例析高中生物中的幾種反饋調(diào)節(jié)模型

1、2）從人體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)維持的角度看，飲用“酸堿性離子水”是否具有生理意義？例析高中生物中的幾種反饋調(diào)節(jié)模型尹利軍(河北省遷安市第一中學(xué)064400)反饋調(diào)節(jié)(feedback)又稱(chēng)回饋調(diào)節(jié)，是控制論的基本概念，指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進(jìn)而影響系統(tǒng)功能的過(guò)程，即將輸出量通過(guò)恰當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過(guò)程。反饋可分為負(fù)反饋和正反饋，反饋信息與原輸入信息起相同作用，使輸出進(jìn)一步增強(qiáng)的調(diào)節(jié)叫做正反饋調(diào)節(jié)；反饋信息與原輸入信息起相反的作用，使輸出減弱的調(diào)節(jié)叫做負(fù)反饋調(diào)節(jié)。在生物系統(tǒng)中，反饋調(diào)節(jié)作為一種重要的生命活動(dòng)調(diào)節(jié)方式，存在于生物的各個(gè)層次和各項(xiàng)生命活動(dòng)之中

2、，本文從生命活動(dòng)的四個(gè)方面對(duì)反饋調(diào)節(jié)模型進(jìn)行例題解析，供學(xué)習(xí)參考。內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)平衡中的反饋調(diào)節(jié)生物體是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一整體，體內(nèi)復(fù)雜精密的調(diào)控機(jī)制使得機(jī)體具有高度的有序性和整體性.一個(gè)正常的生物體內(nèi)的血糖濃度、PH值、體溫、滲透壓等各種理化性質(zhì)，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)總是維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。如，當(dāng)人體血液中葡萄糖的含量發(fā)生變化時(shí)，一方面機(jī)體通過(guò)胰島素和胰高血糖素兩種激素的協(xié)調(diào)作用，使血糖濃度恢復(fù)正常，另一方面也通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)分泌腺間接作用進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，兩方面共同作用最終使血糖濃度恢復(fù)正常；當(dāng)人飲水不足、體內(nèi)失水過(guò)多或吃的食物過(guò)咸，都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞外液滲透壓升高，這時(shí)，下丘腦一方面產(chǎn)生興奮傳至大腦皮層通過(guò)

3、產(chǎn)生渴覺(jué)來(lái)直接調(diào)節(jié)水的攝入量，另一方面通過(guò)分泌抗利尿激素，促進(jìn)對(duì)水分的重吸收，通過(guò)這樣的反饋?zhàn)罱K使細(xì)胞外液滲透壓趨于恢復(fù)正常；血鉀含量過(guò)高或血鈉含量降低時(shí)，通過(guò)醛固酮的分泌使無(wú)機(jī)鹽的濃度恢復(fù)正常；體溫調(diào)節(jié)也是如此，可以通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)和激素的分泌來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)可以看出，每一種理化性質(zhì)發(fā)生波動(dòng)，總會(huì)通過(guò)相關(guān)的生理反饋調(diào)節(jié)過(guò)程達(dá)到平衡，這種平衡就構(gòu)成了穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)不僅是一種生理狀態(tài)，更是復(fù)雜、精密的反饋調(diào)節(jié)的結(jié)果。例1圖1為血糖的生理調(diào)節(jié)模型，判斷錯(cuò)誤的是（）A、血糖升高可直接刺激胰島分泌C,從而使血糖降低的過(guò)程屬于體液調(diào)B、血糖下降刺激下丘腦，通過(guò)神經(jīng)支配胰島分泌D,從而使血糖上升的過(guò)程屬于神經(jīng)調(diào)節(jié)C、C

