题也考查了色素功能与吸收光谱等。类胡萝卜素总体上呈黄色，叶绿素总体上呈绿色，使叶片呈现许多美丽的颜色。由于叶绿素的含量比类胡萝卜素多所以叶片多数为绿色。枫叶的红色不是由于叶绿体中的色素，而是由于液泡中的花青素的作用（花青素的颜色可随液泡中的酸碱度不同而变化，液泡为碱性时显蓝色，中性时显紫色，酸性时显红色）。另外甘蓝的紫色是由于它们细胞中紫色色素占优势，掩盖住了叶绿素的颜色的缘故。在晚秋初冬，很多种植物的叶片变黄或变红，这是因为叶绿素的合成受阻，并且开始分解，而原来在叶片中的叶黄素和叶红素显现出来的缘故。而影响叶绿素形成的因素中有光照（例如根不见光则其中的质体为无色素的白色体，故根为无色）、温度、矿质元素、水等，例如2008年广东高考卷文科基础第70题就考查了黑暗（无光）条件下生长的水稻幼苗缺少的光合色素是叶绿素（包括叶绿素a与叶绿素b）。这些因素也属于影响光合作用的环境因素。又如2007年高考上海生物卷第8题就考查了叶绿素的荧光现象（叶绿素溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色的现象）。2生物与物理中力学的学科交叉在解题中的应用例3．水平放置在地面的植株，一段时间生，会发生的现象是（）第3页共7页A.靠近地面一侧较远离地面一侧生长素浓度高，根向下弯曲生长B.靠近地面一侧较远离地面一侧生长素浓度低，根向下弯曲生长C.远离地面一侧较靠近地面一侧生长素浓度高，茎向上弯曲生长D.远离地面一侧较靠近地面一侧生长素浓度高，茎向下弯曲生长解析：此题是2008年高考广东生物卷第11题，考查了植物根的向重力性（根顺着重力方向生长）和茎的背重力性（茎背离重力方向生长）。由于地球引力产生重力作用引起植物体内生长素横向运输，导致近地侧生长素浓度高于背地侧，而根和茎对生长素浓度的敏感程度不同，该浓度抑制了根近地侧细胞的伸长生长，却促进了茎近地侧细胞的伸长生长，从而使根弯向地心方向生长而茎则背地生长，体现了生长素对植物的两重性。这样植物能更好地利用环境资源，是对环境的一种适应。此题的答案选A。若无重力影响则根和茎就没有向重力性和背重力性，如生长在太空中的空间站或完全失重的宇宙飞船中的植物。3生物与化学中化学反应和结构式的学科交叉在解题中的应用例4．双缩脲试剂可以鉴定蛋白质，是由于蛋白质有（）A．肽键B．氨基酸C．羧基D．氨基解析：首先要区别双缩脲试剂和双缩脲，然后是双缩脲反应。双缩脲试剂的成分是质量浓度为0.1g／mL的氢氧化钠溶液和质量浓度为0.01g／mL的硫酸铜溶液（都是无机物）。双缩脲NH2-CO-NH-CO-NH2是由2分子尿素（NH2-CO-NH2）失去1分子氨后的缩合产物（有机物）。双缩脲反应是指具有两个或两个以上肽键的化合物在碱性条件下与Cu2+反应,生成红紫色的络合物。由于蛋白质分子中含有很多与双缩脲结构相似的肽键，也能发生双缩脲反应，因此，蛋白质中的双缩脲(H2NOC—NH—CONH2)结构在碱性溶液(NaOH)中与硫酸铜溶液中的Cu2+作用，发生颜色反应形成紫色的络合物。所以双缩脲试剂可以鉴定蛋白质是由于蛋白质中有很多与双缩脲结构相似的肽键，答案选A。另外要注意双缩脲试剂与斐林试剂尽管成分相同，但二者的溶液浓度、使用方法及原理不同。斐林试剂用来检验生物组织中可溶性的还原糖（还原糖是指具有还原性的糖类，在糖类分子中含有游离醛基或酮基的单糖和含有游离醛基的二糖都具有还原性，葡萄糖分子中含有游离醛基，果糖分子中含有游离酮基，乳糖和麦芽糖分子中含有游离的醛基，故它们都是还原糖）。斐林试剂由质量浓度为0.1g/mL的氢氧化钠溶液和质量浓第4页共7页度为0.05g/mL的硫酸铜溶液配制而成，二者混合后,立即生成淡蓝色的Cu(OH)2沉淀。Cu(OH)2与加入的葡萄糖在加热的条件下，能够生成砖红色的Cu2O沉淀，而葡萄糖本身氧化成葡萄糖酸。反应式为：溶液的颜色变化过程为：浅蓝色→棕色→砖红色（沉淀）。此反应是将两种溶液混合后立即使用（现配现用），并且需要水浴加热发生氧化还原反应。双缩脲试剂使用时，先加入氢氧化钠溶液造成碱性的反应环境，然后再加硫酸铜溶液发生Cu2+参与的络合反应，此反应不需要加热。例5．如图表示一个反应过程，则图中的A，B，C分别表示（）A．淀粉淀粉酶葡萄糖B．