• 2.4.1 研究课题选择及获奖情况分析
• 2.4.2 相关参赛背景知识介绍
  • 2.4.2.1 细菌的分离培养技术.
  • 2.4.2.2 DNA和RNA提取技术
  • 2.4.2.3 PCR循环扩增技术
  • 2.4.2.4 酶联免疫吸附试验（ELISA）.
  • 2.4.2.5 Westernblot法
• 2.4.3 优秀论文案例分析
  • 2.4.3.1 2021年生物金奖

生物

人类所认知的宇宙、自然界、生物、和人类自己都是非常有限的，草木禽兽以类聚，如何鉴定和区分，遵循了界、门、纲、目、科、属、种的现代科学。生物形态学是一门古老的学科，形态学与分类学很早就被牵扯到创世说与进化论不断讨论之中。随着科学的不断进展，分子生物学不仅基于形态学研究，更多的是建立基因型特征，比如：编码的氨基酸序列，由此形成生物学中对世界的现代化认知。

研究课题选择及获奖情况分析

地球从形成初期的混沌状态，轻物质上升形成天空，重物质下沉为地壳。天与地之间形成了生物包括：植物、动物、微生物，又经过了 38亿年的漫长进化，创造出了智慧生物——人类。丘成桐奖生物课题主要可以分为植物学、动物学、病原学及应用和现代医学。

1. 植物学：

   植物学主要研究植物的形态、分类、生理、生态、分布、遗传、进化等。目的在于开发、利用、改造和保护植物资源。其中很大部分课题是研究植物的生理状态，发生休眠、侵袭性感染、溃烂严重影响植物生长和农作物生产。如何合理治疗和恢复生产也变得尤为重要。高中生对于生物学初级认知，要达到基因水平和农作物复产还是有一定难度的。需要基于实验室做基本实验操作，以及与经验丰富的老师一同探讨植物的生长发育、感染治疗等，会提高得奖概率。高中生需要对植物学很感兴趣，掌握植物学基本理论，形态学鉴定，植物枯萎原因及治疗方案。首先农作物是植物学最火热的方向，比如水稻（2019优胜）、玉米—大豆（2021优胜）、猕猴桃（2021铜奖）、豌豆（2018优胜）、捕蝇草（2017金奖）、猪笼草（2016银奖）等。这些植物对人类的健康成长息息相关，也是丘成桐奖获得的重要课题。

   高中生需要有一种不放弃的精神，如果遇到植物生长条件、感染、治疗没有达到预想的效果，需要多查阅文献，积累实验操作中的失误，多与经验丰富的老师进行探讨。这对于科学研究是至关重要的。参赛的作品对植物的发生发展，以及致病机理，如何恢复生产等都做了详细的实验与结果的整理。“细节决定成败”，每一次的失败都是成功的积累，相信美好的结果终将到来，获得丘成桐奖项是我们源源不断的动力。

   虽然说发现一个全新物种、新的致病机制很难，但基于现阶段已有技术进行升级改造，不同的技术应用于其他物种，比如耐药基因等方面。高中生需要有对知识的探索，新知识的学习与应用，做开拓创新的新一代青年。水稻、蔬菜和水果，关乎于民生的植物依旧是植物学的热门课题。让植物提供更多的食物、营养、纤维、药等,如何抵抗更为劣势的外部生长环境，从而提高产量。这些是科研界的挑战，也是高中生对于国际前沿科学的学习，提高科研兴趣，培养科研思维， 都会是人生之中不可多得的机遇，人生因经历丰富而多彩。

2. 动物学：

   中国多在初中二年级或继植物学之后接触动物学，高中生对于动物有很多的了解，还有很多学生热爱小动物。动物学的研究主要介绍各类动物的形态结构、生活习性和经济意义，有时还介绍动物的饲养和管理、动物的地理分布。丘成桐获奖课题一般围绕潮虫（2021金奖）、蚊子（2021 优胜）、蚂蚁（2020 金奖）、蝴蝶（2020 银奖）等研究。对于动物学的研究获奖的课题要求较高，一般要求高中生比较系统地掌握关于动物的形态结构、生理、分类、进化和生态学等方面的基础知识，以及这些知识在农业、医药、工业、国防上的应用。

   训练学生掌握使用显微镜、制作临时装片、采集和制作昆虫标本等基本技能；培养学生在动物学方面的自学能力、观察能力以及分析和解释一些生物现象的初步能力。基于形态学和分子学鉴定物种，通过一些手工绘画，标注部分动物（媒介生物较多）的解剖组织结构，提高学习的能动性。用手工操作切实掌握动物的组织结构。基因层面对于高中生来说并非易事，需要对21世纪的基因工程有所了解，用核酸序列的形式揭示生命的奥秘。如何与蛋白互作，影响表观遗传等众多交叉学科。

