基于穩態與平衡觀的試題分析及備考建議

2024-01-21 08:48黃利花

教學考試(高考生物) 2023年6期

紀磊黃利花沈艦

(1.湖北省十堰市第一中學 2.湖北省十堰市教育科學研究院)

穩態與平衡觀是生命觀念內容之一,其核心內容是指穩定的生命結構基礎受到內外刺激后發揮調控功能繼而維持生命系統的平衡。穩態與平衡觀貫穿于普通高中生物學教科書選擇性必修1、選擇性必修2。從系統分析的角度,理解生命系統的穩態維持的一般調節機制及過程,往往可以通過構建模型化抽象為具體。無論是分子、細胞、個體或是種群、群落、生態系統,都可以通過構建模型來分析系統是如何通過自我調節來實現系統內各組成的相互協調和系統的輸入與輸出的平衡。

生命系統內部存在著各種因素和過程的動態平衡。該平衡過程受遺傳信息、激素、神經沖動、細胞因子等信息的調控,同時生命系統的自我調節能力也是有限的。在辯證理解穩態和平衡概念的基礎上,學生通過抽象概括、提煉升華,使之內化為看待事物和分析問題的視角、思路甚至是態度傾向,形成“穩態與平衡觀”這一生命觀念。

一、基于穩態與平衡觀的2023年高考真題分析

例1.(2023·浙江6月·25)運動員在馬拉松長跑過程中,機體往往出現心跳加快,呼吸加深,大量出汗,口渴等生理反應。馬拉松長跑需要機體各器官系統共同協調完成?；卮鹣铝袉栴}:

(1)聽到發令槍聲運動員立刻起跑,這一過程屬于________反射。長跑過程中,運動員感到口渴的原因是大量出汗導致血漿滲透壓升高,滲透壓感受器產生的興奮傳到________,產生渴覺。

(2)長跑結束后,運動員需要補充水分。研究發現正常人分別一次性飲用1 000 mL清水與1 000 mL 生理鹽水,其排尿速率變化如圖1所示。

圖1

圖中表示大量飲用清水后的排尿速率曲線是________,該曲線的形成原因是大量飲用清水后血漿被稀釋,滲透壓下降,________。從維持機體血漿滲透壓穩定的角度,建議運動員運動后飲用________。

(3)長跑過程中,運動員會出現血壓升高等機體反應,運動結束后,血壓能快速恢復正常,這一過程受神經—體液共同調節,其中減壓反射是調節血壓相對穩定的重要神經調節方式。為驗證減壓反射弧的傳入神經是減壓神經,傳出神經是迷走神經,根據提供的實驗材料,完善實驗思路,預測實驗結果,并進行分析與討論。

材料與用具:成年實驗兔、血壓測定儀、生理鹽水、刺激電極、麻醉劑等。

(要求與說明:答題時對實驗兔的手術過程不作具體要求)

①完善實驗思路:

Ⅰ.麻醉和固定實驗兔,分離其頸部一側的頸總動脈、減壓神經和迷走神經。頸總動脈經動脈插管與血壓測定儀連接,測定血壓,血壓正常。在實驗過程中,隨時用________濕潤神經。

Ⅱ.用適宜強度電刺激減壓神經,測定血壓,血壓下降。再用________,測定血壓,血壓下降。

Ⅲ.對減壓神經進行雙結扎固定,并從結扎中間剪斷神經(如圖2所示)。分別用適宜強度電刺激________,分別測定血壓,并記錄。

圖2

Ⅳ.對迷走神經進行重復Ⅲ的操作。

②預測實驗結果:

設計用于記錄Ⅲ、Ⅳ實驗結果的表格,并將預測的血壓變化填入表中。

③分析與討論:

運動員在馬拉松長跑過程中,減壓反射有什么生理意義?

