# 微生物学、免疫学与法医学

> Edexcel 国际A-Level 生物 · Edexcel IAL 生物 2018版 第四单元（WBI14）
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-biology-u4-microbiology-immunity-and-forensics/

本指南覆盖Edexcel IAL 生物第四单元主题6的全部内容，包括微生物培养技术、免疫应答、抗生素作用机制，以及符合2018版WBI14考纲要求的法医分析工具。

**先修:** [Edexcel IAS 生物基础细菌生长条件](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ias-biology-unit2-cell-structure-and-function/); [基础细胞生物学与生物化学基础知识](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-biology-u1-biological-molecules/)

## 学习目标

- 掌握无菌培养技术，利用稀释涂布、比浊法与生长曲线数据计算细菌生长速率
- 对比细菌与病毒的结构、感染机制，以及针对HIV与结核分枝杆菌等病原体的免疫应答
- 区分不同免疫类型与抗生素的作用模式
- 应用PCR、凝胶电泳与DNA指纹技术进行法医鉴定与亲缘关系鉴定
- 评估利用法医昆虫学、尸僵与腐败数据推断死亡时间的各类方法

## 微生物培养与生长测量

**无菌操作技术** — 防止培养物被污染的操作流程，包括灼烧接种环、密封琼脂平板、在点燃的本生灯上升气流区域操作。

细菌生长可通过四种核心方法测量：总细胞计数（使用血细胞计数板）、稀释涂布（计数菌落形成单位CFU）、干重测量、比浊法（用比色计测量液体培养物的浑浊度）。标准细菌生长曲线包含四个阶段：延滞期（细胞适应新环境）、指数期（资源充足，生长速率最大）、稳定期（生长速率等于死亡速率，资源受限）、衰亡期（有毒代谢废物积累，死亡速率超过生长速率）。

> **tip**
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> 核心实验13要求你使用比浊法或稀释涂布法测量液体培养物的生长速率，同时设置对照平板检测污染情况。

**例题:** 取1mL大肠杆菌培养物稀释10000倍，取0.1mL稀释后的样品涂布平板，最终得到42个菌落。计算原始培养物中每毫升的CFU数量。

1. 1. 计算总稀释倍数：稀释倍数 × 涂布体积换算 = 10000 × (1 / 0.1) = 100000
2. 2. 菌落数乘以总稀释倍数：42 × 100000 = 4.2 × 10⁶ CFU/mL

**小结**

- 生长速率常数(k) = log10(N2/N1) / (t2 - t1)，其中N为时刻t对应的细胞数量

> **考试提示:** 绘制细菌生长曲线时y轴必须使用以10为底的对数刻度，正确标注阶段顺序与坐标轴才能获得全部分数。

*计算器:* allowed

## 病原体结构与非特异性免疫

**病原体** — 可引发疾病的生物，包括细菌与病毒。

细菌是具有细胞壁、DNA与核糖体的原核细胞。病毒是非生命结构，由被蛋白质衣壳包裹的核酸（DNA/RNA）组成；部分病毒（HIV、埃博拉）有脂质包膜，其余病毒（烟草花叶病毒、λ噬菌体）没有。病毒遵循两种生命周期之一：裂解性（立即复制并裂解宿主细胞）或潜伏性（整合到宿主基因组中，可保持数月至数年不活动，例如HIV）。

病原体可通过伤口、摄入、吸入或性接触进入人体。物理与化学屏障包括皮肤、胃酸与共生菌群。非特异性免疫应答包括炎症、溶菌酶（分解细菌细胞壁）、干扰素（阻断病毒复制）与吞噬作用（白细胞吞噬并摧毁病原体）。

**例题:** 对比HIV与λ噬菌体的结构以及它们的生命周期。

1. 1. HIV是有包膜的RNA逆转录病毒，遵循潜伏生命周期，将自身遗传物质整合到人体T细胞基因组中。
2. 2. λ噬菌体是无包膜的DNA病毒，感染大肠杆菌，遵循裂解生命周期，会立即裂解宿主细胞释放新的病毒颗粒。

## 适应性免疫与抗生素

**抗原呈递细胞（APC）** — 吞噬病原体并在细胞表面展示抗原以激活辅助性T细胞的细胞，例如巨噬细胞。

适应性免疫涉及B细胞（产生记忆细胞与分泌抗体的浆细胞）和T细胞（辅助性T细胞激活B细胞与巨噬细胞；细胞毒性T细胞摧毁被感染的宿主细胞；记忆T细胞提供长期保护）。免疫可按2×2网格分类：天然/人工 × 主动/被动。疫苗属于人工主动免疫；母乳中的抗体属于天然被动免疫。

抗生素仅靶向细菌细胞：抑菌类抗生素抑制细菌生长，杀菌类抗生素杀死细菌细胞。核心实验14使用琼脂平板与抑菌圈测量方法测试抗生素对细菌生长的作用。院内感染（例如MRSA耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）可通过严格的卫生操作规范进行管控。

**例题:** 对注射现成抗狂犬病抗体获得的免疫进行分类。

1. 1. 该免疫属于人工免疫，由医疗手段介入获得，而非自然暴露获得。
2. 2. 该免疫属于被动免疫，因为个体直接获得现成抗体，而非自身启动免疫应答产生抗体。
3. 3. 分类结果：人工被动免疫。

