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高考生物實驗探究
6.動物生理相關實驗探究(動物激素功能的實驗探究)
(2020·全國卷Ⅰ)某研究人員用藥物W進行了如下實驗：給甲組大鼠注射藥物W，乙組大鼠注射等量生理鹽水，飼養一段時間后，測定兩組大鼠的相關生理指標。實驗結果表明：乙組大鼠無顯著變化；與乙組大鼠相比，甲組大鼠的血糖濃度升高，尿中葡萄糖含量增加，進食量增加，體重下降。回答下列問題：
(1)由上述實驗結果可推測，藥物W破壞了胰腺中的________細胞，使細胞失去功能，從而導致血糖濃度升高。
(2)由上述實驗結果還可推測，甲組大鼠腎小管液中的葡萄糖含量增加，導致腎小管液的滲透壓比正常時的________，從而使該組大鼠的排尿量________。
(3)實驗中測量到甲組大鼠體重下降，推測體重下降的原因是____________
__________________________________________________________________。
(4)若上述推測都成立，那么該實驗的研究意義是____________________
___________________________________________(答出1點即可)。
解析：(1)胰島B細胞受損會使胰島素分泌不足，血液中的葡萄糖進入組織細胞被利用、轉化和儲存的過程受阻，最終導致血糖濃度升高。(2)若腎小管液中的葡萄糖含量增加，腎小管液的滲透壓比正常時高，使得腎小管上皮細胞對水分的重吸收減少，從而導致大鼠的排尿量增加。(3)甲組大鼠胰島素缺乏，機體不能充分利用葡萄糖，從而脂肪和蛋白質的分解增加，造成大鼠體重下降。(4)題中實驗獲得了因胰島素缺乏而患糖尿病的動物，這種動物可以作為實驗材料用于研發治療這類糖尿病的藥物。
答案：(1)胰島B　(2)高　增加　(3)甲組大鼠胰島素缺乏，使機體不能充分利用葡萄糖來獲得能量，導致機體脂肪和蛋白質的分解增加　(4)獲得了因胰島素缺乏而患糖尿病的動物，這種動物可以作為實驗材料用于研發治療這類糖尿病的藥物
【思維構建】
實驗目的 驗證藥物W對大鼠生理狀況的影響
實驗變量 自變量：注射藥物W、等量生理鹽水
因變量：血糖濃度、進食量、體重
實驗結果 乙組：大鼠無顯著變化
甲組：與乙組大鼠相比，大鼠的血糖濃度升高，尿中葡萄糖含量增加，進食量增加，體重下降
1．探究動物激素功能的一般思路
―→―→―→
2．激素功能的3種常用實驗研究方法
3．動物激素調節生理實驗案例
(1)針對小分子激素及其分泌器官：如甲狀腺激素和甲狀腺，性激素和性腺。
①飼喂法。
②切除法和注射法。
(2)針對大分子激素及其分泌器官：如生長激素和垂體，胰島素、胰高血糖素和胰島(胰腺)。
①常用實驗方法是：切除法、注射法。
②實例：探究胰島素對血糖調節的影響。
組別 實驗動物 實驗處理 觀察指標
實驗組 A 饑餓處理的小鼠 連續注射一定量胰島素→出現低血糖癥狀→補充糖類 小鼠生活狀況
對照組 B 不注射胰島素，定期補充糖類
4．注意事項
(1)動物分組的基本要求：選擇性別、年齡、體重、生理狀況相似的動物平均分組，每組要有數量相等的多只動物。
(2)實驗設計時要注意設置對照實驗，控制無關變量，保證單一變量。
(3)進行注射實驗時空白對照組應注射生理鹽水(不可用蒸餾水)；進行飼喂實驗時，空白對照組可飼喂蒸餾水。
(4)根據激素的化學本質，選擇不同的實驗方法。多肽類和蛋白質類激素易被消化酶水解，因此一般采用注射法，不宜采用飼喂法；固醇類、氨基酸衍生物類激素可以飼喂，也可以注射。
(5)在實際操作過程中，可能要綜合運用多種方法，如摘除某種內分泌腺(如公雞的睪丸)，一段時間后再注射該內分泌腺分泌的激素(如睪酮)，或重新植入該內分泌腺。
(6)對于幼小的動物一般不用摘除法或注射法，如研究甲狀腺激素對蝌蚪發育的影響常采用飼喂法。
1．(2021·山東淄博二模)人和哺乳動物體中的脂肪組織分為棕色脂肪組織和白色脂肪組織。棕色脂肪組織是非戰栗產熱的主要來源，對于維持生物體的體溫和能量平衡起重要作用。去甲腎上腺素調控棕色脂肪組織的代謝活動，在維持生物體體溫平衡的過程中作用如下圖。回答下列問題：
(1)下丘腦對棕色脂肪細胞調節，途徑①中去甲腎上腺素作為________，作用于棕色脂肪細胞膜的受體，引起膜電位變化。與途徑①相比，途徑②對棕色脂肪細胞的調節作用具有的特點是____________________________________
