Những bài toán Sinh học giúp học sinh phát triển kỹ năng nghiên cứu khoa học

Bài toán 1:
Trong một thí nghiệm sinh thái trên thực địa, một học sinh tiến hành loại bỏ một loài động vật ra khỏi khu vực thí nghiệm gồm nhiều loài thực vật trong một quần xã. Sau một số năm quay lại đánh giá số lượng các loài thực vật trong khu vực thí nghiệm, học sinh này nhận thấy số lượng loài thực vật đã giảm đi nhiều so với trước khi tiến hành thí nghiệm.
Mục đích thí nghiệm của học sinh này là gì? Kết quả thu được có đáp ứng được mục tiêu đề ra hay không? Giải thích.Hãy đưa ra giả thuyết giải thích sự suy giảm số lượng loài trong thí nghiệm trên và nếu thấy cần thiết hãy mô tả thí nghiệm chứng minh giả thuyết của mình.
Trả lời
a. -  Mục đích thí nghiệm của học sinh nêu trong bài là tìm hiểu vai trò sinh thái của loài động vật đó tác động tới các quần thể  thực vật ra sao, liệu loài đó có phải là loài ưu thế hay loài chủ chốt (loài có ảnh hưởng sinh thái mạnh tới các loài khác của quần xã) hay không.
-  Kết quả thí nghiệm thu được không đáp ứng được mục tiêu đề ra vì học sinh đó không thiết kế lô đối chứng để so sánh mà lại so với số lượng loài trước khi tiến hành thí nghiệm.
-  Điều này sẽ không chính xác vì có thể trong thời gian tiến hành thí nghiệm nhiều yếu tố khác của môi trường không thuận lợi cũng làm giảm bớt số lượng loài thực vật trong khu thí nghiệm.
b. - Kết quả trên cho thấy số lượng loài thực vật suy giảm có thể do tác động của việc loại bỏ loài động vật ra khỏi khu thí nghiệm khiến cho một trong số các loài thực vật trở nên có ưu thế cạnh tranh hơn với các loài khác.
 - Sự cạnh tranh này là cạnh tranh loại trừ dẫn đến loại trừ một số loài kém khả năng cạnh tranh hơn khỏi khu vực thí nghiệm. Tuy nhiên, việc biến mất của một số loài trong khu thí nghiệm cũng có thể do các yếu tố khác của môi trường trở nên bất lợi cho một số lời thực vật.
 -  Để biết được nguyên nhân chính xác, cần phải thiết lập lô thí nghiệm có diện tích, số lượng loài thực vật với mật độ và các điều kiện khác của môi trường là y hệt như ở lô đối chứng, ngoại trừ lô đối chứng thì vẫn để loài động vật đó còn lô thí nghiệm thì rào lại để cách ly khu vực thí nghiệm với loài động vật ta đang quan tâm.
- Nếu kết quả thí nghiệm vẫn như kết quả của bạn học sinh đã làm thì loài động vật đó là loài chủ chốt có vai trò quan trọng khống chế loài thực vật ưu thế. Khi loài động vật khống chế loài thực vật có ưu thế bị loại bỏ khỏi khu thí nghiệm thì loài ưu thế phát triển mạnh có khả năng cạnh tranh tốt dẫn đến loại trừ một số loài khác (cạnh tranh loại trừ).
 → Bài toán trên sẽ rèn được kỹ năng phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm có phù hợp với giả thuyết đề ra hay không, đồng thời còn giúp cho học sinh định hướng hướng thiết kế thí nghiệm để chứng minh sự phù hợp với giả thiết.
Bài toán 2:
Trên một cánh đồng có 4 loài cỏ cùng sinh sống. Để xem xét thành phần các loài cỏ có bị thay đổi hay không khi bón thêm một loại phân nhất định trên cánh đồng này thì cần phải bố trí các thí nghiệm như thế nào? Giả sử kết quả thí nghiệm sau một thời gian dài bón phân mà số lượng loài bị giảm đi thì ta có thể giải thích như thế nào?
Trả lời: 
- Cần bố trí thí nghiệm như sau: Chia diện tích nghiên cứu thành hai lô có thành phần loài và điều kiện môi trường như nhau, ngoại trừ ở một lô được bón thêm phân (lô thí nghiệm), còn lô kia không được bón phân (lô đối chứng).
-  Nếu kết quả thí nghiệm cho thấy ở lô đối chứng số loài không thay đổi còn ở lô thực nghiệm có số lượng loài bị giảm đi thì có thể kết luận những loài còn lại có khả năng cạnh tranh tốt trong điều kiện được bón phân nên phát triển mạnh dẫn đến cạnh tranh loại trừ khiến một số loài bị chết.
