淺議同位素示蹤技術(shù)在近年江蘇高考試題中的應(yīng)用

羅 琦 江東海

（江蘇省句容高級中學(xué) 江蘇鎮(zhèn)江 212400）

在近幾年的江蘇高考中，同位素示蹤相關(guān)知識多有涉及。試題的內(nèi)容有的是與經(jīng)典生物學(xué)實驗聯(lián)系，更多地是設(shè)置新情境來進行命題，而考查內(nèi)容則涉及細胞內(nèi)的元素或化合物的組成、分布、來源和去向以及細胞的結(jié)構(gòu)和功能、化學(xué)物質(zhì)的變化、反應(yīng)機理等。學(xué)生要更清楚地理解同位素知識及示蹤技術(shù)相關(guān)機理，才能更好地解決這一類試題。

同位素是指同一元素的不同原子，它們具有相同數(shù)目的質(zhì)子，但中子數(shù)目卻不同。所以，雖然化學(xué)性質(zhì)幾乎相同，但由于原子量或質(zhì)量數(shù)不同，其質(zhì)譜行為、放射性轉(zhuǎn)變和物理性質(zhì)等會有所差異。

自然界中許多元素都有同位素。有的有放射性，有的沒有。前者被稱為放射性同位素，如3H、14C、32P、35S、45Ca、51Cr、59Fe、125I；后者被稱為穩(wěn)定性同位素，如15N、18O、13C。高中生物中常見的同位素有3H、14C、32P、35S、18O、15N等。用同位素標(biāo)記化合物來追蹤物質(zhì)的運行和變化規(guī)律的方法稱為同位素標(biāo)記法，也叫同位素示蹤法。放射性同位素與穩(wěn)定性同位素均可進行示蹤，但機理不盡相同。前者可以不斷地放出特征射線，然后用核探測器隨時追蹤它在體內(nèi)或體外的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等來示蹤，如分泌蛋白的合成和分泌過程的研究就是利用了這種同位素。后者雖然不釋放射線，但可以利用它與普通相應(yīng)同位素的質(zhì)量之差，通過質(zhì)譜儀、氣相層析儀、核磁共振等質(zhì)量分析儀器的測定來示蹤，如DNA半保留復(fù)制方式的研究。

所以如果了解了同位素應(yīng)用的原理，對解答與同位素相關(guān)的高考題很有幫助，下面對近幾年江蘇高考題中相關(guān)內(nèi)容進行了歸納總結(jié)。

1 用同位素標(biāo)記物追蹤物質(zhì)轉(zhuǎn)移途徑

這一類的知識原型出現(xiàn)在新人教版高中生物《必修1·分子與細胞》中魯賓、卡門進行的光合作用釋放的氧氣來自水的實驗，以及卡爾文進行的光合作用中有機物的生成途徑實驗。實驗的原理是化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物會進入產(chǎn)物中，題目中既可以根據(jù)同位素先后出現(xiàn)的物質(zhì)來判斷反應(yīng)過程，也可以逆向推導(dǎo)，已知反應(yīng)過程，推導(dǎo)同位素會出現(xiàn)在什么物質(zhì)中。

【例1】（2017·江蘇卷·23）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*CystRNACys，再用無機催化劑鎳將其中的半胱氨酸還原成丙氨酸（Ala），得到*Ala-tRNACys（圖1，tRNA 不變）。如果該*Ala-tRNACys參與翻譯過程，那么下列說法正確的是 （ ）

圖1 反應(yīng)示意圖

A.在一個mRNA分子上可以同時合成多條被14C標(biāo)記的多肽鏈

B.反密碼子與密碼子的配對由tRNA上結(jié)合的氨基酸決定

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

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

解析：根據(jù)題目中的新情境“在體外用14C標(biāo)記半胱氨酸-tRNA復(fù)合物中的半胱氨酸，得到*Cys-tRNA?Cys，再用無機催化劑鎳將其中的半胱氨酸還原成丙氨酸（Ala）”，可以推出該tRAN最后攜帶了標(biāo)記的丙氨酸，根據(jù)反應(yīng)物中的同位素會進入產(chǎn)物質(zhì)中的這一類原理，最后這種被標(biāo)記的原料就會進入新合成的肽鏈中，原來半胱氨酸的位置被替換成14C標(biāo)記的丙氨酸，所以C選項正確，D選項不正確；而一條mRNA上同時結(jié)合多個核糖體，就可以同時合成多條被14C標(biāo)記的多肽鏈。

參考答案：A。

【例2】（2020·江蘇卷·20）同位素可用于追蹤物質(zhì)的運行和變化規(guī)律。在生物科學(xué)史中，下列科學(xué)研究未采用同位素標(biāo)記法的是 （ ）