__________________________________________________________________。
(2)初入寒冷環境時，機體維持體溫增加產熱的主要方式是________，冷適應后主要依靠________________來增加產熱。與第一次注射相比，再次注射去甲腎上腺素時，機體產熱增加的原因可能是持續寒冷刺激________(填“促進”或“抑制”)了棕色脂肪細胞的生成。
(3)棕色脂肪組織對于維持動物的體溫和能量平衡起重要作用，一是該組織細胞中含有大量的線粒體，二是線粒體內膜上有豐富的UCP 1蛋白，使得[H]回流至線粒體基質內，減少__________的生成，釋放的能量更多地以熱能形式釋放。請你寫出探究UCP 1蛋白與哺乳動物耐寒性關系的實驗思路：___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
__________________________________________________________________。
解析：(1)途徑①中去甲腎上腺素由傳出神經產生作用于棕色脂肪組織，其作為神經遞質作用于棕色脂肪細胞膜的受體，引起膜電位變化，途徑②的去甲腎上腺素由腎上腺分泌作為激素，激素調節與神經調節特點的不同表現在調節速度慢，作用范圍廣，作用時間長。(2)初入寒冷環境時，機體維持體溫增加產熱的主要方式是骨骼肌戰栗，冷適應后主要依靠棕色脂肪組織消耗能量來增加產熱，第二次注射去甲腎上腺素時，機體消耗能量增加，產熱量增加，說明棕色脂肪組織細胞數量增加，可能是持續寒冷刺激了棕色脂肪組織細胞的生成用于產熱抵御寒冷。(3)有氧呼吸第三階段在線粒體內膜上將[H]和氧氣結合生成水，同時生成大量的ATP，線粒體內膜上有豐富的UCP 1蛋白，使得[H]回流至線粒體基質內，減少了[H]和氧氣的結合，減少ATP的合成，使得能量更多地以熱能的形式釋放。為探究UCP 1蛋白與哺乳動物耐寒性的關系，應將若干生理狀況相同的同種哺乳動物分成甲、乙兩組，甲組注射UCP 1蛋白抑制劑，乙組注射等量的生理鹽水，將兩組置于寒冷條件下觀察其耐寒性。
答案：(1)神經遞質　調節速度慢，作用范圍廣，作用時間長　(2)骨骼肌戰栗　棕色脂肪組織消耗　促進　(3)ATP　將若干生理狀況相同的同種哺乳動物分成甲、乙兩組，甲組注射UCP 1蛋白抑制劑，乙組注射等量的生理鹽水，將兩組置于寒冷條件下觀察其耐寒性
2．(2021·山東泰安三模)皮膚覆蓋于人體表面，是人體最大的器官，甲狀腺激素及其相關激素分泌異常會影響皮膚的功能。回答下列問題：
(1)在甲狀腺激素分泌的分級調節模型中，能直接促進甲狀腺激素分泌的激素是____________。當甲狀腺激素分泌過多時，會抑制__________等器官的活動，導致分泌的相關激素減少，最終維持甲狀腺激素含量的穩定，這種調節機制是________調節。
(2)實驗小組為了探究甲狀腺激素對小鼠皮膚細胞增殖的影響，從小鼠皮膚中取角質形成細胞和成纖維細胞進行實驗，各培養基的處理和統計結果如下表所示：
培養基 角質形成細胞 成纖維細胞 甲狀腺激素 角質形成細胞的相對數量
甲 ＋ － － 100%(對照組)
乙 ＋ ＋ ＋ 67%
丙 ＋ － ＋ 132%
該實驗的自變量是________________________。分析實驗結果可知，甲狀腺激素對角質形成細胞的增殖具有__________(填“促進”或“抑制”)作用。成纖維細胞可在甲狀腺激素的作用下產生一種轉化生長因子，該轉化生長因子對角質形成細胞的增殖具有______________(填“促進”或“抑制”)作用。
解析：(1)下丘腦通過釋放促甲狀腺激素釋放激素(TRH)來促進垂體合成和分泌促甲狀腺激素(TSH)，TSH可以促進甲狀腺的活動，使甲狀腺合成和釋放甲狀腺激素。而甲狀腺激素分泌過多時，會直接抑制下丘腦分泌TRH和垂體分泌TSH，減少甲狀腺激素的分泌，以維持甲狀腺激素含量的穩定，這種調節機制叫(負)反饋調節。(2)由表格分析可知，該實驗的自變量為是否加入成纖維細胞和甲狀腺激素，因變量為角質形成細胞的相對數量。甲組未加入成纖維細胞和甲狀腺激素，角質形成細胞的相對數量為100%，加入甲狀腺激素的丙組角質形成細胞的相對數量為132%，此結果表明甲狀腺激素對角質形成細胞的增殖具有促進作用。而乙組同時添加甲狀腺激素和成纖維細胞后角質形成細胞的相對數量明顯減少，據題意是因為成纖維細胞可在甲狀腺激素的作用下產生一種轉化生長因子，故該轉化生長因子對角質形成細胞的增殖具有抑制作用。