4、與D表現(xiàn)為拮抗作用D、血糖平衡是神經(jīng)調(diào)節(jié)與體液調(diào)節(jié)共同作用的結(jié)果【解析】根據(jù)C能夠使血糖下降，判斷C是胰島素；D能夠使血糖上升，判斷D是胰高血糖素。血糖升高可直接刺激胰島B細(xì)胞分泌胰島素，是體液調(diào)節(jié)。C、D維持血糖穩(wěn)定，表現(xiàn)為相互拮抗。血糖下降刺激圖下丘腦，通過(guò)神經(jīng)支配胰島分泌D,從而使血糖上升的過(guò)程應(yīng)該屬于神經(jīng)和體液的共同調(diào)節(jié)。答案B例2隨著現(xiàn)代人對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，越來(lái)越多人加入到包裝飲用水的固定消費(fèi)群。各種各樣的包裝飲用水都標(biāo)榜著有益于人體某方面的健康。諸如富氧水（加入氧的純凈水），酸堿性離子水（把水電解為酸性和堿性離子水，人可按需取用，堿性離子水據(jù)說(shuō)對(duì)消化很有幫助），純水（去除了溶解

5、性礦物質(zhì)及其他有害物的水），超凈水，天然礦泉水等等。（1）水對(duì)人體維持基本的生命活動(dòng)至關(guān)重要。寫(xiě)出一項(xiàng)人體內(nèi)水所起的重要生理作用。原因是什么？3）若一天內(nèi)向某人提供的飲食僅是純水和低鹽食物，則其體內(nèi)發(fā)生的主要調(diào)節(jié)過(guò)程是怎樣的？請(qǐng)參考圖2模型詳細(xì)描述?！窘馕觥慨?dāng)人體飲水過(guò)多或鹽丟失過(guò)多都會(huì)使細(xì)胞外液滲透壓降低,會(huì)減少對(duì)下丘腦滲透壓感受器的刺激，一方面減少了抗利尿激素的分泌和釋放，腎臟排出的水分增加；另一方面減少水分的攝入，最終通過(guò)反饋調(diào)節(jié)使細(xì)胞外液滲透壓維持正常。答案（1）營(yíng)造細(xì)胞內(nèi)水環(huán)境，使代謝正常進(jìn)行；體內(nèi)絕大多數(shù)細(xì)胞需浸潤(rùn)在以水為基礎(chǔ)的液體環(huán)境中；輸送養(yǎng)料和廢物；參與細(xì)胞結(jié)構(gòu)等。（答出任意

6、一點(diǎn)即可）（2）否。人體是有酸堿平衡能力的機(jī)體，血漿中有調(diào)節(jié)酸堿平衡的緩沖物質(zhì)（緩沖對(duì)）。（3）細(xì)胞外液滲透壓降低；下丘腦滲透壓感受器和垂體的刺激減弱；抗利尿激素減少；尿量增多、喝水少，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)使細(xì)胞外液滲透壓維持正常。代謝過(guò)程的反饋調(diào)節(jié)生物體內(nèi)的代謝過(guò)程也是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)，反饋調(diào)節(jié)在代謝中起著重要作用，使得代謝過(guò)程中的能量和物質(zhì)能充分發(fā)揮作用，避免其浪費(fèi)。如，大腸桿菌以天冬氨酸為原料，經(jīng)過(guò)一系列的中間反應(yīng)生成甲硫氨酸的途徑中，當(dāng)終端產(chǎn)物甲硫氨酸達(dá)到一定濃度時(shí)，就會(huì)阻止這個(gè)代謝途徑中三種酶的合成，使這些酶的數(shù)量迅速減少，甲硫氨酸的合成量也隨之迅速降低。除了代謝過(guò)程中終端產(chǎn)物過(guò)量積累的反

