學(xué)之有方，解之有法

田奇林+舒洲

生物學(xué)經(jīng)歷了描述性生物學(xué)階段、實驗生物學(xué)階段和分子生物學(xué)階段的發(fā)展，得到了前人留下的很多寶貴的生物學(xué)科學(xué)方法。科學(xué)方法主要包括科學(xué)研究方法和科學(xué)思維方式?，F(xiàn)就高中生物所涉及的主要科學(xué)方法介紹如下。

一、觀察法

觀察法指用肉眼，或借助放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等儀器，或利用照相機(jī)、錄音機(jī)、攝像機(jī)等工具，有目的、有計劃地考察研究對象，從而獲得有關(guān)經(jīng)驗性材料的方法。該方法常使用光學(xué)顯微鏡觀察細(xì)胞的結(jié)構(gòu)或者細(xì)胞的生命活動。

【例1】紙層析法、同位素標(biāo)記法、染色法、離心法等是生物學(xué)研究過程中常用的實驗方法。下列有關(guān)說法錯誤的是（ ）

A. 觀察DNA和RNA在細(xì)胞中分布時，甲基綠和吡羅紅混合使用

B. 用臺盼藍(lán)染色法可以鑒別細(xì)胞的死活

C. 驗證DNA半保留復(fù)制的實驗過程中要用到同位素標(biāo)記法和離心法

D. 色素分離實驗中要得到四條不同顏色的色素帶需用到紙層析法和染色法

【解析】觀察DNA和RNA在細(xì)胞中的分布時，由于甲基綠和吡羅紅均能使DNA和RNA染色，只是甲基綠和吡羅紅分別與DNA和RNA的親和力強(qiáng)，因此必須使用甲基綠和吡羅紅混合染色劑，故選項A正確；用臺盼藍(lán)染色時，活細(xì)胞不會被染色，死細(xì)胞會被染色，放選項B正確；驗證DNA半保留復(fù)制的實驗過程中用同位素分別標(biāo)記母鏈和子鏈，運(yùn)用密度梯度離心法將質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的DNA分子分離，故選項C正確；色素分離實驗用到了紙層析法，但沒有用到染色法，四條色素帶所呈現(xiàn)的不同顏色是色素本身的顏色，故選項D錯誤。答案：D。

【拓展】染色觀察法是高中生物涉及的重要實驗技術(shù)，主要有以下幾種情況。

二、實驗法

實驗法是指實驗者有目的、有意識地通過改變某些社會環(huán)境的實踐活動來認(rèn)識實驗對象的本質(zhì)及其發(fā)展變化規(guī)律的方法，其一般思路和過程為：提出問題、作出假設(shè)、制訂計劃、進(jìn)行實驗、得出結(jié)論、表達(dá)與交流。實驗法可分為驗證性實驗和探究性實驗，設(shè)計實驗必須堅守設(shè)置對照原則、單一變量原則和平行重復(fù)原則。

【例2】下列有關(guān)生物學(xué)實驗研究方法的敘述中，正確的是（ ）

A. 采用差速離心法將藍(lán)藻的各種細(xì)胞器分離開

B. 預(yù)實驗可以檢測實驗設(shè)計的科學(xué)性和可行性，以免浪費(fèi)

C. 為了解決光合作用中產(chǎn)生的氧氣來源問題，卡爾文用了熒光染料標(biāo)記法進(jìn)行研究

D. 在探究DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制用15N（15N具有放射性）標(biāo)記DNA，并運(yùn)用差速離心法

【解析】分離細(xì)胞器的確可采用差速離心法，然而，藍(lán)藻作為原核細(xì)胞，其細(xì)胞內(nèi)并不存在各種細(xì)胞器，它只有核糖體；為了解決光合作用中產(chǎn)生的氧氣來源問題，魯賓和卡門用了同位素標(biāo)記法進(jìn)行研究；在探究DNA的復(fù)制方式時，所用的15N沒有放射性，由于是質(zhì)量大小相近的分子分離，因此采用密度梯度離心法。答案：B。

【拓展】高中生物涉及的重要實驗技術(shù)主要有以下幾種。

1. 同位素標(biāo)記示蹤法（也稱同位素標(biāo)記法）。生物學(xué)中用到同位素標(biāo)記法的研究成果有：利用15N或3H標(biāo)記氨基酸研究生物膜系統(tǒng)的連續(xù)性；用 14C標(biāo)記CO2，研究光合作用中卡爾文循環(huán)過程；用3H標(biāo)記胸腺嘧啶核苷和尿嘧啶核苷檢測DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄的部位、時間、過程；用18O分別標(biāo)記CO2和H2O，探究光合作用O2的來源；用15N（15N沒有放射性）標(biāo)記DNA，探究DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制；用35S和32P分別標(biāo)記蛋白質(zhì)和DNA，探究噬菌體的遺傳物質(zhì)。

2. 熒光染料標(biāo)記法。同位素標(biāo)記法和熒光標(biāo)記法分別屬于元素標(biāo)記和分子標(biāo)記。如用熒光分子標(biāo)記細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)說明細(xì)胞膜具有流動性，用熒光分子標(biāo)記的DNA分子探針檢測DNA的堿基序列，基因定位在染色體上等。

3. 預(yù)實驗法。預(yù)實驗是在正式實驗之前，用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或只用少量樣品進(jìn)行實驗，摸索出最佳的實驗條件，也常用于探究最適溫度和最適濃度的實驗。

4. 離心法。差速離心法，可用于分離各種細(xì)胞器；密度梯度離心法，可用來分離核酸、蛋白質(zhì)、核糖體亞基及其他分子成分。

三、模型法

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識對象所做的一種簡化的概括性的定量或定性的描述。其描述有的借助于具體的實物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達(dá)。這種運(yùn)用模型解釋復(fù)雜的研究對象的方法稱為模型法。

