逍遥学能 2014-02-12 08:54
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1（2008全国卷Ⅰ?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a、b、c、d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（ ）
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个酶切位点被该酶切断，可以切得的片段种类最多有：a、b、c、d、ab、bc、cd、abc、bcd 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片段种类数就应该是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：
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 ①
x+w=4 ②
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：
v =（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1（2007全国卷Ⅰ1）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
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。
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（ ）
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：
兴 奋 部 位
A点左侧
A点
AB之间
B点
B点右侧
φA（A电极电位）
-
+
-
-
-
φB（B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UAB=φA－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：
兴 奋 部 位
A点左侧
A点
AB之间
B点
B点右侧
φA（A电极电位）
+
-
+
+
+
φB（B电极电位）
+
+
+
-
+
由UAB=φA－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
例（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：
（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。