7、饋導(dǎo)致酶合成受阻以外，在酶活性調(diào)節(jié)過(guò)程中也存在著反饋調(diào)節(jié)。在黃色短桿菌合成賴氨酸、蘇氨酸和甲硫氨酸的途徑中，當(dāng)賴氨酸和蘇氨過(guò)量時(shí)，會(huì)協(xié)同抑制天冬氨酸激酶的活性，使整個(gè)合成停止，但當(dāng)蘇氨酸或賴氨酸單獨(dú)過(guò)量時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)抑制作用.這種反饋抑制的特點(diǎn)是使酶暫時(shí)失去活性，即失去催化能力，從而使代謝迅速停止，當(dāng)終端產(chǎn)物因消耗而濃度降低時(shí)，酶的活性又可以恢復(fù)，這樣就可以避免因細(xì)胞內(nèi)的某些代謝產(chǎn)物合成過(guò)多而其他代謝產(chǎn)物的合成量不足。例3賴氨酸是一種人和動(dòng)物的必需氨基酸，在食品、醫(yī)藥、畜牧業(yè)上需求兩很大。在生產(chǎn)中，通常利用黃色短桿菌來(lái)生產(chǎn)賴氨酸，圖3所示為其代謝途徑模式圖。請(qǐng)據(jù)圖3回答下列問(wèn)題：（1）圖中黃色短

8、桿菌利用合成賴氨酸、蘇氨酸和。天冬氨酸天冬氨酸激酶厘制中間產(chǎn)物I中間產(chǎn)物u高絲氨酸/脫氫酶甲硫氨酸高絲氨酸蘇氨酸賴氨酸圖（2）當(dāng)和都積累過(guò)量時(shí)，就會(huì)抑制天冬氨酸激酶的活性，該過(guò)程屬于的調(diào)節(jié)。（3）賴氨酸是人和動(dòng)物的氨基酸，利用黃色短桿菌大量生產(chǎn)賴氨酸就必須抑制形成。（4）科學(xué)家對(duì)黃色短桿菌進(jìn)行處理，選育出不能合成的菌種，提高了賴氨酸的產(chǎn)量，該過(guò)程屬于。（5）黃色短桿菌合成的賴氨酸是代謝產(chǎn)物，它合成后的存在部位是?！窘馕觥繌狞S色短桿菌合成賴氨酸的途徑看出，蘇氨酸和賴氨酸都積累過(guò)量時(shí)，天冬氨酸激酶的活性受到抑制，使細(xì)胞內(nèi)難以積累賴氨酸，而賴氨酸單獨(dú)過(guò)量就不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象，因此阻止蘇氨酸的生成就可以提

9、高賴氨酸的產(chǎn)量。答案（1）天冬氨酸甲硫氨酸（2）蘇氨酸賴氨酸酶活性（3）必需蘇氨酸（4）誘變高絲氨酸脫氫酶微生物代謝的人工控制（5）初級(jí)細(xì)胞內(nèi)動(dòng)物激素分泌的反饋調(diào)節(jié)人和動(dòng)物體內(nèi)激素的分泌是持續(xù)不斷地進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)的，當(dāng)一種激素分泌后，作用于靶細(xì)胞而引起特異的生理效應(yīng)，與此同時(shí)，血液中該激素的含量又反饋控制著這種激素的分泌.常見(jiàn)的是血液中甲狀腺激素平衡的調(diào)節(jié).當(dāng)血液中甲狀腺激素的含量增加到一定程度時(shí)，就會(huì)抑制下丘腦和垂體的活動(dòng)，使促甲狀腺激素釋放激素和促甲狀腺激素的合成和分泌減少，從而使血液中甲狀腺激素不致過(guò)多；當(dāng)血液中甲狀腺激素的含量降低時(shí)，對(duì)下丘腦和垂體的抑制作用就減弱，使促甲狀腺激素釋放激素

