2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎相關(guān)生物學(xué)試題分析

王士朝

2017年10月2日卡羅琳斯卡研究所的諾貝爾大會決定將“2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎”頒給Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和Michael W. Young，以表彰三人發(fā)現(xiàn)了控制晝夜節(jié)律的分子機制。他們在果蠅體內(nèi)分離出一個控制日常生物節(jié)律的基因，該基因編碼一種夜間積聚在細(xì)胞中的蛋白質(zhì)（PER蛋白），然后在白天降解，隨后，他們發(fā)現(xiàn)了這個機制能影響其他蛋白質(zhì)組分。生物鐘就是靠著這種機制影響著其他多細(xì)胞生物（包括人類）。

一、什么是“晝夜節(jié)律”？

“晝夜節(jié)律”，即是指生命活動以24小時左右為周期的變動。人體的各種生理機能隨之建立了有規(guī)律的晝夜周期，睡眠和醒覺節(jié)律就是一例。

人體的一些生理活動晝夜之間有周期性變化。人的體溫早晨稍低，白天逐漸上升，到黃昏又高一些。新陳代謝活動，白天分解過程旺盛，晚間則同化過程增強。白天交感神經(jīng)活動占優(yōu)勢，夜晚副交感神經(jīng)活動占優(yōu)勢。人體的腎上腺素含量在白天某一時刻達(dá)到一定水平，然后逐漸下降，12小時后再度上升。這些生理變化，一天之中的波動范圍是恒定的，周期和時鐘相似，又稱生物鐘。

二、發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律機制的簡要過程

1984年，洛克菲勒大學(xué)邁克爾·楊以及布蘭戴斯大學(xué)的杰弗理·霍爾和邁克爾·羅斯巴殊團隊先后獨立地成功克隆了per基因。自此，科學(xué)家們開始逐步揭開晝夜節(jié)律的神秘面紗?；魻柡土_斯巴殊的團隊隨后發(fā)現(xiàn)per基因的表達(dá)產(chǎn)物是一種轉(zhuǎn)錄抑制因子，通過抑制自身的表達(dá)而產(chǎn)生周期約24小時的表達(dá)節(jié)律。而楊的實驗室則對7000多個果蠅突變株進行分析，在1994年發(fā)現(xiàn)了另一個核心生物鐘基因Timeless（tim）。 這個基因的表達(dá)產(chǎn)物TIM蛋白，與PER蛋白之間有著重要的相互作用。后來，霍爾、羅斯巴殊與楊進行合作，獲得了更多關(guān)于生物鐘分子調(diào)節(jié)機制的關(guān)鍵信息。他們以果蠅為模式生物，分離出控制生物鐘的基因。

三、晝夜節(jié)律的機制

在轉(zhuǎn)錄因子激活下，per與tim基因不斷表達(dá)。而隨著它們的表達(dá)產(chǎn)物PER和TIM蛋白的增多，這兩種蛋白結(jié)合成異二聚體，在夜間進入細(xì)胞核，抑制轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄活性，從而抑制per與tim自身的轉(zhuǎn)錄。而隨著PER和TIM的降解，轉(zhuǎn)錄因子的激活功能在黎明時得以恢復(fù)，激活per和tim進入新的表達(dá)周期。

從真菌到昆蟲、到哺乳動物，生物鐘的運作機制本質(zhì)上都是相似的。

四、高中生物相關(guān)試題分析

【例1】果蠅的羽化（從蛹變?yōu)橄墸r間有一定晝夜節(jié)律。影響晝夜節(jié)律的野生型基因per及其三個等位基因per5、perL、per01都僅位于X染色體上，突變基因pers、perL、per01分別導(dǎo)致果蠅的羽化節(jié)律的周期變?yōu)?9h（pers）、29h（perL）和無節(jié)律（per01）。圖1所示為野生型及純合突變體l、2、3的羽化節(jié)律，對此分析不正確的是（ ）