A.卡爾文（M.Calvin）等探明CO2中的碳在光合作用中的轉(zhuǎn)化途徑

B.赫爾希（A.D.Hershey）等利用T2噬菌體侵染大腸桿菌證明DNA是遺傳物質(zhì)

C.梅塞爾森（M.Meselson）等證明DNA進行半保留復(fù)制

D.溫特（F.W.Went）證明胚芽鞘產(chǎn)生促進生長的化學(xué)物質(zhì)

解析：該題目較簡單，主要考查學(xué)生對教材上相關(guān)的同位素示蹤技術(shù)相關(guān)知識的熟悉程度，學(xué)生根據(jù)對教材中該實驗的了解，能很容易將題目解出。

參考答案：D。

2 用同位素標(biāo)記物探究化合物的作用

這一類的知識原型出現(xiàn)在新人教版高中生物必修2的赫爾希和蔡斯進行的噬菌體侵染細菌的實驗。近幾年的江蘇高考題在這一類題目中主要考查的就是這個經(jīng)典實驗，考查的角度也很多，如用什么元素標(biāo)記DNA或蛋白質(zhì)，子代噬菌體含有放射性的情況，該實驗得到的結(jié)論是什么等。要想更好地答對這類題目，學(xué)生不能只是死記硬背，而應(yīng)該在真正了解同位素示蹤的原理，以實驗設(shè)計者的角度去分析標(biāo)記方法，實驗結(jié)論及異常情況分析等等知識，才能以不變應(yīng)萬變，不管考查哪個角度都能做好。

【例3】（2019·江蘇卷·3）赫爾希和蔡斯的T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗證實了DNA是遺傳物質(zhì)，下列關(guān)于該實驗的敘述正確的是 （ ）

A.實驗中可用15N代替32P標(biāo)記DNA

B.噬菌體外殼蛋白是大腸桿菌編碼的

C.噬菌體DNA的合成原料來自大腸桿菌

D.實驗證明了大腸桿菌的遺傳物質(zhì)是DNA

解析：T2噬菌體侵染細菌的實驗步驟：分別用35S或32P標(biāo)記噬菌體→噬菌體與大腸桿菌混合培養(yǎng)→噬菌體侵染未被標(biāo)記的細菌→在攪拌器中攪拌，然后離心，檢測上清液和沉淀物中的放射性物質(zhì)。N是蛋白質(zhì)和DNA共有的元素，若用15N代替32P標(biāo)記噬菌體的DNA，則其蛋白質(zhì)也會被標(biāo)記；噬菌體的蛋白質(zhì)外殼是由噬菌體的DNA在大腸桿菌體內(nèi)編碼的；噬菌體的DNA合成的模板來自于噬菌體自身的DNA，而原料來自于大腸桿菌；該實驗證明了噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA。

參考答案：C。

另外，2016年江蘇卷第一題，2017年江蘇卷第二題，2015年江蘇卷第四題，也都考查了該內(nèi)容。這些題目除了對教材中該實驗要有所了解，還要能從同位素示蹤的原理來進行分析判斷，以后也可能在延伸至其他的角度進行命題。所以在復(fù)習(xí)中，教師應(yīng)著重強化該實驗。

3 標(biāo)記特征化合物，探究詳細生理過程，推測生物學(xué)原理

這一類的知識原型出現(xiàn)在新人教版高中生物必修1的分泌蛋白的合成與分泌過程實驗、必修2的DNA半保留復(fù)制的實驗、選擇性必修3的同位素標(biāo)記的單克隆抗體定位診斷疾病等。實驗的原理是根據(jù)同位素示蹤的原理，根據(jù)同位素出現(xiàn)的位置或出現(xiàn)的狀態(tài)的監(jiān)測，來判斷物質(zhì)的運輸過程、合成方法等生理過程，進而推導(dǎo)相應(yīng)的生物學(xué)原理。

【例4】（2014·江蘇卷·32節(jié)選）為研究吲哚乙酸（IAA）與脫落酸（ABA）的運輸特點，用放射性同位素14C標(biāo)記IAA和ABA開展如圖2所示的實驗。請回答下列問題：

圖2 實驗過程示意圖

（1）若圖中AB為莖尖切段，瓊脂塊①和②中出現(xiàn)較強放射性的是_____（填序號）；瓊脂塊③和④中均出現(xiàn)了較強放射性，說明ABA在莖尖的運輸_____（選填“是”或“不是”）極性運輸。若先用某種抑制劑（不破壞IAA、不影響細胞呼吸）處理莖尖切段，再重復(fù)上述實驗，結(jié)果瓊脂塊①和②中放射性強度相近，該抑制劑的作用機理可能是________________________。

