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高考生物二輪復習專題專練
(21)　動物生理實驗題的分析與設計
從“高度”上研究高考
[典例]　(2022·全國乙卷)甲狀腺激素在促進機體新陳代謝和生長發育過程中發揮重要作用。為了研究動物體內甲狀腺激素的合成和調節機制，某研究小組進行了下列相關實驗。
實驗一：將一定量的放射性碘溶液經腹腔注射到家兔體內，一定時間后測定家兔甲狀腺的放射性強度。
實驗二：給甲、乙、丙三組家兔分別經靜脈注射一定量的生理鹽水、甲狀腺激素溶液、促甲狀腺激素溶液。一定時間后分別測定三組家兔血中甲狀腺激素的含量，發現注射的甲狀腺激素和促甲狀腺激素都起到了相應的調節作用。回答下列問題。
(1)實驗一中，家兔甲狀腺中檢測到碘的放射性，出現這一現象的原因是________________________________________________________________________。
(2)根據實驗二推測，丙組甲狀腺激素的合成量________(填“大于”或“小于”)甲組。乙組和丙組甲狀腺激素的合成量________(填“相同”或“不相同”)，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[解析]　(1)碘是合成甲狀腺激素的原料，將一定量的放射性碘溶液注射到家兔體內，碘經體液運輸到甲狀腺濾泡上皮細胞被吸收，參與甲狀腺激素的合成。(2)甲組注射生理鹽水，對甲狀腺的活動沒有明顯的影響，甲狀腺激素的合成與釋放維持原來的水平；乙組注射外源甲狀腺激素，使機體甲狀腺激素含量超過正常水平，會反饋給下丘腦和垂體，從而抑制兩者的活動，使機體甲狀腺激素合成減少；丙組注射促甲狀腺激素，可以促進甲狀腺合成和分泌甲狀腺激素，導致甲狀腺激素合成增加，故三種情況下，丙組甲狀腺激素的合成量大于甲組，乙組和丙組甲狀腺激素的合成量不相同。
[答案]　(1)甲狀腺吸收碘合成甲狀腺激素　(2)大于　不相同　乙組注射外源甲狀腺激素，通過負反饋調節使甲狀腺激素合成減少，丙組注射促甲狀腺激素會促進甲狀腺激素的合成
從“深度”上提升知能
(一)與內分泌腺和激素有關的實驗設計歸納
1．常用實驗方法：切除法、飼喂法、注射法
不同激素由于化學本質不同，設計實驗時，要根據激素的種類，采取切除、注射或飼喂的方法。
2．動物生理實驗材料的選擇和處理
(1)實驗分組基本要求：選擇性別、年齡、體重、生理狀況相似的動物平均分組(隨機均分)，每組要有數量相等的多只動物。
(2)處理：如觀察胰島素、胰高血糖素功能的實驗動物一般是先進行饑餓處理。
(3)要根據實驗動物的不同，合理控制激素的用量。
3．動物激素調節實驗設計時的注意事項
(1)根據激素的化學本質，選擇不同的實驗方法。多肽和蛋白質類激素一般采用注射法，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。
(2)注意設置對照實驗：如進行注射實驗時空白對照組應不作處理或注射生理鹽水(不可用蒸餾水，進行飼喂實驗時，空白對照組可添加蒸餾水)，也可設置自身前后對照、相互對照等。
(3)生理實驗中要注意排除無關變量的干擾：手術處理、溶解藥物的溶劑、內源激素等。
4．自變量控制中的“加法原理”和“減法原理”
在對照實驗中，控制自變量可以采用“加法原理”或“減法原理”。與常態比較，人為增加某種影響因素的稱為“加法原理”。與常態比較，人為去除某種影響因素的稱為“減法原理”。在動物激素功能探究實驗中常涉及“加法原理”和“減法原理”。如班廷和貝斯特通過摘除健康狗的胰腺造成實驗性糖尿病，然后再給予注射從萎縮胰腺中提取的提取物，前者運用了“減法原理”，后者運用了“加法原理”；在睪丸分泌雄激素的研究中，摘除睪丸和移植睪丸實驗，也同樣分別運用了“減法原理”和“加法原理”。
