重温实验过程培养严谨周密的解题思路

单林兰

摘 要 科学实验的严谨周密要求在解决实验问题时要循序渐进、细致周到，善于设疑，设计清晰、仔细、完整的思路。“肺炎双球菌转化实验”和“探究胰腺分泌活动的调节机制的实验”给了我们很好的启示和帮助，使我们获得运用实验的方法解决自然界和社会生活中的有关生物学问题的能力。

关键词 实验 过程 分析 思路

中图分类号 G633.91 文献标识码 B

1 肺炎双球菌转化实验的启示

肺炎双球菌能引起人患肺炎和小鼠患败血症。肺炎双球菌有两种类型，一种是光滑型(S型)细菌，菌体外有多糖类的胶状荚膜，使它们可不被宿主正常的防护系统所破坏，具毒性，可使小鼠患败血症死亡，它们在培养基上形成光滑的菌落；另一种是粗糙型(R型)，没有荚膜和毒性，不会使小鼠致死，形成的菌落边缘粗糙。

1．1 肺炎双球菌转化实验

1928年，格里菲斯将R型活菌和加热杀死的S型细菌分别注入小鼠体内，小鼠不患病。将加热杀死的S型细菌和活的R型细菌共同注射到小鼠体内，不仅很多小鼠因败血症死亡，且从它们体内分离出活的S型细菌。这说明，加热杀死的S型细菌把某些R型细菌转化为S型细菌，S型细菌有一种物质或转化因素进入了R型细菌，使之产生了荚膜，从而具备了毒性，成为S型细菌。

1．1．1 实验过程

（1） 将无毒性的R型活细菌注射到小鼠体内，小鼠不死亡。

（2） 将有毒性的S型活细菌注射到小鼠体内，小鼠患败血症死亡。

（3） 将加热杀死后的S型细菌注射到小鼠体内，小鼠不死亡。

（4） 将无毒性的R型活细菌与加热杀死后的S型细菌混合后，注射到小鼠体内，小鼠患败血症死亡。

1．1．2 转化原因及验证

1944年，艾弗里和他的同事经过10年努力，在离体条件下完成了转化过程，证明了引起R型细菌转化为S型细菌的转化因子是DNA。他们把DNA、蛋白质、荚膜从活的S型细菌中提取出来，分别与活的R型细菌混合，然后培养在培养液中，他们发现，只有DNA能够使R型活菌转变为S型活菌，且DNA纯度越高，转化越有效。如果DNA经过DNA酶处理，就不出现转化现象。

1．2 对肺炎双球菌转化实验的剖析

1．2．1 肺炎双球菌的结构

肺炎双球菌是一种细菌，属原核生物。由于拟核的DNA分子不与蛋白质结合，因此，用它作实验材料易于观察DNA在遗传中的作用。

1．2．2 肺炎双球菌的分类

肺炎双球菌有两种类型：一种是R型细菌，无多糖类的荚膜，是无毒性的；另一种是S型细菌，具有多糖类的荚膜，是有毒性的。荚膜是细菌细胞壁外围绕的一层较厚的粘性、胶冻样物质，其化学成分随细菌种类不同而有差异，多数细菌的荚膜成分为多糖，如肺炎双球菌。荚膜的形成受遗传物质（基因）的控制。

1．2．3 肺炎双球菌的致病性

荚膜与细菌的致病性有关，同时荚膜还能储留水分而抗干燥，对保护细菌有作用。荚膜本身无毒性，但在宿主机体内保护细菌抵抗吞噬细胞的吞噬及消化，并能抑制宿主体内杀菌物质（如溶菌酶）的杀菌作用，使细菌易在体内大量繁殖。细菌若失去荚膜，致病力也随之减弱或消失。当细菌进入人或动物体后，由于免疫效应，都要被吞噬细胞吞噬消化，加以消灭。由于S型细菌有荚膜，进入吞噬细胞后，受荚膜的保护，能抵抗吞噬细胞的吞噬和消化，从而能迅速增殖、扩散，引起机体发生疾病。而R型细菌无荚膜，则能被吞噬细胞吞噬、消化，所以不能使机体患病。肺炎双球菌都会使人或小鼠患肺炎，由于小鼠抵抗力差而细菌毒性较强，可并发败血症。

