淺析“穩(wěn)態(tài)與平衡”思想在復(fù)習(xí)中的應(yīng)用
——以“生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與信息交流的關(guān)系”為例

河北 尹利軍 邵國典

學(xué)科知識、學(xué)科能力、學(xué)科思想是學(xué)科體系的三個要素，生物科學(xué)經(jīng)歷了長期的研究發(fā)展過程，逐漸形成了自身特有的知識體系和方法體系，且在此基礎(chǔ)上形成了哲學(xué)層次的學(xué)科思想，并將該思想貫穿于生物學(xué)科本身，指導(dǎo)生物學(xué)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，落實立德樹人的育人目標(biāo)。經(jīng)過凝練，生物學(xué)科思想包括生命觀念中的物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀等，這些學(xué)科思想在教學(xué)中的應(yīng)用，有利于學(xué)生對生物學(xué)重要概念、原理的理解和掌握，以及對生物學(xué)科本質(zhì)的理解，最終讓學(xué)生形成自身獨特的生命觀念。生物學(xué)科思想也是高考命題的主要依據(jù)之一，它可以對學(xué)生的知識系統(tǒng)、能力系統(tǒng)進(jìn)行檢驗，實現(xiàn)為國選拔英才的教育目標(biāo)。為提高復(fù)習(xí)針對性，筆者在高三復(fù)習(xí)中，運(yùn)用生物學(xué)科思想之一——“穩(wěn)態(tài)與平衡”思想串聯(lián)復(fù)習(xí)，讓學(xué)生在生命系統(tǒng)中掌握知識，將碎片化的知識網(wǎng)絡(luò)化、結(jié)構(gòu)化，取得了良好的教學(xué)效果，現(xiàn)以生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次為基礎(chǔ)，從細(xì)胞→個體→群體等方面分析生命系統(tǒng)信息交流與各層次系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的關(guān)系，以期為教師教學(xué)提供參考。

1.利用問題串建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)，初步建構(gòu)不同層次的穩(wěn)態(tài)與平衡

生命系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，它與外界環(huán)境之間不斷進(jìn)行物質(zhì)交流、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞（交流），使生命系統(tǒng)時刻處于一種動態(tài)平衡之中，讓各層次的生命活動有序、高效地進(jìn)行，進(jìn)而適應(yīng)不同的環(huán)境。筆者在復(fù)習(xí)中，要引導(dǎo)學(xué)生將教材中不同模塊中有關(guān)穩(wěn)態(tài)與平衡的碎片化知識進(jìn)行整合，使知識系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，進(jìn)而理解穩(wěn)態(tài)與平衡思想對生命系統(tǒng)的重要性。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，筆者要先找到能將不同教材中相關(guān)知識點串聯(lián)的“線”，經(jīng)過師生共同思考研究，最終定位到人教版高中生物教材必修1“細(xì)胞膜的功能”中敘述的信息分子上，筆者設(shè)計以下問題引導(dǎo)學(xué)生思考：①教材中涉及的信息分子有哪些，其化學(xué)本質(zhì)分別是哪種物質(zhì)？②信息分子在不同的生命結(jié)構(gòu)層次中的作用有哪些（舉例說明），信息分子最終使生命系統(tǒng)達(dá)到何種狀態(tài)？不同生命層次的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)方式是什么，其調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)是什么？

經(jīng)過學(xué)生獨立思考及學(xué)習(xí)小組討論，最終師生達(dá)成一致意見，認(rèn)同信息交流是各層次生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)，它能將不同生命系統(tǒng)形成統(tǒng)一整體，調(diào)節(jié)生命系統(tǒng)的生長、發(fā)育及細(xì)胞、個體的繁殖活動，提高各系統(tǒng)的工作效率，使其適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。此過程中筆者引導(dǎo)學(xué)生梳理知識，建構(gòu)信息交流與生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)系的概念圖（如圖1），讓學(xué)生初步形成穩(wěn)態(tài)與平衡觀的學(xué)科思想。

