必修部分 第一章 第1节 生物学是与人类生活密切相关的自然科学(无答案)-高中生物学等级考学案（配新教材 第2版）

1 2 第一章 走进生物学 第 1 节 生物学是与人类生活密切相关的自然科学 一、杂交水稻技术的发展为我国乃至世界的粮食供给作出重大贡献 随着人口的不断增长，粮食短缺始终是世界性难题。中国科学家基于遗传学杂种优势原理，不断 进行科技创新培育杂交水稻，为我国乃至世界的粮食供给作出重大贡献。1973年，袁隆平带领的研 究团队以细胞质雄性不育系为遗传工具，突破实现了三系法配套，培育出第一代杂交水稻。1986～ 1992年，科学家们又攻克两系法育种关键技术，以光温敏雄性不育系为遗传工具，培育出第二代杂 交水稻，极大地简化了育种程序、缩短了育种周期，增产效果明显。之后，科学家们通过不断努力， 运用基因工程技术，以遗传工程雄性不育系为遗传工具，推出了第三代杂交水稻，不但提高了性状稳 定性和选育效率，还降低了对环境的要求，使其每公顷产量由普通水稻的 6t提升到 15t，潜在产量 更可达 18t。 袁隆平一生致力于杂交水稻技术的研究、应用和推广，创建了超级杂交稻技术体系，为我国粮食 安全、农业科学研究和世界粮食供给作出杰出贡献。2019年，袁隆平荣获国家最高荣誉“共和国勋 章”。袁隆平还多次去东南亚等地区讲学、传授技术，培训了来自亚洲、非洲、南美洲 30多个国家的 学员。联合国教科文组织、世界粮食基金会以及多个国家纷纷表彰袁隆平对世界粮食生产所作出的杰 出贡献。 目前，更多的科学家还在继续深人研究新一代的杂交水稻。袁隆平认为，第四代杂交水稻应是正 在研究中的碳四（C4）型杂交水稻，其光合作用效率高等优势必将使水稻产量潜力进一步提高；而第 五代则是利用无融合生殖固定水稻杂种优势，虽然难度很大，但随着分子育种技术的进步，有望在本 世纪中期获得成功。 二、基因编辑技术为农业和医学提供了更广阔的发展空间 1. 传统的转基因技术：多年来，科学家一直在尝试能通过各种技术使生物的性状按照理想的意 愿进行改变。早期的基因工程技术将设计好的一段外源基因（DNA片段）通过特定的方法转人到靶细 胞的细胞核中，使靶细胞获得新的、特定的生物学性状。这在动植物育种方面已经有了很多的成功应 用案例，如转基因的棉花、西红柿、马铃薯、大豆、水稻等，在提高农作物产量及抗病能力等方面都 取得了很好的效果。但是，通过这种技术插人基因的位置不确定，经常使试验结果难以达到预期。 2. 基因编辑技术：进入 21世纪，在细胞和分子生物学研究基础上建立起来的基因编辑技术，通 过特定的“工具”可以重新编辑细胞中 DNA的遗传信息，以此改变细胞的生物学性状。例如，通过人 工设计，可以使核酸酶在靶细胞 DNA上的特定位点进行剪切，实现对细胞内源基因的精准定点编辑。 （1）细菌 CRISPR-cas9 技术原理（必修二，26页，前沿视窗）：该系统由向导 RNA和内切酶组 成。一条单链向导 RNA引导核酸内切酶 Cas9到一个特定的基因位点进行切割，定向切割外源 DNA。 PAM序列是一个 NGG序列（N可以是任何碱基），能被 CRISPR-cas9系统识别，并在该序列附近有酶切 位点。科学家同时利用两组 CRISPR-cas9系统，使目的基因两端的 DNA双链断裂，再将目的基因两侧 的 DNA片段连接起来，实现了细胞中目标基因的敲除。 （2）基因编辑技术的应用：可以广泛应用于生命科学基础研究、疾病模型构建、药物研发等领 域。通过对特定基因的定点敲除或替换，建构人类疾病的动物模型，可以帮助科学家研究特定基因的 功能，或设计出相关疾病治疗的药物。而对于基因突变引起的疾病，如镰状细胞贫血症、血友病等， 则有望直接通过对突变基因的修复、改造进行治疗。目前已知的人类遗传病超过 5000种，95%以上的 遗传病仍缺乏有效的治疗方法，而基因治疗给这些患者带来治愈的新希望。同时，新一代的基因编辑 技术可以不引入外源基因，有望更安全、更广泛地应用于各种农作物和果蔬品种的改良。 三、免疫治疗开启清除肿瘤细胞新途径 1. 肿瘤治疗方法的发展：常见的肿瘤治疗手段为手术切除、放疗、化疗以及靶向治疗等。