建構水池平衡模型 巧解穩態調節試題

四川

受多種因素的影響，生物體內復雜的生理過程會表現出種類、程度各不相同的變化，這些變化往往又在一定范圍內動態進行，即為動態平衡。生理過程的動態平衡分析是生命過程分析的基本內容和方法，也是解析相關高考試題的基本出發點。看似紛繁復雜的生理過程，其本質常常蘊含著一個共同平衡的規律，參照日常生活中的水池平衡原理，可以對生理過程建構水池平衡模型，以求準確理解和分析生理過程的動態平衡，為解析相關高考試題提供方法參考。

1. 水池平衡模型

水池平衡模型：水池中水量的多少取決于進水量和出水量的差值，而進水口和出水口的閥門是調節水池中水量的重要因素，如圖1。當進水量等于出水量時，水池中水量保持動態平衡；當進水量增加，出水量不變或出水量減少或出水增加量小于進水增加量時，即進水量 - 出水量 ＞ 0時，水池中水量增加；當出水量增加，進水量不變或進水量減少或進水增加量小于出水增加量時，即進水量 - 出水量 ＜ 0時，水池中水量減少。

圖1 水池平衡模型

2. 生理過程中水池平衡模型建構實例

2.1 光合作用過程水池平衡模型建構

影響光合作用的因素有多種，外界因素主要有光照條件、CO2濃度、溫度、H2O等，內部因素主要有葉綠體含量、氣孔數量及開放程度、酶的數量及活性、吸收光能的色素含量及種類等。內外因素的改變，將會引起葉綠體內與光合作用有關物質的含量變化，如三碳化合物（C3）、五碳化合物（C5）、NADPH（[H]）、ATP、ADP、CO2等，從而改變光反應和暗反應速率，進而影響光合速率。

在內外影響條件不變的情況下，光合作用（包含光反應和暗反應）處于一個動態平衡，光合作用基本化學反應達到動態平衡，即CO2、H2O光合輸入量與（CH2O）、O2光合輸出量達到平衡，此過程依據水池平衡原理概括為圖2。

圖2 光合作用的輸入和輸出平衡模型

2.1.1 光合速率、凈光合速率和呼吸速率關系分析實例

在總光合速率、凈光合速率和呼吸速率之間，三者關系表示為總光合速率=凈光合速率+呼吸速率，即凈光合速率=總光合速率-呼吸速率。對于具體的植物而言，該等式可以理解為凈光合速率的大小取決于總光合速率與呼吸速率的差值。如果凈光合速率保持動態平衡，即總光合速率與呼吸速率達到相對平衡，此過程依據水池平衡原理概括為圖3。

圖3 凈光合速率與總光合速率和呼吸速率變化模型

2.1.2 葉綠體基質、胞內和胞間CO2含量變化分析實例

CO2是植物進行光合作用的原料，在葉綠體基質中直接參與暗反應的CO2固定過程。葉綠體基質、胞內和胞間CO2來源有兩條途徑，一是通過葉片氣孔吸收外界CO2，二是吸收自身細胞呼吸產生的CO2，其去路為暗反應的CO2固定過程所消耗，此過程依據水池平衡原理可以概括為圖4。

圖4 葉綠體基質、胞內和胞間CO2含量變化模型

在內外影響條件不變的情況下，CO2來源和去路處于一個動態平衡，葉綠體基質、胞內和胞間CO2含量相對穩定。短時間內，當外界條件發生變化時，葉綠體基質、胞內和胞外的CO2含量也會隨之發生短暫性的變化。比如，正常植物處于夏季正午時間，溫度升高，植物蒸騰作用相應增加，水分散失也隨之增多，為防止水分蒸騰過多而導致植物萎蔫，葉片氣孔開放度將減小，甚至關閉。氣孔開放度減小，將會減少CO2的外界吸收量，導致CO2來源減少，在去路（CO2固定速率）不變的情況下，葉綠體基質中的CO2含量會短暫降低，直至降低到限制CO2的固定速率，從而降低光合速率。再如，適當提高外界環境中CO2濃度（此時CO2供應量是限制暗反應的主要因素），增加CO2來源，提高葉綠體基質中的CO2含量，增加CO2固定量，暗反應強度因此而增強，光合速率得以提高。因外界CO2吸收進來，先通過氣孔，再擴散進入細胞之間，最后擴散進入細胞內，故胞內和胞間CO2含量變化也可采用水池平衡原理的“來源和去路”加以分析。