答案：(1)促甲狀腺激素　下丘腦和垂體　反饋(或負反饋)　(2)是否加入成纖維細胞和甲狀腺激素　促進　抑制
3．研究胰島素分泌的調節機制，有助于了解其在維持穩態中的作用。葡萄糖攝入方式對小鼠血漿中葡萄糖和胰島素濃度影響的實驗結果如下圖所示。
(1)臨床上可通過抽取血樣檢測胰島素濃度來評價胰島功能，原因是___________________________________________________；調節胰島素分泌的信號分子是____________________(至少答2種)。
(2)科學家桑格用不同的方法把胰島素分子隨機切斷成大小不一的幾段，再用熒光染料特異性地把斷片一端的氨基酸染成黃色并確定其種類。這樣每次“打斷—染色”就可以知道胰島素中某幾個斷點處氨基酸的種類，經多次重復就可以獲得___________________。
(3)由圖1可知不同的葡萄糖攝入方式對小鼠血糖濃度無明顯影響；圖2中不同的葡萄糖攝入方式對小鼠胰島素濃度的影響是______________________
________________________________________________________________。
(4)研究發現，引起圖2結果的原因是口服葡萄糖會刺激小腸黏膜分泌腸促胰島素肽(GIP)，GIP是一種葡萄糖依賴信號分子，在高血糖水平下可顯著促進胰島素的分泌，在低血糖水平下不能促進胰島素分泌。請用以下實驗材料驗證GIP的作用，簡要寫出實驗設計思路并預期實驗結果。
實驗材料及用具：GIP溶液、饑餓的健康小鼠若干、進食不久的健康小鼠若干、高濃度葡萄糖溶液、必需的檢測設備。
實驗設計思路：________________________________________________
__________________________________________________________________。
預期實驗結果：_______________________________________________。
解析：(1)胰島素由胰島B細胞分泌，彌散到體液中，隨血液運輸到全身，故臨床上可通過抽取血樣檢測胰島素濃度來評價胰島功能。在血糖平衡調節過程中，機體通過神經—體液調節的方式維持血糖的相對穩定，胰島B細胞分泌胰島素可受血糖濃度上升的直接刺激，也受下丘腦相關神經的支配，還受到胰高血糖素分泌的促進，故胰島素的分泌會受到葡萄糖、神經遞質、胰高血糖素等信號分子的影響。 (2)用不同的方法把胰島素分子隨機切斷成大小不一的幾段，再用熒光染料特異性地把斷片一端的氨基酸染成黃色并確定其種類，當重復次數足夠多時，所有氨基酸的種類均可以確定，因此經多次重復“打斷—染色”就可以獲得組成胰島素多肽鏈的氨基酸序列。(3)分析圖2，口服攝入葡萄糖引起的胰島素濃度峰值明顯高于靜脈注射組，故口服攝入葡萄糖引起的胰島素濃度升高顯著高于靜脈注射。 (4)根據題干中提供的信息“GIP是一種葡萄糖依賴型信號分子，在高血糖水平下可顯著促進胰島素的分泌，在低血糖水平下不能促進胰島素分泌”，可以通過設計對照實驗證明GIP的作用，自變量為GIP溶液和高濃度葡萄糖的有無，因變量為胰島素的濃度，其具體實驗思路為：取饑餓的健康小鼠若干，均分為3組，編號為甲、乙、丙，分別測定胰島素濃度并作記錄；甲組靜脈注射適量GIP溶液，乙組靜脈注射等量高濃度葡萄糖溶液，丙組靜脈注射等量高濃度葡萄糖溶液和GIP溶液；一段時間后，分別測定甲、乙、丙組小鼠的胰島素濃度并計算平均值。因為GIP在高血糖水平下才可顯著促進胰島素的分泌以及高濃度血糖會引起胰島素分泌，故實驗結果為：丙組胰島素濃度最高，甲組最低。
答案：(1)胰島分泌的胰島素彌散在體液中，隨血液流到全身　葡萄糖和神經遞質(或葡萄糖、神經遞質和胰高血糖素)　(2)組成胰島素多肽鏈的氨基酸序列　(3)口服攝入葡萄糖引起的胰島素濃度升高顯著高于靜脈注射　(4)取饑餓的健康小鼠若干，均分為3組，編號為甲、乙、丙，分別測定胰島素濃度并作記錄；甲組靜脈注射適量GIP溶液，乙組靜脈注射等量高濃度葡萄糖溶液，丙組靜脈注射等量高濃度葡萄糖溶液和GIP溶液；一段時間后，分別測定甲、乙、丙組小鼠的胰島素濃度并計算平均值　丙組胰島素濃度最高，甲組最低
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