基于稳态与平衡观的试题分析及备考建议

纪 磊 黄利花 沈 舰

(1.湖北省十堰市第一中学 2.湖北省十堰市教育科学研究院)

稳态与平衡观是生命观念内容之一,其核心内容是指稳定的生命结构基础受到内外刺激后发挥调控功能继而维持生命系统的平衡。稳态与平衡观贯穿于普通高中生物学教科书选择性必修1、选择性必修2。从系统分析的角度,理解生命系统的稳态维持的一般调节机制及过程,往往可以通过构建模型化抽象为具体。无论是分子、细胞、个体或是种群、群落、生态系统,都可以通过构建模型来分析系统是如何通过自我调节来实现系统内各组成的相互协调和系统的输入与输出的平衡。

生命系统内部存在着各种因素和过程的动态平衡。该平衡过程受遗传信息、激素、神经冲动、细胞因子等信息的调控,同时生命系统的自我调节能力也是有限的。在辩证理解稳态和平衡概念的基础上,学生通过抽象概括、提炼升华,使之内化为看待事物和分析问题的视角、思路甚至是态度倾向,形成“稳态与平衡观”这一生命观念。

一、基于稳态与平衡观的2023年高考真题分析

例1.(2023·浙江6月·25)运动员在马拉松长跑过程中,机体往往出现心跳加快,呼吸加深,大量出汗,口渴等生理反应。马拉松长跑需要机体各器官系统共同协调完成。回答下列问题:

(1)听到发令枪声运动员立刻起跑,这一过程属于________反射。长跑过程中,运动员感到口渴的原因是大量出汗导致血浆渗透压升高,渗透压感受器产生的兴奋传到________,产生渴觉。

(2)长跑结束后,运动员需要补充水分。研究发现正常人分别一次性饮用1 000 mL清水与1 000 mL 生理盐水,其排尿速率变化如图1所示。

图1

图中表示大量饮用清水后的排尿速率曲线是________,该曲线的形成原因是大量饮用清水后血浆被稀释,渗透压下降,________。从维持机体血浆渗透压稳定的角度,建议运动员运动后饮用________。

(3)长跑过程中,运动员会出现血压升高等机体反应,运动结束后,血压能快速恢复正常,这一过程受神经—体液共同调节,其中减压反射是调节血压相对稳定的重要神经调节方式。为验证减压反射弧的传入神经是减压神经,传出神经是迷走神经,根据提供的实验材料,完善实验思路,预测实验结果,并进行分析与讨论。

材料与用具:成年实验兔、血压测定仪、生理盐水、刺激电极、麻醉剂等。

(要求与说明:答题时对实验兔的手术过程不作具体要求)

①完善实验思路:

Ⅰ.麻醉和固定实验兔,分离其颈部一侧的颈总动脉、减压神经和迷走神经。颈总动脉经动脉插管与血压测定仪连接,测定血压,血压正常。在实验过程中,随时用________湿润神经。

Ⅱ.用适宜强度电刺激减压神经,测定血压,血压下降。再用________,测定血压,血压下降。

Ⅲ.对减压神经进行双结扎固定,并从结扎中间剪断神经(如图2所示)。分别用适宜强度电刺激________,分别测定血压,并记录。

图2

Ⅳ.对迷走神经进行重复Ⅲ的操作。

②预测实验结果:

设计用于记录Ⅲ、Ⅳ实验结果的表格,并将预测的血压变化填入表中。

③分析与讨论:

运动员在马拉松长跑过程中,减压反射有什么生理意义?

_____________

【参考答案】(1) 条件 大脑皮层 (2)A 下丘脑渗透压感受器兴奋,兴奋传至下丘脑水盐平衡调节中枢,产生抗利尿激素减少,最终导致肾脏重吸收水减少,尿量增加 适量生理盐水 (3)生理盐水 相同强度电刺激迷走神经 中枢端和外周段

Ⅲ、Ⅳ实验血压变化记录及预期结果表

有利于较快应对血压升高的情况,维持血压的相对稳定,避免长时间较高血压对血管带来不利影响。

【考向分析】本题以马拉松长跑中机体的稳态(如血压、渗透压)的维持为载体,考查了水盐平衡的调节和反射弧的组成等必备知识。关键能力着重考查完善实验思路和设计表格预测实验结果的能力;科学思维着重考查归纳和概括、演绎与推理、模型构建和批判性思维等。