圖1 信息交流與生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的關(guān)系

2.從不同層面深化學(xué)習(xí)，理解信息交流與穩(wěn)態(tài)的關(guān)系

（1）細(xì)胞間的信息交流使細(xì)胞生命活動有序進(jìn)行

細(xì)胞是生命系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位，必須保證它的完整性及內(nèi)部的穩(wěn)定與平衡才能使各種生命活動正常進(jìn)行，而該過程離不開細(xì)胞間及細(xì)胞內(nèi)部的信息交流，如植物細(xì)胞生長與各種激素分子有關(guān)；神經(jīng)元完成反射活動及免疫細(xì)胞與抗原作用，需要神經(jīng)遞質(zhì)、淋巴因子等信號分子傳遞信息，使細(xì)胞內(nèi)部遺傳信息的表達(dá)及代謝活動得以正常進(jìn)行。正是由于這些信息交流，才讓細(xì)胞這一最基本的生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次保持自身的穩(wěn)態(tài)與平衡，讓細(xì)胞生命活動高效、有序地進(jìn)行。

【例1】圖2中a表示某動物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分泌的基本途徑與類型，b為含氮類激素和類固醇類激素的作用原理，據(jù)圖2回答下列問題：

圖2 細(xì)胞間、細(xì)胞內(nèi)部信息交流與穩(wěn)態(tài)的關(guān)系

（1）圖2的a中①和⑦表示的生理過程可以發(fā)生在細(xì)胞的____________中，以滿足細(xì)胞內(nèi)生命活動的正常進(jìn)行，其圖2的a中內(nèi)膜上進(jìn)行的生理過程為______________。

（2）圖2的a中途徑②和⑧分別表示蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的非分泌途徑和分泌途徑。據(jù)圖2的a分析，決定其不同途徑的因素是______________________。如果⑧或⑨過程受阻，則會影響溶酶體功能，進(jìn)而影響細(xì)胞生命活動，那么，溶酶體具有______________功能。

（3）若激素為抗利尿激素，則其合成和釋放的部位分別是________________，該激素在圖2的b中的受體為___________（填圖中標(biāo)注），激素與受體結(jié)合后引起的生理效應(yīng)是____________________________，該過程體現(xiàn)細(xì)胞膜的__________功能。

【答案】（1）細(xì)胞核、線粒體 氧氣與[H]結(jié)合產(chǎn)生水，釋放大量能量 （2）信號（肽）序列 分解衰老、損傷的細(xì)胞器，吞噬并殺死侵入細(xì)胞的病毒或病菌 （3）下丘腦、垂體 受體b 使腎小管和集合管對水的重吸收作用增強(qiáng) 信息交流（傳遞）

【分析】例1以細(xì)胞生理活動圖為命題情境，綜合考查信息交流與細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的密切關(guān)系。從知識層面，該題考查細(xì)胞的物質(zhì)組成、細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成與運(yùn)輸、信息分子的作用原理、遺傳信息的表達(dá)等內(nèi)容；從能力層面，該題考查學(xué)生識圖能力，結(jié)合所學(xué)知識，運(yùn)用歸納與推理、批判性思維等科學(xué)思維方法分析、解決問題的能力。（1）圖2的a中①和⑦表示的生理過程為轉(zhuǎn)錄，在真核細(xì)胞中能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的場所是細(xì)胞核、葉綠體和線粒體，結(jié)合題干信息可確定答案為細(xì)胞核和線粒體，圖2的a中線粒體內(nèi)膜是有氧呼吸第三階段的場所，所以發(fā)生的生理過程是氧氣與[H]結(jié)合產(chǎn)生水，釋放大量能量；（2）從圖2的a中可以分析出核糖體合成的蛋白質(zhì)運(yùn)輸途徑取決于蛋白質(zhì)的信號序列，有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號序列的則運(yùn)輸?shù)絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)，否則進(jìn)入不同細(xì)胞器中，溶酶體內(nèi)的酶需要內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體加工，如果⑧或⑨過程受阻，會影響溶酶體分解衰老、損傷的細(xì)胞器，吞噬并殺死侵入細(xì)胞的病毒或病菌等功能，進(jìn)而影響細(xì)胞自身生命活動；（3）抗利尿激素是多肽類物質(zhì)，不能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，它由下丘腦內(nèi)的分泌細(xì)胞合成和分泌，通過下丘腦-垂體束運(yùn)送至垂體中，需要時則由垂體釋放，它作用于腎小管和集合管相關(guān)細(xì)胞膜上的受體，導(dǎo)致相應(yīng)細(xì)胞對水的通透性增強(qiáng)，促進(jìn)對水的重吸收，該過程涉及受體與信息分子識別和結(jié)合，故能反映細(xì)胞膜的信息交流功能。

