高中生物中同位素示踪法应用的实例

何桂兰

摘 要：同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，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，是怎样分布的等等。

关键词：同位素示踪法；高中生物教学实例

中图分类号：G632 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2015）09-280-01

同位素在生产、生活和科研等方面都有着极其广泛的应用。在生物学领域可用来测定生物化石的年代，也利用其射线进行诱变育种、防治病虫害和临床治癌，还可利用其射线作为示踪原子来研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等等。

同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，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，是怎样分布的等。同位素标记的放射性标记化合物，与未标记的相应化合物具有相同的化学与生物学性质，不同的只是它们带有放射性，可以利用放射性探测技术来追踪。用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素。如3H、15N、14C、18O、32P、35S等。

现行高中生物教材中的内容和相关习题中频繁出现同位素示踪法，展示了此方法的多种应用价值和对科学研究的重要贡献。以下就教材相关内容结合实例进行归纳阐述，以期达到较深刻地认识这项技术，进而达到认识生物某些重要代谢途径的目的。

一、分泌蛋白在细胞中合成部位及运输方向

在必修一课本中，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：他们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。这个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。

二、研究生物的新陈代谢

教材在介绍光合作用的相关内容时，提及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，还是来自于二氧化碳。他们进行了这样两组实验：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。同样，也是用此方法，20世纪40年代，美国科学家卡尔文用碳的同位素14C标记的CO2 ，探明了碳在光合作用中转化成有机物中碳的转移途径，被称为卡尔文循环。除了光合作用，细胞呼吸等重要的生物代謝过程的很多问题也可以用同位素示踪法来研究。

三、证明DNA是遗传物质：噬菌体侵染细菌实验

必修二第3章第一节：DNA是主要的遗传物质。这一节中有几个经典的实验，其中噬菌体侵染细菌的实验正是运用了同位素示踪法。1952年赫尔希和蔡斯把大肠杆菌分别培养在含有35S和32P的培养基中， 大肠杆菌在生长过程中， 就分别被35S和32P所标记。然后，赫尔希等人用T2噬菌体分别去侵染被35S和32P标记的大肠杆菌。噬菌体在大肠杆菌细胞内增殖，裂解后释放出很多子代噬菌体，在这些子代噬菌体中，前者被35S标记，后者被32P标记。用被35S和32P标记的噬菌体分别去侵染未标记的大肠杆菌，然后测定宿主细胞的同位素标记，当用35S标记的噬菌体侵染细菌时，测定结果显示：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，测定结果显示宿主细胞的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，进入细菌内的是DNA，而蛋白质留在细菌的外面。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。故证明DNA是遗传物质。

四、证明DNA的半保留复制

在必修二课本DNA的复制一节，选学内容DNA半保留复制的实验证据部分，就介绍了用同位素示踪法证明半保留复制机制的实验过程。实验步骤：

第一步：在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14 N-DNA；在氮源15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N-DNA。用某种离心方法分离得到的结果如右图所示，其DNA分别分布在轻带和重带上。

第二步：将亲代大肠杆菌（含15N-DNA）转移到含14 N的培养基上繁殖一代（Ⅰ），请分析：如果DNA离心后位置为重带和轻带两个条带，则是全保留复制，如果DNA离心后位置为只存在中带，则是半保留复制。

第三步：为了进一步验证第二步的推测结果，将亲代大肠杆菌（含15N-DNA）转移到含14N的培养基上连续繁殖二代（Ⅱ），请分析：

如果DNA离心后位置为重带和轻带，轻带加粗，则是全保留复制；如果DNA离心后位置为出现重带和轻带两个条带，则是半保留复制。

五、DNA探针

在生物的选修教材部分，多次涉及到DNA探针的相关知识，包括环境污染监测、基因诊断、基因工程中目的基因的检测等等。所谓DNA探针，就是用放射性同位素标记或者荧光标记的DNA分子，利用DNA分子杂交技术，达到检测和筛选的目的。

除此之外，同位素示踪法在生物领域的应用还有其他很多方面，如研究细胞的增殖历程、生物的生命活动调节以及动物胚胎发育过程等方面。同位素示踪技术在生物学领域的广泛应用，帮助人类更深入地了解生命活动的规律。