【例3】下列敘述與生物學(xué)史實或科學(xué)研究方法相符的是（ ）

A. 孟德爾用山柳菊為實驗材料，驗證了基因的分離及自由組合規(guī)律

B. 范·海爾蒙特基于柳枝扦插實驗，認(rèn)為植物生長的養(yǎng)料來自土壤、水和空氣

C. 富蘭克林和威爾金斯對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立也做出了巨大的貢獻(xiàn)

D. DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究和某種群數(shù)量變化規(guī)律的研究均用到了物理模型建構(gòu)法

【解析】孟德爾用豌豆作為實驗材料，總結(jié)出了基因的分離和自由組合規(guī)律，通過測交實驗驗證了兩大規(guī)律；范·海爾蒙特基于柳枝扦插實驗，認(rèn)為植物生長的養(yǎng)料來自水；富蘭克林和威爾金斯提供了DNA的X射線衍射圖譜，對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立做出了貢獻(xiàn)；DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究和某種群數(shù)量變化規(guī)律的研究分別運(yùn)用了物理模型和數(shù)學(xué)模型建構(gòu)法。答案：C。

【拓展】高中的生物模型主要有三種：（1）物理模型，如“生物膜的流動鑲嵌模型”“嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型”“減數(shù)分裂中染色體變化的模型”“DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”等；（2）概念模型，如“達(dá)爾文自然選擇學(xué)說解釋模型”“人體細(xì)胞與外界環(huán)境的物質(zhì)交換模型”“生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型”等；（3）數(shù)學(xué)模型，如“種群數(shù)量增長的數(shù)學(xué)模型”等。

四、調(diào)查法

調(diào)查法是指為了達(dá)到設(shè)想的目的，制訂某一計劃全面或比較全面地收集研究對象的某一方面的各種材料，并通過分析、綜合，得到某一結(jié)論的研究方法。調(diào)查時要明確調(diào)查目的和調(diào)查對象，制訂合理的調(diào)查方案，如實記錄，對結(jié)果進(jìn)行整理和分析，必要時要用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行統(tǒng)計。endprint

【例4】下列關(guān)于生物科學(xué)研究方法的敘述，錯誤的是（ ）

A. 用取樣器取樣法既適用于土壤中蚯蚓、螨蟲等小動物種群密度的抽樣調(diào)查，也適用于土壤物種豐富度的調(diào)查

B. 對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢驗或修正時，常用觀察法或?qū)嶒灧?/p>

C. 在探究DNA的復(fù)制方式時，所用的15N沒有放射性，由于是質(zhì)量大小相近的分子分離，因此采用密度梯度離心法

D. 目測估計法可以統(tǒng)計土壤小動物類群，不能用于地面生物豐富度的統(tǒng)計

【解析】用取樣器取樣法既適用于抽樣調(diào)查土壤中蚯蚓、螨蟲等小動物種群密度，也適用于土壤物種豐富度的調(diào)查；在探究DNA的復(fù)制方式時，所用的15N沒有放射性，由于是質(zhì)量大小相近的分子分離，因此采用密度梯度離心法；目測估計法既可以統(tǒng)計土壤小動物類群，也可以用于地面生物豐富度的統(tǒng)計。答案：D。

【拓展】高中生物涉及的調(diào)查方法主要有以下幾種。

1.種群密度的調(diào)查方法

逐個計數(shù)法 適用于分布范圍較小，個體較大的種群密度的調(diào)查

2.物種豐富度的調(diào)查方法

提取土樣的方法——取樣器取樣法。取樣器取樣法既可以用于土壤小動物（活動能力較差）的種群密度的調(diào)查，也可以用于土壤群落豐富度的調(diào)查。

統(tǒng)計物種種類或種群數(shù)量的方法——目測估計法（適用于調(diào)查分布范圍較大，個體較小的種群）和記名計算法（適用于調(diào)查個體較大、種群數(shù)量有限的群落）。

五、模擬法和系統(tǒng)分析法

在生物學(xué)研究中，通過對替代物的實驗來獲取經(jīng)驗性材料的方法稱為模擬法。系統(tǒng)分析法是在分析系統(tǒng)組成要素、層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)各組分間相互影響的定量關(guān)系，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用計算機(jī)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)具有功能整合作用的問題分析方法。

【例5】下列有關(guān)科學(xué)實驗及方法的敘述，正確的是（ ）

A. 達(dá)爾文的實驗證明了胚芽鞘的向光性生長確實是某種化學(xué)物質(zhì)引起的

B. 用瓊脂塊研究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系運(yùn)用了模擬法

C. 桑格和尼克森提出生物膜的流動鑲嵌模型，運(yùn)用電鏡觀察法

D. 艾弗里利用肺炎雙球菌研究遺傳物質(zhì)時，運(yùn)用同位素標(biāo)記法

【解析】達(dá)爾文實驗并未證明向光性生長由化學(xué)物質(zhì)引起；本實驗用瓊脂塊的大小模擬替代了細(xì)胞的大?。簧８窈湍峥松岢錾锬さ牧鲃予偳赌Ｐ?，運(yùn)用熒光標(biāo)記法；艾弗里利用肺炎雙球菌研究遺傳物質(zhì)時，沒有運(yùn)用同位素標(biāo)記法，用的是物質(zhì)分離技術(shù)和細(xì)菌培養(yǎng)技術(shù)。答案：B。

【拓展】在生物學(xué)研究中，由于不能對研究對象直接進(jìn)行控制或干預(yù)性的操作，需要設(shè)計和構(gòu)想出研究對象的替代物，如用瓊脂塊模擬研究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系、用小球進(jìn)行性狀分離比的模擬等。endprint