1．2．4 如何加热杀“死”细菌

加热的温度一般为60℃左右，目的使蛋白质变性，细菌的感染力和致病性降低，但抗原的特性仍然存在。由于DNA具有相对稳定性，当DNA溶液加热到沸点时，其氢键断裂，双螺旋解开，但若将其缓慢冷却，分离的单链就可部分得以重聚，恢复双螺旋结构，如果骤然冷却，核酸就不能复性了。

1．2．5 转化的实质

转化作用是指一种生物由于接受了另一种生物的遗传物质（DNA或RNA），而表现出后者的某些遗传性状或发生遗传性状改变的现象。转化的实质是外源DNA与受体细胞DNA之间的重组，使受体细胞获得了新的遗传信息。因此，转化作用可以看成广义上的基因重组。加热灭活的S型细菌遗留下各个DNA片段，其中包括控制荚膜形成的基因，这些片段从S细菌中释放出来，并且在后继的培养中被一些R型细菌所摄取，进入R型细菌的细胞中，以同源重组的置换方式，整合进入R型细菌的基因组中，使R型细菌转化成S型细菌。可见，转化后形成的S型细菌内含有两种DNA（R型和S型）。

1．3 艾弗里实验设计中最关键的思路

通过格里菲斯的实验发现了转化的问题，艾弗里来探究转化因素，他们从S型细菌中提取、分离出各种成分，分别与R型细菌混合培养，并观察其后代是否有S型细菌出现，从而证明了转化因素是DNA。单独地、来研究各种成分的作用是关键。艾弗里更加严密的一步是将DNA经过DNA酶处理，不出现转化现象，从反面说明了DNA是遗传物质。同时此实验也证明了蛋白质等其他化学物质不是遗传物质。

1．4 应用举例

肺炎双球菌转化实验中，将加热杀死的S型细菌与R型活细菌相混合后，注射到小鼠体内，在小鼠体内S型和R型细菌含量变化情况如图所示。下列有关叙述中错误是的（）

A． 在死亡小鼠体内存在着S型细菌和R型细菌；

B． 曲线ab段下降的原因是R型细菌被小鼠免疫系统所消灭；

C． 曲线bc段上升与S型细菌在小鼠体内增殖导致小鼠免疫力降低有关；

D． S型细菌的产生是由于R型细菌突变的结果。

分析：本题综合考查R型和S型细菌的特点及细菌发生转化的原因，引导学生对实验作进一步思考。R型细菌的数量与小鼠免疫力有关，S型细菌的产生是由于R型细菌转化的结果，而非基因突变所致。答案为D。

2 循序渐进地探究胰腺分泌活动的调节机制

2．1 为研究胰腺分泌活动的调节机制,研究人员做了下列实验

实验一:刺激通向胰腺的神经,胰液分泌量增加。

实验二:切断通向胰腺的所有神经,当食物经胃进入十二指肠时,胰液分泌量增加。

实验三:切断动物的胰腺神经后,从另一些动物的胃中取出部分被消化了的食物,取出少量直接导入胰腺神经已被切断的实验动物的十二指肠中,结果发现胰液大量分泌。

实验四:把一些相同的食物成分不经过胃直接引入切断了胰腺神经的动物的十二指肠中,结果胰液分泌不增多。

研究人员接着探究能促进胰液分泌的具体化学物质,他们分析胃内容物成分,分离提纯,单独刺激小肠观察胰液分泌情况。发现用少量盐酸刺激小肠,被切断胰腺神经的胰腺分泌胰液增加。为进一步确定盐酸与盐酸刺激产生的小肠分泌物哪个是促进胰液分泌的化学物质,请你继续完成具体探究,并预期实验结果，续做实验步骤:

