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第2节　内环境的稳态
【学习目标】
1.模拟生物体维持pH的稳定,阐明机体维持内环境相对稳定的调节机制。(科学探究)
2.运用稳态与平衡观解释通过机体维持内环境相对稳定的调节机制来保证机体的正常生命活动。(生命观念、科学思维)
3.通过分析稳态失调的实例,养成自我保健的意识和习惯,运用相关知识关心他人。(社会责任)
4.通过举例分析,归纳稳态的意义,认同稳态调节机制;通过查阅资料,了解稳态概念在分子水平、细胞水平上的发展。(生命观念、科学思维、科学探究)
【自主预习】
一、内环境的动态变化
1.原因
(1)外因:外界　环境　的变化。
(2)内因:体内　细胞代谢　活动的进行。
2.模拟生物体维持pH的稳定
(1)实验原理
本实验采用对照实验的方法,通过向自来水、　缓冲液　、肝匀浆中加入酸或碱引起pH的变化,定性说明在一定范围内,生物体内　液体环境　与　缓冲液　相似,从而说明生物体维持pH相对稳定的机制。
(2)方法步骤
(3)实验结论
生物材料类似于　缓冲液　,加入少量酸或碱后不会发生pH的　大幅度变动　。
(4)解释
人体内环境中也有很多　缓冲对　,其中最重要的是　HC/H2CO3　,其次还有　HP/H2P　等。当一定量的酸性或碱性物质进入后,内环境的　pH　仍能维持在一定范围内。
3.实例——体温变化
(1)正常情况下,不同人的体温,会因　年龄　、　性别　等的不同而存在微小差异。
(2)同一个人的体温在一日内也有变化,但变化幅度一般不超过　1　℃。
4.稳态
(1)概念:正常机体通过　调节作用　,使各个器官、系统协调活动,共同维持内环境的　相对稳定　状态。
(2)对象:　每一种成分和理化性质　。
(3)特点:　相对稳定　,需各个器官、系统协调活动。
二、对稳态调节机制的认识
1.维持内环境稳态的基础:　人体各器官、系统协调一致地正常运行　。
2.人体维持稳态的调节能力特点:　有一定限度　。
3.稳态遭破坏的原因
(1)外界环境的变化过于剧烈。
(2)人体自身的调节功能出现障碍。
三、内环境稳态的重要意义
1.内环境需保持稳态的原因:　细胞代谢　是由细胞内众多复杂的化学反应组成的,完成这些反应需要　各种物质和条件　。
2.实例
渗透压正常维持组织细胞正常的　形态与功能
温度和pH相对稳定酶活性正常,保证　酶促反应　正常进行
血糖浓度、氧气含量稳定保证机体正常的　能量　供应
3.意义:内环境稳态是机体进行　正常生命活动　的必要条件。
【合作探究】
任务1　探究生物体如何维持稳态
活动1　模拟生物体维持pH的稳定
　　阅读课本P7“探究·实践”,梳理实验思路、实验现象及原因,回答相关问题:
1.该实验的结果会出现误差吗 误差产生的原因是什么
　　【提示】　会出现误差。误差产生的原因:①加入酸、碱后不摇动或摇动不均匀、不彻底;②加入酸、碱后不待其稳定就立即测pH;③肉眼分辨色度有误差;④试剂配制的浓度或使用的量不准确;⑤烧杯清洗不干净等。
2.在方法步骤的5、6、7中,出现了三次“充分冲洗烧杯”,这样做的目的分别是什么
　　【提示】　第一次冲洗是避免酸性物质与碱性物质发生反应,而出现实验现象不明显的情况;第二次和第三次冲洗是防止不同的实验材料混合,影响实验效果。
3.该实验的自变量和因变量分别是什么 自来水组和缓冲液组在实验中的作用是什么
　　【提示】　该实验的自变量是加入酸性、碱性物质,即HCl/NaOH(均为0.1 mol/L)的滴数,以及溶液的种类,即自来水、缓冲液和肝匀浆;因变量是各溶液pH的变化,可用pH计或pH试纸进行检测。自来水组是空白对照组,缓冲液组是阳性对照组。