→ Bài toán trên sẽ rèn được kĩ năng thiết kế thí nghiệm và giải thích được kết quả thí nghiệm.
Bài toán 3:
Dựa vào kết quả thí nghiệm trên 3 loài động vật nguyên sinh thể hiện trên các hình dưới đây, hãy trả lời các câu hỏi:
Mục đích của thí nghiệm là gì? Những nhận định gì có thể rút ra từ kết quả thí nghiệm này? 
 

Trả lời
Để đảm bảo tính xác thực và độ tin cậy của các nhận định rút ra từ việc nuôi chung các loài (các đồ thị ở hình b), cần phải bổ sung số liệu xác nhận điều gì? Giải thích.
a. -  Thí nghiệm nuôi chung, nuôi riêng như vậy thường được thiết kế để xác định mối quan hệ cạnh tranh giữa các loài với nhau.                       
-  Loài P. caudatum khi nuôi chung với loài P. aurelia  thì bị suy giảm số lượng và bị diệt vong còn loài P. aurelia  vẫn sinh trưởng bình thường chứng tỏ P. aurelia và loài P. caudatum có chung ổ sinh thái dẫn đến cạnh tranh loại trừ.
-  Khi P. caudatum nuôi chung với P. bursaria và kết quả cho thấy mật độ quần thể của hai loài cùng bị giảm so với khi nuôi riêng chứng tỏ hai loài có chung một phần ổ sinh thái. 
Cụ thể mặc dù cùng chung ổ sinh thái chung (cơ bản) nhưng chúng không trùng nhau về ổ sinh thái riêng nên mức độ cạnh tranh hai loài với nhau chỉ làm giảm sự sinh trưởng của hai loài ở mức độ nhất định mà không dẫn đến cạnh tranh loại trừ.                   
b. Nhận định trên chỉ được xác thực khi các yếu tố khác của ổ sinh thái đã được khống chế chặt chẽ. Ví dụ, loài P. aurelia tăng về số lượng trong khi loài P. caudatum giảm về số lượng và bị chết chỉ được xác định là do cạnh tranh về ổ sinh thái nếu ta biết chắc chắn là loài P. aurelia không ăn thịt loài P. caudatum.
→ Bài toán trên sẽ rèn được kĩ năng phân tích và giải thích kết quả thí nghiệm; đồng thời còn rèn kĩ năng xác định các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm (biến phụ thuộc). Đây là một yếu tố rất quan trọng trong năng lực chuyên ngành Sinh học, bởi Sinh học là một môn khoa học thực nghiệm và các thực nghiệm Sinh học bị chi phối bởi rất nhiều các yếu tố ngoại cảnh.
Bài toán 4:
Hiện nay, trên các cánh đồng lúa ở miền Bắc, nhiều nơi lúa bị chuột phá hoại rất mạnh. Bà con nông dân dùng nhiều biện pháp khác nhau để chống chuột. Có nơi sử dụng biện pháp dùng bẫy để diệt chuột, có nơi lại sử dụng biện pháp dùng ni lông bao quanh bờ ruộng để ngăn chuột ăn lúa. 
Dựa vào đặc điểm sinh học của chuột và xem xét ở góc độ sinh thái học, hãy đánh giá xem biện pháp nào trong hai biện pháp trên có hiệu quả cao hơn. Giải thích. 
Trả lời: 
Chuột là loài sinh vật có tốc độ sinh sản tương đối nhanh, vì vậy sự điều hòa kích thước của quần thể bên cạnh các yếu tố khác có yếu tố điều hòa phụ thuộc vào mật độ quần thể.                                         
- Khi mật độ quần thể càng cao, kích thước quần thể càng tiến gần tới ngưỡng chịu đựng của môi trường (sức chứa) thì tốc độ sinh sản càng giảm và ngược lại khi kích thước quần thể càng thấp xa dưới ngưỡng chịu đựng thì tốc độ sinh sản càng nhanh.
- Nếu chỉ dùng biện pháp săn bắt để làm giảm số lượng trong khi nguồn thức ăn dồi dào (chuột vẫn dễ dàng tiếp cận nguồn thức ăn) thì khi số lượng chuột bị giảm, tốc độ sinh sản của chuột sống sót sẽ gia tăng nên số lượng chuột sẽ nhanh chóng tăng trở lại. 
Ngược lại, nếu làm giảm sức chứa của môi trường, tức là hạn chế tối đa việc chuột có thể tiếp cận với nguồn thức ăn là lúa, thì kích thước quần thể sẽ giảm mạnh và bền vững. Do vậy, biện pháp dùng ni lông bao quanh ruộng lúa ngăn chặn triệt để chuột vào ruộng lúa sẽ đem lại hiệu quả hơn so với việc chỉ đơn thuần săn bắt chuột.