近年 来，科学家通过研究免疫细胞与肿瘤细胞之间“相爱相杀”的复杂关系，开创出刺激人体免疫系统清 除肿瘤细胞的新途径。 2018年诺贝尔生理学或医学奖获得者发现，具有人体健康监护作用的 T淋巴细胞表面的两种膜 蛋白（PD-1和 CTLA-4）会阻止 T淋巴细胞对肿瘤细胞的杀伤作用。如能研制出阻断这两种膜蛋白功 能的靶向药物，就可以借助 T淋巴细胞来清除肿瘤。 2. CAR-T 治疗方法：改造患者的 T淋巴细胞，导入抗原受体基因，使其具有更强的识别和杀伤 肿瘤细胞的能力，这个细胞就是 CAR-T细胞。一个典型的 CAR-T治疗流程，主要分为以下几个步骤： 分离 T细胞→制备 CAR-T细胞（导入基因）→扩增 CAR-T细胞→回输细胞→监控病人 2012年，一位五岁的急性淋巴白血病患者在美国接受了 CAR-T临床治疗后获得治愈，成为世界 上首例 CAR-T疗法治愈的儿童白血病病例。免疫治疗的不断发展与进步，给人们治愈更多类型的肿瘤 疾病带来了全新的希望。 四、现代发酵工程在人类的生产和生活中广泛应用 发酵工程是利用微生物的生命活动来大量生产人们所需生物产品的工程技术（必修一，6 页，图 1-4）。结合基因工程和细胞工程等技术，现代发酵工程在医药、食品、化工、材料、农业、能源和环 境等领域应用广泛，为解决药物规模化生产、能源短缺、环境污染等重大问题提供了全新的思路和途 径。通过发酵工程技术生产的人源重组蛋白质药物（如重组人胰岛素、干扰素、白介素等）具有重要 的治疗作用；利用非粮资源的木质纤维素作为原料发酵生产可再生能源燃料乙醇；利用微生物发酵法 生产生物可降解塑料聚乳酸……随着合成生物学、基因组测序、大数据、人工智能等新兴技术的结合 应用，发酵工程还将在人类的生产、生活中发挥更大的作用。 五、生态学原理指导人类可持续发展 随着人口的增长、人类对自然资源和环境的不合理开发和利用，气候变化、生物多样性丧失、海 CRISPR-cas9 系统 供体 DNA 分子 双链 DNA 断裂修复 与基因匹配序列 敲除的基因 导向 RNA 内切酶 基因编辑技术（细菌 CRISPR-cas9 系统） 基因的敲除 PAM 序列 CRISPR-cas9 系统 3 4 洋酸化、土地荒漠化加剧等全球性生态和环境问题，在可预见的未来还将进一步加剧。因此，生态学 研究的重点将是如何在维持地球生态系统稳定的前提下，满足人类日益增长的需求。运用生态学原理， 将人类活动合理融人地球生态系统（必修一，7页，图 1-5），是解决可持续发展问题的有效途径。“ 绿 水青山就是金山银山”，生动形象地阐明了人类社会发展与环境的“舟水关系”，更是我们加强生态文 明、建设美丽中国、构建人与自然生命共同体的努力方向。 例 1 袁隆平团队在内蒙古盐碱地稻作改良研究示范基地栽种了 1000亩海水稻。海水稻是在海边滩 涂等盐碱地生长的特殊水稻。海稻米硒含量比普通大米高 7.2 倍，因而呈胭脂红色。下列相关叙述正 确的是（ ）。 A. 海水稻是一个新物种 B. 示范基地中的所有海水稻植株组成一个种群 C. 海稻米富含硒说明海水稻的光合作用的能力高于普通水稻 D. 种植海水稻后海边滩涂发生的演替属于初生演替 例 2 “杂交水稻之父” 袁隆平院士领衔的团队培育出高产杂交水稻，为解决全球粮食问题作出巨 大贡献。下列有关叙述错误的是（ ）。 A. 由野生水稻培育高产杂交水稻的过程属于人工选择 B. 杂交水稻新品种的培育，利用了水稻遗传的多样性 C. 高产杂交水稻新品种的变异，属于不可遗传的变异 D. 杂交水稻产生的生殖细胞染色体数是体细胞的一半 例 3 2021 年 5月 22日，我国著名科学家袁隆平逝世，全国人民深切缅怀。袁隆平被誉为“世界 杂交水稻之父”，他的研究团队用野生水稻和普通水稻杂交，培育出了高产杂交水稻，造福了全世界人 民。下列相关叙述错误的是（ ）。 A. 培育杂交水稻利用了水稻基因的多样性 B. 杂交水稻的培育过程中发生了可遗传变异 C. 通过杂交育种手段可以产生新的水稻基因型 D. 该育种可在较短时间内获得更多优良变异类型 例 4 某农场种植的甲、乙两种水稻在面积相等的两块稻田中连续 6年的产量（单位：kg）如下，根 据以下数据，下面说法正确的是（ ）。 