浅析“稳态与平衡”思想在复习中的应用——以“生命系统稳态与信息交流的关系”为例

河北 尹利军 邵国典

学科知识、学科能力、学科思想是学科体系的三个要素，生物科学经历了长期的研究发展过程，逐渐形成了自身特有的知识体系和方法体系，且在此基础上形成了哲学层次的学科思想，并将该思想贯穿于生物学科本身，指导生物学教学，培养学生的学科核心素养，落实立德树人的育人目标。经过凝练，生物学科思想包括生命观念中的物质与能量观、结构与功能观、稳态与平衡观、进化与适应观等，这些学科思想在教学中的应用，有利于学生对生物学重要概念、原理的理解和掌握，以及对生物学科本质的理解，最终让学生形成自身独特的生命观念。生物学科思想也是高考命题的主要依据之一，它可以对学生的知识系统、能力系统进行检验，实现为国选拔英才的教育目标。为提高复习针对性，笔者在高三复习中，运用生物学科思想之一——“稳态与平衡”思想串联复习，让学生在生命系统中掌握知识，将碎片化的知识网络化、结构化，取得了良好的教学效果，现以生命系统结构层次为基础，从细胞→个体→群体等方面分析生命系统信息交流与各层次系统稳态的关系，以期为教师教学提供参考。

1.利用问题串建构知识网络，初步建构不同层次的稳态与平衡

生命系统是一个开放的系统，它与外界环境之间不断进行物质交流、能量转换、信息传递（交流），使生命系统时刻处于一种动态平衡之中，让各层次的生命活动有序、高效地进行，进而适应不同的环境。笔者在复习中，要引导学生将教材中不同模块中有关稳态与平衡的碎片化知识进行整合，使知识系统化、结构化，进而理解稳态与平衡思想对生命系统的重要性。为实现这一目标，笔者要先找到能将不同教材中相关知识点串联的“线”，经过师生共同思考研究，最终定位到人教版高中生物教材必修1“细胞膜的功能”中叙述的信息分子上，笔者设计以下问题引导学生思考：①教材中涉及的信息分子有哪些，其化学本质分别是哪种物质？②信息分子在不同的生命结构层次中的作用有哪些（举例说明），信息分子最终使生命系统达到何种状态？不同生命层次的稳态调节方式是什么，其调节的基础是什么？

经过学生独立思考及学习小组讨论，最终师生达成一致意见，认同信息交流是各层次生命系统稳态的基础，它能将不同生命系统形成统一整体，调节生命系统的生长、发育及细胞、个体的繁殖活动，提高各系统的工作效率，使其适应复杂多变的环境。此过程中笔者引导学生梳理知识，建构信息交流与生命系统稳态关系的概念图（如图1），让学生初步形成稳态与平衡观的学科思想。

图1 信息交流与生命系统稳态的关系

2.从不同层面深化学习，理解信息交流与稳态的关系

（1）细胞间的信息交流使细胞生命活动有序进行

细胞是生命系统最基本的结构和功能单位，必须保证它的完整性及内部的稳定与平衡才能使各种生命活动正常进行，而该过程离不开细胞间及细胞内部的信息交流，如植物细胞生长与各种激素分子有关；神经元完成反射活动及免疫细胞与抗原作用，需要神经递质、淋巴因子等信号分子传递信息，使细胞内部遗传信息的表达及代谢活动得以正常进行。正是由于这些信息交流，才让细胞这一最基本的生命系统结构层次保持自身的稳态与平衡，让细胞生命活动高效、有序地进行。

【例1】图2中a表示某动物细胞中的蛋白质分泌的基本途径与类型，b为含氮类激素和类固醇类激素的作用原理，据图2回答下列问题：

图2 细胞间、细胞内部信息交流与稳态的关系

（1）图2的a中①和⑦表示的生理过程可以发生在细胞的____________中，以满足细胞内生命活动的正常进行，其图2的a中内膜上进行的生理过程为______________。

（2）图2的a中途径②和⑧分别表示蛋白质转运的非分泌途径和分泌途径。据图2的a分析，决定其不同途径的因素是______________________。如果⑧或⑨过程受阻，则会影响溶酶体功能，进而影响细胞生命活动，那么，溶酶体具有______________功能。

（3）若激素为抗利尿激素，则其合成和释放的部位分别是________________，该激素在图2的b中的受体为___________（填图中标注），激素与受体结合后引起的生理效应是____________________________，该过程体现细胞膜的__________功能。

【答案】（1）细胞核、线粒体 氧气与[H]结合产生水，释放大量能量 （2）信号（肽）序列 分解衰老、损伤的细胞器，吞噬并杀死侵入细胞的病毒或病菌 （3）下丘脑、垂体 受体b 使肾小管和集合管对水的重吸收作用增强 信息交流（传递）

