# 协调、应答与基因技术

> Edexcel 国际A-Level 生物 · IAL 2018
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-biology-u5-coordination-response-and-gene-technology/

本指南覆盖Edexcel IAL生物第5单元第8主题的全部内容，包括神经系统功能、植物应答、脑结构、医学成像、重组DNA技术以及转基因生物的风险与收益，完全匹配2018版考纲评分标准。

**先修:** [细胞膜基本结构与物质运输](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-biology-u1-cell-membranes/); [蛋白质合成与基因表达基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-biology-u1-gene-expression/)

## 学习目标

- 描述神经元、反射弧和动作电位的结构与功能
- 解释突触传递过程以及药物对神经系统的影响
- 比较神经调节与激素调节，识别脑区功能并了解医学成像的用途
- 概述包括生长素、赤霉素和光敏色素在内的植物应答机制
- 描述重组DNA技术、转基因生物的用途及相关风险与收益
- 掌握核心实践18：萌发谷物中淀粉酶的相关实验知识

## 哺乳动物神经系统的结构与功能

哺乳动物神经系统分为中枢神经系统（CNS：脑+脊髓）和外周神经系统（连接中枢神经系统与效应器的神经）。它通过神经元传递的电冲动实现对刺激的快速、特异性应答。

**神经元** — 特化的电冲动传递细胞，分为三类：感觉神经元（将冲动从感受器传递到中枢神经系统）、中间神经元（在中枢神经系统内连接感觉和运动神经元）、运动神经元（将冲动从中枢神经系统传递到效应器：肌肉/腺体）。多数神经元有髓鞘，由施万细胞层包裹轴突形成绝缘结构，髓鞘之间的空隙称为郎飞氏结。

**例题:** 描述动作电位的事件序列，包括离子的移动过程。

1. 1. 静息电位：神经元膜电位处于-70mV的极化状态，由$Na^+/K^+$泵维持（3个$Na^+$泵出细胞，2个$K^+$泵入细胞）。
2. 2. 去极化：刺激使$Na^+$通道开放，$Na^+$扩散进入神经元，若达到阈值，膜电位上升至+40mV。
3. 3. 复极化：$Na^+$通道关闭，$K^+$通道开放，$K^+$扩散流出神经元，膜电位回落至接近静息水平。
4. 4. 超极化：$K^+$通道缓慢关闭，膜电位暂时低于-70mV，之后在不应期内恢复到静息电位，此期间无法触发新的动作电位。

> **tip**
>
> 评分标准明确要求你在描述动作电位每个阶段时都要说明离子名称和移动方向，因此答题时绝对不能遗漏这些细节。

突触是两个神经元之间，或神经元与效应器之间的连接结构。突触间的信号传递是单向的，因为神经递质（例如乙酰胆碱）仅从突触前神经元释放。

**例题:** 概述动作电位到达突触前小体时，胆碱能突触处的事件序列。

1. 1. 动作电位使突触前膜去极化，打开$Ca^{2+}$通道，允许$Ca^{2+}$扩散进入突触前小体。
2. 2. $Ca^{2+}$内流促使含有乙酰胆碱的小泡与突触前膜融合，通过胞吐作用将神经递质释放到突触间隙。
3. 3. 乙酰胆碱与突触后膜上的互补受体结合，打开$Na^+$通道，触发突触后膜去极化，若达到阈值则产生新的动作电位。
4. 4. 乙酰胆碱酯酶分解突触间隙中的乙酰胆碱，防止持续刺激，分解产物被突触前小体重吸收，用于重新合成乙酰胆碱。

