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2026诺奖情境·高中生物命题素材汇编
2026年诺贝尔生理学或医学奖 · 高中生物情境命题素材汇编
用途：高三一轮复习「稳态与调节·神经调节」及「生物技术与工程·基因工程」的情境拓展与原创命题取材。
编排：一、诺奖速览 → 二、考点对接 → 三、同情境真题汇编 → 四、命题改造建议。
说明：化学符号均按上标规范印刷（Na+、Cl−、H+、Ca2+）；各题均已就近插入原题配图（题1、题2配图取自江苏苏锡常镇四市二模原卷；题9配图取自2025年广东省高考生物真题原卷）。
一、诺奖速览
获奖者（2026 年 10 月 5 日公布）
卡尔·戴塞罗思 Karl Deisseroth（美国，斯坦福大学 / 霍华德·休斯医学研究所）
彼得·黑格曼 Peter Hegemann（德国，柏林洪堡大学）
格奥尔格·内格尔 Georg Nagel（德国，维尔茨堡大学）
获奖理由：发现光门控离子通道（light-gated ion channels），并由此开创光遗传学（optogenetics）技术。
成果要点（时间线）
1. 源头（1980s—1990s）：Hegemann、Nagel 研究单细胞绿藻——莱茵衣藻的趋光行为，注意到其"眼点"中的视紫红质类受体蛋白。
2. 鉴定 ChR1 / ChR2（2002—2003）：从莱茵衣藻中鉴定出通道视紫红质 ChR1、ChR2——一种把"感受光"与"形成离子通道"两种功能合于一体的膜蛋白。
3. 异源表达验证：将 ChR 基因转入蛙卵母细胞、哺乳动物细胞，光照即可产生跨膜阳离子电流，证明单基因就能让一个细胞"感光"。
4. 创造光遗传学（2005）：Deisseroth 等使 ChR2 在神经元中表达，用蓝光照射触发动作电位，并将这项"用光精准开关神经元"的技术命名为 optogenetics。
5. 双向工具：后续发现并改造出抑制性光控蛋白 NpHR（黄光，Cl−内流，抑制）与 Arch（质子泵）等，实现神经活动的"开—关"双向操控。
一句话机制：ChR2 是一种光门控阳离子通道——470 nm 蓝光照射 → 通道开放 → Na+（及 Ca2+）等阳离子内流 → 膜去极化 → 引发动作电位（神经元兴奋）。
二、与高中生物的对接点（考点映射）
诺奖要素 | 对应高中考点 | 教材落点 |
ChR2 是"离子通道蛋白"，光控开闭，不与被转运离子结合 | 通道蛋白与载体蛋白的区别；协助扩散 | 必修1 第4章 物质的输入和输出 |
蓝光→通道开放→Na+内流→去极化→动作电位 | 静息电位与动作电位；Na+内流产生动作电位 | 选择性必修1 第2章 神经调节 |
NpHR 黄光→Cl−内流→超极化→抑制 | 兴奋的产生与传导；抑制性机制 | 选择性必修1 第2章 |
将 ChR2 基因导入特定神经元才起作用 | 基因工程；目的基因导入受体细胞 | 选择性必修3 生物技术与工程 |
与"神经元特异性启动子"连接 | 启动子的组织特异性；基因的选择性表达 | 必修2 第4章；选择性必修3 |
ChR 来自绿藻，转入动物细胞仍能工作 | 基因的异源表达；基因通过控制蛋白质合成控制性状 | 必修2 第4章 |
用光精准控制某一类神经元，研究其功能 | 实验设计；单一变量原则；对照思想 | 选择性必修1 实验 |
绿藻眼点感光、趋光 | 应激性；单细胞生物的趋性 | 必修1 第1章 |
一句话总结：这道诺奖把"物质跨膜运输（通道蛋白）—神经调节（动作电位）—基因工程（异源表达＋特异性启动子）"三大板块串成了一条链，非常适合做跨模块情境题。
三、同情境真题汇编
下列均为"光遗传学 / 光控离子通道"同一情境下已在各类考试中出现过的真题，可直接引用或改造。