_____________

【參考答案】(1) 條件大腦皮層 (2)A 下丘腦滲透壓感受器興奮,興奮傳至下丘腦水鹽平衡調節中樞,產生抗利尿激素減少,最終導致腎臟重吸收水減少,尿量增加適量生理鹽水 (3)生理鹽水相同強度電刺激迷走神經中樞端和外周段

Ⅲ、Ⅳ實驗血壓變化記錄及預期結果表

有利于較快應對血壓升高的情況,維持血壓的相對穩定,避免長時間較高血壓對血管帶來不利影響。

【考向分析】本題以馬拉松長跑中機體的穩態(如血壓、滲透壓)的維持為載體,考查了水鹽平衡的調節和反射弧的組成等必備知識。關鍵能力著重考查完善實驗思路和設計表格預測實驗結果的能力;科學思維著重考查歸納和概括、演繹與推理、模型構建和批判性思維等。

【要點解析】(2)據圖可知,曲線A表示的是飲用清水的曲線,判斷的依據:飲用清水后,引起血漿滲透壓降低,從而減輕對下丘腦滲透壓感受器的刺激,導致抗利尿激素分泌減少,使腎小管和集合管對水的重吸收減少,引起尿量增加;運動員運動過程中丟失大量的水分和無機鹽,故運動后應飲用淡鹽水,以同時補充水分和無機鹽。(3)本實驗目的是驗證減壓反射弧的傳入神經是減壓神經,傳出神經是迷走神經,結合步驟Ⅱ、Ⅲ和圖2推知,可通過刺激剪斷后的減壓神經(或迷走神經)中樞端和外周段,再通過血壓的測定進行比較。預測實驗結果:刺激減壓神經中樞端,興奮仍可傳出,則預期結果是血壓下降。刺激減壓神經外周端,由于減壓神經被切斷,興奮不能傳入,血壓不變。對迷走神經進行實驗,結果相反。

【方法領悟】本題難點在于設計用于記錄Ⅲ、Ⅳ實驗結果的表格,并將預測的血壓變化填入表中。從實驗目的“為驗證減壓反射弧的傳入神經是減壓神經,傳出神經是迷走神經”出發,結合步驟Ⅱ、Ⅲ和圖2的提示,梳理出自變量是刺激位點:減壓神經(或迷走神經)中樞端和外周段,因變量是血壓的變化。預測血壓變化是另外一個難點,可以化抽象為具體,畫出一個反射弧的組成,分別標注減壓神經和迷走神經中樞端和外周段,進行分析,實驗結果一目了然。

例2.(2023·湖南·18)長時程增強(LTP)是突觸前纖維受到高頻刺激后,突觸傳遞強度增強且能持續數小時至幾天的電現象,與人的長時記憶有關。圖3是海馬區某側支LTP產生機制示意圖,回答下列問題:

圖3

(1)依據以上機制示意圖,LTP的發生屬于________(填“正”或“負”)反饋調節。

(2)若阻斷NMDA受體作用,再高頻刺激突觸前膜,未誘發LTP,但出現了突觸后膜電現象。據圖推斷,該電現象與________內流有關。

(3)為了探討L蛋白的自身磷酸化位點(圖中α位和β位)對L蛋白自我激活的影響,研究人員構建了四種突變小鼠甲、乙、丙和丁,并開展了相關實驗,結果如表所示:

項目組別正常小鼠甲乙丙丁α位突變為纈氨酸,該位點不發生自身磷酸化α位突變為天冬氨酸,阻斷Ca2+/鈣調蛋白復合體與L蛋白結合β位突變為丙氨酸,該位點不發生自身磷酸化L蛋白編碼基因缺失L蛋白活性++++++++++-高頻刺激有LTP有LTP?無LTP無LTP

據此分析:

①小鼠乙在高頻刺激后________(填“有”或“無”)LTP現象,原因是_______________。

②α位的自身磷酸化可能對L蛋白活性具有________作用。

③在甲、乙和丁實驗組中,無L蛋白β位自身磷酸化的組是________。

【參考答案】(1)正 (2)Na+(3)①無小鼠乙L蛋白突變后阻斷了Ca2+/鈣調蛋白復合體與L蛋白結合,使L蛋白無法被激活 ②抑制 ③乙和丁

【考向分析】本題以海馬區某側支LTP(長時程增強)產生機制為情境,考查了反饋調節和興奮的產生、傳導與傳遞等必備知識;關鍵能力著重考查實驗方案的分析以及對結果的交流與討論的能力;科學思維著重考查演繹與推理、批判性思維等。