品种 第 1 年 第 2 年 第 3 年 第 4 年 第 5 年 第 6 年 甲 900 920 900 580 910 920 乙 890 960 950 850 560 890 A. 甲种水稻产量的平均数比乙种水稻产量的平均数大 B. 甲种水稻产量的中位数比乙种水稻产量的中位数小 C. 甲种水稻产量的极差与乙种水稻产量的极差相等 D. 甲种水稻的产量比乙种水稻的产量稳定 例 5 基因敲除主要是应用 DNA 同源重组原理，将同源 DNA 片段导人受体细胞，使同源 DNA 片段在 原有位置替代了靶基因片段，从而达到基因敲除的目的。基因敲除既可以是用突变基因或其它基因敲 除相应的正常基因，也可以用正常基因敲除相应的突变基因。下列有关基因敲除说法正确的是（ ）。 A．基因敲除实际上是删除某个基因，从而达到使该基因“沉默”的目的 B．利用基因敲除技术，不能修复细胞中的病变基因 C．基因敲除可定向改变生物体的某一基因 D．从理论上分析，利用基因敲除技术可治疗先天愚型 例 6 2017 年，邓宏魁研究组建立了利用 CRISPR/Cas9（利用 CRISPRI 具特异性对 DNA 分子进行编 辑的技术）进行人造血干细胞基因编辑，通过基因编辑敲除成体造血干细胞上 CCR5基因。经过基因编 辑后的人造血干细胞在动物模型中长期稳定地重建人的造血系统，其产生的外周血细胞具有抵御 HIV 感染的能力。下列说法正确的是（ ）。 A. 造血干细胞分化成的多种细胞中核酸相同，蛋白质不完全相同 B. 与胚胎干细胞相比，造血干细胞分化程度高、全能性低 C. 经过基因编辑后的人造血干细胞产生的血细胞具有抵御 HIV 感染的能力，是因为 HIV 主要攻 击人的造血干细胞 D. 基因编辑敲除成体造血干细胞上 CCR5基因的过程中不需要酶的参与 例 7 基因敲除是利用基因同源重组又称基因打靶的原理，用外源片断整合到活体细胞 DNA 的同源 序列中，使某个基因被取代或破坏而失活，由于同源重组具有高度特异性和方向性，外源片断也具有 可操作性，故该技术可使细胞的基因定点和定量改变。美国人马里奥·卡佩基、奥利弗·史密斯和英 国人马丁·埃文斯因在干细胞研究方面尤其是“基因靶向”敲除技术的发明方面所作的贡献而荣获 2007 年度诺贝尔生理学及医学奖。根据以上材料，结合所学知识，下列各项与生物学事实不相符（ ）。 A．基因敲除技术是在 DNA水平对细胞遗传信息进行改造的技术 B．基因敲除技术可使细胞的基因定点改变的原理是基因突变 C．外源片断与活体细胞 DNA的同源序列的碱基对越相似；基因敲除的成功率就越高 D．基因敲除技术将来有可能用到癌症的治疗 例 8 科研人员利用 CRISPR/Cas9技术敲除了生物节律核心基因 BMAL1，获得了具有睡眠紊乱症状 的猕猴，取其中一只猕猴的体细胞又克隆了 5只 BMAL1基因敲除的克隆猴，用作睡眠障碍等疾病的药 物研发模型。下列叙述错误的是（ ）。 A. 该研究涉及的现代生物技术有基因工程、核移植、胚胎工程 B. 不用鼠作药物研发模型的原因是鼠昼伏夜出的生活习性与人相反 C. BMAL1基因只存在于下丘脑细胞并可在下丘脑细胞中表达 D. 用这 5只克隆猴作模型是因为它们基因型等遗传背景一致 例 9 科学家将识别肿瘤细胞的受体基因导入从患者体内提取出的 T 细胞，得到重组 T 细胞，再将 重组 T细胞回输至患者体内，由此引发的免疫反应属于（ ）。 A. 第 2道防线 B. 体液免疫 C. 天然免疫 D. 特异性免疫 例 10 CAR-T是携带了某种特异性抗原受体的改良了的 T细胞常用于治疗恶性肿瘤。下列相关叙述 错误的是（ ）。 A. 特异性抗原受体位于 T细胞内 B. CAR-T比普通的 T细胞特异性更强 C. CAR-T治疗肿瘤实质是细胞免疫 D. 利用患者的 T细胞制备 CAR-T更好 例 11 2021 年 9 月，我国首例注射 120 万一针的 CAR-T 细胞疗法的淋巴瘤患者康复出院。