加法原理、減法原理在生物實驗中的運用

摘要：高考生物實驗題重點考查學(xué)生的實驗控制設(shè)計思路，生物實驗通過控制需要研究的因素來達到認識事物本質(zhì)的目的，控制研究因素是生物實驗的靈魂?？刂蒲芯恳蛩厮罁?jù)原理的本質(zhì)是減法原理和加法原理，靈活、巧妙科學(xué)地利用這兩個原理設(shè)計生物實驗有助于得出可靠、真實的實驗結(jié)果或結(jié)論。深刻理解和掌握這兩個原理能使學(xué)生在實驗問題解答上起到意想不到，事半功倍的效果。實驗設(shè)計原理大多都是基于加法原理、減法原理之上，“加法原理”和“減法原理”是實驗設(shè)計過程中控制自變量的兩種原理。與常態(tài)比較，人為增加某種影響因素的稱為“加法原理”，而人為去除某種影響因素的稱為“減法原理”。在實驗中科學(xué)設(shè)置處理才能減小或排除無關(guān)變量所造成的實驗誤差，確保結(jié)果準確，實驗題中經(jīng)常涉及加法和減法原理的運用。一、加法原理設(shè)計實驗通過給研究對象施加自變量進行適當干預(yù)，探索因變量[1]。即為了“探求結(jié)果”，通過人為將某一變量添加，增加到實驗中逼迫研究對象暴露出某種現(xiàn)象、屬性、結(jié)果和本質(zhì)，進而得出該研究因素在生物體中所起的作用。例1：驗證“植物頂芽產(chǎn)生的生長素抑制側(cè)芽生長”，選取長勢良好，生長狀況相同的多株幼苗，隨機分成A、B、C、D4組，A組幼苗不做任何處理，其他三組均去除頂芽。然后B組幼苗切口不做任何處理;C組幼苗切口處放置不含生長素的空白瓊脂;D組幼苗切口處放置含生長素的瓊脂。4組置于相同且適宜的條件下培養(yǎng)。（1）對比A組和B組幼苗的預(yù)期結(jié)果，說明

。（2）對比B組和C組幼苗的預(yù)期結(jié)果，說明

。（3）對比C組和D組幼苗的預(yù)期結(jié)果，說明

。【答案】（1）頂芽抑制了側(cè)芽的生長（2）瓊脂本身對側(cè)芽生長沒有影響（3）對側(cè)芽生長起抑制作用的是頂芽產(chǎn)生的生長素【解析】D組雖沒有頂芽，采用了實驗設(shè)計的加法原理，通過切口處添加放置含生長素的瓊脂，驗證了植物頂芽產(chǎn)生的生長素能夠抑制側(cè)芽生長。例2：某研究小組為了研究不同的酶抑制劑（可以抑制酶活性的一類物質(zhì)）對酶活性的影響進行了相關(guān)實驗，其結(jié)果如圖所示，回答下列問題：（1）研究發(fā)現(xiàn)，競爭性抑制劑與酶結(jié)合后，底物不能再與酶結(jié)合;而非競爭性抑制劑與酶結(jié)合后，底物仍能與酶結(jié)合。據(jù)此推測，非競爭性抑制劑與酶結(jié)合的位點和底物與酶結(jié)合的位點（填“相同”或“不同”）。（2）為驗證物質(zhì)X屬于酶抑制劑，某研究小組將濃度為m的底物均分為甲、乙兩組，甲組加酶，乙組中加入酶和物質(zhì)X。若甲組反應(yīng)速率

（填“大于”或“小于”）乙組，則可驗證。在該實驗基礎(chǔ)上，若要進一步探究物質(zhì)X是競爭性抑制劑還是非競爭性抑制劑，請設(shè)計實驗

（寫出實驗設(shè)計思路）。【答案】（1）不同（2）大于實驗思路：在該實驗基礎(chǔ)上添加丙組，底物濃度大于m，加入酶和物質(zhì)X，測定反應(yīng)速率。【解析】在基本實驗基礎(chǔ)上添加物質(zhì)X，測定反應(yīng)速率變化繪制坐標圖形，判斷物質(zhì)X是哪一類抑制劑。二、減法原理設(shè)計實驗為了排除掉自變量對研究對象的干擾和影響，同時盡量保持被研究對象的穩(wěn)定[2]，即為了“追蹤求源”，將某一變量人為地去除掉，看產(chǎn)生什么樣的結(jié)果，進而得出該研究因素在生物體中所起的作用。例3：如設(shè)置A密閉裝置放入綠色植物和生石灰，設(shè)置B密閉裝置放入綠色植物和水。證明二氧化碳是光合作用原料的實驗組是

裝置，A裝置中生石灰的作用是

，A和B組中有淀粉生成的裝置是

?！敬鸢浮緼

吸收掉空氣中二氧化碳

B【解析】證明二氧化碳是光合作用原料利用了典型減法原理。運用減法原理的典型實驗還有光合作用需要光、呼吸作用需要水、有些植物種子萌發(fā)需要光等等。三、逐級遞減、逐級遞加設(shè)計實驗有時通過逐級遞增或逐級遞減會使實驗設(shè)計邏輯性更好，說服力更強。例4：證明不同的神經(jīng)中樞在大腦中的位置，就是通過逐級遞減的原理來證明，先破壞大腦左側(cè)部位，觀察出現(xiàn)癥狀;再破壞大腦右側(cè)部位，觀察出現(xiàn)癥狀;再破壞大腦中間部位，觀察出現(xiàn)癥狀，逐步遞減進行。通過比較則很容易準確判斷出不同反射完成所涉及的神經(jīng)中樞在大腦中存在的位置及其作用。四、同時運用減法原理和加法原理設(shè)計實驗例5：探究胰島素的生理作用，選健康，生長狀況相同的多只小鼠，禁食處理后隨機分成甲、乙、丙、丁四組。甲組小鼠注射10ml生理鹽水，乙、丙、丁三組注射10ml胰島素溶液，一段時間后乙、丙、丁三組出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍、嗜睡等低血糖癥狀，甲組未出現(xiàn)低血糖癥狀。（1）乙、丙、丁三組小鼠出現(xiàn)低血糖癥狀后進行第二次注射，乙組注射10ml生理鹽水;為盡快緩解低血糖癥狀丙組注射10ml某激素溶液、丁組注射某營養(yǎng)物質(zhì)，問：丙組注射的激素是

，丁組注射的營養(yǎng)物質(zhì)是

。（2）第二次注射后，丙、丁兩組小鼠的癥狀都得到了緩解，緩解的機理分別是丙組

，丁組

?！敬鸢浮浚?）胰高血糖素葡萄糖（2）胰高血糖素能促進非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖、促進肝糖原分解，升高血糖注射葡萄糖，直接升高血糖【解析】乙、丙、丁三組小鼠第一次注射10ml胰島素溶液后，血糖降低從而出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍、嗜睡等低血糖癥狀。第二次注射后丙組注射的激素是胰高血糖素，具有升血糖作用;丁組注射的營養(yǎng)物質(zhì)是葡萄糖，直接補充血糖，使血糖濃度直接升高，癥狀得到緩解。兩次注射就是運用了兩個原理巧妙設(shè)計實驗。另外，同時運用兩個原理設(shè)計的典型實驗還有驗證鎂是植物生長的必需元素;研究甲狀腺激素在蝌蚪生長和發(fā)育中的作用等等，都大大增強了實驗準確性、說服力