→ Bài toán trên sẽ rèn cho học sinh kĩ năng đánh giá các giải pháp giải quyết một vấn đề mới dựa trên những kiến thức về các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước của quần thể sinh vật nói chung và quần thể chuột nói riêng.
Bài toán 5:
Khi cho hai con chuột có màu lông xám lai với nhau được đời con có tỉ lệ màu lông là 8 con lông xám: 3 con lông nâu : 1 con lông trắng. 
Hãy đưa ra giả thuyết giải thích kết quả của phép lai nói trên.
Làm thế nào có thể chứng minh giả thuyết của em đưa ra là đúng?
Trả lời:
a. Kết quả F1 cho thấy màu lông bị chi phối bởi sự tương tác của hai gen không alen. Do tổng tỉ lệ kiểu hình bằng 12 (bình thường là 16). Chứng tỏ có hiện tượng gây chết. Tỉ lệ: 8 con lông xám: 3 con mắt nâu : 1 con lông trắng → là biến dạng của tỉ lệ 12: 3:1.
- P: AaBb  x AaBb → F1: 9 A-B-: 3A-bb: 3aaB-: 1aabb. Trong 9 A-B-: có 1 AABB và 2AABb. Trong 3A-bb có 1 AAbb.
Quy ước: alen B- lông nâu, b - lông trắng: A át chế b cho lông xám đồng thời gây chết ở thể đồng hợp AA; a không át B, b và sức sống bình thường (trội so với A). Như vậy số hợp tử gây chết bằng 4, do đó F1 còn tỉ lệ 8 con lông xám: 3 con mắt nâu : 1 con lông trắng.
b. Dùng phép lai phân tích: Cho các con F1 lông xám lai với các con lông trắng nếu cho ra tỉ lệ 1:1 thì chứng tỏ các cá thể lông xám chỉ gồm các cá thể dị hợp tử.
→ Bài toán trên sẽ rèn cho học sinh kĩ năng phân tích và giải thích kết quả thí nghiệm. Đồng thời cũng rèn được kĩ năng nghiên cứu khoa học của các nhà Di truyền học là sử dụng lai phân tích để kiểm định giả thuyết khoa học. 
Đây là một bước trong phương pháp nghiên cứu di truyền của Menđen và chính nhờ lai phân tích mà Menđen đã khẳng định được sự vận động đồng đều của cặp nhân tố di truyền về các giao tử trong quá trình giảm phân.
Bài toán 6:
Ở một loài thực vật có hai đột biến gen lặn cùng gây ra kiểu hình thân thấp. Bằng phép lai nào có thể nhận biết hai đột biến gen trên có thuộc cùng locut hay không?
Trả lời:
a.- Tiến hành phép lai giữa hai thể đột biến và phân tích kiểu hình con lai.
- Nếu xuất hiện kiểu hình kiểu dại (bình thường) ở thế hệ con lai ® hai đột biến không cùng locut (không alen với nhau); Nếu không xuất hiện kiểu hình kiểu dại (chỉ xuất hiện kiểu hình đột biến), có thể hai đột biến cùng locut (alen với nhau).
→ Bài toán trên sẽ rèn cho học sinh kĩ năng đề xuất cách giải quyết vấn đề trên cơ sở kiến thức di truyền về tính trạng đơn gen hay tính trạng đa gen.
Bài toán 7:
Các nhà khoa học đã đề xuất hai giả thuyết về sự hình thành gen mới trong quá trình tiến hóa như sau: Theo giả thuyết 1, gen mới được hình thành qua tái tổ hợp các exon của các gen đã có trước; giả thuyết 2 cho rằng một gen được lặp lại thành 2 hoặc nhiều bản sao, sau đó các bản sao bị đột biến điểm phân hóa có thể dẫn đến hình thành gen mới. 
Để tìm hiểu xem hai gen A và B (có chức năng khác nhau) ở các loài khác nhau có được tiến hóa theo giả thuyết 1 hay giả thuyết 2, người ta đã nghiên cứu sản phẩm protein của chúng ở các loài khác nhau. Hãy cho biết kết quả nghiên cứu như thế nào thì ủng hộ cho giả thuyết 1 và kết quả nghiên cứu như thế nào thì ủng hộ cho giả thuyết 2.
Trả lời: 
Nếu các protein do các gen A và B mã hóa có những đoạn trình tự axit amin nhất định giống nhau thì chứng tỏ trình tự đó được quy định bởi các exon giống nhau và do vậy ủng hộ giả thuyết tái tổ hợp lại các exon.
- Nếu trình tự các axit amin trên toàn bộ chuỗi polipeptit về cơ bản là giống nhau và chỉ khác nhau ở một số vị trí thì ủng hộ cách 2.