4.某实验小组进行实验,经过三次测量并取平均值后,得到如下表所示的实验结果,为了更直观地体现pH的变化,请以酸或碱的滴数为横坐标,以pH为纵坐标绘制3种样液pH的变化曲线,并根据实验结果得出结论。
样液 0.1 mol/L的HCl
加入不同数量液滴后的pH
5 10 15 20 25 30
自来水 5.24 4.93 4.58 4.38 4.25 4.20
缓冲液 7.11 6.95 6.78 6.63 6.44 6.00
肝匀浆 7.03 6.94 6.86 6.75 6.67 6.40
样液 0.1 mol/L的NaOH
加入不同数量液滴后的pH
0 5 10 15 20 25 30
自来水 7.63 8.32 9.16 9.54 9.71 10.07 10.26
缓冲液 7.32 7.84 8.07 8.23 8.42 8.51 8.57
肝匀浆 7.08 7.21 7.30 7.44 7.53 7.61 7.68
　　【提示】　根据实验结果可得到结论:肝匀浆与缓冲液一样,具有维持pH相对稳定的功能,且肝匀浆的这种能力比缓冲液强。
5.根据该实验的原理与结果,尝试对肝匀浆维持pH稳定的机制进行解释,并举例分析机体维持pH稳定的过程。
　　【提示】　生物实验材料维持pH稳定的机制:生物材料中含有缓冲对H2P/HP、H2CO3/HC等,它们能对酸碱度的变化起缓冲作用,使pH维持在一定范围内。例如,当剧烈运动时,肌肉会产生大量的乳酸和H2CO3。乳酸进入血液后,可与血液中的NaHCO3发生作用,生成乳酸钠和H2CO3。H2CO3分解成CO2和H2O。血液中的CO2增多会刺激呼吸中枢,使呼吸运动增强,将CO2排出体外,所以对血液的pH影响不大。当乳酸钠进入血液后,与血液中的H2CO3发生作用,形成碳酸氢盐,过多的碳酸氢盐可以由肾排出。
6.某课外实践小组对家庭成员进行“体温的日变化规律”的调查活动,得到如下结果,根据此结果你能得出什么结论
　　【提示】　根据实验结果可得到结论:(1)同一个人一日内体温在小范围内波动,始终接近37 ℃;(2)家庭不同成员的体温不完全一致,体温存在个体差异。
认知生成
1.人体维持pH稳定的因素:内环境中存在很多缓冲对,如HC/H2CO3、HP/H2P等。
2.人体维持pH稳定的机制:酸性或碱性物质进入内环境后,和缓冲物质发生反应,反应产物可以通过肺或肾脏排出体外,从而使血浆的酸碱度保持相对稳定。
3.人体的体温、血糖、血脂等理化性质和内环境成分也会不断变化,但都在一定范围内。
例1　为了研究血浆能否维持pH的稳定,某同学将适量的血浆平均分装到2支洁净的试管甲、乙中,分别测定pH并记录,再向试管甲中滴1滴质量分数为5%的HCl溶液,向试管乙中滴1滴质量分数为1%的NaOH溶液,振荡1 min,再分别测定pH并记录。
(1)试评价并完善此方案。 　。
(2)有同学猜想,血浆通过缓冲作用来维持pH的相对稳定。他需要增设一个以　　　　　　为实验对象的对照组,处理方法同甲、乙两组,结果是加入HCl、NaOH溶液前后的pH　　　　。
　　【答案】　(1)缺少对照,应再增设一个以蒸馏水为实验对象的对照组,处理方法同甲、乙两组　(2)缓冲液　基本不变
【解析】　设计实验步骤时要遵循对照原则和单一变量原则。本实验的目的是探究血浆能否维持pH的稳定,探究思路是先测定血浆的pH,再分别滴加HCl溶液和NaOH溶液,一段时间后测定pH的变化。若pH变化较小,则说明血浆能维持pH的稳定;若pH变化较大,则说明血浆不能维持pH的稳定。(1)研究血浆能否维持pH的稳定,还应增设以蒸馏水为实验对象的对照组。(2)若研究血浆是不是通过缓冲作用来维持pH的稳定,需增设一个以缓冲液为实验对象的对照组。
