建构水池平衡模型 巧解稳态调节试题

四川

受多种因素的影响，生物体内复杂的生理过程会表现出种类、程度各不相同的变化，这些变化往往又在一定范围内动态进行，即为动态平衡。生理过程的动态平衡分析是生命过程分析的基本内容和方法，也是解析相关高考试题的基本出发点。看似纷繁复杂的生理过程，其本质常常蕴含着一个共同平衡的规律，参照日常生活中的水池平衡原理，可以对生理过程建构水池平衡模型，以求准确理解和分析生理过程的动态平衡，为解析相关高考试题提供方法参考。

1. 水池平衡模型

水池平衡模型：水池中水量的多少取决于进水量和出水量的差值，而进水口和出水口的阀门是调节水池中水量的重要因素，如图1。当进水量等于出水量时，水池中水量保持动态平衡；当进水量增加，出水量不变或出水量减少或出水增加量小于进水增加量时，即进水量 - 出水量 ＞ 0时，水池中水量增加；当出水量增加，进水量不变或进水量减少或进水增加量小于出水增加量时，即进水量 - 出水量 ＜ 0时，水池中水量减少。

图1 水池平衡模型

2. 生理过程中水池平衡模型建构实例

2.1 光合作用过程水池平衡模型建构

影响光合作用的因素有多种，外界因素主要有光照条件、CO2浓度、温度、H2O等，内部因素主要有叶绿体含量、气孔数量及开放程度、酶的数量及活性、吸收光能的色素含量及种类等。内外因素的改变，将会引起叶绿体内与光合作用有关物质的含量变化，如三碳化合物（C3）、五碳化合物（C5）、NADPH（[H]）、ATP、ADP、CO2等，从而改变光反应和暗反应速率，进而影响光合速率。

在内外影响条件不变的情况下，光合作用（包含光反应和暗反应）处于一个动态平衡，光合作用基本化学反应达到动态平衡，即CO2、H2O光合输入量与（CH2O）、O2光合输出量达到平衡，此过程依据水池平衡原理概括为图2。

图2 光合作用的输入和输出平衡模型

2.1.1 光合速率、净光合速率和呼吸速率关系分析实例

在总光合速率、净光合速率和呼吸速率之间，三者关系表示为总光合速率=净光合速率+呼吸速率，即净光合速率=总光合速率-呼吸速率。对于具体的植物而言，该等式可以理解为净光合速率的大小取决于总光合速率与呼吸速率的差值。如果净光合速率保持动态平衡，即总光合速率与呼吸速率达到相对平衡，此过程依据水池平衡原理概括为图3。

图3 净光合速率与总光合速率和呼吸速率变化模型

2.1.2 叶绿体基质、胞内和胞间CO2含量变化分析实例

CO2是植物进行光合作用的原料，在叶绿体基质中直接参与暗反应的CO2固定过程。叶绿体基质、胞内和胞间CO2来源有两条途径，一是通过叶片气孔吸收外界CO2，二是吸收自身细胞呼吸产生的CO2，其去路为暗反应的CO2固定过程所消耗，此过程依据水池平衡原理可以概括为图4。

图4 叶绿体基质、胞内和胞间CO2含量变化模型

在内外影响条件不变的情况下，CO2来源和去路处于一个动态平衡，叶绿体基质、胞内和胞间CO2含量相对稳定。短时间内，当外界条件发生变化时，叶绿体基质、胞内和胞外的CO2含量也会随之发生短暂性的变化。比如，正常植物处于夏季正午时间，温度升高，植物蒸腾作用相应增加，水分散失也随之增多，为防止水分蒸腾过多而导致植物萎蔫，叶片气孔开放度将减小，甚至关闭。气孔开放度减小，将会减少CO2的外界吸收量，导致CO2来源减少，在去路（CO2固定速率）不变的情况下，叶绿体基质中的CO2含量会短暂降低，直至降低到限制CO2的固定速率，从而降低光合速率。再如，适当提高外界环境中CO2浓度（此时CO2供应量是限制暗反应的主要因素），增加CO2来源，提高叶绿体基质中的CO2含量，增加CO2固定量，暗反应强度因此而增强，光合速率得以提高。因外界CO2吸收进来，先通过气孔，再扩散进入细胞之间，最后扩散进入细胞内，故胞内和胞间CO2含量变化也可采用水池平衡原理的“来源和去路”加以分析。