(二)神經調節實驗設計基本方法歸納
1．判斷傳入神經和傳出神經
設計關鍵：切斷實驗法確認傳入神經與傳出神經。
若切斷某一神經，刺激外周段(遠離中樞的位置)，肌肉不收縮，而刺激向中段(靠近中樞的位置)，肌肉收縮，則切斷的為傳入神經；反之則為傳出神經。
2．反射弧中興奮傳導(傳遞)特點的實驗探究
(1)探究興奮在神經纖維上的傳導
設計關鍵：一般選擇傳出神經中央某點作為實驗對象。
(2)探究興奮在神經元之間的傳遞
設計關鍵：在突觸兩側找兩個刺激位點，一般傳入神經和傳出神經各一個。
3．“藥物阻斷”興奮傳導(傳遞)的實驗
設計關鍵：探究某藥物(如麻醉藥)是阻斷興奮在神經纖維上傳導還是阻斷在突觸處傳遞，可分別將藥物置于神經纖維上或置于突觸處，依據其能否產生“阻斷”效果作出合理推斷。
從“寬度”上拓展訓練
1．(2022·德州三模)針灸是我國傳統文化的重要組成部分。電針刺小鼠后肢的足三里(ST36)穴位，可激活迷走神經和下丘腦—垂體—腎上腺軸，在細菌脂多糖(LPS)引起的炎癥反應中發揮抗炎作用。
(1)迷走神經是從腦干發出的__________(填“軀體運動”或“內臟運動”)神經，可參與調節內臟活動。
(2)科學家以LPS誘發的炎癥小鼠為實驗對象，用適宜強度電針刺ST36，對照組不作任何處理，檢測血清中去甲腎上腺素(NA)和炎癥因子(IL-6)的含量，結果如下圖所示。電針刺ST36對抗LPS誘發的炎癥的機理可能是__________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)位于ST36深層的Prokr2神經元可能是激活迷走神經和下丘腦—垂體—腎上腺軸的關鍵神經元。科研人員通過遺傳學手段獲得在Prokr2神經元中特異性表達光敏蛋白C的小鼠，用藍光刺激ST36可激活Prokr2神經元并產生興奮。請以LPS誘發了炎癥的上述小鼠為材料，設計實驗探究Prokr2神經元是否是激活迷走神經和下丘腦—垂體—腎上腺軸的關鍵神經元，簡要寫出實驗設計思路并預期實驗結果及結論。
解析：(1)迷走神經是從腦干發出的可參與調節內臟活動的內臟運動神經，屬于神經系統中的外周神經系統。(2)由圖可知，實驗組小鼠血清中NA的含量多于對照組，而炎癥因子(IL-6)的含量少于對照組，可推知電針刺ST36可激活迷走神經和下丘腦―垂體—腎上腺軸，促進NA的釋放，降低IL-6的含量進而發揮抗炎作用。(3)實驗設計思路、預期結果及結論見答案。
答案：(1)內臟運動　(2)適宜強度電針刺ST36可激活迷走神經和下丘腦—垂體—腎上腺軸，促進NA的釋放，降低IL-6的含量進而發揮抗炎作用　(3)實驗設計思路：將小鼠均分為甲、乙兩組，甲組去除Prokr2神經元，乙組不去除，兩組都用適宜強度的藍光刺激ST36，相同時間后檢測血清中NA和IL-6的含量。　預期實驗結果及結論：若甲組血清中NA含量低于乙組，IL-6含量高于乙組，則Prokr2神經元是激活迷走神經和下丘腦—垂體—腎上腺軸的關鍵神經元；若甲組血清中NA和IL-6含量與乙組接近，則Prokr2神經元不是激活迷走神經和下丘腦—垂體—腎上腺軸的關鍵神經元。
2．(2022·金華模擬)長期高血糖會引起腦部神經系統受損，導致認知功能出現障礙，引發糖尿病腦病。姜黃素在一定程度上具有降低糖尿病鼠血糖濃度的作用，為了探究姜黃素對糖尿病腦病的影響，科研人員對四組大鼠進行持續12周灌胃處理，24周后測定實驗結果如下表。
組別 實驗材料(大鼠) 實驗處理 (60 mg/d) 體重平 均值/g 血糖濃度 平均值/(mg/dL) 水迷宮逃避潛伏期/s
A 正常 生理鹽水 443.8 6.3 18.9
B 正常 姜黃素 444.4 6.2 20.5
