生物学动态平衡机制分析及正反举例

江苏省沭阳高级中学（223600）陈卫东

    1．渗透装置的平衡：渗透装置是一个验证渗透现象的实验装置（如图，1表示清水，2表示蔗糖溶液，3表示半透膜），最终观察到的现象是球形漏斗中的液面达到一定高度之后不再升高，保持稳定。这并不表示半透膜位置水分子不再有运输，从微观来看半透膜两侧情况，半透膜外水分子在不断向内扩散，同时，半透膜内的水分子也在不断向外扩散，由于蔗糖分子无法扩散到半透膜外，因此单位时间内水分子穿过半透膜向内的数量多于向外的数量，因此漏斗中水逐渐增多，漏斗中液面上升。随着液面的上升，漏斗中水柱的升高，对半透膜内侧的压强越来越大，单位时间内水分子向外扩散数目的逐渐增加，当单位时间内水分子向内、向外扩散的相对速率相等时，漏斗中的液面就不再上升了。此时半透膜处水分子向内和向外扩散处于的动态平衡状态。

    例1：当球形漏斗中的液面不再上升后，向外界溶液（清水）中加入一定量的蔗糖，问漏斗中的液面该如何变化？

    分析：向外界溶液中加入一定量蔗糖，这样外界溶液的浓度就增加了，这个时候在半透膜两侧又造成了新的不平衡，单位时间内由半透膜向下的水分子数超过向上的水分子数，球形漏斗液面下降，下降的程度与加入的蔗糖量有关，加入的蔗糖越多，下降的幅度越大。

    例2：当球形漏斗中的液面不再上升后，球形漏斗中加入一定量的蔗糖酶，问漏斗中的液面该如何变化？

分析：由于漏斗中含有蔗糖，当向漏斗中加入蔗糖酶之后，漏斗中的蔗糖会被水解为葡萄糖和果糖，漏斗中溶液的浓度会增加，因此漏斗中的液面将会继续升高，但是由于葡萄糖、果糖为单糖，可以透过半透膜进入烧杯中，因此，漏斗中的液面接着又会下降。

    2．ATP的平衡：生物体内的ATP的储存量是有限的，而生物体内的ATP被不断的消耗，也就需要ATP不断的合成。在正常情况下，ATP的合成与消耗基本平衡，因此生物体内的ATP也处在动态平衡中。

    例1：在植物正常光合作用情况下，突然降低光照，细胞中的ATP含量如何变化？

    解析：当突然降低光照时，植物细胞的光反应减弱，产生ATP的能力下降，因此细胞中的ATP含量会有所下降。细胞光合作用的暗反应也随之下降，ATP消耗也随之降低，最终达到一种新的平衡状态。

    例2：在夏季的正午，由于植物叶片的气孔逐渐关闭，细胞中的ATP含量如何变化？

解析：当植物叶片的气孔逐渐关闭时，进入植物细胞的CO₂逐渐减少，产生的C₃化合物逐渐减少，而消耗的ATP也逐渐减少，因此细胞中的ATP会有积累。但随着ATP的增多，细胞中的ADP和Pi会减少，光反应需要的原料减少，光反应也随之减弱，ATP的合成也就逐渐减少，随着外界条件的相对稳定，ATP还是处于逐渐调整的平衡之中。

    3．光补偿点：当植物所受的光照强度达到一定值时，植物的净光合作用为0，也就是它的总光合作用等于呼吸作用，呼吸作用产生的二氧化碳等于光合作用消耗的二氧化碳，光合作用产生的氧气也等于呼吸作用消耗的氧气，因此此时的植物既不从外界吸收二氧化碳也不向外释放二氧化碳，同样既不向外界释放氧气也不从外界吸收氧气（如右图的Y点）。

    例1：如右上图表示的是阳生植物，那么阴生植物的Y点该如何移动？

    解析：由于阴生植物在较低光照强度条件下，光合作用就相对比较强（对阴生植物而言），因此阴生植物只要较低的光照强度就达到光补偿点，因此阴生植物的Y点应该左移。

    例2：如降低空气中的CO₂浓度，则由上图中Y点如何移动？

    解析：当空气中的CO₂浓度时，植物光合作用能力下降，而植物的呼吸速率保持基本不变，因此只有Y点向右移动（即光照强度增强），才能保证光合作用与呼吸作用相等。

    4．血糖平衡：人体中血糖维持在80~120mg/dL，在这个范围内上下波动。正常人体中的血糖有三个来源：营养物质的消化吸收、肌糖原的分解、非糖物质的转化；三个去向：氧化分解功能、合成为糖原（肝糖原和肌糖原）、转化为非糖物质。正常情况下，三个来源和三个去向在神经调节和激素调节的共同作用下能够保证血糖浓度保持动态平衡。在血糖调节过程中，胰岛素能够降低血糖浓度，而胰高血糖素和肾上腺素都能升高血糖浓度。

    例1：正常人饭后体内血糖如何变化？

    解析：正常人在饭后，由于食物的消化分解，较多的葡萄糖被吸收进入血液，血糖浓度升高。随着时间的推移，胰岛B细胞分泌的胰岛素增多，胰岛A细胞分泌的胰高血糖素减少，血糖浓度又逐渐降低。

    例2：当我们在操场上运动，大量耗能时，体内的血糖浓度如何变化？

    解析：当我们在操场上运动时，需要大量的能量来维持供能，这就需要分解大量的葡萄糖，血液中的血糖浓度会下降。此时，血液中的胰高血糖素浓度增加，胰岛素分泌减少，体内肝糖原分解成葡萄糖，其他物质也加速转化为葡萄糖，促进血糖浓度升高。