该疗法 的原理是将患者体内的 T 细胞分离出来，进行基因改造和修饰后再注射到病人体内，经过修饰后的 T 细胞对特定的癌细胞进行定点清除，能在短时间杀死癌细胞。但该疗法目前多对血液肿瘤有效，并非 通用的抗癌药物。下列叙述正确的是（ ）。 A. 分离出来的 T细胞主要是辅助 T细胞 B. 修饰后的 T细胞需在体外进行克隆培养再注射 C. 被 T细胞清除的癌细胞死亡会引起机体的炎症反应 D. T细胞通过特异性识别癌细胞表面的 MHC 进行定点清除 例 12 CAR-T 细胞疗法又叫嵌合抗原受体 T 细胞疗法，可用于治疗成人复发性、难治性套细胞淋巴 5 6 癌。该疗法通过提取患者体内 T 细胞，经体外改造（使 T 细胞产生既能识别癌细胞又能激活 T细胞的 嵌合抗原受体），再回输到患者体内，从而发挥抗癌作用。下列叙述错误的是（ ）。 A. 回输细胞参与免疫监视功能 B. 嵌合抗原受体能与癌细胞表面特定蛋白结合 C. 回输细胞可引起癌细胞裂解死亡 D. 改造前的 T细胞不具有识别癌细胞的能力 例 13 传统的肿瘤治疗手段以手术切除、放疗、化疗以及靶向治疗为主，免疫治疗开启了清除肿 瘤细胞的新途径，下列与免疫治疗技术无关的内容是（ ）。 A. T淋巴细胞表面的两种膜蛋白 PD-1和 CTLA-4 B．嵌合抗原受体 T细胞免疫疗法 C．阻断 PD-1和 CTLA-4的靶向药物 D. 人血中的圆饼状红细胞 例 14 《中国生物多样性保护战略与行动计划》（2011～2030年），提出了我国从 2011年起 20年生 物多样性保护总体目标、战略任务和优先行动。下列各项中不可以确定为我国生物多样性保护的优先 行动的是（ ）。 A．制定促进生物多样性保护和可持续利用政策和法律体系 B．提倡外来入侵物种和转基因生物的环境释放以提高生物多样性 C．开展生物多样性调查、评估与监测 D．将生物多样性保护纳入部门和区域规划，促进持续利用 第 2 节 实验探索是生物学的重要途径 一、实验探索需要合理的思路和方法 （一）生命科学探究的基本步骤 科学探究六个要素：提出科学问题；进行猜想和假设；制订计划，设计实验；观察与实验，获取 事实与证据；检验与评价；表达与交流（某些探究过程只包含其中的几个要素，而且也不一定按上面 呈现的顺序进行）。 1. 提出问题：水族箱中饲养着从小河里采集来的柳条鱼，经过三年的观察，发现一到春天，鱼儿 游动活跃并开始产仔（卵胎生）。第一年开始产仔的日期是 4月 17日，第二年为 4月 20日，第三年为 4月 15日。由此产生一个疑问：为什么柳条鱼在 4月中旬产仔呢？ 2. 提出假设：水温随季节变化升高，引起柳条鱼产仔；每日日照时间随季节变化延长，引起柳条 鱼产仔。 3. 设计实验 （1）在 2～3月份选择体长和健康状况相近的雌雄鱼； （2）将鱼等量的分成三组（A、B、C），每组雌雄数量相等； （3）A组放在自然条件下，不控制条件；B 组放在自然环境下，但是控制水温；C组控制日照时间 的长短。 4. 实施实验：略。 5. 分析数据 水温对柳条鱼产仔影响的记录 光照与黑暗对柳条鱼产仔影响的记录 日期 水温（℃） 日期 光照与黑暗比（h∶h） 8 12 20 24 8∶16 10∶14 12∶12 14∶10 2 月 1 日 无 无 无 无 2 月 1 日 无 无 无 无 2 月 2 日 无 无 无 无 2 月 2 日 无 无 无 无 … … 3 月 20 日 无 无 无 有 3 月 20 日 无 无 无 无 … … 3 月 24 日 无 无 有 有 3 月 24 日 无 无 无 无 6. 得出结论：水温升高引起柳条鱼开始产卵。 7. 新的疑问：是否还存在其他影响产仔的因素？ 问题：我们吃的黄豆芽在菜场上刚买来时是黄的，但放在家里不遮盖，没过多久却发现黄豆芽变 绿了，而且夏天比冬天变绿的速度要快。究竟是哪些因素会导致黄豆芽变绿？请依据上述过程进行探 究，并写出研究方案。 （二）生物实验设计的主要原则 1. 科学性原则：在设计实验时必须有充分的科学根据。实验的原理要科学, 实验材料的选择要科 文献 学习或 提出 假 设计 实施 分析 得出 解答 新的 进一 生活实践 疑问 设 实验 实验 数据 结论 疑问 疑问 步探究