【要點解析】(1)由題圖可以看出,突觸前膜釋放谷氨酸后,經過一系列的信號變化,會促進NO合成酶生成NO,進一步促進突觸前膜釋放更多谷氨酸,該過程屬于正反饋調節。(2)阻斷NMDA受體的作用,不能促進Ca2+內流,從而不能形成Ca2+/鈣調蛋白復合體,不能促進NO合成酶合成NO,從而不能產生LTP,但是谷氨酸還可以與AMPA受體結合,促進Na+內流,從而引發電位變化。(3)①由題表數據可以看出,小鼠乙L蛋白突變后,阻斷了Ca2+/鈣調蛋白復合體與L蛋白結合,則無法促進NO合成酶生成NO,進而無法形成LTP。②小鼠甲L蛋白的α位突變為纈氨酸以后,該位點不能發生自身磷酸化,與正常小鼠相比(α位可以發生自身磷酸化),L蛋白活性增強,說明α位發生自身磷酸化可能會對L蛋白的活性起到抑制作用。③丁組小鼠L蛋白編碼基因缺失,則不能形成L蛋白,無法發生L蛋白β位自身磷酸化;乙組小鼠α位突變,L蛋白有活性但不能被激活,也無法發生L蛋白β位自身磷酸化。

【方法領悟】本題難點在于分析L蛋白的自身磷酸化位點(圖中α位和β位)對L蛋白活性和高頻刺激后有無LTP的影響。關鍵點在于找準對照,即正常小鼠,L蛋白活性“+”,有LTP。甲組α位不發生磷酸化,L蛋白活性“++++”,有LTP,說明α位的自身磷酸化可能對L蛋白活性具有抑制作用。

例3.(2023·山東·22)研究顯示,糖尿病患者由于大腦海馬神經元中蛋白Tau過度磷酸化,導致記憶力減退。細胞自噬能促進過度磷酸化的蛋白Tau降解,該過程受蛋白激酶cPKCγ的調控。為探究相關機理,以小鼠等為材料進行了以下實驗。

實驗Ⅰ:探究高糖環境和蛋白激酶cPKCγ對離體小鼠海馬神經元自噬的影響。配制含有 5 mmol/L 葡萄糖的培養液模擬正常小鼠的體液環境。將各組細胞分別置于等量培養液中,A組培養液不處理,B組培養液中加入75 mmol/L的X試劑1 mL,C組培養液中加入75 mmol/L葡萄糖溶液1 mL。實驗結果見圖4。

圖4

實驗Ⅱ:通過水迷宮實驗檢測小鼠的記憶能力,連續5天測量4組小鼠的逃避潛伏期,結果見圖5。逃避潛伏期與記憶能力呈負相關,實驗中的糖尿病記憶力減退模型小鼠(TD小鼠)通過注射藥物STZ制備。

圖5

(1)人體中血糖的來源有_________(答出2個方面的來源即可)。

已知STZ是通過破壞某種細胞引起了小鼠血糖升高,據此推測,這種細胞是________。

(2)實驗Ⅰ的C組中,在含5 mmol/L葡萄糖的培養液中加入75 mmol/L葡萄糖溶液后,細胞吸水、體積變大,說明加入該濃度葡萄糖溶液后培養液的滲透壓________(填“升高”或“降低”),B組實驗結果可說明滲透壓的變化對C組結果________(填“有”或“沒有”)干擾。圖4中,A組和C組的實驗結果說明蛋白激酶cPKCγ對海馬神經元自噬水平的影響是_______________。

(3)圖5中a、b兩條曲線所對應的實驗動物分別是________(填標號)。

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)對TD小鼠進行干預后,小鼠的記憶能力得到顯著提高?；诒狙芯?寫出2種可能的干預思路:_______________。

【參考答案】(1)食物的消化吸收、肝糖原分解、非糖物質的轉化胰島B細胞 (2)降低沒有葡萄糖濃度正常時,沒有影響;在高糖環境下,蛋白激酶cPKCγ可提高海馬神經元自噬水平 (3)④③ (4)定期注射胰島素;定期注射蛋白激酶cPKCγ