    5．体温恒定：哺乳动物是恒温生物。人体的体温一般保持在37℃左右，这样能使得人体内酶的活性保持最佳，有利于体内化学反应的正常进行。人体体温的调节也是在神经和体液的共同调节下保持相对稳定的。当体温偏高时，就加强散热，使得体温下降；当体温偏低时，就减少散热和加强产热（加速体内物质的氧化分解），使体温升高。

    例1：当人从温暖的房间走出，进入寒冷的环境中，是如何调节体温的？

    解析：当人从温暖的环境进入寒冷环境时，由于体内与外界温差加大，散热增多。为减少散热，皮肤血管收缩，减少体表血液流量，立毛肌收缩，减少皮肤表面积。同时体内甲状腺激素、肾上腺素分泌增多，增加产热，甚至会通过打寒战（骨骼肌不自主收缩）增加产热。

    例2：夏季，人类是如何散热的？

    解析：夏季，由于外界温度较高，人体与外界温差减小，散热较少。但是人体必须要产热来满足人体生命活动的需求，就必须要加大散热，才能保持体温的相对稳定。这时，人体体表血管舒张，血流量加大，更多的热量被带到体表向外散失；立毛肌舒张，增加散热面积；汗腺分泌汗液增多，带走更多的热量。在温度更高时，汗液蒸发就变成了人体散热的唯一途径，如汗液不容易挥发，就很容易中暑。

    6．激素含量的平衡：人体内的各种激素的含量并不多，但对调节生命活动却具有重要作用。人体中的激素既不能多也不能少，比如甲状腺激素，分泌不足则发育缓慢，代谢减慢，精神萎靡，分泌过多则代谢加快，人体消瘦，容易激动。人体中的激素要保持相对稳定，是通过神经调节和激素调节中的反馈调节来加以调节和控制的。

    例1：给小鼠饲喂甲状腺激素制剂后，小鼠体内的促甲状腺激素含量如何变化？

    解析：当给小鼠饲喂甲状腺激素后，小鼠体内的甲状腺激素含量增多，会通过反馈调节的方式（如右图）抑制垂体分泌促甲状腺激素和抑制下丘脑分泌促甲状腺激素释放激素，这样，小鼠体内的促甲状腺激素和促甲状腺激素释放激素的含量都会有所下降。

    例2：某人从温暖的环境进入寒冷的环境后，其体内的促甲状腺激素激素含量如何变化？

    解析：当人从温暖的环境进入寒冷的环境后，皮肤冷觉感受器会把这种兴奋传递到下丘脑，小丘脑分泌促甲状腺激素释放激素的量会增多，促甲状腺激素释放激素增多作用于垂体，垂体分泌促甲状腺激素增多，促甲状腺激素作用于甲状腺，促使甲状腺分泌甲状腺素增多，加速体内物质的氧化分解供能。

    7．水的平衡：人体是通过调节体内渗透压来调节水分的。当细胞外液渗透压变高时，下丘脑渗透压感受器会兴奋，并且把兴奋传递到大脑皮层的渴觉中枢，产生渴觉，促进对水分的摄入。同时，下丘脑内分泌细胞分泌抗利尿激素增多，并刺激垂体后叶加速释放，抗利尿激素作用于肾小管和集合管，加速其对水分的重吸收，减少尿量，减少排水。当细胞外液渗透压降低时，下丘脑产生的抗利尿激素减少，减少肾小管和集合管对水分的重吸收，尿量增多，促进排水。

    例1：某人一中餐吃的菜比较咸，下午感觉异常口渴，为什么？

    解析：吃的菜比较咸，表示摄入的食盐较多，食盐被吸收进入内环境，就会导致细胞外液渗透压升高，会引起下丘脑渗透压感受器会兴奋，感受器通过神经传导的形式把兴奋传递到大脑皮层的渴觉中枢，使人产生渴觉。同时，下丘脑分泌垂体后叶释放的抗利尿激素增多，肾小管和集合管对在其中流动的原尿中水的重吸收能力加强，把更多的水分吸收回来，减少水分的流失。

    例2：人在什么样情况下尿量会增多？

    解析：人尿量增多是因为细胞外液渗透压降低，体内抗利尿激素分泌减少，肾小管和集合管对原尿中水的重吸收能力降低，尿量增多。而细胞外液渗透压降低的原因主要有以下两种可能：一是一次性饮水太多（水的浓度低于内环境溶液浓度）；二是人体代谢旺盛，而人体排汗较少，如冬季。

    8．生态系统种群数量的稳定：一个稳定的生态系统，各种群数量也基本保持相对稳定。当某一物种数量数量上升后，其捕食者数量随之上升；由于其捕食者数量增加，导致被捕食者数量随之减少，随着被捕食者数量的减少，捕食者由于食物的不足，数量也随之下降；当捕食者数量下降后，被捕食者由于天敌的减少，食物的充足，数量又开始上升。这样，无论是捕食者还是被捕食者数量都保持着一种动态平衡。

    例1：某一生态系统达到稳定后，为什么各物种种群数量都有一个相对稳定值？

    解析：生态系统达到稳定后，各个物种之间就起着一个相互牵制作用。当某一物种种群数量增多后，其天敌也会随之增多，对其捕食能力就会加强；同时先期增多的物种数量增多时，其捕食能力也加强，而其捕食对象数量也是有限的。因此该种群的捕食者和被捕食者都会成为该物种种群数量的限制性因素，从而保证该物种的种群数量保持相对稳定。

    例2：一次性使用农药后，如害虫还保持一定的种群密度，该害虫的种群密度又会迅速反弹，为什么？

解析：一次性使用农药后，但害虫还保持一定的密度，这时候害虫食物丰富，且其天敌由于该害虫的大量减少无法捕获足够的食物而导致大量减少，这样该害虫的竞争压力减少，因此数量又会迅速增多。