高中生物教材中的同位素

徐立宏　王　芳

同位素是指原子序数相同，在元素周期表上的位置相同、而化学性质相似、质量不同的元素。当前高中生物教材中的实验和相关习题中频繁出现同位素的应用，以下就相关内容进行归纳阐述。

1 研究某些物质的转移

同位素的主要应用是利用其放射性进行示踪，常用的示踪原子有14C、18O、15N、3H、32P、35S等，就是把放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径、运动到哪里了、分布如何。

1.1 细胞内的转移

高中生物教材中，介绍科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时，曾经做过这样一个实验：在豚鼠的胰脏腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3 min后被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中，17 min后出现在高尔基体中，117 min后出现在靠近细胞膜内侧的运输蛋白质的小泡中，以及释放到细胞外的分泌物中。实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网—高尔基体—细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。

教材中介绍了科学家用含有14C的二氧化碳来追踪光合作用中的C原子，证明它的转移途径是：二氧化碳——三碳化合物——糖类。

同样，在C4植物的光反应阶段，CO2的C首先转移到C4中，然后再转移到C3中，这一变化过程也是利用14C的同位素示踪技术确认的。

1.2 生物体内的转移

研究生长素的极性运输，用同位素14C标记的吲哚乙酸来处理一段枝条的一端，然后探测另一端是否有含有放射性14C的吲哚乙酸存在（图1）。处理甲图中A端，能在B端探测到14C的存在，而处理乙图中A端，却不能B端探测到14C的存在，表明生长素是从形态学的上端向形态学的下端运输的。

动物胚胎发育过程等方面，应用了活体染色法、同位素标记法等方法，确定了胚胎各个胚层的来源。

1.3 生物体之间的转移

利用15N标记无机盐，研究其在动植物体内的转移途径（图2）。

1.4 生物与无机环境之间的转移

证明光合作用中氧气来源于参加反应的水。19世纪30年代美国科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于CO2。他们进行了这样两组实验：用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用的实验：第一组向绿色植物提供H218O和CO2；第二组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。在相同的条件下，对两组光合作用实验释放出的氧进行分析，结果表明，第一组释放的氧全部是18O2，第二组释放的氧全部是O2。从而证明了光合作用中释放的氧全部来自水。

2 可以用来确定古生物年代

通过测定含碳物质如化石等样品中碳的衰变速度，即可确定有机体的死亡时间，即化石的年代，从而为生物进化理论提供有力的证据。例如，若干万年以前，始祖鸟通过摄食，吸收了动植物中含有放射性14C的营养物质，死亡后不再吸收。随着年代的推移，始祖鸟中14C含量逐步减少，古生物学家在对始祖鸟化石的测定中，发现14C含量与现代鸟相同。已知地表中14C的含量基本不变，14C的半衰期为T年。那么，始祖鸟距今年代大约为多少年？因为14C的半衰期为T年，根据始祖鸟化石中14C的含量与现代鸟的相同，即衰变的次数为N次，可推算衰变的时间为NT年，即始祖鸟距今年代大约为NT年。

3 可以用来研究遗传物质

3.1 遗传物质的确定

1952年，在噬菌体侵染细菌的实验中，赫尔希和蔡斯把宿主细菌分别培养在含有35S和32P的培养基里，宿主细菌在生长过程中,就分别被35S和32P所标记。然后,他们用T2噬菌体分别去侵染被35S和32P标记的细菌。噬菌体在细菌细胞内增殖，裂解后释放出很多子代噬菌体，用被35S和32P标记的噬菌体分别去侵染未标记的细菌,测定结果显示,用35S标记的噬菌体侵染细菌时,宿主细胞内很少有同位素标记,而大多数35S标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外面。当用32P标记的噬菌体感染细菌时,宿主细胞外面的噬菌体外壳中很少有放射性同位素32P,而大多数放射性同位素32P在宿主细胞内。以上实验表明,噬菌体在侵染细菌时,进入细菌内的主要是DNA,而大多数蛋白质在细菌的外面。可见,在噬菌体的生活史中，只有DNA是在亲代和子代之间具有连续性的物质。

3.2 DNA的半保留复制

1958年梅塞尔森和斯塔尔利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制。他们将大肠杆菌放在含有15N标记的NH4Cl培养基中繁殖了15代，使所有的大肠杆菌DNA被15N所标记，可以得到含15N的DNA。然后将细菌转移到含有14N标记的NH4Cl培养基中进行培养，在培养不同代数时，收集细菌，裂解细胞，用CsCl密度梯度离心法观察DNA所处的位置。由于15N-DNA的密度比普通DNA(14N－DNA)的密度大，在CsCl密度梯度离心时，两种密度不同的DNA分布在不同的区带。

实验结果表明：在全部由15N标记的培养基中得到的15N的DNA显示为一条重密度带位于离心管的管底。当转入14N标记的培养基中繁殖后第一代，得到了一条中密度带，这是15N-DNA和14N-DNA的杂交分子。第二代有中密度带及低密度带两个区带，这表明它们分别为15N14N－DNA和14N14N-DNA。随着以后在14N培养基中培养代数的增加，低密度带增强，而中密度带逐渐减弱，离心结束后，从管底到管口，CsCl溶液密度分布从高到低形成密度梯度，不同重量的DNA分子就停留在与其相当的CsCl密度处，在紫外光下可以看到DNA分子形成的区带。为了证实第一代杂交分子中15N-DNA和14N－DNA，将这种杂交分子经加热变性，对于变性前后的DNA分别进行CsCl密度梯度离心，结果变性前的杂交分子为一条中密度带，变性后则分为两条区带，即重密度带(15N－DNA)及低密度带(14N－DNA)。

3.3 确定DNA合成期的时间长度

有人为确定DNA合成期的时间长度，在处于连续分裂的细胞的分裂期加入以氚标记的胸腺嘧啶，根据胸腺嘧啶被利用情况，可以确定DNA合成期的起始点和持续时间。

3.4 DNA分子探针

用放射性同位素（如32P）以及荧光分子等标记DNA的分子，利用DNA分子杂交原理，鉴别被测标本上的遗传信息，达到快速诊断的目的。DNA分子探针还可以用来检测饮用水中的病毒含量。

4 诱变育种

诱变育种常用的放射性同位素有35S、32P、45Ca（β射线）、65Zn、60Co(γ射线)等，主要方法有浸泡种子、施入土壤、涂抹幼苗、注入植物组织内等。

5 医学上放射性治疗

放射性治疗是将带有射线的放射性药物给肿瘤病人口服或静脉注射入体内后，放射性药物随血液到达肿瘤部位，对肿瘤细胞放出一种β射线，其射线像“魔弹”一样，能瞄准肿瘤细胞射击，最后抑制或摧毁肿瘤细胞，从而达到治疗的目的。

1941年放射性碘首次作为治疗手段被用于临床，1943年放射性碘被用来治疗甲亢病人，1946年首次报道用131I治疗甲亢。由于甲状腺有浓集碘的功能，同位素碘与碘的化学性质是相同的。同位素碘在甲状腺内被浓集后，放出大量的β射线（90％以上）。β射线能量很低，射程很短，仅为0.5～2 mm，用一张纸就可以挡住。因为β射线只对甲状腺滤泡细胞有破坏，不会穿过甲状腺包膜损伤甲状腺旁腺或周围组织。而甲亢对131I的摄取率高，功能亢进时的甲状腺滤泡上皮细胞对放射线是敏感的，131I浓集在甲状腺内，大量的β射线可以破坏亢进的甲状腺滤泡上皮细胞，使亢进的甲状腺功能恢复正常，而放射线对全身的辐射是很少的。