【要点解析】(2)据图可知,曲线A表示的是饮用清水的曲线,判断的依据:饮用清水后,引起血浆渗透压降低,从而减轻对下丘脑渗透压感受器的刺激,导致抗利尿激素分泌减少,使肾小管和集合管对水的重吸收减少,引起尿量增加;运动员运动过程中丢失大量的水分和无机盐,故运动后应饮用淡盐水,以同时补充水分和无机盐。(3)本实验目的是验证减压反射弧的传入神经是减压神经,传出神经是迷走神经,结合步骤Ⅱ、Ⅲ和图2推知,可通过刺激剪断后的减压神经(或迷走神经)中枢端和外周段,再通过血压的测定进行比较。预测实验结果:刺激减压神经中枢端,兴奋仍可传出,则预期结果是血压下降。刺激减压神经外周端,由于减压神经被切断,兴奋不能传入,血压不变。对迷走神经进行实验,结果相反。

【方法领悟】本题难点在于设计用于记录Ⅲ、Ⅳ实验结果的表格,并将预测的血压变化填入表中。从实验目的“为验证减压反射弧的传入神经是减压神经,传出神经是迷走神经”出发,结合步骤Ⅱ、Ⅲ和图2的提示,梳理出自变量是刺激位点:减压神经(或迷走神经)中枢端和外周段,因变量是血压的变化。预测血压变化是另外一个难点,可以化抽象为具体,画出一个反射弧的组成,分别标注减压神经和迷走神经中枢端和外周段,进行分析,实验结果一目了然。

例2.(2023·湖南·18)长时程增强(LTP)是突触前纤维受到高频刺激后,突触传递强度增强且能持续数小时至几天的电现象,与人的长时记忆有关。图3是海马区某侧支LTP产生机制示意图,回答下列问题:

图3

(1)依据以上机制示意图,LTP的发生属于________(填“正”或“负”)反馈调节。

(2)若阻断NMDA受体作用,再高频刺激突触前膜,未诱发LTP,但出现了突触后膜电现象。据图推断,该电现象与________内流有关。

(3)为了探讨L蛋白的自身磷酸化位点(图中α位和β位)对L蛋白自我激活的影响,研究人员构建了四种突变小鼠甲、乙、丙和丁,并开展了相关实验,结果如表所示:

项目组别正常小鼠甲乙丙丁α位突变为缬氨酸,该位点不发生自身磷酸化α位突变为天冬氨酸,阻断Ca2+/钙调蛋白复合体与L蛋白结合β位突变为丙氨酸,该位点不发生自身磷酸化L蛋白编码基因缺失L蛋白活性++++++++++-高频刺激有LTP有LTP?无LTP无LTP

据此分析:

①小鼠乙在高频刺激后________(填“有”或“无”)LTP现象,原因是_______________。

②α位的自身磷酸化可能对L蛋白活性具有________作用。

③在甲、乙和丁实验组中,无L蛋白β位自身磷酸化的组是________。

【参考答案】(1)正 (2)Na+(3)①无 小鼠乙L蛋白突变后阻断了Ca2+/钙调蛋白复合体与L蛋白结合,使L蛋白无法被激活 ②抑制 ③乙和丁

【考向分析】本题以海马区某侧支LTP(长时程增强)产生机制为情境,考查了反馈调节和兴奋的产生、传导与传递等必备知识;关键能力着重考查实验方案的分析以及对结果的交流与讨论的能力;科学思维着重考查演绎与推理、批判性思维等。

【要点解析】(1)由题图可以看出,突触前膜释放谷氨酸后,经过一系列的信号变化,会促进NO合成酶生成NO,进一步促进突触前膜释放更多谷氨酸,该过程属于正反馈调节。(2)阻断NMDA受体的作用,不能促进Ca2+内流,从而不能形成Ca2+/钙调蛋白复合体,不能促进NO合成酶合成NO,从而不能产生LTP,但是谷氨酸还可以与AMPA受体结合,促进Na+内流,从而引发电位变化。(3)①由题表数据可以看出,小鼠乙L蛋白突变后,阻断了Ca2+/钙调蛋白复合体与L蛋白结合,则无法促进NO合成酶生成NO,进而无法形成LTP。②小鼠甲L蛋白的α位突变为缬氨酸以后,该位点不能发生自身磷酸化,与正常小鼠相比(α位可以发生自身磷酸化),L蛋白活性增强,说明α位发生自身磷酸化可能会对L蛋白的活性起到抑制作用。③丁组小鼠L蛋白编码基因缺失,则不能形成L蛋白,无法发生L蛋白β位自身磷酸化;乙组小鼠α位突变,L蛋白有活性但不能被激活,也无法发生L蛋白β位自身磷酸化。

