內(nèi)蒙古

同位素示蹤法是人教版高中生物教材中的重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，在近幾年的高考試題中經(jīng)常出現(xiàn)。在二輪復(fù)習(xí)的過程中，教師可以同位素示蹤法為主線將高中生物課程中運(yùn)用此技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容串聯(lián)在一起，從而達(dá)到構(gòu)建知識(shí)體系，提升科學(xué)思維的目的。本文就學(xué)生對(duì)同位素示蹤法的一些疑惑做出解釋，并以教材中相關(guān)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在聯(lián)系及高考試題做出小結(jié)。

一、同位素示蹤法學(xué)生之惑

1.什么是同位素

質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一元素的不同原子互稱同位素，如氕（1H）、氘（2H）、氚（3H）互為同位素，“同位”即指質(zhì)子數(shù)相同，在元素周期表中的位置相同。有些同位素具有放射性，被稱為放射性同位素。

2.什么是同位素示蹤法

同位素示蹤法（isotopic tracer method）是利用放射性同位素作為示蹤劑對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記的微量分析方法。同位素標(biāo)記可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律，借助同位素可以研究有機(jī)反應(yīng)的歷程。簡(jiǎn)而言之，就是用易于檢測(cè)的一種放射性核素給某種化合物分子打上“記號(hào)”，追蹤該“記號(hào)”所在的位置或者反應(yīng)的產(chǎn)物，從而對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行分析和研究的方法，生物學(xué)研究中常用的同位素有的具有放射性，有的不具有放射性。

3.放射性檢測(cè)時(shí)能否將不同的放射性元素加以區(qū)別

常用的放射性同位素在乳膠內(nèi)的射程以及半衰期是不同的，如32P 在乳膠內(nèi)的射程是數(shù)毫米，半衰期是14.2 天 ；35S 在乳膠內(nèi)的射程是10 um～ 1 mm，半衰期是87 天，理論上不同的放射性同位素是可以區(qū)分的，但是兩種放射性同位素同時(shí)存在時(shí)不易區(qū)分。

二、高中生物涉及的同位素示蹤法與學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)

高中生物課程中應(yīng)用到同位素示蹤法的主要有以下幾章節(jié)，分別是人教版高中生物教材必修1第3章第2 節(jié)“分泌蛋白的合成和運(yùn)輸”、第5章第4 節(jié)“光合作用的探索歷程”，以及必修2第3章第1 節(jié)“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”和第3 節(jié)“DNA 半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)”。這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)均以同位素示蹤法為紐帶層層遞進(jìn)，逐步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力及全面思考問題的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.知走向——標(biāo)記一種物質(zhì)一種元素

分泌蛋白的合成和運(yùn)輸過程是其他幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)通過追蹤標(biāo)記的原料進(jìn)而得知產(chǎn)物合成和運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)所。合成蛋白質(zhì)的原料是氨基酸，本實(shí)驗(yàn)將反應(yīng)物亮氨酸用3H 標(biāo)記并追蹤，發(fā)現(xiàn)其放射性先后出現(xiàn)在核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中，因而得知分泌蛋白的合成和加工的場(chǎng)所，通過此實(shí)驗(yàn)初步了解同位素追蹤物質(zhì)的方法。在二輪復(fù)習(xí)的過程中將蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能、合成、加工以及基因的表達(dá)串聯(lián)在一起，將蛋白質(zhì)這一物質(zhì)在細(xì)胞中的真實(shí)情況呈現(xiàn)給學(xué)生，有助于學(xué)生形成生命觀念及整體意識(shí)。

【例1】（2017 年，江蘇卷，第23 題）在體外用14C標(biāo)記半胱氨酸-tRNA 復(fù)合物中的半胱氨酸（Cys），得到*Cys-tRNACys，再用無(wú)機(jī)催化劑鎳將其中的半胱氨酸還原成丙氨酸（Ala），得到*Ala-tRNACys（如圖，tRNA 不變）。如果該*Ala-tRNACys參與翻譯過程，那么下列說法正確的是 （ ）

