淺談高中生物學教學中同位素示蹤技術的應用

馮 飛

(陜西省西安市八一民族中學 陜西 西安 710108)

同位素示蹤技術是高中生物學教材中出現(xiàn)的一種重要的實驗技術，在近幾年的高考試題中出現(xiàn)的頻率較高[1]。高三二輪復習時，教師會以同位素示蹤技術作為專題，帶領學生將教材中應用到此技術的內容進行梳理，使學生在頭腦中構建完整的知識網絡，從而培養(yǎng)學生的科學思維，提高學生的概況總結能力。

1.同位素和同位素示蹤技術

1.1 同位素。同位素是同一元素的不同種類原子，具有相同的質子數[2]，不同的中子數[3]，即同一元素的不同核素之間互稱同位素，例如氫有1H、2H、3H三種核素，互稱同位素。同位素分為穩(wěn)定性同位素和放射性同位素，穩(wěn)定性同位素是天然存在的，目前技術手段檢測不到其放射性，安全、無輻射、不受半衰期的影響，可用于長時間的示蹤實驗，常見的有12C、13C、16O、18O、15N等；放射性同位素的原子核很不穩(wěn)定，會不間斷地、自發(fā)地釋放出射線，例如14C、32P、35S、3H、131I、60Co等。

1.2 同位素示蹤技術。同位素示蹤技術，也稱同位素標記法或同位素追蹤法。高中生物學教材(人教課標版，2003)中將該技術描述為：“同位素可用于追蹤物質的運行和變化規(guī)律，用同位素標記的化合物，化學性質不會改變。科學家通過追蹤同位素標記的化合物，可以弄清化學反應的詳細過程[3]。”在實際分析中，一般用一種同位素將某種化合物進行標記，也就是使該化合物帶上記號，再追蹤此標記信號在化學反應過程中出現(xiàn)的位置或反應的產物，最終達到解決相關問題的目的。

同位素示蹤技術包括穩(wěn)定性同位素示蹤技術和放射性同位素示蹤技術，使用較廣泛的是放射性同位素示蹤技術，因為該技術靈敏度高，容易檢測。但是，檢測某些與孕婦或兒童相關的疾病時，需要對食物或藥物中的某些成分進行標記，為了防止對孕婦或兒童的身體造成傷害，只能使用對人體幾乎安全無害的穩(wěn)定性同位素。

2.高中生物學中的同位素示蹤技術

高中生物學教材(人教課標版，2003)中涉及的同位素示蹤技術，主要用于追蹤物質運行、變化規(guī)律，以區(qū)別不同細胞器、元素、化合物等在生理和生物化學反應中的重要作用，理清化學反應的詳細過程，為學生深入理解知識奠定基礎。

2.1 穩(wěn)定性同位素示蹤技術的應用。

(1)探究光合作用中氧氣的來源。科學家在研究光合作用的過程時，為了探究光合作用的產物氧氣是來源于CO2還是H2O時，將相同的植物平均分為兩組，分別提供經18O標記的H218O和C18O2，其他條件均相同并且適宜，待光合作用結束后，利用質譜儀檢測每組植物釋放的氧氣中氧原子的種類，明確了氧氣中的氧來自于H2O，從而證明了光合作用中釋放的氧氣來自于H2O。

(2)探究DNA分子復制的過程。探究DNA復制的過程時，科學家將大腸桿菌DNA分子用穩(wěn)定性同位素15N進行標記，放到含有14N的培養(yǎng)液中讓其繼續(xù)繁殖若干代，將復制所得的子代DNA進行密度梯度離心，根據離心所得DNA條帶的位置判斷DNA的復制方式。由于15N和14N的原子量不同，如果DNA的兩條鏈都含15N，那么該DNA的分子量最大，離心時形成重帶；如果DNA的一條鏈含15N，另一條鏈含14N，那么該DNA的分子量居中，離心時形成中帶；如果DNA的兩條鏈都含14N，那么該DNA的分子量最小，離心時形成輕帶，以此來研究分析DNA的復制方式究竟是半保留復制還是全保留復制。根據離心后DNA條帶的分布情況，即含15N-14N的中帶和含14N-14N的輕帶，且輕帶的量多于中帶，確定了DNA的復制方式是半保留復制，也可以區(qū)別新合成的DNA和舊的DNA。

2.2 放射性同位素示蹤技術的應用。

(1)探究分泌蛋白的合成、運輸和分泌。科學家在研究細胞器在外分泌蛋白合成中的作用時，用3H標記的亮氨酸作為原料，通過觀察不同時間3H在細胞中出現(xiàn)的位置，即核糖體→內質網→囊泡→高爾基體→囊泡→細胞膜，從而明確各種細胞器在外分泌蛋白的合成、運輸和分泌中的重要作用。

(2)探究光合作用中有機物的合成途徑。探究光合作用中合成有機物的途徑時，科學家用小球藻作為實驗材料，用放射性同位素14C對光合作用的原料CO2進行標記，追蹤檢測14C出現(xiàn)的物質和位置，明確了暗(碳)反應階段碳元素的具體去向，即CO2→三碳化合物→糖類。

(3)探究遺傳物質的化學本質。由于DNA的組成元素主要有C、H、O、N、P，蛋白質的組成元素主要有C、H、O、N、S[4]，因此，P是DNA的特征元素，S是蛋白質的特征元素。因而，在研究生物的遺傳物質是DNA還是蛋白質時，科學家用每種物質的特征元素，即放射性32P和35S，分別標記噬菌體的DNA和蛋白質進行噬菌體侵染細菌的實驗，經培養(yǎng)、離心等過程，根據上清液或沉淀物中出現(xiàn)放射性的情況，證明噬菌體的DNA進入大腸桿菌體內，蛋白質外殼留在外面，再利用大腸桿菌體內的原料合成自身的遺傳物質DNA和蛋白質外殼，最后組裝成新的子代噬菌體，進而明確了遺傳物質的化學本質是DNA。

綜上所述，同位素示蹤技術在研究生物的生命活動、遺傳和變異等生物學現(xiàn)象中發(fā)揮著非常重要的作用，理解同位素示蹤技術的原理，有助于師生明確生理生化反應的過程，也有助于學生對高考題的作答。學生在學習科學家利用同位素示蹤技術進行科學研究的過程中，可以更加深入地理解所學知識，學習到科學家的思維方式和解決問題的方法，將這種方法靈活地應用于解決其他問題，從而有利于培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)造力，提高學生的科學探究能力。