【方法领悟】本题难点在于分析L蛋白的自身磷酸化位点(图中α位和β位)对L蛋白活性和高频刺激后有无LTP的影响。关键点在于找准对照,即正常小鼠,L蛋白活性“+”,有LTP。甲组α位不发生磷酸化,L蛋白活性“++++”,有LTP,说明α位的自身磷酸化可能对L蛋白活性具有抑制作用。

例3.(2023·山东·22)研究显示,糖尿病患者由于大脑海马神经元中蛋白Tau过度磷酸化,导致记忆力减退。细胞自噬能促进过度磷酸化的蛋白Tau降解,该过程受蛋白激酶cPKCγ的调控。为探究相关机理,以小鼠等为材料进行了以下实验。

实验Ⅰ:探究高糖环境和蛋白激酶cPKCγ对离体小鼠海马神经元自噬的影响。配制含有 5 mmol/L 葡萄糖的培养液模拟正常小鼠的体液环境。将各组细胞分别置于等量培养液中,A组培养液不处理,B组培养液中加入75 mmol/L的X试剂1 mL,C组培养液中加入75 mmol/L葡萄糖溶液1 mL。实验结果见图4。

图4

实验Ⅱ:通过水迷宫实验检测小鼠的记忆能力,连续5天测量4组小鼠的逃避潜伏期,结果见图5。逃避潜伏期与记忆能力呈负相关,实验中的糖尿病记忆力减退模型小鼠(TD小鼠)通过注射药物STZ制备。

图5

(1)人体中血糖的来源有_________(答出2个方面的来源即可)。

已知STZ是通过破坏某种细胞引起了小鼠血糖升高,据此推测,这种细胞是________。

(2)实验Ⅰ的C组中,在含5 mmol/L葡萄糖的培养液中加入75 mmol/L葡萄糖溶液后,细胞吸水、体积变大,说明加入该浓度葡萄糖溶液后培养液的渗透压________(填“升高”或“降低”),B组实验结果可说明渗透压的变化对C组结果________(填“有”或“没有”)干扰。图4中,A组和C组的实验结果说明蛋白激酶cPKCγ对海马神经元自噬水平的影响是_______________。

(3)图5中a、b两条曲线所对应的实验动物分别是________(填标号)。

①正常小鼠 ②敲除cPKCγ基因的小鼠 ③TD小鼠 ④敲除cPKCγ基因的TD小鼠

(4)对TD小鼠进行干预后,小鼠的记忆能力得到显著提高。基于本研究,写出2种可能的干预思路:_______________。

【参考答案】(1)食物的消化吸收、肝糖原分解、非糖物质的转化 胰岛B细胞 (2)降低 没有 葡萄糖浓度正常时,没有影响;在高糖环境下,蛋白激酶cPKCγ可提高海马神经元自噬水平 (3)④③ (4)定期注射胰岛素;定期注射蛋白激酶cPKCγ

【考向分析】本题以糖尿病患者大脑海马神经元中蛋白Tau过度磷酸化,导致记忆力减退为真实情境,考查了血糖平衡的调节等必备知识。关键能力着重考查通过实验结果来逆推实验分组情况,科学思维着重考查归纳和概括、演绎与推理和批判性思维等。

