2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——系統(tǒng)生物學(xué)在生態(tài)環(huán)境工程中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題5分，共20分）1.系統(tǒng)生物學(xué)2.系統(tǒng)動力學(xué)3.宏基因組學(xué)4.生態(tài)網(wǎng)絡(luò)二、簡答題（每題10分，共40分）1.簡述系統(tǒng)生物學(xué)與傳統(tǒng)的還原論研究方法在認(rèn)識復(fù)雜生態(tài)環(huán)境問題上的主要區(qū)別。2.列舉至少三種系統(tǒng)生物學(xué)關(guān)鍵技術(shù)，并簡述其在環(huán)境污染生物監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。3.系統(tǒng)生物學(xué)視角下，如何理解生物標(biāo)記物在生態(tài)修復(fù)效果評估中的作用？4.在利用系統(tǒng)生物學(xué)方法研究生態(tài)系統(tǒng)功能時(shí)，通常面臨哪些主要的挑戰(zhàn)？三、論述題（每題20分，共40分）1.結(jié)合具體實(shí)例，論述系統(tǒng)生物學(xué)如何為開發(fā)新型高效生物修復(fù)技術(shù)提供支持。2.談?wù)勀銓ο到y(tǒng)生物學(xué)在生態(tài)環(huán)境工程應(yīng)用中涉及的數(shù)據(jù)倫理問題的看法，并提一兩點(diǎn)應(yīng)對建議。試卷答案一、名詞解釋1.系統(tǒng)生物學(xué)：系統(tǒng)生物學(xué)是整合生物學(xué)的一個(gè)分支，它采用系統(tǒng)思維和計(jì)算方法，從整體上研究生物系統(tǒng)（如細(xì)胞、組織、器官、生態(tài)系統(tǒng)）的組成及其相互作用，旨在理解生物系統(tǒng)功能的動態(tài)變化和調(diào)控機(jī)制。**解析思路：*考察對系統(tǒng)生物學(xué)基本定義和核心思想的理解。答案應(yīng)包含其整合性、整體性、多層次性以及利用計(jì)算分析的特點(diǎn)。強(qiáng)調(diào)其研究目標(biāo)是理解系統(tǒng)功能而非單一分子。2.系統(tǒng)動力學(xué)：系統(tǒng)動力學(xué)是一種研究復(fù)雜系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為的計(jì)算機(jī)模擬方法，通過構(gòu)建系統(tǒng)流圖（StocksandFlows）來描述系統(tǒng)內(nèi)部變量之間的因果關(guān)系和反饋回路，用于分析和預(yù)測系統(tǒng)隨時(shí)間的變化。**解析思路：*考察對系統(tǒng)動力學(xué)作為分析工具的理解。答案需提及核心概念（存量、流量、反饋回路），并說明其用途是模擬復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)行為和長期效應(yīng)。3.宏基因組學(xué)：宏基因組學(xué)是指直接從環(huán)境樣品（如土壤、水體、生物體表面）中提取全部微生物的總基因組DNA，并進(jìn)行測序和分析，以研究該環(huán)境中所有微生物的遺傳多樣性、功能潛力以及與環(huán)境的相互作用。**解析思路：*考察對宏基因組學(xué)技術(shù)的掌握。答案應(yīng)突出其“直接分析環(huán)境樣品中所有微生物基因組”的特點(diǎn)，區(qū)別于傳統(tǒng)的培養(yǎng)依賴方法，并點(diǎn)明其研究目標(biāo)是揭示環(huán)境微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能。4.生態(tài)網(wǎng)絡(luò)：生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是用于描述生態(tài)系統(tǒng)中物種之間相互作用（如捕食、競爭、共生等）結(jié)構(gòu)的一種數(shù)學(xué)模型，通常以節(jié)點(diǎn)代表物種，以邊代表相互作用，通過分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來理解生態(tài)系統(tǒng)的組織模式、穩(wěn)定性和功能。**解析思路：*考察對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)這一系統(tǒng)生物學(xué)分析工具的理解。答案需解釋其基本構(gòu)成（節(jié)點(diǎn)、邊），明確節(jié)點(diǎn)代表物種，邊代表交互作用，并說明其分析價(jià)值在于揭示物種間關(guān)系的宏觀格局。二、簡答題1.簡述系統(tǒng)生物學(xué)與傳統(tǒng)的還原論研究方法在認(rèn)識復(fù)雜生態(tài)環(huán)境問題上的主要區(qū)別。還原論研究方法傾向于將復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境問題分解為更小的組成部分（如單個(gè)物種、單個(gè)基因、單個(gè)生化反應(yīng)）進(jìn)行獨(dú)立研究，側(cè)重于理解局部機(jī)制，但難以整合信息理解整體系統(tǒng)的行為和涌現(xiàn)特性。