2.1.3 高考試題解析實例

【例1】（2018年，全國卷Ⅲ，第29題節選）回答下列問題：

圖5

（2）植物的葉面積與產量關系密切，葉面積系數（單位土地面積上的葉面積總和）與植物群體光合速率、呼吸速率及干物質積累速率之間的關系如圖5所示。由圖5可知：當葉面積系數小于a時，隨葉面積系數增加，群體光合速率和干物質積累速率均_______。當葉面積系數超過b時，群體干物質積累速率降低，其原因是____________________________。

【解析】圖5中，三者速率等式關系為群體干物質積累速率=群體光合速率-群體呼吸速率，其中群體干物質積累速率即為群體凈光合速率。對于本題第2空，依據圖3凈光合速率的來源和去路分析，當葉面積系數超過b時，群體光合速率基本保持不變，而群體呼吸速率仍在增加，即群體干物質積累速率在來源不變和去路增加的情況下降低，故降低的原因是群體光合速率不變，但群體呼吸速率仍在增加。

【答案】增加 群體光合速率不變，但群體呼吸速率仍在增加，故群體干物質積累速率降低

【例2】（2015年，重慶卷，第4題）將如圖6所示細胞置于密閉容器中培養。在不同光照強度下，細胞內外的CO2和O2濃度在短時間內發生了相應變化。下列敘述錯誤的是 （ ）

圖6 適宜條件下懸浮培養的水稻葉肉細胞示意圖

A.黑暗條件下，①增大、④減小

B.光強低于光補償點時，①③增大

C.光強等于光補償點時，②③保持不變

D.光強等于光飽和點時，②減小、④增大

【解析】根據文中圖4胞外CO2來源和去路分析，黑暗條件下該細胞不能進行光合作用，只能進行細胞呼吸，對于胞外CO2和O2而言，呼吸產生CO2來源和消耗O2去路不變，沒有光合作用的CO2消耗和O2產生，故胞外CO2濃度會增大，而胞外O2濃度會減小，A選項正確；光強低于光補償點時，光合速率小于呼吸速率，即CO2光合消耗量 - CO2呼吸產生量 ＜ 0，O2光合產生量 - O2呼吸消耗量 ＜ 0，因而胞外CO2濃度會增大，而O2濃度會減小，B選項錯誤；光強等于光補償點時，光合速率等于呼吸速率，CO2和O2的來源和去路達到平衡，故胞外CO2濃度和O2濃度保持穩定，C選項正確；光強等于光飽和點時，光合速率大于呼吸速率，即CO2光合消耗量 - CO2呼吸產生量 ＞ 0，O2光合產生量 - O2呼吸消耗量 ＞ 0，該植物需從外界吸收CO2而釋放O2，導致胞內CO2濃度會減小，胞外O2濃度增大，D選項正確。

【答案】B

2.2 神經-激素調節過程水池平衡模型建構

2.2.1 血糖平衡調節實例

明確血糖的來源和去路是分析血糖平衡調節的起始，如圖7。

圖7 血糖的來源和去路模型

血糖平衡調節是水池平衡原理分析的典型實例，血糖濃度的高低取決于血糖來源和去路的差值，調節血糖的來源和去路是維持血糖平衡的直接影響因素。運用水池平衡原理分析血糖平衡調節的機制如圖8。當血糖濃度低于0.8 g/L（即低血糖）時，機體可通過進食消化吸收進行補充血糖，若暫不能進食，則通過激素調節促進血糖的來源，減少血糖的去路；當血糖濃度高于1.2 g/L（即高血糖）時，通過激素調節促進血糖的去路，減少血糖的來源。通過調節，共同維持血糖正常水平（0.8～1.2 g/L）。