【要点解析】(2)由“加入75 mmol/L葡萄糖溶液后细胞吸水、体积变大”可逆推出培养液的渗透压降低。B组渗透压也升高了,但较A组而言,自噬水平相对值不变,说明渗透压的变化对C组结果没有干扰。A组和C组的实验结果说明,在高糖环境下,蛋白激酶cPKCγ促进海马神经元自噬水平。(3)据图4分析可知,敲除cPKCγ基因后,正常小鼠海马神经元自噬水平不变,记忆力不会减退;而TD小鼠(糖尿病记忆力减退模型)敲除cPKCγ基因后,海马神经元自噬水平降低,从而导致记忆力进一步减退,图5的c、d组逃避潜伏期较短,说明记忆能力强,依次为敲除cPKCγ基因的小鼠和正常小鼠;a、b组逃避潜伏期较长,说明记忆能力差,且a比b记忆能力差,故a、b依次为敲除cPKCγ基因的TD小鼠和TD小鼠,即a、b、c、d依次为④③②①。(4)由分析可知,高糖环境下,敲除cPKCγ基因后,海马神经元自噬水平降低,从而导致记忆力进一步减退,因而可通过降低血糖即通过注射胰岛素使血糖降低从而达到提升记忆力的作用,或使TD小鼠cPKCγ基因表达产物增多,提高海马神经元自噬水平,从而促进过度磷酸化的蛋白Tau降解,从而提升记忆力。

【方法领悟】本题的难点在于柱状图4和曲线图5的分析和解读,分析变量,找准对照,得出结论,建立实验Ⅰ和实验Ⅱ的联系。

综上可知,2023高考卷多点渗透了稳态与平衡观这一生命观念,以高三一轮复习为契机,建立稳态与平衡观尤为重要。

二、基于稳态与平衡观的一轮复习备考建议

1.挖掘和筛选教材中的素材

“稳态与平衡观”强调生命系统是一个稳态和平衡的系统。普通高中生物学教科书有许多涉及稳态与平衡的内容,笔者将其归纳为分子(如基因表达、激素分泌、酶活性的稳态)、细胞(如细胞分裂与分化的稳态)、个体(动物体的神经—体液—免疫调节、植物激素调节)、群体(如种群、群落水平的稳态)、生态系统(结构与功能的稳态)五个层次,而教材中并不是所有内容都涉及稳态与平衡观,这就需要去挖掘和筛选。

2.以模型培育“稳态与平衡观”

在复习中通过引入模型呈现实例、解构模型感受意义、建构模型凝练实质、应用模型深化理解等方式,达成培育“稳态与平衡观”的目的。

引入模型呈现实例：睡眠剥夺(SD)即减少受试者的睡眠时间。研究发现,睡眠会影响人体内一氧化氮(NO)的含量。NO是迄今在体内发现的第一种气体神经递质,NO存在于神经元、免疫细胞等细胞中。NO具有疏水性,可自由穿过细胞膜,细胞膜上未发现相应的受体蛋白。科学家最早在海马突触中发现,NO能刺激前后两个神经元持续兴奋,这被认为是生物体学习与记忆的基础机制。在海马神经元中,突触前膜释放的神经递质谷氨酸(兴奋性神经递质)与突触后膜上的受体结合,引起Ca2+内流,在钙调蛋白的作用下,一氧化氮合酶(NOS)被激活,生成的NO可逆向传递信息,调节突触强度。

长期严重SD使NO的含量增加,从而影响人体的学习与记忆能力,严重时还可能使神经元凋亡,NO含量异常容易诱发机体自身免疫疾病。NO的含量不同会触发生物体发生一系列生物学效应,其主要机制如图6所示。

图6

建构模型凝练实质：NO释放方式和典型神经递质不同,并且其受体位于靶细胞内,NO可以向突触前膜传递信息。途径Ⅰ有助于提高学习与记忆能力;长期严重SD可能通过抑制有氧呼吸促进细胞凋亡(途径Ⅲ);谷氨酸(兴奋性神经递质)的作用引起NO扩散并调节谷氨酸释放过程属于正反馈调节。

3.构建必备知识体系

构建相应的生物学概念和原理的必备知识体系,可以帮助领悟稳态与平衡观。例如在复习血糖平衡调节时,可构建知识体系如图7。

图7

4.剖析稳态的调节机制

“稳态与平衡观”的核心是“相对稳定及其调控”,稳态和平衡是通过自身的调节来实现的。例如高等动物体的稳态主要通过神经—体液—免疫调节的方式来完成(图8),通过信号分子与受体结合的特异性,复杂机体最终实现统一和协调,稳态才能够维持。

图8

比如甲状腺激素的分泌调节中,通过分级调节可以放大激素的调节效应,形成多级反馈调节,有利于精细调控,从而维持机体的稳态(如图9)。

图9

图10