【考向分析】本題以糖尿病患者大腦海馬神經元中蛋白Tau過度磷酸化,導致記憶力減退為真實情境,考查了血糖平衡的調節等必備知識。關鍵能力著重考查通過實驗結果來逆推實驗分組情況,科學思維著重考查歸納和概括、演繹與推理和批判性思維等。

【要點解析】(2)由“加入75 mmol/L葡萄糖溶液后細胞吸水、體積變大”可逆推出培養液的滲透壓降低。B組滲透壓也升高了,但較A組而言,自噬水平相對值不變,說明滲透壓的變化對C組結果沒有干擾。A組和C組的實驗結果說明,在高糖環境下,蛋白激酶cPKCγ促進海馬神經元自噬水平。(3)據圖4分析可知,敲除cPKCγ基因后,正常小鼠海馬神經元自噬水平不變,記憶力不會減退;而TD小鼠(糖尿病記憶力減退模型)敲除cPKCγ基因后,海馬神經元自噬水平降低,從而導致記憶力進一步減退,圖5的c、d組逃避潛伏期較短,說明記憶能力強,依次為敲除cPKCγ基因的小鼠和正常小鼠;a、b組逃避潛伏期較長,說明記憶能力差,且a比b記憶能力差,故a、b依次為敲除cPKCγ基因的TD小鼠和TD小鼠,即a、b、c、d依次為④③②①。(4)由分析可知,高糖環境下,敲除cPKCγ基因后,海馬神經元自噬水平降低,從而導致記憶力進一步減退,因而可通過降低血糖即通過注射胰島素使血糖降低從而達到提升記憶力的作用,或使TD小鼠cPKCγ基因表達產物增多,提高海馬神經元自噬水平,從而促進過度磷酸化的蛋白Tau降解,從而提升記憶力。

【方法領悟】本題的難點在于柱狀圖4和曲線圖5的分析和解讀,分析變量,找準對照,得出結論,建立實驗Ⅰ和實驗Ⅱ的聯系。

綜上可知,2023高考卷多點滲透了穩態與平衡觀這一生命觀念,以高三一輪復習為契機,建立穩態與平衡觀尤為重要。

二、基于穩態與平衡觀的一輪復習備考建議

1.挖掘和篩選教材中的素材

“穩態與平衡觀”強調生命系統是一個穩態和平衡的系統。普通高中生物學教科書有許多涉及穩態與平衡的內容,筆者將其歸納為分子(如基因表達、激素分泌、酶活性的穩態)、細胞(如細胞分裂與分化的穩態)、個體(動物體的神經—體液—免疫調節、植物激素調節)、群體(如種群、群落水平的穩態)、生態系統(結構與功能的穩態)五個層次,而教材中并不是所有內容都涉及穩態與平衡觀,這就需要去挖掘和篩選。

2.以模型培育“穩態與平衡觀”

在復習中通過引入模型呈現實例、解構模型感受意義、建構模型凝練實質、應用模型深化理解等方式,達成培育“穩態與平衡觀”的目的。

引入模型呈現實例：睡眠剝奪(SD)即減少受試者的睡眠時間。研究發現,睡眠會影響人體內一氧化氮(NO)的含量。NO是迄今在體內發現的第一種氣體神經遞質,NO存在于神經元、免疫細胞等細胞中。NO具有疏水性,可自由穿過細胞膜,細胞膜上未發現相應的受體蛋白?？茖W家最早在海馬突觸中發現,NO能刺激前后兩個神經元持續興奮,這被認為是生物體學習與記憶的基礎機制。在海馬神經元中,突觸前膜釋放的神經遞質谷氨酸(興奮性神經遞質)與突觸后膜上的受體結合,引起Ca2+內流,在鈣調蛋白的作用下,一氧化氮合酶(NOS)被激活,生成的NO可逆向傳遞信息,調節突觸強度。

長期嚴重SD使NO的含量增加,從而影響人體的學習與記憶能力,嚴重時還可能使神經元凋亡,NO含量異常容易誘發機體自身免疫疾病。NO的含量不同會觸發生物體發生一系列生物學效應,其主要機制如圖6所示。