题1｜2025·江苏苏锡常镇四市高三二模 第17题（多选）ChR2蛋白是一种光敏感通道蛋白，其功能如图1。研究人员将ChR2蛋白的编码基因导入Lhx6神经元（记作Lhx6+），470 nm光刺激后记录Hert神经元的电位变化；再依次加入不同递质受体的拮抗剂，分别记录电位变化，结果如图2。下列叙述正确的有（ ）
A. ChR2蛋白接受特定波长光线刺激后会改变其对离子的通透性
B. 根据图2结果推测Lhx6+和Hert两种细胞间存在突触联系
C. 图2结果说明神经元至少通过两种递质调控Hert神经元
D. 该项研究为治疗人类视网膜退行性疾病提供了一种潜在的临床疗法
答案：ABD
解析：
A ✔ ChR2 是"光敏感通道蛋白"，接受 470 nm 蓝光后通道开放，改变对阳离子（如 Na+）的通透性，阳离子内流引发神经元兴奋。
B ✔ 光刺激 Lhx6+能引起 Hert 神经元电位变化，说明两种神经元间能传递兴奋，推测存在突触联系。
C ✘ 加入拮抗剂1后电位与对照组无明显差异、加入拮抗剂2后维持静息，只能证明"存在拮抗剂2对应的一种功能递质"，不能推出"至少两种递质"。
D ✔ 将 ChR2 基因导入视网膜相关神经元使其"重获感光"，是光遗传疗法思路。
命题价值：几乎是照诺奖机制"原样命制"的模板题，可直接作为"诺奖情境题"的核心例题。
题2｜2025·重庆高三第二次联合诊断 第11题（单选）光遗传技术通过向已发育的动物的特定神经元中导入光敏蛋白基因，使其在光照下激活或抑制神经元活动。科学家将某光敏蛋白基因（如ChR2）与神经元特异性启动子连接后导入小鼠体内，成功实现了对特定神经通路的精准调控。下列相关叙述错误的是（ ）
A. 神经元特异性启动子的作用是确保光敏蛋白基因仅在目标神经元中表达
B. 光敏蛋白ChR2被激活后，可能通过打开离子通道引发神经元动作电位
C. 该技术需将光敏蛋白基因插入载体，并通过显微注射法导入小鼠受精卵
D. 若用RNA干扰技术抑制光敏蛋白基因的转录，可阻断光控神经元的响应
答案：C
解析：该技术是把光敏蛋白基因导入已发育动物的特定神经元（基因编辑后回输），不是培育转基因鼠那种"受精卵显微注射"，C 错。A 考组织特异性启动子；B 考 ChR2 开离子通道→动作电位；D 考 RNA 干扰（抑制基因表达）。
命题价值：把光遗传学与"基因工程操作程序""启动子的组织特异性"结合，是很好的"技术与工程"模块情境题。
题3｜2025—2026·河南青桐鸣高三9月质量检测 第4题（单选）光敏感通道（ChR2）是一种受光脉冲控制的离子通道蛋白。科研人员将ChR2基因转入小鼠体内并使其在神经细胞中表达，ChR2被蓝光激活后引起Na+内流。下列有关说法正确的是（ ）
A. 蓝光刺激可抑制该神经细胞产生兴奋
B. ChR2运输Na+时需要ATP水解供能
C. ChR2通过与Na+的结合和释放对其进行运输
D. 降低胞外Na+浓度，蓝光刺激下动作电位峰值减小
答案：D
解析：A 错（Na+内流→兴奋而非抑制）；B 错（通道蛋白协助扩散，不耗 ATP）；C 错（通道蛋白不与离子结合，载体蛋白才结合）；D 对（动作电位峰值取决于膜内外 Na+ 浓度差，降低胞外 Na+→峰值减小）。
命题价值：把"通道蛋白 / 协助扩散 / 动作电位峰值"三个高频考点一次串齐，最适合基础巩固。
题4｜原卷出处待核·菁优网收录（单选）光敏蛋白ChR2是一种离子通道蛋白，且能接受光信号。科研人员将从绿藻细胞膜中提取的ChR2导入线虫细胞的细胞膜上，发现在蓝光照射时，大量阳离子会通过该蛋白顺浓度梯度进入细胞，进而引起线虫肌肉强烈收缩。下列有关叙述错误的是（ ）
A. 绿藻细胞合成ChR2的过程中有水产生
B. 绿藻细胞膜和线虫细胞膜的基本支架均为磷脂双分子层
C. 绿藻中ChR2接受光信号的过程可体现细胞膜的信息交流功能
D. 光照可为这些阳离子进入线虫细胞提供能量