A. 由于基因突變的多方向性導(dǎo)致pers、perL、per01出現(xiàn)

B. 突變體1與野生型正交或反交，F(xiàn)1羽化周期均為24h

C. 突變體2雌雄個體相互交配，F(xiàn)1羽化周期大約為19h

D. 突變體3與2雜交，F(xiàn)1雄性的羽化周期與野生型不同

【解析】本題關(guān)鍵是幾個曲線對應(yīng)，野生型四天出現(xiàn)四個波峰，對應(yīng)羽化周期為24h；突變體1周期不明顯，對應(yīng)無節(jié)律；突變體2三天出現(xiàn)四個波峰，對應(yīng)羽化周期為19h；突變體3四天出現(xiàn)三個波峰，對應(yīng)羽化周期為29h。由于基因突變是不定向的，其多方向性導(dǎo)致pers、perL、per01出現(xiàn)，A正確；由于控制晝夜節(jié)律的基因位于X染色體上，且突變體1導(dǎo)致果蠅的羽化節(jié)律的周期變?yōu)闊o節(jié)律，所以突變體1與野生型正交或反交，F(xiàn)1羽化周期有的為24h，有的無節(jié)律，B錯誤；突變體2導(dǎo)致果蠅的羽化節(jié)律的周期變?yōu)?9h，所以雌雄個體相互交配，F(xiàn)1羽化周期大約為19h，C正確；突變體3與2雜交，F(xiàn)1雄性的羽化周期為19h和29h，與野生型24h不同，D正確。

【答案】B

【例2】下列關(guān)于哺乳動物下丘腦的敘述，不正確的是

（ ）

A. 能控制晝夜節(jié)律

B. 能感應(yīng)細(xì)胞外液滲透壓的變化

C. 能分泌促性腺激素

D. 能調(diào)控體溫穩(wěn)定

【解析】下丘腦中存在控制晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)中樞，A正確；下丘腦內(nèi)有滲透壓感受器，能感應(yīng)細(xì)胞外液滲透壓的變化，B正確；促性腺激素由垂體產(chǎn)生，而不是下丘腦，C錯誤；下丘腦內(nèi)有維持體溫相對恒定的體溫調(diào)節(jié)中樞，能調(diào)控體溫穩(wěn)定，D正確。

【答案】C

【例3】科學(xué)家把蟑螂放在實驗室里，人為地將實驗室的白天和黑夜加以顛倒，大約經(jīng)過一個星期，蟑螂就在人造的“黑夜”時間活動（盡管實際上是白天），這種現(xiàn)象不能說明（ ）

A. 動物能感受晝夜節(jié)律信息

B. 光照時間長短對生物活動會造成一定影響

C. 信息傳遞可以影響動物的行為

D. 蟑螂可以感受一切信息刺激

【解析】本實驗只說明蟑螂能夠感受光信息，不能證明其他信息能否被感知。

【答案】D

【例3】人的多種生理生化過程都表現(xiàn)出一定的晝夜節(jié)律。研究表明，下丘腦SCN細(xì)胞中PER基因表達(dá)與此生理過程有關(guān)，其表達(dá)產(chǎn)物的濃度呈周期性變化，下圖為相關(guān)過程。據(jù)此判斷，下列說法錯誤的是（ ）

A. 垂體細(xì)胞也含有PER基因，圖3過程的原料為核糖核苷酸

B. PER基因的表達(dá)過程存在反饋調(diào)節(jié)

C. 圖4中核糖體沿著mRNA從右往左移動

D. 由圖4可知，決定“天”氨基酸的密碼子為GAC

【解析】由于細(xì)胞的全能性，per基因存在于包括垂體細(xì)胞在內(nèi)的所有正常細(xì)胞中。圖3過程為轉(zhuǎn)錄，原料為核糖核苷酸，A正確；據(jù)圖2中的過程③可知，PER蛋白的合成調(diào)節(jié)機制為（負(fù)）反饋調(diào)節(jié)，B正確；核糖體在圖中移動的方向是從左向右，C錯誤；密碼子是mRNA上的三個相鄰的堿基，因此圖4中決定氨基酸“天”的密碼子是GAC，D正確。endprint

【答案】C

【例5】松果體是人體的一種內(nèi)分泌腺，能夠分泌褪黑素。該激素的分泌呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律變化，白天分泌減少，黑夜分泌增加。在人和哺乳動物，生理劑量的褪黑素具有促進睡眠的作用。

（1）褪黑素是人體的一種重要激素，它是色氨酸的一種衍生物。在植物體中也有一種由色氨酸經(jīng)過一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成的激素，其化學(xué)本質(zhì)是________。

（2）切除嚙齒類動物的松果體后，該動物的胸腺和脾臟功能被抑制，主要表現(xiàn)在T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫功能的變化。若再給該動物注射褪黑素，則其免疫功能又會恢復(fù)。由此推測，褪黑素會影響________免疫。

（3）褪黑素能促進垂體對________激素的分泌，進而影響人體的生長發(fā)育。垂體分泌的這種激素與________激素存在協(xié)同作用。

（4）細(xì)胞衰老時，細(xì)胞膜的通透性發(fā)生改變，使物質(zhì)運輸功能________。褪黑素具有抗細(xì)胞衰老作用，其抗細(xì)胞衰老是通過抗自由基的作用來實現(xiàn)的。