【分析】例1以细胞生理活动图为命题情境，综合考查信息交流与细胞结构和功能的密切关系。从知识层面，该题考查细胞的物质组成、细胞内蛋白质的合成与运输、信息分子的作用原理、遗传信息的表达等内容；从能力层面，该题考查学生识图能力，结合所学知识，运用归纳与推理、批判性思维等科学思维方法分析、解决问题的能力。（1）图2的a中①和⑦表示的生理过程为转录，在真核细胞中能进行转录的场所是细胞核、叶绿体和线粒体，结合题干信息可确定答案为细胞核和线粒体，图2的a中线粒体内膜是有氧呼吸第三阶段的场所，所以发生的生理过程是氧气与[H]结合产生水，释放大量能量；（2）从图2的a中可以分析出核糖体合成的蛋白质运输途径取决于蛋白质的信号序列，有内质网信号序列的则运输到内质网，否则进入不同细胞器中，溶酶体内的酶需要内质网和高尔基体加工，如果⑧或⑨过程受阻，会影响溶酶体分解衰老、损伤的细胞器，吞噬并杀死侵入细胞的病毒或病菌等功能，进而影响细胞自身生命活动；（3）抗利尿激素是多肽类物质，不能进入细胞内，它由下丘脑内的分泌细胞合成和分泌，通过下丘脑-垂体束运送至垂体中，需要时则由垂体释放，它作用于肾小管和集合管相关细胞膜上的受体，导致相应细胞对水的通透性增强，促进对水的重吸收，该过程涉及受体与信息分子识别和结合，故能反映细胞膜的信息交流功能。

（2）个体稳态及生长发育离不开信息交流

由细胞构成的具有复杂组织、器官的个体，只有各组织、器官的功能协调统一，才能让个体完成复杂的生命活动，适应复杂多变的外界环境。而能完成此项调节任务的主要信息分子是各种激素、神经递质等，它们通过不同方式影响细胞的代谢途径或细胞遗传信息的表达，使机体的内环境处于相对稳定的状态，保证由多种细胞构成的个体正常进行生命活动。

【例2】甲、乙、丙三人在一次社区健康日活动中检测出尿糖超标，为进一步确定是否患糖尿病，他们依据规定又进行了血液检测。图3中a、b所示为空腹及餐后测定的血糖及胰岛素浓度，图4为胰岛素对血糖调节原理示意图。糖尿病患者血糖浓度标准为空腹≥7.0 mmol/L，餐后2 h≥11.1 mmol/L，请回答下列问题：

图3 空腹及餐后血糖及胰岛素浓度

图4 胰岛素作用原理

（1）正常人血糖浓度一般在_____________g/L范围内，血糖的来源有___________________。

（2）据图3初步判断__________是糖尿病患者，需复查血糖。患者常因血糖浓度升高导致细胞外液渗透压升高，__________产生渴感，表现为“多饮”。

（3）除糖尿病外，尿糖超标的原因还可能有____________（填序号）。

①一次性摄糖过多

②低血糖患者

③抗利尿激素分泌不足

④肾小管重吸收功能障碍

（4）结合图3的a、b中的曲线分析，乙出现上述检测结果的原因是自身抗体竞争性结合靶细胞膜上的胰岛素受体，该种情况向患者注射高浓度胰岛素______（填“有效”或“无效”），原因是____________________________。

（5）图4为胰岛素调节血糖原理，当胰岛素与________结合后，一方面促进____________的合成；另一方面使细胞膜上__________________增加，促进葡萄糖进入细胞。除此之外，胰岛素的作用还表现在能促进________________，同时抑制非糖物质（脂肪、蛋白质等）转化为葡萄糖。影响胰岛素分泌的主要因素是________，其一方面可以直接作用于胰岛B细胞以调节胰岛素的分泌；另一方面也可作用于胰岛组织中的神经末梢或血管内的感受器，反射性地引起胰岛素分泌。因此血糖平衡受____________共同调节。

【答案】（1）0.8～1.2 食物中糖类的消化吸收、肝糖原的分解、非糖物质转化 （2）甲、乙 大脑皮层 （3）①④ （4）有效 乙出现的原因是自身抗体竞争性结合靶细胞膜上的胰岛素受体，注射高浓度胰岛素能增强胰岛素的竞争能力 （5）胰岛素受体蛋白质、脂肪、糖原 葡萄糖转运蛋白 糖类的氧化分解 血糖浓度 神经-体液（激素）