（2）若圖中AB為成熟莖切段，瓊脂塊①②③④均出現(xiàn)較強放射性，說明IAA在成熟莖切段中的運輸_____（選填“是”或“不是”）極性運輸。

解析與參考答案：該題利用新情境考查標(biāo)記特征化合物，探究詳細的生理過程，要求根據(jù)同位素的出現(xiàn)的含量和軌跡分析問題。由于生長素在未成熟組織中進行極性運輸，只由形態(tài)學(xué)上端運至形態(tài)學(xué)下端，所以瓊脂塊①中出現(xiàn)較強放射性。瓊脂塊③和④中均出現(xiàn)了較強放射性，說明ABA在莖尖的運輸不是極性運輸。因為生長素運輸方式是主動運輸，需要載體參與，消耗能量，又因為該抑制劑不破壞IAA、不影響細胞呼吸，故瓊脂塊①和②中放射性強度相近的原因最可能是影響了主動運輸?shù)妮d體蛋白，如該抑制劑與運輸IAA的載體結(jié)合，阻止了IAA的極性運輸。瓊脂塊①～④均出現(xiàn)較強放射性，不符合極性運輸?shù)奶攸c，說明IAA在成熟莖切段中的運輸不是極性運輸。

【例4】（2018·1江蘇卷·26題節(jié)選）圖3為真核細胞中3種結(jié)構(gòu)的示意圖，請回答下列問題：

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖

（4）在細胞分裂間期，結(jié)構(gòu)乙的數(shù)目增多，其增多的方式有3種假設(shè)：Ⅰ.細胞利用磷脂、蛋白質(zhì)等重新合成；Ⅱ.細胞利用其他生物膜裝配形成；Ⅲ.結(jié)構(gòu)乙分裂、增殖形成。

有人通過放射性標(biāo)記實驗，對上述假設(shè)進行了探究，方法如下：首先將一種鏈孢霉?fàn)I養(yǎng)缺陷型突變株在加有3H標(biāo)記的膽堿（磷脂的前體）培養(yǎng)基中培養(yǎng)，然后轉(zhuǎn)入另一種培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng)，定期取樣，檢測細胞中結(jié)構(gòu)乙的放射性。結(jié)果見表1。

表1 實驗結(jié)果記錄表

①與野生型相比，實驗中所用鏈孢霉?fàn)I養(yǎng)缺陷型突變株的代謝特點是________________________。

②實驗中所用的“另一種培養(yǎng)基”在配制成分上的要求是____________________________________。

③通過上述實驗，初步判斷3種假設(shè)中成立的是_____（選填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”）。

解析與參考答案：該題利用新情境考查標(biāo)記特征化合物，探究生物學(xué)原理的典型題目，可以根據(jù)同位素利用的原理和含量變化進行分析。要想通過放射性物質(zhì)的變化來探究假設(shè)，首先要對該物質(zhì)進行標(biāo)記，所以實驗中所用鏈孢霉?fàn)I養(yǎng)缺陷型突變株的代謝特點是自身不能合成膽堿。這樣才必須利用培養(yǎng)基中有標(biāo)記的膽堿來合成磷脂，使自身具有標(biāo)記物。要想檢測原有放射性物質(zhì)的變化。實驗中所用的“另一種培養(yǎng)基”中的膽堿應(yīng)該沒有3H標(biāo)記，而其他條件應(yīng)該與前一步驟的培養(yǎng)基相同，這樣才能使鏈孢霉?fàn)I養(yǎng)缺陷型突變株生長環(huán)境相同，排除培養(yǎng)基差異帶來的影響。據(jù)表1可知，相對放射性隔代逐漸減少一倍，所以線粒體最可能是分裂、增殖形成的。

通過以上的例子不難發(fā)現(xiàn)，近幾年的江蘇高考中，有關(guān)同位素示蹤的題目以教材上的方法為基礎(chǔ)，通過新知識背景進行考查的居多。解答此類題目的思路是：先閱讀材料，讀懂并接收信息；然后，處理提煉有用材料；最后，將教材同位素示蹤的知識“嫁接”于材料信息中分析解決問題。

其實，以新背景通過同位素示蹤考查內(nèi)容還可以有很多方面，如利用同位素進行食物鏈、物質(zhì)循環(huán)的研究，胚胎發(fā)育、基因檢測、生物考古、中心法則相關(guān)的其他途徑、通過標(biāo)記研究細胞分裂的內(nèi)容。最近在各國肆虐的新型冠狀病毒也可能是考查的一個新的熱點，利用用同位素示蹤的方法，研究該病毒的遺傳途徑和致病原因、藥物治療的途徑等，可以更好地考查學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究、生命觀念以及社會責(zé)任等方面。