① 取6只生长发育状况一致健康小鼠,饥饿两天,用少量盐酸刺激小肠,收集小肠内容物,除去大分子杂质,得到盐酸刺激小肠产生的分泌物。

② 切断6只小鼠通向胰腺的所有神经，随机分成A、B、C三组,每组2只。

③ 向A组小鼠血液注入2 mL稀盐酸；向B组小鼠血液注入2 mL小肠分泌物；向C组小鼠血液注入2 mL蒸馏水。

④ 观察胰液分泌情况,分析并得出结论。

2．2 实验的严谨性

本实验是发现问题、提出问题、层层释疑的循序渐进过程，十分严谨。首先是证明胰液分泌受神经调节，然后，在切断小鼠通向胰腺的所有神经，排除了神经调节后，进一步研究体液的调节。在体液调节方面，实验二证明食物经胃进入十二指肠时,胰液分泌量增加，而食物经胃到达十二指肠时，又增加了胃液，那么到底是食物的刺激还是胃液的刺激呢？实验四中把一些相同的食物成分不经过胃，而直接引入切断了胰腺神经的小鼠的十二指肠中,结果胰液分泌不增多，这就说明不是由于食物直接刺激的原因，而是由于胃液的原因。那么胃液是不是直接原因呢？因为胃液进入十二指肠时，又刺激十二指肠产生了分泌物，这就要进一步确定盐酸与盐酸刺激产生的小肠分泌物哪个是促进胰液分泌的化学物质了，此时，将二者分开来单独研究，问题就解决了。

2．3 实验预测及结论

① 若A、C组小鼠胰液分泌量基本相等,则盐酸不是促进胰液分泌的化学物质.

② 若A组小鼠胰液分泌量大于C组,则盐酸是促进胰液分泌的化学物质；

③ 若B、C组小鼠胰液分泌量基本相等,则盐酸刺激的小肠分泌物不是促进胰液分泌的化学物质；

④ 若B组小鼠胰液分泌量大于C组,则盐酸刺激的小肠分泌物是促进胰液分泌的化学物质。

结论：胰液分泌受神经支配；胰液分泌也受体液调节,来自胃内的某些物质能促进胰液分泌。

2．4 应用举例

下列有关激素研究实验的叙述中不正确的是

（）

A． 将成熟的苹果与未成熟的香蕉放在一起有利于香蕉的成熟，说明植物激素不因植物不同而具有特异性；

B． 将同龄分为两组，一组饲喂普通饲料，一组饲喂普通饲料添加甲状腺激素，可研究甲状腺激素对幼龄动物发育的影响；

C． 将同龄成年小鼠分为两组来研究激素的作用；

D． 血糖平衡的调节不只有激素的调节，还要受神经的调节。

分析：植物激素是植物中的微量有机物，在不同植物中成分是相同的，只是含量的不同对不同植物或同一植物的不同部位所起作用（促进或抑制）不同，幼年蝌蚪要进行变态发育，无性别差异，而成年小鼠由于雌性雄性激素的差异，在激素的研究中要用发育状况相同的雄鼠来研究，血糖平衡的调节既有激素的调节，又有神经调节。因此选C。

3 总结

科学实验的严谨周密要求我们在解决实验问题时要循序渐进、细致周到，要善于设疑，设计清晰、仔细、完整的思路。具备验证简单生物学事实的能力，并能对实验现象和结果进行解释、分析和处理；具有对一些生物学问题进行初步探究的能力，包括确认变量、做出假设和预期、设计可行的研究方案、处理和解释数据、根据数据做出合理的判断等；会鉴别、选择试题给出的相关生物学信息，能运用信息，结合所学知识进行实验原理的阐述、实验器材的选择。能用文字、图表等多种表达形式准确的描述实验结果。能运用高中所学的相关概念、原理、过程等知识，运用实验的方法解决自然界和社会生活中的有关生物学问题。