（2）個體穩(wěn)態(tài)及生長發(fā)育離不開信息交流

由細(xì)胞構(gòu)成的具有復(fù)雜組織、器官的個體，只有各組織、器官的功能協(xié)調(diào)統(tǒng)一，才能讓個體完成復(fù)雜的生命活動，適應(yīng)復(fù)雜多變的外界環(huán)境。而能完成此項調(diào)節(jié)任務(wù)的主要信息分子是各種激素、神經(jīng)遞質(zhì)等，它們通過不同方式影響細(xì)胞的代謝途徑或細(xì)胞遺傳信息的表達(dá)，使機(jī)體的內(nèi)環(huán)境處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，保證由多種細(xì)胞構(gòu)成的個體正常進(jìn)行生命活動。

【例2】甲、乙、丙三人在一次社區(qū)健康日活動中檢測出尿糖超標(biāo)，為進(jìn)一步確定是否患糖尿病，他們依據(jù)規(guī)定又進(jìn)行了血液檢測。圖3中a、b所示為空腹及餐后測定的血糖及胰島素濃度，圖4為胰島素對血糖調(diào)節(jié)原理示意圖。糖尿病患者血糖濃度標(biāo)準(zhǔn)為空腹≥7.0 mmol/L，餐后2 h≥11.1 mmol/L，請回答下列問題：

圖3 空腹及餐后血糖及胰島素濃度

圖4 胰島素作用原理

（1）正常人血糖濃度一般在_____________g/L范圍內(nèi)，血糖的來源有___________________。

（2）據(jù)圖3初步判斷__________是糖尿病患者，需復(fù)查血糖?；颊叱Ｒ蜓菨舛壬邔?dǎo)致細(xì)胞外液滲透壓升高，__________產(chǎn)生渴感，表現(xiàn)為“多飲”。

（3）除糖尿病外，尿糖超標(biāo)的原因還可能有____________（填序號）。

①一次性攝糖過多

②低血糖患者

③抗利尿激素分泌不足

④腎小管重吸收功能障礙

（4）結(jié)合圖3的a、b中的曲線分析，乙出現(xiàn)上述檢測結(jié)果的原因是自身抗體競爭性結(jié)合靶細(xì)胞膜上的胰島素受體，該種情況向患者注射高濃度胰島素______（填“有效”或“無效”），原因是____________________________。

（5）圖4為胰島素調(diào)節(jié)血糖原理，當(dāng)胰島素與________結(jié)合后，一方面促進(jìn)____________的合成；另一方面使細(xì)胞膜上__________________增加，促進(jìn)葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞。除此之外，胰島素的作用還表現(xiàn)在能促進(jìn)________________，同時抑制非糖物質(zhì)（脂肪、蛋白質(zhì)等）轉(zhuǎn)化為葡萄糖。影響胰島素分泌的主要因素是________，其一方面可以直接作用于胰島B細(xì)胞以調(diào)節(jié)胰島素的分泌；另一方面也可作用于胰島組織中的神經(jīng)末梢或血管內(nèi)的感受器，反射性地引起胰島素分泌。因此血糖平衡受____________共同調(diào)節(jié)。