系統(tǒng)生物學(xué)則強(qiáng)調(diào)從整體、系統(tǒng)的角度出發(fā)，研究眾多組分（基因、蛋白質(zhì)、代謝物、物種等）及其相互作用如何共同決定生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的整體行為和功能，關(guān)注信息的整合、網(wǎng)絡(luò)分析和動態(tài)調(diào)控，能夠揭示還原論方法難以發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)級規(guī)律和涌現(xiàn)現(xiàn)象。**解析思路：*考察對兩種研究范式核心思想的對比理解。答案應(yīng)明確指出還原論的“分解”和系統(tǒng)生物學(xué)的“整體/整合”視角。強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)生物學(xué)關(guān)注組分間相互作用、信息整合以及系統(tǒng)整體行為和涌現(xiàn)特性，而還原論則側(cè)重局部機(jī)制。2.列舉至少三種系統(tǒng)生物學(xué)關(guān)鍵技術(shù)，并簡述其在環(huán)境污染生物監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。至少三種技術(shù)包括：宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)、高通量轉(zhuǎn)錄組學(xué)。宏基因組學(xué)可用于快速評估環(huán)境污染下微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，識別環(huán)境中有毒有害物質(zhì)降解的關(guān)鍵功能菌群或基因。代謝組學(xué)能夠檢測生物體暴露于污染物后代謝產(chǎn)物的變化，作為生物效應(yīng)的早期和敏感指標(biāo)，用于監(jiān)測污染物的生物有效性和生態(tài)毒性。高通量轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以揭示污染物脅迫下生物基因表達(dá)譜的動態(tài)變化，闡明污染物作用的分子機(jī)制，并用于評估生物對不同污染物的敏感性和耐受性。**解析思路：*考察對關(guān)鍵系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)的了解及其在環(huán)境監(jiān)測中具體應(yīng)用場景的關(guān)聯(lián)能力。答案需準(zhǔn)確列出至少三種技術(shù)名稱，并清晰闡述每種技術(shù)如何通過分析特定的生物分子信息（基因組、轉(zhuǎn)錄本、代謝物）來服務(wù)于環(huán)境污染的監(jiān)測目的（如群落變化、生物效應(yīng)、作用機(jī)制、敏感性評估）。3.系統(tǒng)生物學(xué)視角下，如何理解生物標(biāo)記物在生態(tài)修復(fù)效果評估中的作用？從系統(tǒng)生物學(xué)視角看，生物標(biāo)記物不再是單一指標(biāo)，而是可以整合多層次信息（如基因表達(dá)、蛋白質(zhì)修飾、代謝產(chǎn)物變化）的分子或功能群，用于反映生態(tài)系統(tǒng)整體健康狀況和功能恢復(fù)狀態(tài)。通過分析生物標(biāo)記物的響應(yīng)模式，可以更深入地理解生態(tài)修復(fù)過程中生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化、關(guān)鍵恢復(fù)過程（如物種定殖、營養(yǎng)循環(huán)重建、毒性解除）以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)生物學(xué)方法有助于識別那些對環(huán)境變化敏感、能夠指示生態(tài)系統(tǒng)功能狀態(tài)的綜合性生物標(biāo)記物組合，從而實(shí)現(xiàn)對生態(tài)修復(fù)效果更精準(zhǔn)、更早期的評估。**解析思路：*考察將系統(tǒng)生物學(xué)思想應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)評估的能力。答案應(yīng)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)生物學(xué)視角下對生物標(biāo)記物認(rèn)識的深化，從單一指標(biāo)到多層次、功能群、響應(yīng)模式的轉(zhuǎn)變。說明系統(tǒng)生物學(xué)如何幫助理解生態(tài)修復(fù)的動態(tài)過程、關(guān)鍵功能和整體狀態(tài)，從而提升評估的準(zhǔn)確性和深度。4.在利用系統(tǒng)生物學(xué)方法研究生態(tài)系統(tǒng)功能時(shí)，通常面臨哪些主要的挑戰(zhàn)？