麦芽糖麦芽糖酶葡萄糖C．蔗糖蔗糖酶果糖D．乳糖乳糖酶葡萄糖解析：此题考查酶的催化作用以及糖类的组成结构。从反应模型可以看出，化学反应前后B的数量与化学性质没有改变，故B为酶，另外A物质在B酶的催化作用下水解形成两个相同的物质C，即。从四个选项中的糖类可知淀粉为多糖，是由许多个葡萄糖脱水缩合而成的，与模型不符。另外三个二糖（麦芽糖，蔗糖和乳糖）中只有麦芽糖是由两分子相同的葡萄糖构成的，所以A为麦芽糖，C为葡萄糖，再结合酶的专一性可知B为麦芽糖酶，即一分子的麦芽糖在麦芽糖酶的催化作用下水解为两分子的葡萄糖，答案选B。例6．由30个腺苷A和60个磷酸基团P最多能组成的ATP数目和ADP数目分别为（）A．10个，20个B．20个，30个C．30个，20个D．20个，40个解析：此题考查了三磷酸腺苷（ATP）和二磷酸腺苷（ADP）的化学结构简式。一个ATP分子是由一个腺苷（用“A”表示）和两个高能磷酸键（用“～”表示）以及三个相连的磷酸基团（用“P”表示）构成的，结构简式为A—P～P～P，第5页共7页我们可以用“一个A、两个～、三个P”来记忆，其中A/P=1:3。ATP分子可以水解一个磷酸基团，而形成二磷酸腺苷（ADP）和磷酸（Pi），则ADP结构简式为A—P～P,其中A/P=1:2。那么30个腺苷A和60个磷酸基团P正好能组成30个ADP，而最多能组成20个ATP（多余了10个腺苷A）。所以答案选B。另外要注意磷酸基团（P）与磷酸（Pi）的写法以及ATP与ADP的相互转化等内容。4生物与物理，化学的学科交叉在解题中的应用例7．科学家用3H218O和14CO2分别追踪光合作用中的光反应和暗反应，则产物中葡萄糖和氧气的分子式为（）A．C6H12O6O2B．14C63H1218O618O2C．14C63H1218O6O2D．14C63H12O618O2解析：放射性同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫做示踪元素。用示踪元素标记的化合物，化学性质不变。人们可以根据这种化合物的性质，对有关的一系列化学反应进行追踪并弄清化学反应的详细过程。这种科学研究方法叫做同位素标记法。利用放射性同位素3H和18O标记水，14C标记二氧化碳。光反应中3H218O光解生成18O2和[3H]，暗反应中14CO2经固定成为214C3再还原成14C63H12O6和3H2O。根据同位素标记示踪法可知C，H，O的转移途径为：本题的答案选D。由此我们可以总结出：产物氧气中的氧来自反应物中的水；产物葡萄糖中的碳和氧来源于二氧化碳，而氢则来源于反应物水；产物水中的氧来源于二氧化碳。此外除了光合作用的两个阶段以及物质变化，还有能量转变以及在本文例2中所提到的影响光合作用的环境因素（2008年高考宁夏理综第2题、2007年高考广东文科基础第70题、上海综合理科第55题、北京理科综合第3题以及全国卷Ⅱ第30题第Ⅰ小题），光合作用强度的指标表示（2008年高考广东理科基础B卷第54题）等内容在高考中出现的频率也很高。如果将光合作用和呼吸作用，蒸腾作用等内容综合起来则情况会更复杂一些，也不容忽视。例8．关于叶肉细胞在光照条件下产生ATP的描述，正确的是（）A.无氧条件下，光合作用是细胞ATP的唯一来源B.有氧条件下，线粒体、叶绿体和细胞质基质都能产生ATP第6页共7页C.线粒体和叶绿体合成ATP都依赖氧D.细胞质中消耗的ATP均来源于线粒体和叶绿体解析：此题是2008年高考广东生物卷第4题，综合考查了光合作用和呼吸作用以及细胞生命活动的直接供能物质ATP的产生、消耗的条件和场所。无氧条件下，光合作用不是细胞ATP的唯一来源，还有无氧呼吸的第一个阶段在细胞质基质中也产生ATP；线粒体和叶绿体合成ATP并不都依赖氧，线粒体作为有氧呼吸的第二个阶段和第三个阶段的反应场所，只有第三个阶段在线粒体内膜上还原氢与氧结合生成水并释放大量能量合成许多ATP的过程才需要依赖氧，而第二个阶段在线粒体基质进行的丙酮酸水解不需要氧参与；叶绿体吸收光能转化成电能再转化成ATP中活跃的化学能，ATP的合成不依赖氧；细胞质中消耗的ATP来源于细胞质基质、线粒体和叶绿体。本题答案选B。又如2008年高考广东理科基础B卷第40题（植物叶片在光下放出O2说明有充足的氧气