→ Bài toán trên sẽ rèn cho học sinh kĩ năng dự đoán kết quả thí nghiệm phù hợp với giả thuyết đề ra.
Bài toán 8:
Trong quá trình tiến hóa, đôi khi sinh vật có được một đặc điểm thích nghi nhất định song phải trả một cái giá nào đó. Chẳng hạn, cây có gen kháng thuốc diệt cỏ, sẽ sinh trưởng phát triển bình thường khi đồng ruộng được phun thuốc, còn cây không có gen này sẽ chết. 
Tuy vậy, trong môi trường không có thuốc diệt cỏ, thì có thể giá trị thích nghi của những cây có gen kháng thuốc lại bị giảm so với giá trị thích nghi của cây không có gen kháng thuốc. 
Một nghiên cứu ở cây Arabidopsis thaliana cho thấy, khi cây có gen Csr1-1 kháng thuốc diệt cỏ (Chlorsulfuron) thì sản lượng hạt của cây bị giảm 34% so với cây không có gen kháng thuốc khi chúng được trồng trong cùng môi trường không có thuốc diệt cỏ.Hãy nêu một cách thiết kế thí nghiệm có thể xác nhận năng suất hạt của cây bị giảm 34% chỉ do sự có mặt của gen Csr1-1.
Trả lời:
- Để đánh giá hiệu quả của một gen duy nhất đến kiểu hình thích nghi người ta phải có được các cá thể có kiểu gen y hệt nhau ngoại trừ gen thích nghi, trong trường hợp này là gen kháng thuốc diệt cỏ
- Vì vậy, đầu tiên người ta phải nhân giống vô tính để tạo ra các cây có cùng kiểu gen y hệt nhau từ một cây không có gen kháng thuốc diệt cỏ.
- Tiếp đến, bằng kỹ thuật chuyển gen người ta tiến hành chuyển một gen kháng thuốc vào cây nhờ plasmid. Ở lô đối chứng, người ta cũng tiến hành chuyển plasmid vào cây nhưng plasmit này không chứa gen kháng thuốc. Sau đó các cây thực nghiệm và đối chứng được trồng trong cùng một điều kiện môi trường y hệt nhau và đều không có thuốc diệt cỏ.
- Thu thập số liệu về sản lượng hạt của cây chuyển gen và cây đối chứng, nếu sản lượng hạt của cây chuyển gen thấp hơn 34% thì giả thiết được khẳng định.             
→ Bài toán trên sẽ rèn cho học sinh kĩ năng thiết kế thí nghiệm để kiểm định giả thuyết đề ra.
Bài toán 9:
Một đột biến thay thế nucleotit trên gen quy định chuỗi polipeptit α-globin của hemoglobin ở người làm cho chuỗi polipeptit bị ngắn đi so với bình thường. Tuy nhiên, phiên bản ARN sơ cấp được phiên mã từ gen này vẫn có chiều dài bình thường. 
Nêu hai giả thuyết giải thích cơ chế đột biến làm ngắn chuỗi polipeptit này.
Trình bày cách chứng minh giả thuyết.
Trả lời:
a. Giả thuyết 1: đột biến bộ ba bình thường thành bộ ba kết thúc.
   Giả thuyết 2: đột biến làm thay đổi vị trí cắt intron trong quá trình tạo ra mARN làm cho mARN ngắn hơn so với bình thường.
b. Dùng phương pháp điện di ARN: So sánh các băng điện di mARN (sau khi đã được cắt bỏ intron) của gen bình thường với các băng điện di mARN của gen đột biến, nếu băng điện di mARN đột biến di chuyển xa hơn so với mARN bình thường thì đột biến làm thay đổi vị trí cắt intron. Nếu hai băng điện di có vị trí giống nhau thì đột biến làm xuất hiện bộ ba kết thúc sớm.
→ Bài toán trên sẽ rèn cho học sinh kĩ năng xây dựng giả thuyết và thiết kế thí nghiệm để chứng minh cho giả thuyết.
Hy vọng với những chia sẻ của AZtest trên đây đã giúp quý thầy cô có được những bài toán Sinh học giúp học sinh phát triển kỹ năng nghiên cứu khoa học
>>>Xem thêm: Cách tạo đề thi trắc nghiệm Sinh học lớp 12: Chuyên đề Di truyền cấp độ phân tử
ĐỪNG QUÊN ĐỂ LẠI EMAIL CUỐI BÀI ĐỂ NHẬN THÊM NHỮNG THÔNG TIN HẤP DẪN CỦA AZTEST
--------------------------------------------------------------------------------------------------------

 Hải Bình (ghi)