C 糖尿病 腦病 253.5 27.5 68.7
D 糖尿病 腦病 313.2 20.5 34.9
請回答下列問題：
(1)①請補充C組和D組的實驗處理：_______________________。
②比較A、C、D三組實驗結果，可知__________________________________________。
(2)進一步研究糖尿病腦病大鼠時發現，IGF-1(胰島素樣生長因子)具有抑制神經細胞凋亡的作用。檢測上述實驗大鼠腦部神經細胞凋亡率和IGF-1(胰島素樣生長因子)的含量，相關結果數據如下圖所示，請在圖中補充C組和D組柱形圖。
(3)實驗分析：
①胰島素作為信號分子調節血糖。胰島素與靶細胞膜上的_________________結合后，激活細胞內的信號通路，抑制___________________轉化為葡萄糖，促進_______________，從而使血糖濃度降低。
②綜合上述研究，簡述姜黃素治療糖尿病腦病的機理_____________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________。
③研究還發現，長期高血糖會促進β-淀粉樣蛋白(Aβ)合成，Aβ積累可以減少突觸數量和削弱突觸功能，使學習記憶能力下降。請綜合上述實驗結果，提出治療糖尿病腦病的措施______________________________________________________________________________________________(至少兩條)。
解析：(1)①分析題表可知，本實驗的自變量為姜黃素的有無，實驗設計應遵循對照與單一變量原則，根據實驗結果可推測，C組和D組應分別為用生理鹽水、姜黃素處理。②根據表格分析可知，比較A組(正常大鼠＋生理鹽水)、C組(糖尿病腦病大鼠＋生理鹽水)、D組(糖尿病腦病大鼠＋姜黃素)三組的體重平均值、血糖濃度平均值和水迷宮逃避潛伏期可知，姜黃素對糖尿病腦病引起的體重減輕和血糖濃度升高具有緩解作用，能改善腦部的認知障礙。(2)結合題意可知，IGF-1(胰島素樣生長因子)具有抑制神經細胞凋亡的作用，結合上述實驗可繪制圖形，圖形見答案。(3)參見答案。
答案：(1)①生理鹽水、姜黃素　②姜黃素對糖尿病腦病引起的體重減輕和血糖濃度升高具有緩解作用，能改善腦部的認知障礙
(2)
(3)①受體(或特異性受體)　 非糖物質　 組織細胞攝取、儲存、利用葡萄糖　②姜黃素通過增加腦部神經細胞中胰島素樣生長因子(IGF-1)的含量，從而抑制神經元細胞的凋亡，改善神經系統的功能，提高學習記憶能力　③開發抑制Aβ積累或抑制Aβ作用的藥物；開發促進胰島素樣生長因子(IGF-1)基因表達的藥物；開發降血糖的藥物；服用姜黃素；注射胰島素等
[微課微練·一點一評]
1．為研究動物反射行為，科研人員常用脊蛙作實驗材料。脊蛙是指除去大腦，保留脊髓的蛙。懸吊脊蛙，用1%硫酸浸濕的濾紙片貼于脊蛙下腹部，脊蛙會出現搔扒反射，即后肢試圖蹬掉腹部的濾紙。請回答：
(1)搔扒反射屬于________反射，判斷依據是
___________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
完成該反射的必要條件是適宜強度的刺激和________________。
(2)搔扒反射過程中，興奮在神經元之間傳遞的結構基礎是______，方向是______(填“單向”或“雙向”)。