2.1.3 高考试题解析实例

【例1】（2018年，全国卷Ⅲ，第29题节选）回答下列问题：

图5

（2）植物的叶面积与产量关系密切，叶面积系数（单位土地面积上的叶面积总和）与植物群体光合速率、呼吸速率及干物质积累速率之间的关系如图5所示。由图5可知：当叶面积系数小于a时，随叶面积系数增加，群体光合速率和干物质积累速率均_______。当叶面积系数超过b时，群体干物质积累速率降低，其原因是____________________________。

【解析】图5中，三者速率等式关系为群体干物质积累速率=群体光合速率-群体呼吸速率，其中群体干物质积累速率即为群体净光合速率。对于本题第2空，依据图3净光合速率的来源和去路分析，当叶面积系数超过b时，群体光合速率基本保持不变，而群体呼吸速率仍在增加，即群体干物质积累速率在来源不变和去路增加的情况下降低，故降低的原因是群体光合速率不变，但群体呼吸速率仍在增加。

【答案】增加 群体光合速率不变，但群体呼吸速率仍在增加，故群体干物质积累速率降低

【例2】（2015年，重庆卷，第4题）将如图6所示细胞置于密闭容器中培养。在不同光照强度下，细胞内外的CO2和O2浓度在短时间内发生了相应变化。下列叙述错误的是 （ ）

图6 适宜条件下悬浮培养的水稻叶肉细胞示意图

A.黑暗条件下，①增大、④减小

B.光强低于光补偿点时，①③增大

C.光强等于光补偿点时，②③保持不变

D.光强等于光饱和点时，②减小、④增大

【解析】根据文中图4胞外CO2来源和去路分析，黑暗条件下该细胞不能进行光合作用，只能进行细胞呼吸，对于胞外CO2和O2而言，呼吸产生CO2来源和消耗O2去路不变，没有光合作用的CO2消耗和O2产生，故胞外CO2浓度会增大，而胞外O2浓度会减小，A选项正确；光强低于光补偿点时，光合速率小于呼吸速率，即CO2光合消耗量 - CO2呼吸产生量 ＜ 0，O2光合产生量 - O2呼吸消耗量 ＜ 0，因而胞外CO2浓度会增大，而O2浓度会减小，B选项错误；光强等于光补偿点时，光合速率等于呼吸速率，CO2和O2的来源和去路达到平衡，故胞外CO2浓度和O2浓度保持稳定，C选项正确；光强等于光饱和点时，光合速率大于呼吸速率，即CO2光合消耗量 - CO2呼吸产生量 ＞ 0，O2光合产生量 - O2呼吸消耗量 ＞ 0，该植物需从外界吸收CO2而释放O2，导致胞内CO2浓度会减小，胞外O2浓度增大，D选项正确。

【答案】B

2.2 神经-激素调节过程水池平衡模型建构

2.2.1 血糖平衡调节实例

明确血糖的来源和去路是分析血糖平衡调节的起始，如图7。

图7 血糖的来源和去路模型

血糖平衡调节是水池平衡原理分析的典型实例，血糖浓度的高低取决于血糖来源和去路的差值，调节血糖的来源和去路是维持血糖平衡的直接影响因素。运用水池平衡原理分析血糖平衡调节的机制如图8。当血糖浓度低于0.8 g/L（即低血糖）时，机体可通过进食消化吸收进行补充血糖，若暂不能进食，则通过激素调节促进血糖的来源，减少血糖的去路；当血糖浓度高于1.2 g/L（即高血糖）时，通过激素调节促进血糖的去路，减少血糖的来源。通过调节，共同维持血糖正常水平（0.8～1.2 g/L）。