> **考试提示:** 不要混淆辅助性T细胞与细胞毒性T细胞的功能：辅助性T细胞激活其他免疫细胞，细胞毒性T细胞直接摧毁被感染的宿主细胞。

## 法医分子生物学工具

**聚合酶链式反应（PCR）** — 扩增微量DNA样本的技术，包含三个核心步骤：变性、退火、延伸。

PCR步骤：1. 变性（95°C，DNA双链分离），2. 退火（55°C，引物结合到目标DNA序列上），3. 延伸（72°C，Taq聚合酶合成新的DNA链）。凝胶电泳按长度分离DNA片段：更短的片段在凝胶基质中迁移得更远。DNA指纹技术使用凝胶电泳对比非编码DNA的独特序列模式，用于身份鉴定、亲子鉴定与进化研究。

> **warning**
>
> 限制性内切酶与重组DNA技术不属于本主题的考察范围，仅需描述PCR的三个核心步骤与凝胶电泳的基本原理。

**例题:** 犯罪现场的法医样本与三名嫌疑人的DNA通过凝胶电泳进行比对，哪名嫌疑人和现场样本匹配？

1. 1. 对比犯罪现场样本的条带模式与每名嫌疑人的条带模式。
2. 2. 所有片段的条带模式完全一致的嫌疑人即为匹配对象，因为每个个体的DNA指纹都是唯一的。

> **考试提示:** 作答时必须按正确顺序列出PCR步骤并标注大致温度，才能获得全部分数。

## 法医死亡时间推断

**法医昆虫学** — 利用腐尸上的昆虫生命周期估算最短死亡时间的技术。

推断死亡时间的五种核心方法：1. 体温冷却（尸冷）：人体以约1.5°C每小时的速率降温，直到与环境温度一致。2. 肌肉收缩（尸僵）：死亡2-6小时后肌肉僵硬，24-36小时后缓解。3. 腐败阶段：尸体外观随时间发生的可见变化。4. 法医昆虫学：尸体上发现的昆虫幼虫的年龄可给出最短死亡时间。5. 生态演替：尸体上的物种组成随时间发生的变化。

**例题:** 发现一具尸体核心温度为30°C，环境温度为20°C，估算最短死亡时间。

1. 1. 人体正常体温为37°C，体温下降值 = 37 - 30 = 7°C。
2. 2. 假设冷却速率为1.5°C每小时：死亡时间 = 7 / 1.5 ≈ 4.7小时（最短为4-5小时）。

## 常见错误

- **错误做法:** 混淆抑菌剂与杀菌剂的定义。
  - 原因: 两个术语发音相近，在选择题与简答题中高频考察。
  - 正确做法: 使用助记词：STATIC（抑菌）= 停止生长（细胞保持存活），CIDAL（杀菌）= 杀死细胞（cide词根意为杀死）。
- **错误做法:** 在细菌生长曲线的y轴使用线性刻度。
  - 原因: 指数生长在线性刻度上生成J型曲线，掩盖阶段过渡，导致无法计算生长速率。
  - 正确做法: 绘制生长曲线时细菌细胞数量的坐标轴必须使用以10为底的对数刻度。
- **错误做法:** 将疫苗接种归类为被动免疫。
  - 原因: 学生经常混淆主动免疫与被动免疫的定义。
  - 正确做法: 疫苗引入抗原，触发人体自身产生抗体与记忆细胞，属于人工主动免疫；被动免疫是直接接收现成的抗体。
- **错误做法:** 混淆辅助性T细胞与细胞毒性T细胞的功能。
  - 原因: 二者都属于T淋巴细胞，但功能完全不同、没有重叠。
  - 正确做法: 辅助性T细胞激活B细胞与巨噬细胞；细胞毒性T细胞直接摧毁被感染的宿主细胞。
- **错误做法:** 在PCR解释中加入限制性内切酶。
  - 原因: 限制性酶属于第五单元基因工程的内容，不属于本主题的考察范围。
  - 正确做法: 仅描述PCR的三个核心步骤：变性、退火、延伸。
- **错误做法:** 声称所有病毒都有脂质包膜。
  - 原因: 只有部分病毒有包膜；烟草花叶病毒与λ噬菌体无包膜，HIV与埃博拉病毒有包膜。

## 速查表

| 概念 | 核心细节 | 考试回忆提示 |
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| 无菌操作技术 | 灼烧接种环、密封平板、在本生灯附近操作 | 列出3项微生物培养的无菌操作步骤 |
| 生长曲线阶段 | 延滞 → 指数 → 稳定 → 衰亡 | 按顺序排列细菌生长的4个阶段 |
| 免疫类型 | 天然主动：感染；人工主动：疫苗；天然被动：母乳；人工被动：抗体注射 | 根据给定场景对免疫进行分类 |
| PCR步骤 | 1. 变性（95°C）；2. 退火（55°C）；3. 延伸（72°C） | 按顺序列出PCR的3个步骤 |
| 抗生素类型 | 抑菌剂：抑制生长；杀菌剂：杀死细菌 | 区分抗生素的两种作用模式 |
| 死亡时间推断方法 | 体温、尸僵、腐败、法医昆虫学、生态演替 | 列出3种推断死亡时间的方法 |

## 下一步

掌握本主题的全部内容后，你应当开始练习第四单元WBI14的历年真题，检验自己对计算类与应用类题型的掌握程度。本主题占第四单元总分值的约35%，请重点练习生长速率计算、免疫分类与DNA指纹解读这类高频高分题型。接下来你可以复习主题5中能量流动与生态系统的内容，完成第四单元的全部备考，之后再学习第五单元的内容，完成整个A-Level生物课程的学习。

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