(3)欲要驗證搔扒反射的感受器位于皮膚，實驗設計思路為________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)由于脊蛙已經去掉大腦，故其能完成的均為低級中樞脊髓控制的反射活動，即為非條件反射。完成該反射的必要條件是適宜強度的刺激和完整的反射弧。(2)興奮在神經元之間傳遞的結構基礎是突觸，由于神經遞質只能由突觸前膜釋放作用于突觸后膜，因此突觸傳遞具有單向性。(3)實驗設計思路：去除脊蛙的皮膚，重復上述相同實驗過程，觀察是否出現搔扒反射。
答案：(1)非條件　脊蛙已去除大腦，其能完成的反射均為脊髓控制的非條件反射　完整的反射弧　(2)突觸　單向　(3)去除脊蛙的皮膚，重復上述相同實驗過程，觀察是否出現搔扒反射
2．帕金森病是中老年人常見的一種疾病，其病因是外傷、中毒等造成腦內多巴胺能神經元大量壞死，使腦內多巴胺(一種小分子有機物)這種神經遞質產生數量明顯減少，進而造成運動功能障礙。回答下列問題：
(1)多巴胺能神經元接受刺激時，多巴胺以______方式被釋放到突觸間隙，該釋放方式的意義是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)某科研小組研究發現，藥物X能顯著改善帕金森病模型小鼠的行為能力，并能顯著提高其腦內多巴胺的含量。請通過以下實驗進行驗證。
①實驗步驟：a.將若干只性別、年齡相同，體重、生理狀況相似的帕金森病模型小鼠隨機均分為A、B兩組。b.A組小鼠每天用適量的藥物X(溶解在緩沖液Y中)灌胃，B組小鼠每天用__________________灌胃，其他條件相同。c.一段時間后，觀察兩組小鼠的行為能力并檢測兩組小鼠腦內____________________。
②預期實驗結果：_____________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案：(1)胞吐　多巴胺短時間內被大量釋放，有利于引起突觸后膜迅速產生動作電位　(2)①等量的緩沖液Y　多巴胺的含量　②A組小鼠的行為能力明顯強于B組小鼠，腦內多巴胺含量明顯高于B組小鼠
3．根據信息轉化的類型可將突觸分為化學突觸和電突觸。圖甲表示一種化學突觸的興奮傳遞過程，圖乙表示一種電突觸(突觸間隙很窄，前后膜之間有離子通道連接，依賴帶電離子傳遞電信號)的興奮傳遞過程。
(1)人體內，突觸的連接方式除了軸突—樹突型、軸突—胞體型以外，還有軸突—軸突型、軸突—肌肉型和軸突—腺體型等，由此可知，一個神經元上可能存在神經遞質受體的部位有________________________________________________________________________。
(2)化學突觸和電突觸在信號轉化、信號傳遞方向兩方面的差異在于
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)若要抑制圖甲所示突觸處興奮的傳遞，則可采取的措施有
________________________________________________________________________
____________________________________________________________(答出2點即可)。
(4)現有兩個離體的神經元(a和b)通過突觸相連，為了確定該突觸類型與圖甲相同還是與圖乙相同，有微電壓計、微電極等合適的器材可以使用，寫出簡要的實驗思路：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)神經遞質受體存在于突觸后膜上，神經元的樹突膜、胞體膜、軸突膜都可以作為突觸后膜，因此都可能存在神經遞質受體。(2)化學突觸的信號轉化是電信號→化學信號→電信號，信號傳遞是單向的，電突觸信號轉化是電信號→電信號，信號傳遞是雙向的。(3)抑制突觸前膜上Ca2＋載體蛋白的活性、抑制突觸前膜釋放Ach、抑制突觸后膜上Ach受體的活性等都可以抑制突觸處興奮的傳遞。(4)圖乙是電突觸，信號傳遞是雙向傳遞的。可以給神經元a適宜強度的刺激，檢測神經元b的膜上是否出現膜電位變化，然后給神經元b適宜強度的刺激，檢測神經元a的膜上是否出現膜電位變化。若b和a都有膜電位變化，則與圖乙相同，否則與圖甲相同。
