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2023届高考生物二轮复习精研重难点(三)动物生理实验题的分析与设计学案
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精研重难点(三) 动物生理实验题的分析与设计从“高度”上研究高考[典例] (2022·全国乙卷)甲状腺激素在促进机体新陈代谢和生长发育过程中发挥重要作用。为了研究动物体内甲状腺激素的合成和调节机制,某研究小组进行了下列相关实验。实验一:将一定量的放射性碘溶液经腹腔注射到家兔体内,一定时间后测定家兔甲状腺的放射性强度。实验二:给甲、乙、丙三组家兔分别经静脉注射一定量的生理盐水、甲状腺激素溶液、促甲状腺激素溶液。一定时间后分别测定三组家兔血中甲状腺激素的含量,发现注射的甲状腺激素和促甲状腺激素都起到了相应的调节作用。回答下列问题。(1)实验一中,家兔甲状腺中检测到碘的放射性,出现这一现象的原因是________________________________________________________________________。(2)根据实验二推测,丙组甲状腺激素的合成量________(填“大于”或“小于”)甲组。乙组和丙组甲状腺激素的合成量________(填“相同”或“不相同”),原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。[解析] (1)碘是合成甲状腺激素的原料,将一定量的放射性碘溶液注射到家兔体内,碘经体液运输到甲状腺滤泡上皮细胞被吸收,参与甲状腺激素的合成。(2)甲组注射生理盐水,对甲状腺的活动没有明显的影响,甲状腺激素的合成与释放维持原来的水平;乙组注射外源甲状腺激素,使机体甲状腺激素含量超过正常水平,会反馈给下丘脑和垂体,从而抑制两者的活动,使机体甲状腺激素合成减少;丙组注射促甲状腺激素,可以促进甲状腺合成和分泌甲状腺激素,导致甲状腺激素合成增加,故三种情况下,丙组甲状腺激素的合成量大于甲组,乙组和丙组甲状腺激素的合成量不相同。[答案] (1)甲状腺吸收碘合成甲状腺激素 (2)大于 不相同 乙组注射外源甲状腺激素,通过负反馈调节使甲状腺激素合成减少,丙组注射促甲状腺激素会促进甲状腺激素的合成从“深度”上提升知能(一)与内分泌腺和激素有关的实验设计归纳1.常用实验方法:切除法、饲喂法、注射法不同激素由于化学本质不同,设计实验时,要根据激素的种类,采取切除、注射或饲喂的方法。2.动物生理实验材料的选择和处理(1)实验分组基本要求:选择性别、年龄、体重、生理状况相似的动物平均分组(随机均分),每组要有数量相等的多只动物。(2)处理:如观察胰岛素、胰高血糖素功能的实验动物一般是先进行饥饿处理。(3)要根据实验动物的不同,合理控制激素的用量。3.动物激素调节实验设计时的注意事项(1)根据激素的化学本质,选择不同的实验方法。多肽和蛋白质类激素一般采用注射法,不宜采用饲喂法;固醇类、氨基酸衍生物类激素可以饲喂,也可以注射。(2)注意设置对照实验:如进行注射实验时空白对照组应不作处理或注射生理盐水(不可用蒸馏水,进行饲喂实验时,空白对照组可添加蒸馏水),也可设置自身前后对照、相互对照等。(3)生理实验中要注意排除无关变量的干扰:手术处理、溶解药物的溶剂、内源激素等。4.自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”在对照实验中,控制自变量可以采用“加法原理”或“减法原理”。与常态比较,人为增加某种影响因素的称为“加法原理”。与常态比较,人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。在动物激素功能探究实验中常涉及“加法原理”和“减法原理”。如班廷和贝斯特通过摘除健康狗的胰腺造成实验性糖尿病,然后再给予注射从萎缩胰腺中提取的提取物,前者运用了“减法原理”,后者运用了“加法原理”;在睾丸分泌雄激素的研究中,摘除睾丸和移植睾丸实验,也同样分别运用了“减法原理”和“加法原理”。(二)神经调节实验设计基本方法归纳1.判断传入神经和传出神经设计关键:切断实验法确认传入神经与传出神经。若切断某一神经,刺激外周段(远离中枢的位置),肌肉不收缩,而刺激向中段(靠近中枢的位置),肌肉收缩,则切断的为传入神经;反之则为传出神经。2.反射弧中兴奋传导(传递)特点的实验探究(1)探究兴奋在神经纤维上的传导设计关键:一般选择传出神经中央某点作为实验对象。(2)探究兴奋在神经元之间的传递设计关键:在突触两侧找两个刺激位点,一般传入神经和传出神经各一个。3.“药物阻断”兴奋传导(传递)的实验设计关键:探究某药物(如麻醉药)是阻断兴奋在神经纤维上传导还是阻断在突触处传递,可分别将药物置于神经纤维上或置于突触处,依据其能否产生“阻断”效果作出合理推断。