【答案】（1）0.8～1.2 食物中糖類的消化吸收、肝糖原的分解、非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化 （2）甲、乙 大腦皮層 （3）①④ （4）有效 乙出現(xiàn)的原因是自身抗體競爭性結(jié)合靶細(xì)胞膜上的胰島素受體，注射高濃度胰島素能增強(qiáng)胰島素的競爭能力 （5）胰島素受體蛋白質(zhì)、脂肪、糖原 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 糖類的氧化分解 血糖濃度 神經(jīng)-體液（激素）

【分析】例2以曲線圖和示意圖為載體，以糖尿病發(fā)病原因及調(diào)節(jié)為命題背景，考查人體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)及其調(diào)節(jié)的相關(guān)知識，從知識角度考查血糖調(diào)節(jié)過程和水鹽平衡調(diào)節(jié)過程，從學(xué)科核心素養(yǎng)角度考查學(xué)生識圖分析能力、語言表達(dá)能力和運(yùn)用歸納與推理、批判性思維等科學(xué)思維解決問題的能力，促使學(xué)生關(guān)注社會上有關(guān)生物學(xué)的熱點問題，培養(yǎng)學(xué)生宣傳健康的生活方式等社會責(zé)任意識。（1）人體血糖的濃度及來源的設(shè)問主要是考查學(xué)生對教材知識的掌握程度；（2）根據(jù)題干敘述并結(jié)合圖3可以判斷甲、乙血糖和胰島素含量異常，為糖尿病患者，患者不能有效利用血糖導(dǎo)致血糖通過尿液排出，該過程使細(xì)胞外液滲透壓升高，下丘腦滲透壓感受器興奮，分泌抗利尿激素增加，大腦皮層興奮，產(chǎn)生渴覺，主動飲水；（3）尿糖超標(biāo)原因較多，除糖尿病外，正常人一次攝入糖類較多或腎臟對原尿中葡萄糖重吸收發(fā)生障礙，也能導(dǎo)致尿糖超標(biāo)；（4）糖尿病出現(xiàn)原因有胰島素分泌不足，胰島素不能與相應(yīng)受體結(jié)合，及組織細(xì)胞上的胰島素受體受損或不足等，如果糖尿病人發(fā)病的原因是自身抗體競爭性結(jié)合靶細(xì)胞膜上的胰島素受體，可注射高濃度胰島素，使胰島素與抗體在與受體結(jié)合中占有優(yōu)勢，能有效治療糖尿?。唬?）正常人進(jìn)食后分泌的胰島素與胰島素受體結(jié)合，可以促進(jìn)葡萄糖進(jìn)入組織參與氧化分解、促進(jìn)肝糖原和肌糖原的合成，還可以促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)化為非糖物質(zhì)。同時會抑制肝糖原分解及非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化為葡萄糖，從而達(dá)到降血糖的目的。學(xué)生結(jié)合圖4及所學(xué)知識，可以準(zhǔn)確答出胰島素降低血糖的原理及調(diào)節(jié)方式。

（3）群體信息交流使生態(tài)系統(tǒng)保持穩(wěn)態(tài)

生物個體間及生物與環(huán)境間通過共同進(jìn)化，形成生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。在生態(tài)系統(tǒng)中，信息種類主要有三種，分別是物理信息、化學(xué)信息、行為信息，這些信息對于個體的生存和種群的繁衍有重要作用，同時對于調(diào)節(jié)種間個體數(shù)量、維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與平衡具有重要意義。

【例3】生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與能量的輸入和輸出有關(guān)，也與信息傳遞有關(guān)。圖5中甲是一個草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的示意圖，乙是該生態(tài)系統(tǒng)中鼠攝食后能量流向的示意圖（a～e代表過程，A～C代表能量）。請據(jù)圖5回答下列問題：