（5）科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素對下丘腦-垂體-性腺軸的功能活動有抑制作用。現(xiàn)提供若干只健康的幼年雄性小鼠，請設(shè)計實驗加以驗證。實驗操作：將小鼠平均分成兩組，實驗組________，對照組假手術(shù)處理，將實驗組和對照組的小鼠都放在適宜且相同的環(huán)境下飼養(yǎng)一段時間，測定各組的睪丸重量。

【解析】（1）在植物體中由色氨酸經(jīng)過一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成的激素——生長素，其化學(xué)本質(zhì)是吲哚乙酸。（2）與T細(xì)胞有關(guān)的免疫有體液免疫和細(xì)胞免疫。（3）影響人體的生長發(fā)育且由垂體分泌的激素是生長激素。生長激素與甲狀腺激素在促進生長發(fā)育中存在協(xié)同作用。（4）細(xì)胞衰老時，細(xì)胞膜的通透性發(fā)生改變，使物質(zhì)運輸功能降低。（5）根據(jù)實驗?zāi)康摹膀炞C褪黑素對下丘腦-垂體-性腺軸的功能活動有抑制作用”，設(shè)計實驗的思路應(yīng)是實驗組切除松果體，切斷褪黑素的來源，對照組保留松果體，在相同環(huán)境條件下飼養(yǎng)，測定兩組動物的睪丸重量。

【答案】（1）吲哚乙酸 （2）體液免疫和細(xì)胞免疫（特異性免疫） （3）生長激素 甲狀腺激素 （4）降低 （5）切除松果體

【例6】褪黑素是哺乳動物和人類的松果體產(chǎn)生的一種內(nèi)源激素，其分泌有晝夜節(jié)律，晚上分泌得多，白天分泌得少，具有調(diào)整睡眠的作用。如圖所示為光周期信號通過“視網(wǎng)膜→松果體”途徑對生物鐘的調(diào)控。請回答下列問題：

（1）結(jié)合圖中信息可知褪黑素的分泌是由反射活動產(chǎn)生的結(jié)果，此反射弧的效應(yīng)器是________，調(diào)節(jié)生物鐘的中樞是________。

（2）褪黑素由松果體分泌后，經(jīng)_______運輸?shù)较虑鹉X視交叉上核，褪黑素會反過來影響下丘腦視交叉上核的活動，此過程中存在的調(diào)節(jié)是__________。

（3）有人喜歡長期熬夜玩手機或電腦，從而擾亂了生物鐘，推測其原因是_______。

熬夜時還會導(dǎo)致免疫力下降，褪黑素能通過多種途徑來調(diào)節(jié)免疫功能，研究表明在淋巴細(xì)胞中含有特異性褪黑素受體，說明褪黑素能________，從而影響免疫力。

【解析】結(jié)合圖解分析，光周期信號刺激視網(wǎng)膜上的感受器，產(chǎn)生興奮，傳到下丘腦視交叉上核（SCN），經(jīng)分析和綜合，將興奮傳到效應(yīng)器，支配松果體分泌褪黑素，褪黑素經(jīng)體液運輸，再反饋抑制神經(jīng)中樞——SCN，使褪黑素不再繼續(xù)分泌增多。（1）結(jié)合前面的分析可知，褪黑素的分泌是由反射活動產(chǎn)生。此反射的反射弧上效應(yīng)器包含傳出神經(jīng)末梢及其支配的松果體，調(diào)節(jié)生物鐘的中樞是下丘腦視交叉上核（SCN）。（2）褪黑素由松果體分泌后，經(jīng)體液運輸?shù)较虑鹉X視交叉上核，褪黑素會反過來抑制下丘腦視交叉上核的活動，此過程中存在的調(diào)節(jié)是負(fù)反饋調(diào)節(jié)。（3）長期熬夜玩手機或電腦，可擾亂了生物鐘，原因最可能是手機或電腦的光線抑制了褪黑素的分泌，進而影響睡眠。根據(jù)題意“熬夜時還會導(dǎo)致免疫力下降，在淋巴細(xì)胞中含有特異性褪黑素受體”可知，褪黑素能直接作用于淋巴細(xì)胞，從而影響免疫力。

【答案】（1）傳出神經(jīng)末梢及其支配的松果體 下丘腦視交叉上核（或SCN）（2）體液 （負(fù)）反饋調(diào)節(jié) （3）手機或電腦的光線抑制了褪黑素的分泌，進而影響睡眠 （直接）作用于淋巴細(xì)胞endprint