【技巧归纳】　　分析“模拟生物体维持pH的稳定”实验中的四个明确
对点练1　(2022·北京期末)某同学进行了“模拟生物体维持pH的稳定”实验,部分结果如图所示。相关叙述错误的是(　　)。
A.加入0.1 mol/L的NaOH溶液的实验结果与上图基本相同
B.两种生物材料均表现出一定的维持pH稳定的能力
C.根据结果可推测生物体可能通过缓冲物质来维持pH的稳定
D.机体维持pH的稳定有利于酶正常地发挥催化作用
　　【答案】　A
【解析】　各组结果呈下降趋势,说明滴入的应该是酸性物质,若加入0.1 mol/L的NaOH溶液,结果应呈上升趋势,A错误;由图可知,两种生物材料维持pH的能力与缓冲液差不多,说明两种生物材料均表现出一定的维持pH稳定的能力,根据结果可推测生物体可能通过缓冲物质来维持pH的稳定,B、C正确;酶正常发挥催化作用需要适宜的pH,pH过高或过低都会影响酶的活性,甚至使酶失活,D正确。
素能提升　深入理解内环境稳态的本质,运用所学知识解决生活中遇到的问题,学以致用(批判性思维能力)
　　“酸碱体质理论”由罗伯特·欧·阳创立。该理论的主要观点有:①人的体质有酸性与碱性之分,酸性体质是“万病之源”;②人若想要健康,应多摄入碱性食物。
思考:
(1)人体内环境的pH是相同且不变的吗
(2)摄入碱性食物能够改变内环境的pH吗
(3)“酸碱体质理论”缺乏科学依据,理由是什么
　　【提示】　(1)人体内环境中的pH不是恒定不变的,人体内环境中有很多缓冲对,可以使pH在一定范围内保持相对稳定。
(2)摄入碱性食物一般不会明显改变人体内环境的pH,因为内环境中存在缓冲物质,能维持内环境的酸碱平衡。
(3)①该理论中的“酸碱体质”概念模糊,在现代医学和中医学中都没有酸性体质和碱性体质的分法。
②该理论认为身体偏碱就是健康的,其实是偷换概念的错误命题。内环境相关知识显示,体内细胞的生活环境——内环境的正常pH稳定在7.35~7.45,呈弱碱性状态,但这并不意味着健康身体的每部分都偏碱性。例如,胃液呈强酸性,尿液呈弱酸性,阴道分泌物也呈弱酸性。
③该理论认为,酸性体质是“万病之源”,这是颠倒因果关系。在临床中,的确有很多酸中毒(pH低于7.35)的情况发生,但这不是酸中毒致病,而是因为服用了某些药物(如利尿剂)或患有某些疾病(如糖尿病、肾功能衰竭、腹泻)而出现酸中毒。
④该理论认为,人若要健康,应多摄入碱性食物,这也没有科学根据。食物虽有酸性、碱性的区分,但内环境相关知识表明,普通食物不可能引起内环境的酸碱度变化,因为人体内存在缓冲系统可以自动调节pH,使之保持一种动态的平衡。若日常饮食受该理论影响,将可能导致人体营养失衡,由此会引发更多疾病。
活动2　借助知识迁移与讨论,厘清对稳态调节机制的认识
1.结合课本P9图1-4回顾初中知识并分析与讨论:
(1)图中所示有哪些器官、系统参与协调维持内环境的稳态
(2)消化系统适于吸收营养物质,呼吸、泌尿系统适于排出代谢废物的结构特点分别是什么
(3)如果某器官的功能出现障碍,就会引起稳态失调,请以肾功能衰竭为例,说明其对内环境稳态造成的影响。
　　【提示】　(1)从图中可以看出,参与的器官有心脏、肺、皮肤、肾脏、小肠、胃、血管等。参与的系统有消化系统、呼吸系统、循环系统、泌尿系统等。