10、和促甲狀腺激素的合成和分泌增加，從而使血液中甲狀腺激素不致過(guò)少.由此可見(jiàn)，在大腦皮層的影響下，下丘腦可以通過(guò)垂體調(diào)節(jié)和控制某些內(nèi)分泌腺中激素的合成和分泌，而激素進(jìn)入血液后，又可以反過(guò)來(lái)調(diào)節(jié)下丘腦和垂體中有關(guān)激素的合成和分泌.通過(guò)反饋調(diào)節(jié)作用，血液中的激素經(jīng)常維持在正常的相對(duì)穩(wěn)定水平。例4圖4表示下丘腦神經(jīng)分泌細(xì)胞、垂體細(xì)胞、甲狀腺細(xì)胞及它們分泌的激素之間的關(guān)系模擬圖。據(jù)圖回答有關(guān)問(wèn)題:圖激素A是。當(dāng)體內(nèi)缺乏元素時(shí)，將導(dǎo)致激素C的合成受阻，該元素進(jìn)入甲狀腺細(xì)胞的運(yùn)輸方式3)人遭遇危險(xiǎn)而情緒緊張時(shí)，血液中激素C的含量將會(huì)這是由于激素A、B的含量_所致。這種生理過(guò)程是由共同調(diào)節(jié)的。如果激素C的合成量

11、過(guò)多時(shí)，激素A、B含量的變化趨勢(shì)是這是一種調(diào)節(jié)機(jī)制。_一+I寒下些垂一甲丘狀【解析】由圖4可以構(gòu)建圖5所示的概念模型下丘腦分泌的促甲狀腺激素釋放激素作用于垂體，垂體釋放的促甲狀腺激素作用于甲狀腺，使甲狀腺激素的分泌量增加，當(dāng)甲狀腺激素超過(guò)正圖常值后，又通過(guò)反饋?zhàn)饔靡种葡虑鹉X和垂體的分泌活動(dòng)，使甲狀腺激素含量下降。碘元素是合成甲狀腺激素的必需元素，它通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞。甲狀腺激素的分泌受神經(jīng)和體液的共同調(diào)節(jié)。答案（1）促甲狀腺激素釋放激素（2）碘主動(dòng)運(yùn)輸（3）增加增加神經(jīng)和體液（激素）（4）下降（負(fù)）反饋生態(tài)系統(tǒng)中的反饋調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的生物在不斷出生和死亡、遷入和遷出；無(wú)機(jī)環(huán)境也在不斷變化，但

12、其結(jié)構(gòu)和功能能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)所具有保持自身結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)穩(wěn)定的能力，以及在受到一定干擾后恢復(fù)到原來(lái)平衡狀態(tài)的能力，叫做生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而這種穩(wěn)定性與生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性有關(guān)。生態(tài)學(xué)家普遍認(rèn)為當(dāng)一個(gè)生物群落的復(fù)雜性升高時(shí)，這個(gè)群落內(nèi)部就存在一個(gè)較強(qiáng)大的反饋系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境的變化和群落內(nèi)部某些種群的波動(dòng)，就會(huì)有較大的緩沖能力.這種高度有序的內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)，是通過(guò)兩類(lèi)反饋機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)的，負(fù)反饋機(jī)制能夠提高內(nèi)穩(wěn)定的程度，正反饋機(jī)制則能破壞內(nèi)穩(wěn)定的狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度決定這兩類(lèi)性質(zhì)完全不同的反饋機(jī)制的平衡.物種數(shù)量、關(guān)聯(lián)度、相互作用強(qiáng)度是形成反饋機(jī)制的基礎(chǔ)，如果這些因素的增加導(dǎo)致更多的負(fù)反饋機(jī)制的產(chǎn)生，穩(wěn)定性就會(huì)隨著復(fù)雜性的增加而增加；如果這些因素的增加導(dǎo)致更多的正反饋機(jī)制的產(chǎn)生，穩(wěn)定性就會(huì)隨著復(fù)雜性的增加而降低.例如：在熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)中，假如其中的某種植食性動(dòng)物大量減少，它在食物網(wǎng)中的位置還可以由這個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的其他多種生物來(lái)代替，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能仍能維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。例5以蟲(chóng)治蟲(chóng)是生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容，圖6是表示某一生態(tài)系統(tǒng)中四種生物所含有機(jī)物的總量。假