图8 血糖调节模型

在血糖调节的“水池平衡原理”中，血糖来源阀门的开关受胰高血糖素和肾上腺素等升高血糖的激素调节，而血糖去路阀门只受胰岛素（唯一降低血糖的激素）调节。从激素作用结果来看，促进血糖升高的胰高血糖素和肾上腺素之间存在协同关系，胰高血糖素、肾上腺素与降低血糖的胰岛素存在着拮抗关系。下丘脑虽是血糖平衡调节中枢，但血糖平衡调节主要依靠激素进行调节。

2.2.2 水盐平衡调节

人体每天都要从饮食中获得水和无机盐，同时又要通过多种途径排出一定的水和无机盐，以维持内环境的水盐平衡，水盐平衡具体表现为内环境渗透压的平衡。基于水池平衡原理分析水盐平衡调节机制如图9。

图9 水盐平衡调节模型

在水盐平衡调节中，下丘脑作为水盐平衡的调节中枢，大脑皮层作为感觉中枢，通过神经-体液调节维持内环境渗透压平衡。饮水不足、体内失水过多或吃得过咸，都会导致内环境渗透压升高，使下丘脑渗透压感受器接受刺激，下丘脑内分泌部分分泌抗利尿激素，通过下丘脑-垂体通道由垂体释放，作用于肾小管和集合管，促进其重吸收水，尿量减少，使内环境渗透压下降；下丘脑还可将兴奋通过神经传送至大脑皮层，产生渴觉，主动饮水，降低内环境渗透压。当内环境渗透压低于正常渗透压时，通过下丘脑可将兴奋传至大脑皮层，产生味淡的感觉，通过主动食盐升高渗透压以维持正常渗透压。

2.2.3 高考试题分析实例

【例3】（2017年，全国卷Ⅲ，第31题）为研究胰岛素的生理作用，某同学将禁食一段时间的实验小鼠随机分为A、B、C、D四组，A组腹腔注射生理盐水，B、C、D三组均腹腔注射等量胰岛素溶液，一段时间后，B、C、D三组出现反应迟钝、嗜睡等症状，而A组未出现这些症状。回答下列问题：

（1）B、C、D三组出现上述症状的原因是________。

（2）B、C、D三组出现上述症状后进行第二次注射，给B组腹腔注射生理盐水；为尽快缓解上述症状给C组注射某种激素、给D组注射某种营养物质。那么C组注射的激素是________ ，D组注射的营养物质是________。

（3）第二次注射后，C、D两组的症状得到缓解，缓解的机理分别是________________________________________________。

【解析】本题以胰岛素的生理作用为切入点考查血糖平衡调节。依据图8，实验小鼠在注射胰岛素后，促进血糖的去路，当来源不变时，小鼠血糖浓度下降，故第1空出现症状的原因是“血糖低于正常水平”；为缓解低血糖症状，实质要将小鼠血糖浓度升至正常值，故C组注射“胰高血糖素”和D组注射葡萄糖均可以升高小鼠血糖，其原理依据图7的血糖来源可解释为“C 组：胰高血糖素能促进糖原分解和非糖物质转化为葡萄糖，使血糖水平升高；D 组：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 组：胰高血糖素能促进糖原分解和非糖物质转化为葡萄糖，使血糖水平升高；D 组：葡萄糖直接使血糖水平升高

3. 模型建构建议

模型与建模是一种重要的科学思维方式，在解答高考生理平衡相关试题中不失为一种有效方法。水池平衡原理又是众多生理过程动态变化中的共有规律，建构水池平衡模型并运用模型分析，可认识到复杂生理过程中的共有本质，降低理解难度，强化知识的整体性和系统性。在相关生理过程的分析备考和试题解析中，建议首先学习理解实际生活中的水池平衡模型，再结合具体生理过程建构水池平衡模型，分析有关生理过程变化的典型实例，学会从简单的原理着手分析复杂生理过程，便于理解掌握考点核心内容，使得生理过程试题在简单原理分析中予以突破。