(2)消化系统中消化和吸收的主要器官是小肠。成人小肠的长度一般为5~6米,它的内表面有许多环形的皱襞,皱襞表面有许多绒毛状的突起——小肠绒毛,这就大大增加了小肠吸收营养物质的表面积。肺是呼吸系统的主要器官,肺泡表面潮湿且伸缩性很大,有利于气体的交换。肾脏是形成尿液的器官,肾小球是血管球,参与原尿的形成,肾小管和集合管有利于对原尿中的大部分水分和部分无机盐进行重吸收。
(3)肾功能衰竭时,人体形成的尿液不足,代谢产物不能排出体外,致使大量含氮废物及其他毒性物质在体内堆积,水电解质代谢及酸碱平衡紊乱,机体内环境的稳态遭到破坏,出现全身水肿、呕吐等一系列症状,即尿毒症,严重时会导致死亡。
2.阅读课本P10~11,了解贝尔纳、坎农及现代分子生物学对稳态机制的认识过程,以及课本正文中与“稳态概念的发展”有关的内容,并回答以下问题:
(1)贝尔纳提出的观点是什么
(2)坎农提出稳态的概念,认为稳态是一种动态的平衡,他认为这种平衡是怎样实现的
(3)异物和病原微生物等也能引起内环境的波动,现代分子生物学研究说明稳态的主要调节机制是什么
(4)不同层次的系统都存在着类似于内环境稳态的特性,请从分子、细胞、器官和群体水平各举一例。
　　【提示】　(1)贝尔纳提出:内环境的稳定是生命能独立和自由存在的首要条件,内环境保持稳定主要是依赖神经系统的调节。
(2)坎农认为内环境稳态是在神经调节和体液调节的共同作用下,通过机体各种器官、系统分工合作、协调统一而实现的。
(3)目前普遍认为,神经—体液—免疫调节网络是机体维持稳态的主要调节机制。
(4)在分子水平上,正常生长和分裂的细胞中,原癌基因和抑癌基因的表达存在着稳态,如果这个稳态受到破坏,正常细胞就可能会变成癌细胞;在细胞水平上,存在细胞的分裂和分化的稳态等;在器官水平上,存在心脏活动的稳态(血压、心率)等;在群体水平上,种群数量的变化存在稳态,生态系统的结构和功能也存在稳态。
认知生成
内环境稳态的理解
1.实质:健康人内环境的每一种化学成分和理化性质处于动态平衡中。
2.主要调节机制:神经—体液—免疫调节网络。
3.失调原因:人体维持稳态的调节能力是有一定限度的。
4.意义:内环境的稳态是机体进行正常生命活动的必要条件。
5.稳态的维持不仅需要神经—体液—免疫调节网络的参与,还需要其他器官和系统的参与。
例2　(不定项)下列关于内环境稳态的叙述,正确的是(　　)。
A.稳态是机体在神经调节、体液调节和免疫调节的作用下,通过各器官、系统的协调活动来共同维持的
B.稳态主要是通过机体内细胞复杂、有序的酶促反应来维持的
C.在正常情况下,内环境的各项理化性质是恒定不变的
D.在正常情况下,内环境的各项理化性质经常处于变动之中,但都保持在一定的范围内
　　【答案】　AD
【解析】　机体维持稳态的主要调节机制是神经—体液—免疫调节网络,A正确;在正常情况下,内环境的各项理化性质处于动态平衡之中,稳态是酶促反应顺利进行的保证,而不是通过酶促反应来维持的,B、C错误,D正确。
对点练2　(2022·青岛期中)人体内环境的稳态是指在神经—体液—免疫调节网络的作用下,通过各器官、系统协调活动,共同维持内环境的相对稳定状态。下列说法正确的是(　　)。
A.内环境的稳态是指内环境的各种理化性质处于相对稳定的状态
B.正常情况下,心肌细胞的渗透压和其细胞外液渗透压基本相等
C.内环境相对稳定时,组织液进入血浆和淋巴液的量相等
D.心肌细胞代谢活动所需的氧气和营养物质直接来自血浆
　　【答案】　B
【解析】　内环境的稳态是指内环境的各种化学成分和理化性质处于相对稳定的状态,A错误;内环境相对稳定时,组织液进入血浆的量多于进入淋巴液的量,C错误;心肌细胞是组织细胞,生活在组织液中,所需的氧气和营养物质直接来自组织液,D错误。
任务2　理解稳态的意义