主要挑戰(zhàn)包括：①數(shù)據(jù)整合與分析的復(fù)雜性，來自不同組學(xué)平臺的數(shù)據(jù)量大、維度高、異構(gòu)性強(qiáng)，需要強(qiáng)大的生物信息學(xué)工具和整合分析方法；②實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)解讀的困難，如何設(shè)計(jì)能夠有效揭示系統(tǒng)整體功能的實(shí)驗(yàn)，以及如何從復(fù)雜的系統(tǒng)相互作用中解析出有意義的生物學(xué)結(jié)論；③計(jì)算資源需求高，系統(tǒng)模型構(gòu)建和大規(guī)模數(shù)據(jù)模擬需要大量的計(jì)算能力；④標(biāo)準(zhǔn)化和可比性問題，不同實(shí)驗(yàn)室、不同技術(shù)平臺獲得的數(shù)據(jù)難以直接整合比較；⑤系統(tǒng)生物學(xué)研究結(jié)果的驗(yàn)證難度大，從實(shí)驗(yàn)室到野外生態(tài)系統(tǒng)的尺度放大和結(jié)果驗(yàn)證存在挑戰(zhàn)。**解析思路：*考察對系統(tǒng)生物學(xué)在生態(tài)學(xué)應(yīng)用中實(shí)際困難的認(rèn)知。答案應(yīng)全面列舉在數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、計(jì)算資源、標(biāo)準(zhǔn)化、驗(yàn)證等方面面臨的主要挑戰(zhàn)，體現(xiàn)對該領(lǐng)域研究現(xiàn)實(shí)的了解。三、論述題1.結(jié)合具體實(shí)例，論述系統(tǒng)生物學(xué)如何為開發(fā)新型高效生物修復(fù)技術(shù)提供支持。系統(tǒng)生物學(xué)通過提供從分子到生態(tài)系統(tǒng)的多層次視角和整合分析方法，為開發(fā)新型高效生物修復(fù)技術(shù)提供了強(qiáng)大支持。例如，在開發(fā)高效降解石油污染物的細(xì)菌時(shí)，可以利用宏基因組學(xué)篩選具有目標(biāo)降解基因的微生物庫，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析污染物脅迫下候選菌的基因表達(dá)變化，代謝組學(xué)鑒定關(guān)鍵降解酶和中間產(chǎn)物，從而深入理解其降解機(jī)制，并指導(dǎo)基因工程改造以增強(qiáng)其降解效率和適應(yīng)性。在構(gòu)建人工濕地用于污水處理時(shí)，系統(tǒng)生物學(xué)方法可以用于分析濕地中微生物群落的結(jié)構(gòu)與功能，識別關(guān)鍵脫氮、脫磷功能群及其相互作用，優(yōu)化濕地設(shè)計(jì)（如基質(zhì)選擇、植物配置），構(gòu)建功能更穩(wěn)定、效率更高的人工生態(tài)系統(tǒng)。通過系統(tǒng)生物學(xué)的研究，可以更精準(zhǔn)地識別和利用生物修復(fù)中的關(guān)鍵因素，加速高效、專一、穩(wěn)定的生物修復(fù)技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程。**解析思路：*考察綜合運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。答案需有明確的實(shí)例支撐（石油降解菌篩選/基因改造或人工濕地構(gòu)建），清晰闡述系統(tǒng)生物學(xué)中的具體技術(shù)（宏基因、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等）如何應(yīng)用于解決生物修復(fù)中的具體問題（篩選、機(jī)制理解、效率提升、優(yōu)化設(shè)計(jì)），并強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)生物學(xué)帶來的優(yōu)勢（深入理解、精準(zhǔn)識別、加速研發(fā)）。2.談?wù)勀銓ο到y(tǒng)生物學(xué)在生態(tài)環(huán)境工程應(yīng)用中涉及的數(shù)據(jù)倫理問題的看法，并提一兩點(diǎn)應(yīng)對建議。系統(tǒng)生物學(xué)在生態(tài)環(huán)境工程應(yīng)用中涉及的數(shù)據(jù)倫理問題主要包括：①數(shù)據(jù)隱私與安全，尤其是在利用環(huán)境DNA（eDNA）或宏基因組學(xué)進(jìn)行物種監(jiān)測時(shí)，可能涉及敏感物種或特定區(qū)域的信息泄露風(fēng)險(xiǎn)；②數(shù)據(jù)所有權(quán)與共享，生物數(shù)據(jù)資源的歸屬、使用權(quán)限和利益分配機(jī)制尚不明確；③算法偏見與決策公平性，基于系統(tǒng)生物學(xué)模型做出的環(huán)境管理決策可能因數(shù)據(jù)偏差或模型局限而對特定群體產(chǎn)生不公平影響；④“環(huán)境基因編輯”等新興技術(shù)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和社會倫理爭議，如何在利用技術(shù)改善環(huán)境的同時(shí)避免不可預(yù)見的負(fù)面后果。應(yīng)對建議：一、建立健全相關(guān)法律法規(guī)和倫理審查機(jī)制，明確數(shù)據(jù)收集、存儲、使用、共享的規(guī)范，保護(hù)數(shù)據(jù)隱私和環(huán)境安全，并對研究者提出明確的倫理要求。二、加強(qiáng)跨學(xué)科對話與合作，促進(jìn)生物學(xué)家、環(huán)境科學(xué)家、社會學(xué)家、倫理學(xué)家和政策制定者的交流，共同評估技術(shù)應(yīng)用的潛在倫理風(fēng)險(xiǎn)，制定