> **考试提示:** 记住突触传递的顺序：首先$Ca^{2+}$内流，之后小泡融合，再释放神经递质，最后受体结合。这个序列是非常常见的选择题考点。

*计算器:* forbidden

## 感觉应答与调节

感觉感受器将刺激转化为电冲动，传递到中枢神经系统进行处理，产生对应的应答。关键的感觉结构包括人眼视网膜中的视杆细胞，负责检测低强度光线。

**脊髓反射弧** — 针对刺激的快速、非自主、先天应答，不需要大脑的意识处理，缩短反应时间以避免机体受损。结构为：感受器→感觉神经元→脊髓灰质内的中间神经元→运动神经元→效应器。脊髓的白质包含有髓鞘轴突，负责向大脑传入和从大脑传出冲动。

**例题:** 解释视杆细胞受到光刺激后如何在视神经中产生动作电位。

1. 1. 黑暗环境下视杆细胞处于去极化状态，阳离子通道开放，$Na^+$持续内流，因此会释放抑制性神经递质，阻止视神经神经元产生动作电位。
2. 2. 当光线照射视杆细胞时，感光色素视紫红质（由视蛋白和视黄醛组成）发生漂白，形状改变。
3. 3. 这一变化导致视杆细胞膜上的阳离子通道关闭，$Na^+$内流停止，视杆细胞超极化，停止释放抑制性神经递质。
4. 4. 抑制性神经递质消失后，视神经神经元中可以产生动作电位，信号被传递到大脑进行处理。

> **warning**
>
> 非常常见的评分区分点：视杆细胞受到光照时发生超极化，而不是去极化。如果写出去极化会导致这道题完全失分。

多种药物会干扰突触功能：尼古丁模拟乙酰胆碱与突触后受体结合，利多卡因阻断$Na^+$通道阻止动作电位产生，眼镜蛇α毒素阻断乙酰胆碱受体阻止突触后去极化，左旋多巴会转化为多巴胺用于治疗帕金森病，MDMA会提升突触中的血清素水平以影响情绪。

**概念自测**

1. 以下哪种药物会阻断突触处的乙酰胆碱受体？

   - 尼古丁
   - 利多卡因
   - 眼镜蛇α毒素
   - MDMA

   *解析:* 眼镜蛇α毒素与乙酰胆碱受体结合，阻止乙酰胆碱结合，因此突触后无法产生动作电位，导致机体瘫痪。

习惯化是一种习得性应答，生物体会停止对重复出现的无害刺激做出反应，原因是突触前膜处$Ca^{2+}$内流减少，神经递质释放量降低，因此突触后神经元无法触发动作电位。

*计算器:* forbidden

## 植物对环境的应答

植物没有神经系统，通过植物生长调节剂（激素）协调对外部刺激（光、重力、水）的应答。关键激素包括生长素（IAA）和赤霉素，还有感光色素光敏色素，能够检测红光和远红光，调控种子萌发和开花。

**赤霉素** — 调控茎伸长、种子萌发和开花的植物激素。在萌发的谷物种子中，赤霉素由胚释放，刺激糊粉层产生淀粉酶，淀粉酶将胚乳中的淀粉分解为麦芽糖，为生长的胚提供能量来源。

**例题:** 概述核心实践18的实验方法：探究赤霉素对萌发谷物种子中淀粉酶产生的影响。

1. 1. 对种子进行消毒，杀死表面可能产生淀粉酶、干扰实验结果的微生物。
2. 2. 将种子对半切开，分离出含胚的一半和仅含胚乳的一半，确保胚自身产生的赤霉素不会影响实验结果。
3. 3. 将胚乳半片置于不同浓度的赤霉素溶液中孵育固定时长，同时设置仅用清水孵育的对照组。
4. 4. 将胚乳半片放在含有淀粉的琼脂平板上，孵育24小时后用碘液覆盖平板。测量每个胚乳半片周围透明圈的直径（透明圈代表淀粉被淀粉酶分解）。
5. 5. 每个浓度设置多个重复样本，计算透明圈的平均直径，对比不同赤霉素浓度组和对照组的实验结果。

