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同位素示踪法与高中生物学教学

同位素（isotope）一词来源于希腊文Iso（相同）τoπos（位置），是指原子序数相同，在元素周期表上的位置相同，而化学性质相似，质量不同的元素；它们是质子数相同而中子数不同的原子。许多元素都存在同位素现象。目前已发现稳定的同位素300余种，放射性同位素达1500种之，它们大多是人工制备的。同位素在生产、生活和科研等方面都有着极其广泛的应用。在生物学领域可用来测定生物化石的年代，也利用其射线进行右边诱变育种、防治病虫害和临床治癌，还可利用其射线作为示踪原子来研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理。
同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法,即把放射性同位素的原子参到其他物质中去,让它们一起运动,迁移,再用放射性探测仪器进行追踪,就可知道放射性原子通过什么路径,运动到哪里了,是怎样分布的。同位素标记的放射性标记化合物，与未标记的相应化合物具有相同的化学与生物学性质，不同的只是它们带有放射性，可以利用放射性探测技术来追踪。用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素。如3H、15N、14C、18O、32P、35S等。检测组织中放射线的方法,通常是放射自显影技术，这是一种利用组织内含有的放射性同位素发出的辐射，感光后显影成像的技术，可凭肉眼观察黑影的形状，或通过显微镜观察黑色颗粒的分布和径迹，从而确定放射性物质在细胞或组织中的分布。用小型探测器（如盖革计数管、闪烁计数器）也能探测同位素示踪原子的动态。示踪实验的创建者是Hevesy，1911年，Hevesy在英国卢瑟福实验室工作期间，因怀疑女房东总是把剩菜改头换面之后给他吃。于是，他在剩菜中放上微量的放射性钍，然后在下一次的菜中检验是否有放射性，结果他每次都能准确地判断出他所吃的菜是剩菜还是新菜。1923年，Hevesy在丹麦玻尔实验室工作期间，将豆科植物浸泡在含有放射性210Pb和212Pb的铅盐溶液中。研究铅盐在豆科植物内的分布和转移。继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。同位素示踪法具有灵敏度高、测量方法简便易行、定位定量准确、符合所研究对象的生理条件等优点，目前应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的秘密，阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用。
当前高中生物教材中的实验和相关习题中频繁出现同位素示踪法的应用，以下就相关内容进行归纳阐述，以期达到较深刻地认识这项技术，进而达到认识生物某些重要代谢途径的目的。
一、研究生命活动的基本单位——细胞
1.分泌蛋白在细胞中合成部位及运输方向
在高中《生物》选修本中,介绍科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时，曾经做过这样一个实验：他们在豚鼠的胰脏腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3 min后，被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中，17 min后，出现在高尔基体中，117 min后，出现在靠近细胞膜内侧的运输蛋白质的小泡中，以及释放到细胞外的分泌物中。这个实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网→高尔基体→细胞膜的方向运输的。从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的.
例 科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时，向豚鼠的胰脏腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，经过一段时间后，被标记的氨基酸可依次出现在该细胞的不同部位。下面有关叙述哪一项是正确的?
A．被标记的氨基酸首先出现在附着有核糖体的内质网中
B．连接图中①、②、③、④所示结构的是具膜的小泡
C．图中②、③、④分别代表内质网、高尔基体、细胞膜
D．细胞内的各种生物膜既各施其职，又有紧密的联系
2．细胞的结构和功能
例 将用3H标记的尿苷引入植物细胞内，然后设法获得各种细胞结构，其中能表现出有放射性的一组结构是 （ ）
A.细胞核，核仁、中心体　　　　　　 B.细胞核、核糖体、高尔基体
C.细胞核、核糖体、线粒体、叶绿体　 D.细胞核、核糖体、内质网、液泡
3．细胞的增殖
例 下图表示细胞周期（图中的M表示分裂期。G1、G2表示RNA及蛋白质合成期，S表示DNA合成期），有人为确定DNA合成期的时间长度，在处于连续分裂的细胞的分裂期加入以氚标记的R化合物，在下列化合物中，哪一种最适合？（ ）
A. 腺嘌呤 B. 胞嘧啶 C. 鸟嘌呤 D. 胸腺嘧啶
二、研究生物的新陈代谢
1.光合作用中氧气的来源
19世纪３０年代美国科学家鲁宾（S．Ruben）和卡门（M．kame n）研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。他们进行了这样两组实验：用氧的同位素18O分别标记 H2O和CO2，使它分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用的实验：第一组向绿色植物提供H218O和CO2；第二组向同种绿色植物提供H2O和 C18O2。在相同的条件下，对两组光合作用实验释放出的氧进行分析，结果表明，第一组释放的氧全部是18O2，第二组释放的氧全部是O2。从而证明了光合作用中释放的氧全部来自水。
例 如果用于光合作用的水里有0.20%的H2O分子含18O，二氧化碳里有0.68%的CO2分子含18O，那么短期内经光合作用形成的水中，含18O的比例为（）
A．0.20% B．0.44% C．0.68% D．0.88%
2．植物矿质代谢
例 把菜豆幼苗放在含32P的培养液中培养，一小时后测定表明，幼苗各部分都含32P。然后将该幼苗转移到不含32P的培养液中，数天后32P：
A．不在新的茎叶中 B．主要在新的茎叶中
C．主要在老的茎叶中 D．主要在老的根中
3．呼吸作用的机理
例 让一只白鼠吸入有放射性的18O2，该白鼠体内最先出现含18O的化合物是 。
A CO2 B H2O C 丙酮酸 D 乳酸
4．动物代谢的物质转化
例 用标记了14C的脂肪喂狗，结果发现狗的细胞内的葡萄糖分子上含有14C，这说明了 ———
三、研究生命活动的调节
1．生长素的极性运输
例 用同位素14C标记的吲哚乙酸来处理一段枝条的一端，然后探测另一端是否含有放射性14C的吲哚乙酸存在。枝条及位置如图，下列有关处理方法及结构的叙述正确的是（ ）

