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2019生物联赛“送命题”解析与国赛及明年备考建议

2019-05-15 14:55:00 教研部 阅读量:204

19年联赛刚刚结束,同学们反映,试题除了送分题,就是送命题。经过调查统计,发现同学们拿不准的送命题集中在三个模块:生物信息、生物技术和论文命题。对比上一个单年17年联赛题,19年这三个模块的题目数量、难度和区分度明显提升(图1)。

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图1:2017与2019命题趋势变化


单年北师大命题风格,向来以概念题为主,但今年的联赛题,风格发生了巨大变化,有两个明显的趋势:(1)单年命题在命题思想上,与双年命题趋于一致,最新论文命题占比明显增加,生物技术比重显著增大。(2)单年命题明显在与国际奥赛接轨,今年7月即将在匈牙利举办的第30届国际生物奥赛,首次将生物信息学列在四大实验之首,而今年联赛题生物信息题目明显增加。


据统计,18年的国赛论文命题数量占到70%其中穿插生物技术与生物信息。国际奥赛试题,论文命题数量约占100%,生物信息和生物技术在理论和实验考试中,比重非常大。

由此,按照今年联赛生物技术、生物信息以及论文命题的总题量来看,这三个模块已经成长为一门大学科具有高区分度。在19年国赛和20年联赛中,这三个模块的占比必将进一步增大。若同学们希望能在国赛和明年联赛中取得优异成绩,需要对这三个模块的内容进行系统复习。


一、生物竞赛的璀璨新星:生物信息学

即将在匈牙利举办的30届国际生物奥赛,试题模块发生了重大改革首次在实验考试中,将生物信息学列为四大模块之首(图2)。第三模块的系统生物学,也涉及到非常多生物信息学的内容。

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图2:今年国际奥赛实验模块中首次列入生物信息学


在刚刚公布的2016年国际奥赛试题中,利用UPGMA法重建系统发生树,是实验考试2-动物系统学和解剖中的重要内容。可以看到,生物信息学在国际奥赛中的占比逐步增大,在将来的考试中会占有越发重要的地位。

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图3:2016年国际奥赛试题中生物信息学构建发生树占比很大

 

刚刚结束的联赛考试,生物信息部分明显与国际奥赛接轨。让我们回顾一下今年的2分送命题116:

【2019联赛·116】利用DNA序列构建系统发育树的方法多种多样。以下方法中利用DNA序列的遗传距离构建系统发育关系的是:(多选)

A.最大简约法

B.最大似然法

C.邻接法

D.贝叶斯法

E.UPGMA法

 

该题考点显然是国际奥赛的导向。北斗学友2019年4月的“BST+/刷题营”《生物信息学》29题,与该题一致。在课上讲义中,更是对不同构建系统发育树的方法进行了总结(图4),显然上过刷题班的同学,该题是送分题;而对于没有系统学习过生物信息学的同学,该题一定是送命题。

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图4:2019年4月北斗学友刷题营试题与联赛116题一致


类似的还有同学颇为疑惑的2019联赛第107与29题:

【2019联赛·107】DNA上的遗传变异信息都表现为四种碱基的变异,这种变异信息可以用于构建类群间系统发生关系。A、C、G、T是(),若两个物种在DNA的某一位点上拥有相同的碱基,说明这两个相同的碱基()。下列叙述,正确的是:

A.四个性状;一定源于一个最近的共同祖先

B.四个性状;可能源于一个最近的共同祖先

C.四个性状状态;一定源于一个最近的共同祖先

D.四个性状状态;可能源于一个最近的共同祖先

【2019联赛·29】下列哪几项组学技术研究,是直接在核苷酸水平开展的:(多选)

A.基因组

B.代谢组

C.表观组

D.蛋白组

E.转录组

 

对于107题,需要对character与character states这两个生物信息学中原理性词汇进行区分。由于生物信息学可以对高通量测序数据进行快速分析,揭示成千上万对碱基上的变异,使得系统发生研究发生了革命性变化。在任何一个碱基位置或位点上,核苷酸碱基的身份可被视为一个特征或性状(character),DNA序列上每一个特征又有四种A、T、C、G这样可能的特征状态或性状状态(character states)。因此此题选D。


对于29题,很多同学疑惑是否选C。组学分类是生物信息学中的重要模块,按照组学大类分,可以分为:基因组、转录组、代谢组、蛋白组、宏基因组、表观组。我们知道,表观遗传学主要包括:DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控、染色质重塑。而表观组与表观遗传学的概念有所差别,表观组是表观遗传学的研究手段,具体可分为:表观基因组、表观转录组、表观蛋白质修饰组。因此,表观基因组和表观转录组肯定是直接在核苷酸水平开展的研究,此题选项有C。


由此可见,生物信息学是否进行过系统学习差异极大,作为将来联赛、国赛以及国际奥赛的璀璨新星,生物信息学是一门很难自学,如果不学题目没有蒙对可能的学科,需要大家在接下来的备考中多加留意。

 

二、国赛和双年联赛的高失分模块:生物技术

提起生物技术,让我们一起回顾一下2018年生物联赛的连续送命题


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图5:2018年生物联赛的连续送命题

 