A.在一個(gè)mRNA 分子上可以同時(shí)合成多條被14C 標(biāo)記的多肽鏈

B.反密碼子與密碼子的配對(duì)由tRNA 上結(jié)合的氨基酸決定

C.新合成的肽鏈中，原來(lái)Cys 的位置會(huì)被替換為14C標(biāo)記的Ala

D.新合成的肽鏈中，原來(lái)Ala 的位置會(huì)被替換為14C標(biāo)記的Cys

【解析】本題以同位素示蹤法為背景，考查蛋白質(zhì)的合成（遺傳信息的翻譯）過程，學(xué)生只要掌握核心知識(shí)，結(jié)合題中的信息就可以解答問題。一個(gè)mRNA 分子可以相繼結(jié)合多個(gè)核糖體，同時(shí)進(jìn)行多條肽鏈的合成，A 正確；反密碼子與密碼子按堿基互補(bǔ)原則進(jìn)行配對(duì)，與tRNA上結(jié)合的氨基酸無(wú)關(guān)，B 錯(cuò)誤；由題干中的信息可知該tRNA 攜帶的氨基酸由Cys 替換成Ala，則新合成的肽鏈中，原來(lái)Cys 的位置會(huì)被替換成Ala，C 正確；由題干中的信息可知，該tRNA 運(yùn)輸Cys，則Ala 的位置不會(huì)被替換為Cys，D 錯(cuò)誤。

【答案】AC

2.尋來(lái)源——標(biāo)記兩種物質(zhì)的同一種元素

光合作用的歷程是許多科學(xué)家經(jīng)過不懈的努力，在相應(yīng)技術(shù)理論支持下逐步克服困難探究出來(lái)的，得出光合作用的總反應(yīng)式：，那么光合作用產(chǎn)物中的O2來(lái)自于反應(yīng)物中的H2O 還是CO2？學(xué)生根據(jù)已學(xué)知識(shí)——“分泌蛋白的合成和運(yùn)輸”聯(lián)想到解答此問題可使用同位素示蹤法，但還需要思考兩種反應(yīng)物應(yīng)如何標(biāo)記、如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)控制變量。這時(shí)教師可引導(dǎo)學(xué)生設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)：第一組為植物提供C18O2和H2O；另一組為植物提供和CO2，在相同的條件下培養(yǎng)兩組植物，觀察兩組植物釋放的氧氣，發(fā)現(xiàn)第一組釋放的是O2，第二組釋放的是，由此推測(cè)出光合作用中釋放的O2來(lái)源于H2O。那么反應(yīng)物CO2中的碳如何轉(zhuǎn)化成有機(jī)物中的碳？運(yùn)用同位素標(biāo)記碳元素，追蹤其轉(zhuǎn)化的過程，這與探究分泌蛋白的合成與運(yùn)輸相似，由此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可知同位素示蹤法也可用于研究反應(yīng)過程，通過此實(shí)驗(yàn)教師可引導(dǎo)學(xué)生多提問、勤思考。

【例2】（2016 年，全國(guó)卷Ⅲ，第2 題）在前人進(jìn)行的下列研究中,采用的核心技術(shù)相同（或相似）的一組是 （ ）

①證明光合作用所釋放的氧氣來(lái)自于水

②用紫外線等處理青霉菌選育高產(chǎn)青霉素菌株

③用T2噬菌體侵染大腸桿菌證明DNA 是遺傳物質(zhì)

④用甲基綠和吡羅紅對(duì)細(xì)胞染色,觀察核酸的分布

A.①② B.①③ C.② ④ D.③④

【解析】本題考查同位素示蹤法，學(xué)生將復(fù)習(xí)過程中的相關(guān)知識(shí)整合即可得出正確答案。①③應(yīng)用同位素示蹤法，②應(yīng)用基因突變?cè)?，④通過顏色反應(yīng)確定細(xì)胞中核酸的分布。