从“宽度”上拓展训练1.(2022·柳州三模)针灸是我国传统文化的重要组成部分。电针刺小鼠后肢的足三里(ST36)穴位,可激活迷走神经和下丘脑—垂体—肾上腺轴,在细菌脂多糖(LPS)引起的炎症反应中发挥抗炎作用。(1)迷走神经是从脑干发出的__________(填“躯体运动”或“内脏运动”)神经,可参与调节内脏活动。(2)科学家以LPS诱发的炎症小鼠为实验对象,用适宜强度电针刺ST36,对照组不作任何处理,检测血清中去甲肾上腺素(NA)和炎症因子(IL-6)的含量,结果如下图所示。电针刺ST36对抗LPS诱发的炎症的机理可能是____________________________________________________________________________________________________________________。(3)位于ST36深层的Prokr2神经元可能是激活迷走神经和下丘脑—垂体—肾上腺轴的关键神经元。科研人员通过遗传学手段获得在Prokr2神经元中特异性表达光敏蛋白C的小鼠,用蓝光刺激ST36可激活Prokr2神经元并产生兴奋。请以LPS诱发了炎症的上述小鼠为材料,设计实验探究Prokr2神经元是否是激活迷走神经和下丘脑—垂体—肾上腺轴的关键神经元,简要写出实验设计思路并预期实验结果及结论。解析:(1)迷走神经是从脑干发出的可参与调节内脏活动的内脏运动神经,属于神经系统中的外周神经系统。(2)由图可知,实验组小鼠血清中NA的含量多于对照组,而炎症因子(IL-6)的含量少于对照组,可推知电针刺ST36可激活迷走神经和下丘脑―垂体—肾上腺轴,促进NA的释放,降低IL-6的含量进而发挥抗炎作用。(3)实验设计思路、预期结果及结论见答案。答案:(1)内脏运动 (2)适宜强度电针刺ST36可激活迷走神经和下丘脑—垂体—肾上腺轴,促进NA的释放,降低IL-6的含量进而发挥抗炎作用 (3)实验设计思路:将小鼠均分为甲、乙两组,甲组去除Prokr2神经元,乙组不去除,两组都用适宜强度的蓝光刺激ST36,相同时间后检测血清中NA和IL-6的含量。 预期实验结果及结论:若甲组血清中NA含量低于乙组,IL-6含量高于乙组,则Prokr2神经元是激活迷走神经和下丘脑—垂体—肾上腺轴的关键神经元;若甲组血清中NA和IL-6含量与乙组接近,则Prokr2神经元不是激活迷走神经和下丘脑—垂体—肾上腺轴的关键神经元。2.(2022·南昌模拟)长期高血糖会引起脑部神经系统受损,导致认知功能出现障碍,引发糖尿病脑病。姜黄素在一定程度上具有降低糖尿病鼠血糖浓度的作用,为了探究姜黄素对糖尿病脑病的影响,科研人员对四组大鼠进行持续12周灌胃处理,24周后测定实验结果如下表。组别实验材料(大鼠)实验处理(60 mg/d)体重平均值/g血糖浓度平均值/(mg/dL)水迷宫逃避潜伏期/sA正常生理盐水443.86.318.9B正常姜黄素444.46.220.5C糖尿病脑病 253.527.568.7D糖尿病脑病 313.220.534.9请回答下列问题:(1)①请补充C组和D组的实验处理:_______________________。②比较A、C、D三组实验结果,可知________________________________________。(2)进一步研究糖尿病脑病大鼠时发现,IGF-1(胰岛素样生长因子)具有抑制神经细胞凋亡的作用。检测上述实验大鼠脑部神经细胞凋亡率和IGF-1(胰岛素样生长因子)的含量,相关结果数据如下图所示,请在图中补充C组和D组柱形图。(3)实验分析:①胰岛素作为信号分子调节血糖。胰岛素与靶细胞膜上的_________________结合后,激活细胞内的信号通路,抑制___________________转化为葡萄糖,促进_______________,从而使血糖浓度降低。②综合上述研究,简述姜黄素治疗糖尿病脑病的机理____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。③研究还发现,长期高血糖会促进β-淀粉样蛋白(Aβ)合成,Aβ积累可以减少突触数量和削弱突触功能,使学习记忆能力下降。请综合上述实验结果,提出治疗糖尿病脑病的措施______________________________________________________________________________________________(至少两条)。解析:(1)①分析题表可知,本实验的自变量为姜黄素的有无,实验设计应遵循对照与单一变量原则,根据实验结果可推测,C组和D组应分别为用生理盐水、姜黄素处理。②根据表格分析可知,比较A组(正常大鼠+生理盐水)、C组(糖尿病脑病大鼠+生理盐水)、D组(糖尿病脑病大鼠+姜黄素)三组的体重平均值、血糖浓度平均值和水迷宫逃避潜伏期可知,姜黄素对糖尿病脑病引起的体重减轻和血糖浓度升高具有缓解作用,能改善脑部的认知障碍。