活动3　联系学生生活实际,通过讨论与分析,理解内环境稳态的重要性
　　内环境稳态对机体的影响是巨大的,但人体维持稳态的调节能力是有一定限度的。观察下图并阅读课本,回答相关问题:
(1)由图可知,内环境稳态是机体进行　　　　　　　　　　　　的必要条件。
(2)完成下表,认识稳态失调与相关疾病。
病症名称 内环境理化性质变化 引起疾病的症状
尿毒症 　　　　等代谢废物在体内积累 全身水肿、呕吐等,严重时死亡
糖尿病 血液中葡萄糖含量　　　 多食、多饮、多尿、口渴、饥饿感强烈、身体消瘦
高原反应 体内缺　　　　,血氧过低 头痛、乏力、心跳加快,甚至血压升高
感冒发烧 体温过高,影响　　　　　　　 食欲不振、四肢无力
严重腹泻 丢失大量的　　　　　　　 疲倦、周身不适、恶心
　　【提示】　(1)正常生命活动　(2)尿素　过高　氧　酶的活性　水和无机盐
认知生成
内环境稳态的实例
1.血糖正常——保证机体正常的能量供应。
2.体温、pH相对稳定——酶活性正常,细胞代谢正常。
3.渗透压相对稳定——维持细胞正常的形态和功能。
4.内环境达到稳态时,人也可能患病,如遗传病。
5.内环境稳态遭到破坏,代谢速率不一定下降,如成年人甲状腺激素分泌异常增多时,代谢速率上升,表现出甲亢症状。
例3　(2022·济宁期末)下图是关于人体内环境稳态调节的示意图,相关说法错误的是(　　)。
A.甲、乙可以表示体液调节和免疫调节,丙、丁可以表示温度和酸碱度
B.内环境稳态的实质是内环境的每一种成分和理化性质都处于动态平衡中
C.CO2是人体细胞呼吸产生的废物,不参与维持内环境的稳态
D.人体维持内环境稳态的能力是有一定限度的
　　【答案】　C
【解析】　甲、乙与神经调节共同参与调节内环境的稳态,故甲和乙可以表示体液调节和免疫调节,丙和丁可以表示温度和酸碱度,A正确;内环境稳态的实质是内环境的成分(如血糖、激素)和理化性质(如渗透压、酸碱度和温度)均处于动态平衡中,B正确;CO2也参与维持内环境的稳态,C错误;人体维持内环境稳态的能力是有一定限度的,超过一定的限度,内环境的稳态会被破坏,如发烧,D正确。
对点练3　(2022·贵阳期末)下列不属于稳态失调的实例的是(　　)。
A.肾功能衰竭时会出现尿毒症
B.乘坐过山车时呼吸加快,肾上腺素分泌增加
C.夏天长时间使用空调可能引起“空调病”
D.到青藏高原后会出现头痛、乏力等高原反应
　　【答案】　B
【解析】　肾脏是形成尿液的器官,肾功能衰竭时出现的尿毒症导致内环境中有害物质积累,与内环境稳态失调有关,A不符合题意;乘坐过山车时紧张会导致呼吸加快,肾上腺素分泌增加,这是正常的调节过程,B符合题意;夏天长时间使用空调后出现“空调病”导致体温变化,属于人体内环境稳态失调,C不符合题意;到达青藏高原后会出现头痛、乏力等高原反应,导致血液中O2相对不足,属于内环境稳态失调,D不符合题意。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
判断下列有关内环境稳态的叙述的正误。 (1)内环境保持相对稳定有利于机体适应外界环境的变化。 (√) (2)内环境稳态有利于新陈代谢过程中酶促反应的正常进行。 (√) (3)剧烈运动后血浆的pH由7.42下降到7.38,是内环境稳态失调的表现。 (×) (4)内环境稳态是指内环境与外界环境的物质和能量处于动态平衡之中。 (×) (5)内环境的生化指标能反映机体的健康状况,可作为诊断疾病的依据。 (√)
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