圖5

（1）草原群落中的碳元素進(jìn)入無機(jī)環(huán)境的途徑是________（填圖5甲中的字母），若該草原向森林群落進(jìn)行演替，則這一過程中，生產(chǎn)者對CO2的吸收量將________（填“大于”“小于”或“等于”）整個生物群落排出的CO2量，生態(tài)系統(tǒng)的_________穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。

（2）圖5乙中的A表示鼠同化的總能量，B的含義為________________________________。

（3）為控制草原鼠害，對鼠的種群密度調(diào)查宜采用__________法；某時期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該草原鼠種群的年齡組成如圖5丙，該鼠種群數(shù)量變化趨勢是__________。

（4）狼能夠依據(jù)鼠留下的氣味去捕食，鼠同樣也能夠依據(jù)狼的氣味或行為躲避獵捕，狼和鼠的種間數(shù)量保持相對穩(wěn)定說明信息傳遞能__________________，以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

【答案】（1）d 大于 抵抗力 （2）鼠用于生長、發(fā)育和繁殖的能量（或鼠體內(nèi)儲存的能量） （3）標(biāo)志重捕 逐漸增加 （4）調(diào)節(jié)種間關(guān)系

【分析】例3以生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量輸入和輸出關(guān)系為命題情境，考查生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素。從知識的角度考查生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與物質(zhì)循環(huán)和能量流動的關(guān)系，以及生態(tài)系統(tǒng)種群特征中的年齡組成對種群數(shù)量的影響；從能力與學(xué)科核心素養(yǎng)的角度考查學(xué)生運(yùn)用推理、判斷等科學(xué)思維方法分析、解決問題的能力，試題難度不大，主要考查學(xué)生對所學(xué)知識的運(yùn)用。（1）草原群落中的碳元素，是通過動植物的細(xì)胞呼吸以及分解者的分解作用進(jìn)入無機(jī)環(huán)境的，其途徑為圖5甲中的d，若此草原向森林群落進(jìn)行演替，則生產(chǎn)者及消費者的種類和數(shù)量會越來越多，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，生產(chǎn)者對CO2的吸收量將大于整個生物群落排出的CO2量，生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)；（2）圖5乙是該生態(tài)系統(tǒng)中鼠攝食后能量流動的示意圖，其中A表示鼠同化的總能量，B表示鼠用于生長、發(fā)育和繁殖的能量；（3）對鼠的種群密度進(jìn)行調(diào)查宜采用標(biāo)志重捕法，圖5丙中幼年個體數(shù)明顯多于老年個體數(shù)，即出生率大于死亡率，屬于增長型，因此該鼠種群數(shù)量變化趨勢是逐漸增加；（4）狼能夠依據(jù)鼠留下的氣味去捕食，鼠同樣也能夠依據(jù)狼的氣味或行為躲避獵捕，這說明信息傳遞能調(diào)節(jié)種間關(guān)系，維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

總之，通過本節(jié)的復(fù)習(xí)，讓學(xué)生能感受到“信息交流在生命系統(tǒng)中是普遍存在的，是各種開放的生命系統(tǒng)成為統(tǒng)一整體的前提，是實現(xiàn)各級生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的生理基礎(chǔ)”這一核心概念在高中生物教材各模塊知識中的分布，體現(xiàn)出“穩(wěn)態(tài)與平衡”這一學(xué)科思想是貫穿高中生物教材的一條重要主線，是理解和掌握高中生物大概念及大概念下的重要概念、原理的基石，為學(xué)生建構(gòu)生命觀念奠定基礎(chǔ)，使學(xué)生認(rèn)識并適應(yīng)高考對教材知識綜合考查的命題特點。通過教師引導(dǎo)，師生共同總結(jié)，最終達(dá)到掌握知識，提升學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析、解決問題的能力，進(jìn)而提高復(fù)習(xí)備考的針對性和實效性。