【答案】B

3.巧標(biāo)記——標(biāo)記兩種物質(zhì)的不同元素

噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖谴_定DNA 和蛋白質(zhì)哪種物質(zhì)是遺傳物質(zhì)，這與研究光合作用產(chǎn)物O2中的O 來(lái)源相似，但學(xué)生需要思考如何標(biāo)記噬菌體。噬菌體是病毒，營(yíng)寄生生活，因此需要將噬菌體的寄主——大腸桿菌標(biāo)記，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)噬菌體的標(biāo)記。標(biāo)記的元素如何選擇？首先要明確本實(shí)驗(yàn)需設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)，一組只標(biāo)記DNA，另一組只標(biāo)記蛋白質(zhì)，然后思考是標(biāo)記DNA 和蛋白質(zhì)的共有元素（C、H、O、N）還是特有元素（DNA 標(biāo)記P，蛋白質(zhì)標(biāo)記S），如果標(biāo)記兩者的共有元素，如標(biāo)記氨基酸中的氫元素，則蛋白質(zhì)會(huì)被標(biāo)記，在氨基酸脫水縮合的過程中形成的水也帶有標(biāo)記的氫，若帶有標(biāo)記的水參與核酸的水解，這樣帶有標(biāo)記的氫元素又出現(xiàn)在核苷酸上，進(jìn)而出現(xiàn)在DNA 上，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)DNA 和蛋白質(zhì)分別標(biāo)記的目的，從而確定需要標(biāo)記DNA 和蛋白質(zhì)各自特有的元素。根據(jù)人教版教材必修1 細(xì)胞的物質(zhì)組成的內(nèi)容可知，具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)菌組成成分有核酸（DNA 和RNA）、蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)、水和無(wú)機(jī)鹽；噬菌體的組成成分是DNA 和蛋白質(zhì)，相比較而言細(xì)胞重，離心結(jié)果中沉淀（較重）的是細(xì)菌，上清液中（較輕）是噬菌體顆粒。若是遺傳物質(zhì)則該物質(zhì)能從親代傳到子代，則放射性的標(biāo)記也會(huì)在子代中檢測(cè)到。

【例3】（2017 年，全國(guó)卷Ⅱ，第2 題）在證明DNA 是遺傳物質(zhì)的過程中，T2噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)發(fā)揮了重要作用。下列與該噬菌體相關(guān)的敘述，正確的是 （ ）

A.T2噬菌體也可以在肺炎雙球菌中復(fù)制和增殖

B.T2噬菌體病毒顆粒內(nèi)可以合成mRNA 和蛋白質(zhì)

C.培養(yǎng)基中的32P 經(jīng)宿主攝取后可出現(xiàn)在T2噬菌體的核酸中

D.人類免疫缺陷病毒與T2噬菌體的核酸類型和增殖過程相同

【解析】本題考查T2噬菌體這一病毒的相關(guān)內(nèi)容。由人教版教材必修2第44 頁(yè)中的“T2噬菌體是一種專門寄生在大腸桿菌體內(nèi)的病毒”知A、B 錯(cuò)誤；噬菌體利用大腸桿菌體內(nèi)的物質(zhì)來(lái)合成自身的組成成分，C 正確；由人教版教材必修1第29 頁(yè)中的“部分病毒的遺傳信息，直接貯存在RNA 中，如HIV、SARS 病毒等”知，人體免疫缺陷病毒（HIV）的遺傳物質(zhì)是RNA，T2噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA，D 錯(cuò)誤。本題也提示教師在整合知識(shí)的同時(shí)也要注意回歸教材。

