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

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。

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