圖8 血糖調節模型

在血糖調節的“水池平衡原理”中，血糖來源閥門的開關受胰高血糖素和腎上腺素等升高血糖的激素調節，而血糖去路閥門只受胰島素（唯一降低血糖的激素）調節。從激素作用結果來看，促進血糖升高的胰高血糖素和腎上腺素之間存在協同關系，胰高血糖素、腎上腺素與降低血糖的胰島素存在著拮抗關系。下丘腦雖是血糖平衡調節中樞，但血糖平衡調節主要依靠激素進行調節。

2.2.2 水鹽平衡調節

人體每天都要從飲食中獲得水和無機鹽，同時又要通過多種途徑排出一定的水和無機鹽，以維持內環境的水鹽平衡，水鹽平衡具體表現為內環境滲透壓的平衡。基于水池平衡原理分析水鹽平衡調節機制如圖9。

圖9 水鹽平衡調節模型

在水鹽平衡調節中，下丘腦作為水鹽平衡的調節中樞，大腦皮層作為感覺中樞，通過神經-體液調節維持內環境滲透壓平衡。飲水不足、體內失水過多或吃得過咸，都會導致內環境滲透壓升高，使下丘腦滲透壓感受器接受刺激，下丘腦內分泌部分分泌抗利尿激素，通過下丘腦-垂體通道由垂體釋放，作用于腎小管和集合管，促進其重吸收水，尿量減少，使內環境滲透壓下降；下丘腦還可將興奮通過神經傳送至大腦皮層，產生渴覺，主動飲水，降低內環境滲透壓。當內環境滲透壓低于正常滲透壓時，通過下丘腦可將興奮傳至大腦皮層，產生味淡的感覺，通過主動食鹽升高滲透壓以維持正常滲透壓。

2.2.3 高考試題分析實例

【例3】（2017年，全國卷Ⅲ，第31題）為研究胰島素的生理作用，某同學將禁食一段時間的實驗小鼠隨機分為A、B、C、D四組，A組腹腔注射生理鹽水，B、C、D三組均腹腔注射等量胰島素溶液，一段時間后，B、C、D三組出現反應遲鈍、嗜睡等癥狀，而A組未出現這些癥狀。回答下列問題：

（1）B、C、D三組出現上述癥狀的原因是________。

（2）B、C、D三組出現上述癥狀后進行第二次注射，給B組腹腔注射生理鹽水；為盡快緩解上述癥狀給C組注射某種激素、給D組注射某種營養物質。那么C組注射的激素是________ ，D組注射的營養物質是________。

（3）第二次注射后，C、D兩組的癥狀得到緩解，緩解的機理分別是________________________________________________。

【解析】本題以胰島素的生理作用為切入點考查血糖平衡調節。依據圖8，實驗小鼠在注射胰島素后，促進血糖的去路，當來源不變時，小鼠血糖濃度下降，故第1空出現癥狀的原因是“血糖低于正常水平”；為緩解低血糖癥狀，實質要將小鼠血糖濃度升至正常值，故C組注射“胰高血糖素”和D組注射葡萄糖均可以升高小鼠血糖，其原理依據圖7的血糖來源可解釋為“C 組：胰高血糖素能促進糖原分解和非糖物質轉化為葡萄糖，使血糖水平升高；D 組：葡萄糖直接使血糖水平升高”。

【答案】（1）血糖低于正常水平 （2）胰高血糖素 葡萄糖 （3）C 組：胰高血糖素能促進糖原分解和非糖物質轉化為葡萄糖，使血糖水平升高；D 組：葡萄糖直接使血糖水平升高

3. 模型建構建議

模型與建模是一種重要的科學思維方式，在解答高考生理平衡相關試題中不失為一種有效方法。水池平衡原理又是眾多生理過程動態變化中的共有規律，建構水池平衡模型并運用模型分析，可認識到復雜生理過程中的共有本質，降低理解難度，強化知識的整體性和系統性。在相關生理過程的分析備考和試題解析中，建議首先學習理解實際生活中的水池平衡模型，再結合具體生理過程建構水池平衡模型，分析有關生理過程變化的典型實例，學會從簡單的原理著手分析復雜生理過程，便于理解掌握考點核心內容，使得生理過程試題在簡單原理分析中予以突破。