(2)结合题意可知,IGF-1(胰岛素样生长因子)具有抑制神经细胞凋亡的作用,结合上述实验可绘制图形,图形见答案。(3)参见答案。答案:(1)①生理盐水、姜黄素 ②姜黄素对糖尿病脑病引起的体重减轻和血糖浓度升高具有缓解作用,能改善脑部的认知障碍(2)(3)①受体(或特异性受体) 非糖物质 组织细胞摄取、储存、利用葡萄糖 ②姜黄素通过增加脑部神经细胞中胰岛素样生长因子(IGF-1)的含量,从而抑制神经元细胞的凋亡,改善神经系统的功能,提高学习记忆能力 ③开发抑制Aβ积累或抑制Aβ作用的药物;开发促进胰岛素样生长因子(IGF-1)基因表达的药物;开发降血糖的药物;服用姜黄素;注射胰岛素等 [微课微练·一点一评]1.为研究动物反射行为,科研人员常用脊蛙作实验材料。脊蛙是指除去大脑,保留脊髓的蛙。悬吊脊蛙,用1%硫酸浸湿的滤纸片贴于脊蛙下腹部,脊蛙会出现搔扒反射,即后肢试图蹬掉腹部的滤纸。请回答:(1)搔扒反射属于________反射,判断依据是_______________________________________________________________________________________________________________________________________。完成该反射的必要条件是适宜强度的刺激和______________。(2)搔扒反射过程中,兴奋在神经元之间传递的结构基础是______,方向是______(填“单向”或“双向”)。(3)欲要验证搔扒反射的感受器位于皮肤,实验设计思路为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析:(1)由于脊蛙已经去掉大脑,故其能完成的均为低级中枢脊髓控制的反射活动,即为非条件反射。完成该反射的必要条件是适宜强度的刺激和完整的反射弧。(2)兴奋在神经元之间传递的结构基础是突触,由于神经递质只能由突触前膜释放作用于突触后膜,因此突触传递具有单向性。(3)实验设计思路:去除脊蛙的皮肤,重复上述相同实验过程,观察是否出现搔扒反射。答案:(1)非条件 脊蛙已去除大脑,其能完成的反射均为脊髓控制的非条件反射 完整的反射弧 (2)突触 单向 (3)去除脊蛙的皮肤,重复上述相同实验过程,观察是否出现搔扒反射2.帕金森病是中老年人常见的一种疾病,其病因是外伤、中毒等造成脑内多巴胺能神经元大量坏死,使脑内多巴胺(一种小分子有机物)这种神经递质产生数量明显减少,进而造成运动功能障碍。回答下列问题:(1)多巴胺能神经元接受刺激时,多巴胺以______方式被释放到突触间隙,该释放方式的意义是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)某科研小组研究发现,药物X能显著改善帕金森病模型小鼠的行为能力,并能显著提高其脑内多巴胺的含量。请通过以下实验进行验证。①实验步骤:a.将若干只性别、年龄相同,体重、生理状况相似的帕金森病模型小鼠随机均分为A、B两组。b.A组小鼠每天用适量的药物X(溶解在缓冲液Y中)灌胃,B组小鼠每天用______________灌胃,其他条件相同。c.一段时间后,观察两组小鼠的行为能力并检测两组小鼠脑内______________。②预期实验结果:_________________________________________________________________________________________________________________________________。答案:(1)胞吐 多巴胺短时间内被大量释放,有利于引起突触后膜迅速产生动作电位(2)①等量的缓冲液Y 多巴胺的含量 ②A组小鼠的行为能力明显强于B组小鼠,脑内多巴胺含量明显高于B组小鼠3.根据信息转化的类型可将突触分为化学突触和电突触。图甲表示一种化学突触的兴奋传递过程,图乙表示一种电突触(突触间隙很窄,前后膜之间有离子通道连接,依赖带电离子传递电信号)的兴奋传递过程。(1)人体内,突触的连接方式除了轴突—树突型、轴突—胞体型以外,还有轴突—轴突型、轴突—肌肉型和轴突—腺体型等,由此可知,一个神经元上可能存在神经递质受体的部位有________________________________________________________________________。(2)化学突触和电突触在信号转化、信号传递方向两方面的差异在于________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)若要抑制图甲所示突触处兴奋的传递,则可采取的措施有_____________________________________________________________________________________________________________________________________(答出2点即可)。