【答案】C

4.探未知——標(biāo)記元素，由結(jié)果推過程

DNA 復(fù)制方式的實(shí)驗(yàn)證據(jù)重在運(yùn)用技術(shù)探究未知，首先學(xué)生要思考如何區(qū)分親代和子代DNA 鏈，由此聯(lián)想到需要運(yùn)用同位素標(biāo)記法?？茖W(xué)家Meselson 和Stahl 將大腸桿菌長(zhǎng)期培養(yǎng)在以15N 為氮源的培養(yǎng)液中得到15N-DNA，作為親代DNA，由于該DNA 分子的密度比14N-DNA 的密度要大，所以在密度梯度離心時(shí)，這兩種DNA 會(huì)形成位置不同的區(qū)帶。將親代DNA 培養(yǎng)在含14N 的培養(yǎng)液中，新形成的子代DNA 鏈?zhǔn)?4N。若實(shí)驗(yàn)前不了解DNA 的復(fù)制方式，學(xué)生可以根據(jù)教材中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)DNA的復(fù)制方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示經(jīng)過一代之后，所有DNA 的密度在15N-DNA 和14N-DNA 之間，即形成了15N-DNA和14N-DNA 雜合分子，兩代后出現(xiàn)等量的14N-DNA 和15N/14N-DNA 雜合分子，由此推斷DNA 的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，親代的15N-DNA 分子鏈一直完整地保留并存在于后代中，這種穩(wěn)定性與DNA 是遺傳物質(zhì)這一功能相符，教師可借此實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)未知知識(shí)的探究能力。

【例4】（2017 年，全國(guó)卷Ⅰ，第29 題）根據(jù)遺傳物質(zhì)的化學(xué)組成，可將病毒分為RNA 病毒和DNA 病毒兩種類型。有些病毒對(duì)人類健康會(huì)造成很大危害。通常，一種新病毒出現(xiàn)后需要確定該病毒的類型。

假設(shè)在宿主細(xì)胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換。請(qǐng)利用放射性同位素標(biāo)記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞等為材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以確定一種新病毒的類型。簡(jiǎn)要寫出（1）實(shí)驗(yàn)思路，（2）預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論即可。（要求：實(shí)驗(yàn)包含可相互印證的甲、乙兩個(gè)組）

【解析】本題考查同位素示蹤法、DNA 和RNA 的組成以及噬菌體侵染細(xì)菌的相關(guān)知識(shí)，考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力以及對(duì)相應(yīng)知識(shí)的掌握程度，這就要求學(xué)生在復(fù)習(xí)的過程中將知識(shí)體系化的同時(shí)應(yīng)具備相應(yīng)的科學(xué)思維素養(yǎng)。DNA 的特有堿基為T，RNA 的特有堿基為U，根據(jù)病毒的生活方式，分別設(shè)置甲、乙兩組實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)推測(cè)結(jié)果。

【答案】（1）思路：

甲組：將宿主細(xì)胞培養(yǎng)在含有放射性標(biāo)記尿嘧啶的培養(yǎng)基中，之后接種新病毒。培養(yǎng)一段時(shí)間后收集病毒并檢測(cè)其放射性。

乙組：將宿主細(xì)胞培養(yǎng)在含有放射性標(biāo)記胸腺嘧啶的培養(yǎng)基中，之后接種新病毒。培養(yǎng)一段時(shí)間后收集病毒并檢測(cè)其放射性。

（2）結(jié)果及結(jié)論：若甲組收集的病毒有放射性，乙組無(wú)，即為RNA 病毒；反之為DNA 病毒。

同位素示蹤法是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用較廣泛的技術(shù)之一，在高中生物教材中的運(yùn)用由易到難，教師在二輪復(fù)習(xí)的過程中可以以點(diǎn)連線，整合相關(guān)知識(shí)，系統(tǒng)地對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)。同位素示蹤法還可用來(lái)探索有絲分裂與減數(shù)分裂、光合作用與細(xì)胞呼吸的聯(lián)系中物質(zhì)運(yùn)行規(guī)律，例如H2O 中的氧元素如何進(jìn)入有機(jī)物中。在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)進(jìn)行適度拓展對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)有很大的幫助，而科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)是生物學(xué)科學(xué)習(xí)研究及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的必備品質(zhì)。