淺談高中生物學(xué)教學(xué)中同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用

馮 飛

(陜西省西安市八一民族中學(xué) 陜西 西安 710108)

同位素示蹤技術(shù)是高中生物學(xué)教材中出現(xiàn)的一種重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在近幾年的高考試題中出現(xiàn)的頻率較高[1]。高三二輪復(fù)習(xí)時(shí)，教師會(huì)以同位素示蹤技術(shù)作為專題，帶領(lǐng)學(xué)生將教材中應(yīng)用到此技術(shù)的內(nèi)容進(jìn)行梳理，使學(xué)生在頭腦中構(gòu)建完整的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的概況總結(jié)能力。

1.同位素和同位素示蹤技術(shù)

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(zhì)子數(shù)[2]，不同的中子數(shù)[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(shù)手段檢測(cè)不到其放射性，安全、無(wú)輻射、不受半衰期的影響，可用于長(zhǎng)時(shí)間的示蹤實(shí)驗(yàn)，常見(jiàn)的有12C、13C、16O、18O、15N等；放射性同位素的原子核很不穩(wěn)定，會(huì)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(shù)。同位素示蹤技術(shù)，也稱同位素標(biāo)記法或同位素追蹤法。高中生物學(xué)教材(人教課標(biāo)版，2003)中將該技術(shù)描述為：“同位素可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律，用同位素標(biāo)記的化合物，化學(xué)性質(zhì)不會(huì)改變。科學(xué)家通過(guò)追蹤同位素標(biāo)記的化合物，可以弄清化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過(guò)程[3]。”在實(shí)際分析中，一般用一種同位素將某種化合物進(jìn)行標(biāo)記，也就是使該化合物帶上記號(hào)，再追蹤此標(biāo)記信號(hào)在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)的位置或反應(yīng)的產(chǎn)物，最終達(dá)到解決相關(guān)問(wèn)題的目的。

同位素示蹤技術(shù)包括穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)和放射性同位素示蹤技術(shù)，使用較廣泛的是放射性同位素示蹤技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)靈敏度高，容易檢測(cè)。但是，檢測(cè)某些與孕婦或兒童相關(guān)的疾病時(shí)，需要對(duì)食物或藥物中的某些成分進(jìn)行標(biāo)記，為了防止對(duì)孕婦或兒童的身體造成傷害，只能使用對(duì)人體幾乎安全無(wú)害的穩(wěn)定性同位素。

2.高中生物學(xué)中的同位素示蹤技術(shù)

高中生物學(xué)教材(人教課標(biāo)版，2003)中涉及的同位素示蹤技術(shù)，主要用于追蹤物質(zhì)運(yùn)行、變化規(guī)律，以區(qū)別不同細(xì)胞器、元素、化合物等在生理和生物化學(xué)反應(yīng)中的重要作用，理清化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過(guò)程，為學(xué)生深入理解知識(shí)奠定基礎(chǔ)。

2.1 穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用。

(1)探究光合作用中氧氣的來(lái)源。科學(xué)家在研究光合作用的過(guò)程時(shí)，為了探究光合作用的產(chǎn)物氧氣是來(lái)源于CO2還是H2O時(shí)，將相同的植物平均分為兩組，分別提供經(jīng)18O標(biāo)記的H218O和C18O2，其他條件均相同并且適宜，待光合作用結(jié)束后，利用質(zhì)譜儀檢測(cè)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(lái)自于H2O，從而證明了光合作用中釋放的氧氣來(lái)自于H2O。

(2)探究DNA分子復(fù)制的過(guò)程。探究DNA復(fù)制的過(guò)程時(shí)，科學(xué)家將大腸桿菌DNA分子用穩(wěn)定性同位素15N進(jìn)行標(biāo)記，放到含有14N的培養(yǎng)液中讓其繼續(xù)繁殖若干代，將復(fù)制所得的子代DNA進(jìn)行密度梯度離心，根據(jù)離心所得DNA條帶的位置判斷DNA的復(fù)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(shí)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(shí)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(shí)形成輕帶，以此來(lái)研究分析DNA的復(fù)制方式究竟是半保留復(fù)制還是全保留復(fù)制。根據(jù)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(fù)制方式是半保留復(fù)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(shù)的應(yīng)用。

(1)探究分泌蛋白的合成、運(yùn)輸和分泌。科學(xué)家在研究細(xì)胞器在外分泌蛋白合成中的作用時(shí)，用3H標(biāo)記的亮氨酸作為原料，通過(guò)觀察不同時(shí)間3H在細(xì)胞中出現(xiàn)的位置，即核糖體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→囊泡→高爾基體→囊泡→細(xì)胞膜，從而明確各種細(xì)胞器在外分泌蛋白的合成、運(yùn)輸和分泌中的重要作用。

(2)探究光合作用中有機(jī)物的合成途徑。探究光合作用中合成有機(jī)物的途徑時(shí)，科學(xué)家用小球藻作為實(shí)驗(yàn)材料，用放射性同位素14C對(duì)光合作用的原料CO2進(jìn)行標(biāo)記，追蹤檢測(cè)14C出現(xiàn)的物質(zhì)和位置，明確了暗(碳)反應(yīng)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(zhì)的化學(xué)本質(zhì)。由于DNA的組成元素主要有C、H、O、N、P，蛋白質(zhì)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(zhì)的特征元素。因而，在研究生物的遺傳物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)時(shí)，科學(xué)家用每種物質(zhì)的特征元素，即放射性32P和35S，分別標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)進(jìn)行噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)培養(yǎng)、離心等過(guò)程，根據(jù)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(jìn)入大腸桿菌體內(nèi)，蛋白質(zhì)外殼留在外面，再利用大腸桿菌體內(nèi)的原料合成自身的遺傳物質(zhì)DNA和蛋白質(zhì)外殼，最后組裝成新的子代噬菌體，進(jìn)而明確了遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是DNA。

綜上所述，同位素示蹤技術(shù)在研究生物的生命活動(dòng)、遺傳和變異等生物學(xué)現(xiàn)象中發(fā)揮著非常重要的作用，理解同位素示蹤技術(shù)的原理，有助于師生明確生理生化反應(yīng)的過(guò)程，也有助于學(xué)生對(duì)高考題的作答。學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)家利用同位素示蹤技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究的過(guò)程中，可以更加深入地理解所學(xué)知識(shí)，學(xué)習(xí)到科學(xué)家的思維方式和解決問(wèn)題的方法，將這種方法靈活地應(yīng)用于解決其他問(wèn)題，從而有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)造力，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。