答案：D（离子顺浓度梯度经通道蛋白进入细胞属被动运输，光只提供"开通道"的信号，不为离子跨膜供能）
命题价值：把 ChR2 与"细胞膜结构（流动镶嵌模型）""信息交流功能""被动运输"结合，适合必修1 的基础巩固。
题5｜原卷出处待核·菁优网收录（单选）光敏感通道（ChR2）是一种受光脉冲控制的非特异性阳离子通道蛋白。在特定波长光照下神经细胞膜上的ChR2打开，细胞外大量阳离子顺浓度梯度内流（以Ca2+为主），形成光电流，产生动作电位……据此判断下列叙述错误的是（ ）
A. 神经细胞细胞膜上的膜蛋白呈不对称分布
B. ChR2以被动运输的方式运输单一种类的阳离子
C. 具有ChR2的神经元受光刺激后可以产生兴奋
D. 产生动作电位的峰值很可能与细胞内外Ca2+浓度差正相关
答案：D（动作电位主要由 Na+ 内流产生，"峰值与 Ca2+ 浓度差正相关"表述不严谨）
使用提示：本题为同类情境题库题，选项 B"运输单一种类的阳离子"与题干"非特异性"存在张力，引用前请再核对原题答案。
题6｜细菌视紫红质（光驱动质子泵）系列（2025·湖北十一校联考 / 2025河北卷黄金预测卷 同题）：某些古细菌的细胞膜上存在一种光驱动转运蛋白——细菌视紫红质，它能在光照下将H+从细胞内泵至细胞外。吸收光能后，细菌视紫红质结构发生改变，暴露出与H+的结合位点，结合H+后空间结构进一步变化，将H+释放到胞外，同时第96位的天冬氨酸的侧链封闭通道以防止H+回流。下列说法正确的是（ ）
A. 细菌视紫红质的加工需要内质网和高尔基体的参与
B. 若第96位天冬氨酸替换为甘氨酸，膜两侧H+浓度梯度将无法维持
C. H+的运输不需要直接能源物质的驱动，属于自由扩散
D. H+的外排速率仅与光照强度有关，与视紫红质数量无关
答案：B
解析：古细菌为原核生物，无内质网、高尔基体，A 错；第96位天冬氨酸侧链是防止 H+ 回流的"闸门"，若换成侧链较小的甘氨酸，通道无法有效封闭，H+ 倒流使膜两侧 H+ 梯度瓦解，B 对；该运输需光能＋转运蛋白，属（光驱动型）主动运输，不是自由扩散，C 错；速率受光照强度与蛋白数量共同影响，D 错。
变式（四川甘孜州高二期末 第10题）：问"错误的是"，答案 A（"细菌视紫红质是通道蛋白"错误——它泵 H+、需耗能，属载体蛋白）。
命题价值：细菌视紫红质与 ChR2 同属"视紫红质类光门控 / 光驱动蛋白"家族，可把"光能转换、主动运输、原核 vs 真核、载体蛋白 vs 通道蛋白"串成一条线，作为诺奖的"同源情境"拓展。
题8｜2025·广东卷 高考真题（光敏色素调控气孔）我国科学家以不同植物为材料，在不同光质条件下探究光对植物的影响。测定了番茄的光合作用相关指标并拟合CO2响应曲线（图a）；比较了突变体与野生型水稻水分消耗的差异（图b），鉴定到突变体发生了PIL15基因的功能缺失，并确定该基因参与脱落酸信号通路的调控。
(3) 归纳上述两个研究内容，总结出光影响植物的两条通路（图c）。通路1中，①吸收的光在叶绿体中最终被转化为 。通路2中吸收光的物质②为。用箭头完成图c中②所介导的通路，并在箭头旁用"(+)"或"(−)"标注前后两者间的作用。
▲ 题9配图（真题图c）：光影响植物的两条通路（通路1、通路2）示意
答案：(3) 有机物中的化学能；光敏色素；光敏色素→(−)PIL15基因→(+)脱落酸信号通路→(−)气孔开放程度。
资料来源：2025届江苏苏锡常镇四市高三二模（原卷配图）、2025届湖南邵阳市高三模拟预测（一）、2025届重庆高三第二次联合诊断、2025—2026 河南青桐鸣高三9月质量检测、2025 北京西城（北师大附中）高二期末、2025 湖北十一校联考、2025 高考河北卷黄金预测卷、2025 广东高考真题（原卷配图）、菁优网公开题库、Brain Bee 脑科学竞赛真题。