# 生物技术与基因改造

> 生物 · CIE IGCSE 0610
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0610-u15-biotechnology-and-genetic-modification/

本指南覆盖CIE IGCSE 生物 0610第15单元生物技术与基因改造的全部核心与拓展内容，包括发酵应用、基因改造流程、以及结构化考题所需的转基因内容评价要点。

**先修:** [理解细胞结构，尤其是细菌细胞与DNA的相关知识](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0610-u2-cell-structure/); [掌握酵母无氧呼吸的相关知识](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0610-u12-respiration/)

## 学习目标

- 定义生物技术并列举传统应用与现代应用的实例
- 描述核心层级要求的生物技术用途：用于生物燃料的乙醇、面包制作、果汁生产中的果胶酶与生物洗衣粉，以及细菌具备实用价值的原因（繁殖速度快、可合成复杂分子）
- 针对核心层级与拓展层级，解释生产人类胰岛素的基因改造步骤
- 针对拓展层级题目，评价转基因生物的优缺点
- 在不出现层级内容混淆错误的前提下，作答生物技术与基因改造相关的结构化考题

## 1. 什么是生物技术（核心内容）

**生物技术** — 利用活的生物体、酶或生物过程来生产有用材料或实现有用工业流程的技术。

*例:* 使用酵母制作面包是一种传统生物技术应用

生物技术既包含古老的传统应用（例如食品发酵），也包含现代应用（例如基因改造、疫苗生产）。细菌在生物技术和基因改造中尤为实用，因为它们繁殖速度快，且能够合成复杂分子（大纲 21.1.1）。核心层级考生仅需为考试题目记忆每种类型的2-3个示例即可。

**例题:** 列举两个传统生物技术应用的实例。

1. 步骤1：识别依赖天然存在的生物体、不涉及基因改造的应用。
2. 步骤2：第一个实例：利用酵母发酵面团制作面包。
3. 步骤3：第二个实例：利用乳酸菌发酵牛奶制作酸奶或奶酪。

> **考试提示:** 核心考试题目经常要求区分传统生物技术和现代生物技术，因此请牢记每种类型的2-3个清晰实例，即可快速拿到分数。

## 2. 核心生物技术：发酵与酶的应用

**发酵** — 微生物（例如酵母、细菌）进行的无氧呼吸过程，可产出包括酒精、二氧化碳和乳酸在内的有用产物。

核心层级考生仅需记住酵母无氧呼吸的文字方程式：**葡萄糖 → 乙醇 + 二氧化碳 + 少量能量**。拓展层级考生还必须掌握配平后的符号方程式：

$$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$$

- **用于生物燃料的乙醇（21.2.1）**：酵母通过无氧呼吸分解糖类产生乙醇，可用作生物燃料。
- **面包制作（21.2.2）**：酵母发酵面团中的糖类，产生二氧化碳使面团膨胀；烘焙过程中乙醇会挥发。

另外两种核心生物技术应用依赖酶而非发酵过程：

- **果汁生产中的果胶酶（21.2.3）**：果胶酶可以分解植物细胞壁中的果胶，从水果中释放出更多果汁，同时使果汁更澄清。
- **生物洗衣粉（21.2.4）**：这类洗衣粉含有蛋白酶、脂肪酶等酶类，可以分解蛋白质和油脂污渍，因此衣物在较低温度下也能被有效清洁。

**例题:** 解释为什么放置在温暖环境中的面团比放置在寒冷环境中的面团膨胀速度更快。

1. 步骤1：将发酵速率与酵母细胞内的酶活性关联起来。
2. 步骤2：酵母含有控制发酵反应的酶。温暖的温度更接近这些酶的最适温度，因此酶活性更高。
3. 步骤3：酶活性更高会更快产生更多二氧化碳，因此面团在温暖条件下膨胀速度更快。

> **考试提示:** 在回答核心层级的简答题时，解释发酵速率变化的问题一定要提及酶活性和最适温度，才能拿到全部分数。

## 3. 基因改造（核心+拓展）

**基因改造（GM）** — 通过移除、改变或插入单个基因来改变生物体遗传物质的操作（大纲 21.3.1）。基因改造不限于插入来自其他物种的基因；当基因在不同物种之间转移时，产出的生物体被称为转基因生物。

> **层级差异说明**
>
> 核心层级考生需要回忆基因工程生产胰岛素的基本步骤。拓展层级考生必须记住所用酶的名称和详细步骤。

1. **核心**：人类胰岛素生成基因从人体细胞中被取出。**拓展**：使用限制性内切酶从人类DNA上切下胰岛素基因，该酶会留下黏性末端。
2. **核心**：胰岛素基因被插入到名为质粒的环状细菌DNA中。**拓展**：使用同一种限制性内切酶切开细菌质粒，留下匹配的黏性末端。DNA连接酶将胰岛素基因与质粒连接起来。
3. **核心**：质粒被重新导入细菌细胞，细菌大量繁殖以产出大量胰岛素。**拓展**：重组质粒被导入宿主细菌，细菌在大型发酵罐中培养，以生产大量纯化的胰岛素，用于糖尿病治疗。

**例题:** 解释为什么使用细菌来生产人类胰岛素。

1. 步骤1：回忆细菌在生物技术中实用的两个核心原因（大纲 21.1.1）。
2. 步骤2：细菌繁殖速度快，因此可以快速培育出大量种群，以低成本产出大量胰岛素。
3. 步骤3：细菌能够合成复杂分子（例如蛋白质），因此一旦细菌含有人类胰岛素基因，就可以产出人类胰岛素。
4. 步骤4（仅拓展层级，21.1.2）：对改造和培育细菌几乎不存在伦理争议，且细菌的质粒可作为载体，便于插入人类基因。之后细菌可在大型发酵罐中培养，持续产出胰岛素。