答案：(1)樹突膜、胞體膜、軸突膜　(2)化學突觸的信號轉化是電信號→化學信號→電信號，信號傳遞是單向的，電突觸信號轉化是電信號→電信號，信號傳遞是雙向的　(3)抑制突觸前膜上Ca2＋載體蛋白的活性；抑制突觸前膜釋放Ach；抑制突觸后膜上Ach受體的活性等(答出2點即可)　(4)給神經元a適宜強度的刺激，檢測神經元b的膜上是否出現膜電位變化，然后給神經元b適宜強度的刺激，檢測神經元a的膜上是否出現膜電位變化　
4．甲狀腺激素幾乎作用于體內所有細胞，在大腦中，可以影響神經細胞的結構和突觸傳導，從而影響學習記憶。
(1)在人和高等動物體內，存在神經調節和體液調節，這兩種調節方式之間的關系是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)正常情況下甲狀腺激素的產生途徑符合圖中激素____(填“甲”“乙”或“丙”)的方式。甲狀腺激素與受體結合后，通過影響基因表達發揮生理作用。當全身多數細胞甲狀腺激素受體異常時，患者表現出甲狀腺功能減退癥狀，但若受體異常只發生在垂體和下丘腦，則最終會導致__________分泌過量。
(3)研究發現，甲狀腺激素可以促進海馬區神經營養因子BDNF的合成。BDNF可以選擇性地引起神經元Na＋通道開放，導致神經細胞膜內外電位轉變為__________而產生興奮；也可以促進突觸前膜釋放__________，增強興奮的傳遞過程，從而促進學習記憶。
(4)為了驗證甲狀腺激素具有促進新陳代謝的生理作用，請你根據給出的實驗材料和用具，寫出實驗思路。
①材料和用具：日齡相同、體重相近的雄性成年大白鼠若干只(可簡稱為實驗鼠)，甲狀腺激素溶液，蒸餾水，灌胃器，耗氧量測定裝置等。
②實驗思路：____________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)在人和高等動物生命活動調節過程中，神經調節和體液調節共同協調、相輔相成，一方面，不少內分泌腺直接或間接地受中樞神經系統的調節，在這種情況下，體液調節可以看做神經調節的一個環節。另一方面，內分泌腺分泌的激素也可以影響神經系統的發育和功能。(2)正常情況下甲狀腺激素的產生存在分級調節的過程，符合圖中激素甲的分泌方式。甲狀腺激素的分泌存在(負)反饋調節，當甲狀腺激素受體異常只發生在垂體和下丘腦時，甲狀腺激素對下丘腦和垂體的抑制作用減弱，使促甲狀腺激素釋放激素和促甲狀腺激素分泌增多，從而使甲狀腺激素分泌過量。(3)動作電位形成時，Na＋內流，產生外負內正的動作電位，所以BDNF引起神經元Na＋通道開放后，膜兩側電位轉變為外負內正。神經遞質由突觸前膜釋放，而BDNF也可以促進突觸前膜釋放神經遞質，增強興奮的傳遞過程，從而促進學習記憶。(4)該實驗是為了驗證甲狀腺激素具有促進新陳代謝的生理作用，所以實驗的自變量為是否灌喂甲狀腺激素，通過測定小鼠的耗氧量來比較新陳代謝的快慢，實驗思路見答案。
答案：(1)一方面，不少內分泌腺直接或間接地受中樞神經系統的調節；另一方面，內分泌腺分泌的激素也可以影響神經系統的發育和功能　(2)甲　甲狀腺激素　(3)內正外負　神經遞質　(4)將實驗鼠隨機均分為兩組，并測定兩組小鼠的耗氧量，給實驗組灌喂一定量的甲狀腺激素，對照組灌喂等量的蒸餾水，一段時間后測定兩組小鼠的耗氧量并進行比較

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