簡析一道同位素標(biāo)記法測細胞周期的競賽題

羅招軍

說明：下題出自浙江省第11屆高中生物學(xué)競賽第六題，諸多高考資料有所改編，但答案與解析多有語焉不詳，下面試分析之。

原題：一個完整的細胞周期包括間期和分裂期（即M期），間期又可劃分為G1期（主要進行RNA和有關(guān)蛋白質(zhì)的合成）、S期（進行DNA分子復(fù)制）和G2期（繼續(xù)合成少量的蛋白質(zhì)和RNA）。

在某生物細胞培養(yǎng)液中加入用3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸，短暫培養(yǎng)一段時間后，洗去3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸。使在該段時間內(nèi)已處于DNA復(fù)制期不同階段的全部細胞中DNA被3H標(biāo)記，而當(dāng)時處于其他時期的細胞則不帶標(biāo)記。不同時間取樣做細胞放射性自顯影，找出正處于有絲分裂的分裂期（M期）細胞，計算其中帶3H標(biāo)記的細胞占有絲分裂細胞的百分數(shù)。得到下圖（圖1～圖4中橫軸為時間，縱軸為帶標(biāo)記細胞占總細胞數(shù)的百分數(shù)）：

（1） 圖1B中a點開始檢測到帶3H標(biāo)記分裂期細胞，則o~a為 期。

（2） 圖1B中b點帶3H標(biāo)記分裂期細胞數(shù)開始達到最大值，則a~b段表示期。

（3） 圖1C中c點時，帶標(biāo)記的細胞百分數(shù)開始下降，則a~c段所經(jīng)歷的時間相當(dāng)于 期的時間。

（4） 此后，帶標(biāo)記的分裂期細胞數(shù)逐漸減少，直到消失，到第二次出現(xiàn)帶有標(biāo)記的細胞數(shù)時為圖中e點，則d~e段所經(jīng)歷的時間相當(dāng)于 時期的時間，因此一個完整的細胞周期的時間相當(dāng)于 段經(jīng)歷的時間。

答案：（1） G2（或DNA復(fù)制后） （2） M（或分裂） （3） S（或DNA復(fù)制） （4） G1期和G2期 a~e

解析：基礎(chǔ)知識：細胞周期的時間分段圖（圖2）。

關(guān)鍵條件：使處于DNA復(fù)制期不同階段的全部細胞的DNA被3H標(biāo)記，而處于其他時期的細胞則不帶標(biāo)記。然后找出正處于有絲分裂的分裂期細胞并計時（圖3）。

故知：① a點，首次出現(xiàn)放射性標(biāo)記，之前這段時間為G2期。理由：處于DNA復(fù)制最后階段的細胞3最先進入分裂期，從而出現(xiàn)帶標(biāo)記的M期細胞,此細胞3經(jīng)過的時間為G2（oa）。

② a點后，至b點，從最先開始出現(xiàn)放射性標(biāo)記（0%）到放射性標(biāo)記達到最高峰（100%），這段時間為M期。理由：后續(xù)的部分細胞相繼進入了分裂期，到原處于DNA復(fù)制期最后階段的細胞3完成有絲分裂時，分裂期各時刻都有了細胞，故放射性標(biāo)記開始達到最高峰（100%）。此細胞3經(jīng)過的時間為G2+M（ob）,故ab=ob-oa=G2+M-G2=M。

③ b到c，放射性標(biāo)記持續(xù)為最高峰（100%），ac段時間為S期。理由：放射性標(biāo)記開始達到最高峰（100%）時，還有部分后續(xù)的細胞沒有進入分裂期，故100%的最高峰可以持續(xù)一段時間。當(dāng)原處于DNA復(fù)制最先時期的細胞1開始進入分裂期時，最高峰結(jié)束，此細胞1經(jīng)過的時間為S+G2（oc），故ac=oc-oa= S+G2-G2=S。

④ c到d, 即放射性標(biāo)記由最高峰（100%）逐漸減少，直至為0。此時，原處于DNA復(fù)制最先時期的細胞1完成有絲分裂，不再有本周期的細胞帶標(biāo)記。此細胞1經(jīng)過的時間為S+G2+M（od），cd=od-oc=（Ｓ＋Ｇ２＋Ｍ）－（Ｓ＋Ｇ２）＝M。

⑤ 到e點時，第二周期的細胞開始出現(xiàn)標(biāo)記，即原處于DNA復(fù)制期最后階段的細胞3再次進入分裂期，經(jīng)歷的時間為一個細胞周期（一個周期的分裂開始到下一周期的分裂開始，即分裂開始到分裂開始，總時間與一個完整周期(即一次分裂結(jié)束到下一次分裂結(jié)束）相同），即ae。也可運算：

oe=G2+M+G1+S+G2，而oa=G2，故ae=oe-oa=（G2+M+G1+S+G2）-G2=G1+G2+S+M

也可分析：因為：ac=S，cd=M，de=oe-od=（G2+M+ G1+S+G2）-（S+G2+M）=G1+G2

所以：ae=ac+cd+de=S+M+（Ｇ１＋Ｇ２）＝G1+G2+S+M。

全部過程軌跡圖示如圖9所示。

后記：由解析過程可知，本題作為一道難度系數(shù)較大的競賽題或者高考壓軸題，確實名副其實：考查了高中生物的難點和熱點——細胞周期和同位素標(biāo)記法，還在此基礎(chǔ)上進行了拓廣和加深——進一步以信息的形式考察細胞分裂間期的分段。但是，如果教師有了雄厚的基礎(chǔ)知識，充分利用題目信息，借用軌跡模型的方法，卻可以化繁為簡，令學(xué)生一目了然。