生长素（IAA）调控茎的向光性应答：它在茎的顶端产生，当茎受到单向光照时，生长素向茎的背光侧扩散，使背光侧的细胞比向光侧细胞伸长程度更大，因此茎向光源方向弯曲。

> **考试提示:** 回答核心实践18相关问题时，一定要提到种子消毒和去除胚这两个控制变量，它们是评分标准中的标准得分点。

*计算器:* forbidden

## 脑结构与医学成像

哺乳动物的大脑分为多个具有特化功能的区域，脑内神经递质的化学失衡会导致神经和精神类疾病，可以通过靶向药物进行治疗。医学成像技术用于诊断脑部异常、研究脑功能。

**关键脑区** — 1. 大脑半球：负责高级功能（意识思维、记忆、语言、自主运动）。2. 下丘脑：稳态调节（体温调节、渗透压调节、为垂体合成激素）。3. 垂体：释放调控生长、生殖和代谢的激素。4. 小脑：协调运动和平衡。5. 延髓：控制自主功能（心率、呼吸频率、蠕动）。

*例:* 小脑受损会导致运动不协调、平衡感丧失。

| 成像技术 | 应用场景 |
| --- | --- |
| MRI | 生成高分辨率软组织3D图像，用于诊断脑肿瘤、中风损伤和结构异常 |
| fMRI | 测量脑内血流/氧含量，识别特定任务过程中活跃的脑区，用于研究脑功能和术前脑区定位 |
| PET | 使用放射性示踪剂测量脑组织代谢活性，用于诊断阿尔茨海默病和定位癌变肿瘤 |
| CT | 使用X射线生成脑部横截面图像，用于头部受伤后快速诊断颅内出血 |

脑内多巴胺缺乏会引发帕金森病，导致震颤和运动障碍，可通过左旋多巴治疗，左旋多巴进入脑内会转化为多巴胺。血清素水平过低与抑郁症相关，可使用SSRI类药物治疗，这类药物会阻止突触对血清素的重吸收，提升血清素水平。

**概念自测**

1. 以下哪个脑区负责控制呼吸频率？

   - 小脑
   - 延髓
   - 下丘脑
   - 大脑半球

   *解析:* 延髓控制非自主的自主功能，包括呼吸频率、心率和消化系统的蠕动。

*计算器:* forbidden

## 基因技术与转基因生物

基因技术通过改造生物的基因组获得所需性状，包括生产医用重组蛋白、培育抗虫或抗旱的作物、研究基因功能等。

**重组DNA技术** — 将两种不同生物的DNA拼接，培育转基因（基因修饰）生物的过程。核心工具包括：限制性内切酶（在特定序列处切割DNA产生黏性末端）、DNA连接酶（密封DNA骨架的缺口，将目标DNA与载体DNA连接）、载体（通常为质粒，用于将目标DNA导入宿主细胞）。

**例题:** 描述培育可生产人胰岛素的基因工程细菌的步骤。

1. 1. 从人胰腺细胞的DNA中分离人胰岛素基因，或者使用逆转录酶从对应的mRNA合成该基因。
2. 2. 使用同一种限制性内切酶切割胰岛素基因和细菌质粒，使二者产生互补的黏性末端。
3. 3. 将切割后的胰岛素基因和质粒混合，加入DNA连接酶，密封DNA的磷酸二酯骨架，将胰岛素基因连接到质粒上，形成重组DNA。
4. 4. 将重组质粒导入宿主细菌细胞，可通过热激等方法使细菌细胞膜对质粒具有通透性。
5. 5. 在大型发酵罐中培养转基因细菌，细菌表达胰岛素基因合成人胰岛素，之后提取并纯化胰岛素，用于糖尿病治疗。

DNA微阵列用于识别细胞中活跃表达的基因：从细胞中提取mRNA，转化为荧光标记的cDNA，与微阵列上的互补基因探针结合。微阵列上的荧光斑点代表细胞中正在主动转录的基因。生物信息学使用计算机软件分析和存储大量生物数据集，包括DNA序列、蛋白质结构和基因表达数据。

> **warning**
>
> PCR和凝胶电泳不属于本主题的考察范围，回答重组DNA技术相关问题时不要提及这两项技术，它们在第4单元第6主题中讲解。

转基因生物的优势包括：低成本大量生产医用药物（胰岛素、人生长激素）、培育高产、抗虫或营养价值更高的作物、减少农药使用。风险包括：抗生素抗性基因可能转移到肠道细菌中、转基因作物与野生植物异花授粉可能产生抗除草剂的杂草、食用转基因食品的长期健康效应未知、企业可能垄断种子供应。