(4)现有两个离体的神经元(a和b)通过突触相连,为了确定该突触类型与图甲相同还是与图乙相同,有微电压计、微电极等合适的器材可以使用,写出简要的实验思路:________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析:(1)神经递质受体存在于突触后膜上,神经元的树突膜、胞体膜、轴突膜都可以作为突触后膜,因此都可能存在神经递质受体。(2)化学突触的信号转化是电信号→化学信号→电信号,信号传递是单向的,电突触信号转化是电信号→电信号,信号传递是双向的。(3)抑制突触前膜上Ca2+载体蛋白的活性、抑制突触前膜释放Ach、抑制突触后膜上Ach受体的活性等都可以抑制突触处兴奋的传递。(4)图乙是电突触,信号传递是双向传递的。可以给神经元a适宜强度的刺激,检测神经元b的膜上是否出现膜电位变化,然后给神经元b适宜强度的刺激,检测神经元a的膜上是否出现膜电位变化。若b和a都有膜电位变化,则与图乙相同,否则与图甲相同。答案:(1)树突膜、胞体膜、轴突膜 (2)化学突触的信号转化是电信号→化学信号→电信号,信号传递是单向的,电突触信号转化是电信号→电信号,信号传递是双向的 (3)抑制突触前膜上Ca2+载体蛋白的活性;抑制突触前膜释放Ach;抑制突触后膜上Ach受体的活性等(答出2点即可) (4)给神经元a适宜强度的刺激,检测神经元b的膜上是否出现膜电位变化,然后给神经元b适宜强度的刺激,检测神经元a的膜上是否出现膜电位变化4.甲状腺激素几乎作用于体内所有细胞,在大脑中,可以影响神经细胞的结构和突触传导,从而影响学习记忆。(1)在人和高等动物体内,存在神经调节和体液调节,这两种调节方式之间的关系是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)正常情况下甲状腺激素的产生途径符合图中激素____(填“甲”“乙”或“丙”)的方式。甲状腺激素与受体结合后,通过影响基因表达发挥生理作用。当全身多数细胞甲状腺激素受体异常时,患者表现出甲状腺功能减退症状,但若受体异常只发生在垂体和下丘脑,则最终会导致__________分泌过量。(3)研究发现,甲状腺激素可以促进海马区神经营养因子BDNF的合成。BDNF可以选择性地引起神经元Na+通道开放,导致神经细胞膜内外电位转变为________而产生兴奋;也可以促进突触前膜释放________,增强兴奋的传递过程,从而促进学习记忆。(4)为了验证甲状腺激素具有促进新陈代谢的生理作用,请你根据给出的实验材料和用具,写出实验思路。①材料和用具:日龄相同、体重相近的雄性成年大白鼠若干只(可简称为实验鼠),甲状腺激素溶液,蒸馏水,灌胃器,耗氧量测定装置等。②实验思路:_____________________________________________________________________________________________________________________________________。解析:(1)在人和高等动物生命活动调节过程中,神经调节和体液调节共同协调、相辅相成,一方面,不少内分泌腺直接或间接地受中枢神经系统的调节,在这种情况下,体液调节可以看做神经调节的一个环节。另一方面,内分泌腺分泌的激素也可以影响神经系统的发育和功能。(2)正常情况下甲状腺激素的产生存在分级调节的过程,符合图中激素甲的分泌方式。甲状腺激素的分泌存在(负)反馈调节,当甲状腺激素受体异常只发生在垂体和下丘脑时,甲状腺激素对下丘脑和垂体的抑制作用减弱,使促甲状腺激素释放激素和促甲状腺激素分泌增多,从而使甲状腺激素分泌过量。(3)动作电位形成时,Na+内流,产生外负内正的动作电位,所以BDNF引起神经元Na+通道开放后,膜两侧电位转变为外负内正。神经递质由突触前膜释放,而BDNF也可以促进突触前膜释放神经递质,增强兴奋的传递过程,从而促进学习记忆。(4)该实验是为了验证甲状腺激素具有促进新陈代谢的生理作用,所以实验的自变量为是否灌喂甲状腺激素,通过测定小鼠的耗氧量来比较新陈代谢的快慢,实验思路见答案。答案:(1)一方面,不少内分泌腺直接或间接地受中枢神经系统的调节;另一方面,内分泌腺分泌的激素也可以影响神经系统的发育和功能 (2)甲 甲状腺激素 (3)内正外负 神经递质 (4)将实验鼠随机均分为两组,并测定两组小鼠的耗氧量,给实验组灌喂一定量的甲状腺激素,对照组灌喂等量的蒸馏水,一段时间后测定两组小鼠的耗氧量并进行比较
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