在2018年,事先是否研究过免疫共沉淀技术,将会在当年联赛考试中起到决定性作用。北斗教研部当时预测,在今后的考试中,生物技术备考至关重要。由于2018年考的是蛋白质-蛋白质相互作用,北斗教研部认为2019年很可能对蛋白质-核酸相互作用进行考查,由此,在2019年4月的“BST+/刷题营”《生物技术》专题中,北斗专职教师对所有常见高频生物技术进行了系统总结与归纳,其中EMSA技术的练习组题,与2019年联赛的25-26题一致(图6)。


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图6:2019年4月北斗学友刷题营试题与联赛25-26题一致

 

同时,今年联赛的19题,同学们的争论比较多:

【2019联赛·19】聚丙烯酰氨凝胶电泳分离蛋白质的依据是:(多选)

A.蛋白质所带电荷数量

B.蛋白质的分子形状

C.蛋白质的分子大小

D.蛋白质的亲水性

 

对于该题,同学们首先要区分非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(Native-PAGE)以及SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)。对于Native-PAGE,电泳过程中,蛋白质能够保持完整状态,并依据蛋白质的分子量大小、性状及附带电荷量而逐渐呈梯度分开。而1967年由shapiro建立的SDS-PAGE,则由于SDS和强还原剂β-巯基乙醇的加入,使得电荷因素可被忽略,蛋白质亚基迁移速率主要取决于亚基分子量大小。


从2018-2019试题可以洞悉,生物技术试题的数量和区分度必将逐年递增。然而,诸如19题的技术细节,并没有哪本教材写的非常清晰。同时鉴于生物技术的迅猛发展,并没有一本教材,对所有现代生物技术进行全面的总结。比如,2019年联赛的25-27题,即来自于国外网站习题(图7)。由此,生物技术模块的高效学习,需要技术专业教师,将不同资源、教材、现代科研最新进展加以整合,带领同学们进行归纳。


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图7:2019年联赛25-27题来自于国外习题网站


同学们可以做个小测试,对于以下这些,地位与免疫共沉淀与EMSA相当,在当今生物学中十分常用的技术:

ChIRP-chip、RIP-seq、UAS-GAL4、FLP-FRT、MALDI-TOF、Immunohistochemistry、BiFC、Map-based cloning、cryo-EM

你了解哪些?在哪本教材上见过系统的介绍?

如果你有3个以上不了解,建议你对生物技术模块进行系统备考,专业擅长的教师代领你进行技术的系统归纳和整理,达到事半功倍的效果。


三、国赛和双年联赛的制胜题型:论文命题

由图1可知,今年联赛题,从上一个单年的1道,增加到13道,已经与2018年双年的17道论文题接近。考虑到18年国赛论文题占70%,国际奥赛论文题约占100%,论文试题已经成为生物竞赛的重中之重。然而,若未经过系统训练,论文题失分会非常多,比如今年联赛的20题:

【2019联赛·20】阿尔茨海默症是一种主要与衰老相关的神经退行性疾病,与健康脑相比,阿尔茨海默症患者大脑中存在类淀粉样蛋白质堆积以及Tau蛋白质过度磷酸化,最新的研究发现,向阿尔茨海默症模型小鼠施加40Hz的闪光或者声音刺激会使小鼠的认知能力提高。基于这项工作,以下说法不正确的是:

A.脑部类淀粉样蛋白质大量堆积往往伴随着脑电波异常现象

B.电磁波的异常可能是导致阿尔茨海默症的原因

C.阿尔茨海默症会引起患者大脑电磁波异常

D.施加40Hz的闪光或者声音刺激,可以降低小鼠脑部类淀粉样蛋白质堆积

 

该题文献来自于2019年2月刚刚发表的Cell(图8)。该研究的背景为:以往研究发现,阿尔茨海默症患者大脑的γ波呈现异常,但一直以来,研究者们都将其视为疾病的结果。麻省理工的第一作者想法与他人不同,她认为并没有足够的线索,证明γ波呈现异常是患病的结果。所以她假设,患者大脑的γ波异常可能是导致阿尔兹海默症的原因。为验证该假设,文章选择弥补一个正常的40赫兹γ波给小鼠,发现小鼠视觉皮层的β淀粉样蛋白及Tau蛋白水平显著降低。因此与多数同学选的B不同,此题答案为C。

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图8:2019年联赛20题论文来自于19年2月Cell期刊

 

该论文题考查的是典型的假说-演绎法,需要同学们根据实验证据,来寻求假说与结论之间的逻辑关系,进行谁是原因,谁是结果的推断。这种思维要求,也是国际奥赛的趋势,比如2019年7月即将举办的国际奥赛,理论试题部分对学生解决试题需要的思维进行了明确要求,包括类比推理、归纳推理、演绎推理、问题解决、数据处理、推演假想以及相关分析等(图9)。如果同学们对这些思维并不熟悉,则需要在论文命题模块进行强化训练,否则无法适应生物竞赛未来的考试趋势。

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图9:今年国际奥赛理论模块中对考生思维能力做出明确要求

 

再比如2019联赛的99与101题:

【2019联赛·99、101】基因突变是造成癌症的原因。为鉴定造成黑色素瘤(melanoma)的突变基因,科学家用外显子组测序(WES)的方法,检测了213个黑色素瘤病人样品中的基因突变,部分结果如下表所示:表1显示的基因在有些发生了突变的样品中检测到同样位点的突变,表2的基因是样品中发生了失活突变


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99.由上表可以得出的结论有:

A.表1和表2发生突变的基因不一致,说明所列这些基因与黑色素瘤的发生关系不大

B.表1和表2发生突变的基因不一致,说明黑色素瘤的发生是多个基因突变的结果

C.BRAF的突变是导致黑色素瘤的主要原因

D.NRAS的失活是导致黑色素瘤的重要因素

101.实验结果显示,BRAFV600E或BRAFV600K(第600位的缬氨酸变为谷氨酸或赖氨酸)存在于39%的黑色素瘤中,这说明:

A.第600位疏水性的缬氨酸对BRAF蛋白保持活性很重要

B.第600位的缬氨酸被带电氨基酸取代,导致BRAF活性增强

C.如果第600位的氨基酸带电,会影响BRAF的活性,但难以判断活性增强还是减弱

D.第600位的氨基酸带正电(赖氨酸)还是带负电(谷氨酸),对BRAF活性的影响正好相反,但都导致黑色素瘤

 

该题材料来自于NCBI dbGaP数据库中2018年12月的黑色素瘤外显子测序组学研究(图10)。根据表2是失活突变数据,暗示表2中基因应该是抑癌基因,则表1中基因可能为活性加强突变的原癌基因,由此推断得出如上答案。

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图10:2019年联赛99-101题材料来自于18年12月dbGaP


以上两道论文命题,材料来源均非常新,是半年内的最新前沿进展,可以看出单年联赛命题改革的野心。由此,论文命题需要对科学研究非常在行、前沿进展非常熟悉的教师,带领同学们进行备考,以弥补绝大部分同学还没有进过实验室的经验上的不足

除最新前沿进展外,19年联赛论文命题也对科学史上经典实验进行了考查,如48题:

【2019联赛·48】德国生理学家Otto Loewi在1920年3月利用离体蛙心做了一个巧妙的实验(注:蛙心置于人工液体环境中,可保持其生理活性)。他反复刺激一个蛙心的迷走神经,使其心率下降,然后从这个蛙心中收集液体,转移给另一只蛙心,发现该蛙心的心率也下降了。他再刺激第一个蛙心的交感神经,使其心率加快,当其液体转移给第二个蛙心后,该蛙心的心率也加快了。由上述实验得出的合理推断是:(多选)

A.神经通过释放化学物质来传递信息

B.迷走和交感神经可能释放不同的化学物质

C.神经释放的化学物质可以在微量条件下发挥作用

D.迷走和交感神经的电活动不同


很多同学对是否选C存在疑惑,而该题早在北斗学友2018年“BST7/押题营”《医药论文命题》模块中,就进行了极其细致的讲解(图11)。授课名师在上课时介绍过,Loewi的这个实验是在梦中出现的,两次梦境中出现了同样的实验,才促使Loewi到实验室真正做了这个实验。后来Loewi回忆道:如果经过成熟的考虑,我是不会做这个实验的。因为很难想象,通常被认为只在神经末梢和心肌间很短距离的范围内才能有效的一种化学物质,竟会如此大量地释放以致溢出,而它被灌流液稀释后,仍能抑制另一心脏。由Loewi本人自述可知,C选项必选。由此例同学们可以看出,论文命题模块重要的并不是知识,而是每个精妙实验背后蕴含的思想,这样的内容,一定需要专业教师进行讲解,才可能理解透彻

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图11:2018年北斗学友押题营试题与联赛48题一致

 

关于论文命题,同学们可以做个小自测:

阴性对照、阳性对照、空白对照、条件对照、自身对照、相互对照、配对对照,这些论文中最基本的实验设计,我都清晰的区分吗?

实验结果、实验结论、实验推论的区别是什么?什么情况下适合设计in vivo实验,什么领域又适合进行in vitro实验?

什么时候使用单因素方差分析,什么时候使用多因素方差分析?二分类Logistic回归分析、聚类分析都如何进行?

如果对于论文命题模块的这些基础问题,你并不是很了解,在当今论文命题决定胜负的背景下,应当尽全力弥补。

 

总之,2019年的单年联赛和国际奥赛都有重大变化,在近来生物竞赛的改革浪潮中,论文命题、生物技术和生物信息的题量、难度和区分度的增加是大势所趋鉴于这三部分的内容较深,市场上没有成熟教材,同时对于考生的能力要求较高自学效果并不是很好


为帮助同学们在2019年国赛以及2020年联赛中高效冲刺高分,北斗学友将特意设置论文命题、生物技术和生物信息的模块课,让专业擅长竞赛教师,带着你对三门学科进行深入、系统学习按照“一张白纸进来,一位高手出去”的目标设计课程,对三门学科进行高区分度考点的归纳和预测,让同学们真正拥有三大制胜法宝。


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