【分析】例2以曲线图和示意图为载体，以糖尿病发病原因及调节为命题背景，考查人体内环境稳态及其调节的相关知识，从知识角度考查血糖调节过程和水盐平衡调节过程，从学科核心素养角度考查学生识图分析能力、语言表达能力和运用归纳与推理、批判性思维等科学思维解决问题的能力，促使学生关注社会上有关生物学的热点问题，培养学生宣传健康的生活方式等社会责任意识。（1）人体血糖的浓度及来源的设问主要是考查学生对教材知识的掌握程度；（2）根据题干叙述并结合图3可以判断甲、乙血糖和胰岛素含量异常，为糖尿病患者，患者不能有效利用血糖导致血糖通过尿液排出，该过程使细胞外液渗透压升高，下丘脑渗透压感受器兴奋，分泌抗利尿激素增加，大脑皮层兴奋，产生渴觉，主动饮水；（3）尿糖超标原因较多，除糖尿病外，正常人一次摄入糖类较多或肾脏对原尿中葡萄糖重吸收发生障碍，也能导致尿糖超标；（4）糖尿病出现原因有胰岛素分泌不足，胰岛素不能与相应受体结合，及组织细胞上的胰岛素受体受损或不足等，如果糖尿病人发病的原因是自身抗体竞争性结合靶细胞膜上的胰岛素受体，可注射高浓度胰岛素，使胰岛素与抗体在与受体结合中占有优势，能有效治疗糖尿病；（5）正常人进食后分泌的胰岛素与胰岛素受体结合，可以促进葡萄糖进入组织参与氧化分解、促进肝糖原和肌糖原的合成，还可以促进葡萄糖转化为非糖物质。同时会抑制肝糖原分解及非糖物质转化为葡萄糖，从而达到降血糖的目的。学生结合图4及所学知识，可以准确答出胰岛素降低血糖的原理及调节方式。

（3）群体信息交流使生态系统保持稳态

生物个体间及生物与环境间通过共同进化，形成生态系统的多样性。在生态系统中，信息种类主要有三种，分别是物理信息、化学信息、行为信息，这些信息对于个体的生存和种群的繁衍有重要作用，同时对于调节种间个体数量、维持生态系统的稳态与平衡具有重要意义。

【例3】生态系统的稳定性与能量的输入和输出有关，也与信息传递有关。图5中甲是一个草原生态系统物质循环和能量流动的示意图，乙是该生态系统中鼠摄食后能量流向的示意图（a～e代表过程，A～C代表能量）。请据图5回答下列问题：

图5

（1）草原群落中的碳元素进入无机环境的途径是________（填图5甲中的字母），若该草原向森林群落进行演替，则这一过程中，生产者对CO2的吸收量将________（填“大于”“小于”或“等于”）整个生物群落排出的CO2量，生态系统的_________稳定性逐渐增强。

（2）图5乙中的A表示鼠同化的总能量，B的含义为________________________________。

（3）为控制草原鼠害，对鼠的种群密度调查宜采用__________法；某时期调查发现，该草原鼠种群的年龄组成如图5丙，该鼠种群数量变化趋势是__________。

（4）狼能够依据鼠留下的气味去捕食，鼠同样也能够依据狼的气味或行为躲避猎捕，狼和鼠的种间数量保持相对稳定说明信息传递能__________________，以维持生态系统的稳定。

【答案】（1）d 大于 抵抗力 （2）鼠用于生长、发育和繁殖的能量（或鼠体内储存的能量） （3）标志重捕 逐渐增加 （4）调节种间关系

【分析】例3以生态系统物质和能量输入和输出关系为命题情境，考查生态系统稳定性的影响因素。从知识的角度考查生态系统的稳定性与物质循环和能量流动的关系，以及生态系统种群特征中的年龄组成对种群数量的影响；从能力与学科核心素养的角度考查学生运用推理、判断等科学思维方法分析、解决问题的能力，试题难度不大，主要考查学生对所学知识的运用。（1）草原群落中的碳元素，是通过动植物的细胞呼吸以及分解者的分解作用进入无机环境的，其途径为图5甲中的d，若此草原向森林群落进行演替，则生产者及消费者的种类和数量会越来越多，营养结构趋于复杂，生产者对CO2的吸收量将大于整个生物群落排出的CO2量，生态系统的抵抗力稳定性逐渐增强；（2）图5乙是该生态系统中鼠摄食后能量流动的示意图，其中A表示鼠同化的总能量，B表示鼠用于生长、发育和繁殖的能量；（3）对鼠的种群密度进行调查宜采用标志重捕法，图5丙中幼年个体数明显多于老年个体数，即出生率大于死亡率，属于增长型，因此该鼠种群数量变化趋势是逐渐增加；（4）狼能够依据鼠留下的气味去捕食，鼠同样也能够依据狼的气味或行为躲避猎捕，这说明信息传递能调节种间关系，维持生态系统的稳定。

总之，通过本节的复习，让学生能感受到“信息交流在生命系统中是普遍存在的，是各种开放的生命系统成为统一整体的前提，是实现各级生命系统稳态的生理基础”这一核心概念在高中生物教材各模块知识中的分布，体现出“稳态与平衡”这一学科思想是贯穿高中生物教材的一条重要主线，是理解和掌握高中生物大概念及大概念下的重要概念、原理的基石，为学生建构生命观念奠定基础，使学生认识并适应高考对教材知识综合考查的命题特点。通过教师引导，师生共同总结，最终达到掌握知识，提升学生运用所学知识分析、解决问题的能力，进而提高复习备考的针对性和实效性。