## 4. 评估基因改造（仅拓展阶段要求）

参加拓展阶段考试的考生需能够针对4-6分的结构化问答题，写出关于基因改造应用的全面评估，内容需涵盖转基因作物和转基因胰岛素的优缺点。

| 基因改造应用 | 优点 | 缺点 |
| --- | --- | --- |
| 抗虫Bt作物 | 减少杀虫剂使用、提高产量、降低生产成本、避免过度喷洒杀虫剂对益虫造成的伤害 | 基因扩散至野生植物的风险、昆虫进化出毒素抗性的风险、长期健康影响未知、小农户的种子成本更高 |
| 转基因人胰岛素 | 可低成本大规模生产、与人体自身胰岛素完全一致，因此相比动物胰岛素过敏反应更少、对不食用动物制品的人群不存在伦理问题 | 初期开发成本高、生产过程中存在少量污染风险 |

**例题:** 评估某农民改种转基因抗除草剂玉米的决策，需列出2个优点和2个缺点。

1. 步骤1：列出2项有依据的优点：
2. 优点1：农民可以喷洒除草剂杀死所有杂草，同时不会伤害玉米，从而提高产量并降低除草的人工成本。
3. 优点2：除草作业对土壤的扰动减少，降低了水土流失的风险。
4. 步骤2：列出2项有依据的缺点：
5. 缺点1：抗除草剂基因可能扩散到野生杂草中，形成难以防控的“超级杂草”。
6. 缺点2：转基因玉米种子比非转基因种子更贵，提高了农场的初始成本，且部分收购方可能拒绝购买转基因农产品。

> **考试提示:** 作答基因改造相关的评估类题目时，务必给出兼顾正反两方的均衡观点，避免使用“转基因不安全”这类模糊表述，需使用符合考纲要求的具体要点才能拿到满分。

## 常见错误

- **错误做法:** 在核心层级的作答中写出发酵的配平符号方程式
  - 原因: 核心层级仅要求掌握酵母无氧呼吸的文字方程式，写出符号方程式属于多余内容，一旦出现错误还会扣分。
  - 正确做法: 核心层级作答仅使用发酵的文字方程式，拓展层级题目才使用配平后的符号方程式。
- **错误做法:** 将基因改造和选择性育种的概念混淆
  - 原因: 选择性育种是在物种内利用已有的遗传变异经过多代筛选，而基因改造直接通过移除、修改或插入单个基因改变遗传物质（还可实现跨物种基因转移），混淆二者会丢失概念定义部分的分数。
  - 正确做法: 明确说明基因改造通过移除、修改或插入基因直接改变生物体的遗传物质，而选择性育种仅利用同一物种内的自然变异。
- **错误做法:** 在核心层级的基因改造作答中提及限制性内切酶或DNA连接酶
  - 原因: 这些酶的名称属于仅拓展层级要求的内容，在核心层级作答中写出属于多余内容，一旦命名错误还会扣分。
  - 正确做法: 核心层级作答时描述基因改造步骤无需提及酶的名称：例如写'将胰岛素基因从人类DNA上切下，插入细菌质粒中'即可。
- **错误做法:** 在面包制作相关的发酵题目中忘记二氧化碳是酵母发酵的产物
  - 原因: 面包蓬松的原理依赖于二氧化碳的生成，而非乙醇，忽略二氧化碳会丢失应用部分的分数。
  - 正确做法: 始终将对应的发酵产物和应用场景关联：二氧化碳用于面包蓬松，乙醇用于酒精生产。
- **错误做法:** 在拓展层级的转基因评价类题目中给出片面的评价
  - 原因: 评价类题目要求给出平衡的论证才能拿到满分，仅罗列优点或仅罗列缺点最多只能拿到一半分数。
  - 正确做法: 任何转基因评价类题目都至少列出2个优点和2个缺点，并且结合对应应用的具体场景说明。

## 速查表

| 概念 | 核心层级内容 | 拓展层级内容 |
| --- | --- | --- |
| 生物技术定义 | 利用生物体生产有用产品 | 与核心层级要求一致，额外要求区分传统生物技术与现代转基因生物技术 |
| 发酵方程式 | 葡萄糖 → 乙醇 + 二氧化碳 + 能量 | 与核心层级要求一致，额外要求掌握配平符号方程式 $C_6H_{12}O_6 → 2C_2H_5OH + 2CO_2$ |
| 核心生物技术用途（21.2） | 用于生物燃料的乙醇、面包制作、果汁生产中的果胶酶、生物洗衣粉 | 乳糖酶生产无乳糖牛奶；发酵罐及其可控条件 |
| 细菌具备实用价值的原因（21.1） | 繁殖速度快；可合成复杂分子 | 对细菌的操作和培养几乎不存在伦理争议；细菌体内含有质粒 |
| 生产胰岛素的基因改造步骤 | 切下胰岛素基因，插入质粒，培养细菌以产出胰岛素 | 与核心层级要求一致，额外要求提及限制性内切酶、黏性末端、DNA连接酶、发酵罐的使用 |
| 转基因评价 | 不作考核要求 | 针对转基因作物和转基因胰岛素，列出至少2个优点和2个缺点 |

## 下一步

在掌握生物技术与基因改造的内容后，你可以继续学习第15单元的其他主题，包括可持续粮食生产与人类活动对污染的影响。通过练习结构化作答题巩固知识，确保你的复习内容匹配对应层级要求，避免学习多余内容。该主题在第3卷（核心）和第4卷（拓展）考试中出现频率很高，请牢记关键实例和评价要点以最大化得分。

---

来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0610-u15-biotechnology-and-genetic-modification/