高中生物中同位素示蹤法應用的實例

何桂蘭

摘 要：同位素示蹤法是利用放射性核素作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法，即把放射性同位素的原子參到其他物質中去，讓它們一起運動，遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，就可知道放射性原子通過什么路徑，運動到哪里了，是怎樣分布的等等。

關鍵詞：同位素示蹤法；高中生物教學實例

中圖分類號：G632 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2015）09-280-01

同位素在生產、生活和科研等方面都有著極其廣泛的應用。在生物學領域可用來測定生物化石的年代，也利用其射線進行誘變育種、防治病蟲害和臨床治癌，還可利用其射線作為示蹤原子來研究細胞內的元素或化合物的來源、組成、分布和去向等，進而了解細胞的結構和功能、化學物質的變化、反應機理等等。

同位素示蹤法是利用放射性核素作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法，即把放射性同位素的原子參到其他物質中去，讓它們一起運動，遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，就可知道放射性原子通過什么路徑，運動到哪里了，是怎樣分布的等。同位素標記的放射性標記化合物，與未標記的相應化合物具有相同的化學與生物學性質，不同的只是它們帶有放射性，可以利用放射性探測技術來追蹤。用于示蹤技術的放射性同位素一般是用于構成細胞化合物的重要元素。如3H、15N、14C、18O、32P、35S等。

現(xiàn)行高中生物教材中的內容和相關習題中頻繁出現(xiàn)同位素示蹤法，展示了此方法的多種應用價值和對科學研究的重要貢獻。以下就教材相關內容結合實例進行歸納闡述，以期達到較深刻地認識這項技術，進而達到認識生物某些重要代謝途徑的目的。

一、分泌蛋白在細胞中合成部位及運輸方向

在必修一課本中，介紹科學家在研究分泌蛋白的合成和分泌時，曾經做過這樣一個實驗：他們在豚鼠的胰臟腺泡細胞中注射3H標記的亮氨酸，3 min后，被標記的氨基酸出現(xiàn)在附著有核糖體的內質網中，17 min后，出現(xiàn)在高爾基體中，117 min后，出現(xiàn)在靠近細胞膜內側的運輸?shù)鞍踪|的小泡中，以及釋放到細胞外的分泌物中。這個實驗說明分泌蛋白在附著于內質網上的核糖體中合成之后，是按照內質網→高爾基體→細胞膜的方向運輸?shù)?。從而證明了細胞內的各種生物膜在功能上是緊密聯(lián)系的。

二、研究生物的新陳代謝

教材在介紹光合作用的相關內容時，提及19世紀30年代美國科學家魯賓和卡門研究光合作用中釋放的氧到底是來自于水，還是來自于二氧化碳。他們進行了這樣兩組實驗：第一組向綠色植物提供H218O和CO2；第二組向同種綠色植物提供H2O和 C18O2。在相同的條件下，對兩組光合作用實驗釋放出的氧進行分析，結果表明，第一組釋放的氧全部是18O2，第二組釋放的氧全部是O2。從而證明了光合作用中釋放的氧全部來自水。同樣，也是用此方法，20世紀40年代，美國科學家卡爾文用碳的同位素14C標記的CO2 ，探明了碳在光合作用中轉化成有機物中碳的轉移途徑，被稱為卡爾文循環(huán)。除了光合作用，細胞呼吸等重要的生物代謝過程的很多問題也可以用同位素示蹤法來研究。

三、證明DNA是遺傳物質：噬菌體侵染細菌實驗

必修二第3章第一節(jié)：DNA是主要的遺傳物質。這一節(jié)中有幾個經典的實驗，其中噬菌體侵染細菌的實驗正是運用了同位素示蹤法。1952年赫爾希和蔡斯把大腸桿菌分別培養(yǎng)在含有35S和32P的培養(yǎng)基中， 大腸桿菌在生長過程中， 就分別被35S和32P所標記。然后，赫爾希等人用T2噬菌體分別去侵染被35S和32P標記的大腸桿菌。噬菌體在大腸桿菌細胞內增殖，裂解后釋放出很多子代噬菌體，在這些子代噬菌體中，前者被35S標記，后者被32P標記。用被35S和32P標記的噬菌體分別去侵染未標記的大腸桿菌，然后測定宿主細胞的同位素標記，當用35S標記的噬菌體侵染細菌時，測定結果顯示：宿主細胞內很少有同位素標記，而大多數(shù)35S標記的噬菌體蛋白質附著在宿主細胞的外面 。當用32P標記的噬菌體感染細菌時，測定結果顯示宿主細胞的外面的噬菌體外殼中很少有放射性同位素32P，而大多數(shù)放射性同位素32P在宿主細胞內。以上實驗表明：噬菌體在侵染細菌時，進入細菌內的是DNA，而蛋白質留在細菌的外面?？梢姡涸谑删w的生活史中，只有DNA是在親代和子代之間具有連續(xù)性的物質。故證明DNA是遺傳物質。

四、證明DNA的半保留復制

在必修二課本DNA的復制一節(jié)，選學內容DNA半保留復制的實驗證據(jù)部分，就介紹了用同位素示蹤法證明半保留復制機制的實驗過程。實驗步驟：

第一步：在氮源為14N的培養(yǎng)基上生長的大腸桿菌，其DNA分子均為14 N-DNA；在氮源15N的培養(yǎng)基上生長的大腸桿菌，其DNA分子均為15N-DNA。用某種離心方法分離得到的結果如右圖所示，其DNA分別分布在輕帶和重帶上。

第二步：將親代大腸桿菌（含15N-DNA）轉移到含14 N的培養(yǎng)基上繁殖一代（Ⅰ），請分析：如果DNA離心后位置為重帶和輕帶兩個條帶，則是全保留復制，如果DNA離心后位置為只存在中帶，則是半保留復制。

第三步：為了進一步驗證第二步的推測結果，將親代大腸桿菌（含15N-DNA）轉移到含14N的培養(yǎng)基上連續(xù)繁殖二代（Ⅱ），請分析：

如果DNA離心后位置為重帶和輕帶，輕帶加粗，則是全保留復制；如果DNA離心后位置為出現(xiàn)重帶和輕帶兩個條帶，則是半保留復制。

五、DNA探針

在生物的選修教材部分，多次涉及到DNA探針的相關知識，包括環(huán)境污染監(jiān)測、基因診斷、基因工程中目的基因的檢測等等。所謂DNA探針，就是用放射性同位素標記或者熒光標記的DNA分子，利用DNA分子雜交技術，達到檢測和篩選的目的。

除此之外，同位素示蹤法在生物領域的應用還有其他很多方面，如研究細胞的增殖歷程、生物的生命活動調節(jié)以及動物胚胎發(fā)育過程等方面。同位素示蹤技術在生物學領域的廣泛應用，幫助人類更深入地了解生命活動的規(guī)律。