*计算器:* forbidden

## 常见错误

- **错误做法:** 声称视杆细胞受到光照时发生去极化
  - 原因: 视杆细胞在黑暗环境下处于去极化状态，受到光照时阳离子通道关闭，$Na^+$内流停止，细胞发生超极化。这是常见的评分区分点，错误回答会直接得零分。
  - 正确做法: 始终明确说明视杆细胞受到光照时发生超极化，停止释放抑制性神经递质，使视神经产生动作电位。
- **错误做法:** 描述跳跃式传导时认为冲动在髓鞘内部移动
  - 原因: 髓鞘是绝缘结构，冲动无法穿过它。跳跃式传导是指冲动在髓鞘的空隙郎飞氏结之间跳跃传递，大幅加快传导速度。
  - 正确做法: 将跳跃式传导定义为动作电位在有髓鞘轴突上从一个郎飞氏结跳跃到下一个郎飞氏结的传播方式，提升传导速度。
- **错误做法:** 描述重组DNA技术时忘记说明使用同一种限制性内切酶切割目标DNA和质粒DNA
  - 原因: 使用同一种限制酶可以让目标基因和质粒产生互补的黏性末端，使二者在DNA连接酶密封骨架前可以退火结合。这是绝大多数基因技术题的必答得分点。
  - 正确做法: 明确说明使用同一种限制性内切酶切割目标基因和载体质粒，产生互补的黏性末端。
- **错误做法:** 混淆小脑和延髓的功能
  - 原因: 小脑控制平衡和协调运动，延髓控制呼吸频率、心率等非自主的自主功能。脑区功能匹配错误会在选择题和简答题中白白失分。
  - 正确做法: 使用助记词'C for 小脑（Cerebellum）= C for 协调（Coordination）'、'M for 延髓（Medulla）= M for 自主运动（autonomic Motor）'来记忆二者的功能。
- **错误做法:** 在本主题的重组DNA技术描述中加入PCR或凝胶电泳内容
  - 原因: PCR和凝胶电泳属于第5单元第8主题的超纲内容，它们在第4单元第6主题中讲解，提及它们不会得分，还可能导致你遗漏要求的得分点。
  - 正确做法: 描述本主题的重组DNA技术时，仅使用要求的工具：限制性内切酶、DNA连接酶、质粒载体。

## 速查表

| 概念 | 核心评分点 |
| --- | --- |
| 动作电位 | 静息电位（-70mV，$Na^+/K^+$泵：3个$Na^+$出，2个$K^+$入）→去极化（$Na^+$内流）→复极化（$K^+$外流）→超极化→不应期 |
| 突触传递 | 突触前$Ca^{2+}$内流→小泡融合→神经递质释放→结合突触后受体→乙酰胆碱酯酶分解乙酰胆碱 |
| 视杆细胞应答 | 光照→视紫红质漂白→阳离子通道关闭→$Na^+$内流停止→视杆细胞超极化→无抑制性神经递质→视神经产生动作电位 |
| 核心实践18 | 种子消毒→去除胚→将胚乳置于不同浓度赤霉素中孵育→淀粉琼脂+碘液→测量透明圈直径 |
| 脑区 | 大脑皮层：意识思维，下丘脑：稳态，垂体：激素释放，小脑：平衡/协调，延髓：自主功能 |
| 重组DNA | 同种限制酶切割目标基因和质粒→互补黏性末端→DNA连接酶连接→重组质粒导入宿主细胞 |

## 下一步

现在你已经掌握了协调、应答与基因技术的全部内容，接下来可以练习本主题的考试题型题目，巩固知识并找出薄弱点。要特别注意评分标准的表述要求，很多题目需要使用特定术语才能拿到满分。复习第5单元所有核心实践，完成WBI15历年真题，熟悉考试题型，答题时注意不要混淆第4单元和第5单元的内容，评分标准严格遵循考纲边界。

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