   高中生需要掌握很多实验室操作技能，比如显微镜甚至电镜的使用能对于动物的形态学 进行鉴定；核酸的提取技术，可以用16SrDNA，CO1等分子层面物种鉴定，也可以对很多疾病进行筛查（2021金奖）；普通 PCR循环扩增的理论知识和实践操作，实时荧光定量PCR仪器的使用，如何制作标准曲线与基因定量，甚至是最新的数字PCR仪器的使用；全基因组测序技术，转录组、代谢组、蛋白质等组学的联合分析技术。国际前沿技术的应用，比如单细胞转录组测序技术的应用（单细胞转录组分析揭示镜像神经元，2021铜奖），对于高中生来讲既是挑战又是机遇。

3. 病原学及应用： 病原学主要分为细菌、病毒、支原体、衣原体、结合杆菌、真菌、寄生虫等微生物研究。冠状病毒属的病毒是具囊膜、基因组为线性单股正链的RNA病毒，是自然界广泛存在的一大类病毒，比如SARS和新冠病毒。高中生对于新冠病毒研究的热忱不断攀升，可以理解青年对新冠病毒的探索追求。但是由于病毒具有高致病性和潜在传播危险，新型冠状病毒核酸检测必须在达到至少生物安全二级（BSL-2）或以上实验室进行，同时采用生物安全三级（BSL-3）实验室的个人防护，才能开展相应的检测，而埃博拉病毒的检测则需要在生物安全四级（BSL-4）实验室进行。不建议高中生从事此类病原的研究。丘成桐奖2016年以来并没有涉及到冠状病毒的研究。

   病原学的研究课题需要在生物安全防护的实验室进行操作。可以对植物和动物进行形态学和分子学鉴定以后，提取核酸，设计想要研究病原的引物，用PCR循环扩增，在基因层面进行检测和鉴定。同时使用贝叶斯和MEGA等软件进行系统发育进化树分析。它可以利用树状分支图形来表示各物种或基因间的亲缘关系。

   分支系统发育分析是用来研究物种或序列进化和系统分类的一种方法。一般研究对象是碱基序列或氨基酸序列，通过数理统计算法来计算生物间进化关系。最后，根据计算结果，可视化为系统进化树。应用来讲主要集中于核酸扩增的优化，比如：HCR技术（2020优胜）。基于全基因组学研究，比如：使用Hi-C 识别基因组结构中普遍模式的方法（2019优胜）。

   获奖课题多为植物、动物病原检测，比如：肠杆菌噬菌体在猕猴桃中的研究（2021铜奖）、青海湖噬菌体多样性及与宿主相互作用（2021优胜）、玉米大豆与土壤细菌（2021优胜）、北京市土壤中抗植物病原菌（2018优胜）、手机表面细菌携带（2016优胜）等。

4. 现代医学： 人类今天的生活都受惠于20世纪现代医学的发展，而20世纪对医学来讲尤其是一个非常的历史时期，医院里所有的诊断、治疗的方法都是20世纪发明的。20世纪医学上的各种成就：从“病原体”的发现，到抗菌素的研制，从激素的产生，诊断技术的提高，外科手术的进步，免疫学的发展，近年发展很快的人类基因组计划的研究。

   高中生对于现代医学的研究会依赖于医院的患者或者志愿者。需要有良好的人际沟通能力，对于医学的喜好，治病救人的理念。“医学贵精不精则害人匪细”，医学必须秉持严谨的科学态度，要对患者和志愿者进行康复训练与应用。比如智能感知结合音乐治疗脑卒中患者康复效果评价体系（2021银奖），智能感知结合音乐疗法的脑卒中患者康复效，可以能完成脑卒中患者排查、康复训练中病人运动能力和康复效果量化的功能 通过人类基因组计划，基于公司测序平台，可以揭示分子基因的功能。比如最先进的单细胞转录组测序分析揭示镜像神经元的分子和功能特性（2021铜奖），通过单细胞转录组筛选出特定基因，揭示自闭症与渐冻症与特定基因的关系，各基因相互存在的机理。这类高中生需要掌握大数据时代组学的研究，各类数据分析以及R语言的编程。学会AI和PS等绘图软件的应用，对学生的要求较高。

下面我们具体来看一下近三年生物部分的课题分布情况。

2021年总决赛

2021丘成桐奖总决赛生物获奖课题类型分布

2020年总决赛