甲
乙
A
A
B
B
A处理甲图中A端，不可能在甲图中的B端探测到14C的存在
B．处理乙图中A端，能在乙图中的B端探测到14C的存在
C．处理乙图中B端，能在乙图中的B端探测到14C的存在
D．处理甲图中B端，能在甲图中的B端探测到14C的存在
2。腺体的功能
例 正常情况下，动物体吸收的碘在甲状腺浓集。现用体重等方面大体相同的三组兔子进行实验。将适量的含有放射性碘的注射液注射到A,B,C三组兔子体内，然后，定时测定兔子甲状腺的放射量。四天后，向A组兔子注射无放射性的甲状腺激素，向B组兔子注射无放射性的促甲状腺激素，向C组兔子注射生理盐水，实验结果如图所示。根据图回答：
放射性碘注射后的天数
甲状腺的放射量
(1)开始的第二天，三只兔子体内甲状腺放射量上升
的原因是 ；而2—4 天内三只兔子体内甲状
腺放射量下降的原因是 。
（2）第二次注射后，A组兔子与C组兔子相比，A组
兔子的甲状腺放射量下降的速率 ，原因是
；B组兔子与C组兔子相比，B组兔子的甲状
腺放射量下降的速率 ，原因是
（3）该实验说明了调节生物体内甲状腺激素含量是通
过 作用。
四、研究生物的遗传与变异
1．噬菌体侵染细菌的实验
1952年赫尔希(A.D.Hershey,1908c)和蔡斯(M.Chase) 把宿主细菌分别培养在含有35S和32P的培养基中, 宿主细菌在生长过程中, 就分别被35S和32P所标记。然后,赫尔希等人用T2噬菌体分别去侵染被35S和32P标记的细菌。噬菌体在细菌细胞内增殖, 裂解后释放出很多子代噬菌体, 在这些子代噬菌体中,前者被35S标记,后者被32P标记。用被35S和32P标记的噬菌体分别去侵染未标记的细菌,然后测定宿主细胞的同位素标记当用35S标记的噬菌体侵染细菌时,测定结果显示,宿主细胞内很少有同位素标记,而大多数35S标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外面 。当用32P标记的噬菌体感染细菌时,测定结果显示宿主细胞的外面的噬菌体外壳中很少有放射性同位素32P,而大多数放射性同位素32P在宿主细胞内。以上实验表明,噬菌体在侵染细菌时,进入细菌内的主要是DNA,而大多数蛋白质在细菌的外面。可见,在噬菌体的生活史中, 只有DNA是在亲代和子代之间具有连续性的物质。故,DNA是遗传物质。
例在噬菌体侵染细菌的实验中，分虽用同位素 31P、 32P 和 32S、35S作了如下标记：

噬菌体
大肠杆菌
DNA或脱氧核苷酸
32P
31P
蛋白质或氨基酸
32S
35S
此实验所得到的结果是子代噬菌体和亲代噬菌体的外形及侵染细菌的特性均相同，请分析：
（1）子代噬菌体的DNA分子中含有的上述同位素是________，原因是_________。
（2）子代噬菌体的蛋白质外壳中含有的上述同位素是_________，原因是_________。
（3）此实验结果证明了_____________________________。
2．DNA分子半保留复制
例某校一个生物活动小组要进行研究性学习，对生物学史上的经典实验进行验证，也是研究性学习的内容之一。这个小组借助某大学的实验设备，对有关DNA复制的方式进行探索，有人认为DNA是全保留复制，也有人认为DNA是半保留复制。为了证明这两种假设，这个小组设计了下列实验程序，请完成实验并对结果进行预测。
（1）实脸步骤
第一步：在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14 N－DNA;在氮源15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N－DNA。用某种离心方法分离得到的结果如右图所示，其DNA分别分布在轻带和重带上。
第二步：将亲代大肠杆菌（含15N－DNA）转移到含14 N的培养基上繁殖一代（Ⅰ），请分析：
如果DNA离心后位置为　　　　　 ，则是全保留复制，如果DNA离心后位置为　　　　　 ，则是半保留复制。
第三步：为了进一步验证第二步的推测结果，将亲代大肠杆菌（含15N－DNA）转移到含14N的培养基上连续繁殖二代（Ⅱ），请分析：
如果DNA离心后位置为　　　　　 ，则是全保留复制；如果DNA离心后位置为　　　　 ，则是半保留复制。
(2)有人提出第一代(I) 的 DNA用解旋酶处理后再离心就能直接判断DNA的复制方式，如果轻带和重带各占1/2，则一定为半保留复制。
你认为这同学说法是否正确　　　　　　。原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
另外，在研究矿质元素在植物体内的运输通道，以及动物胚胎发育过程等方面也运用了同位素标记法。总之，同位素标记技术正在更大规模地应用于生物研究领域，作为中学生物教师，了解更多的有关同位素标记技术的知识和实验，无疑将开拓自身的知识视野，构建自身坚实的知识支架，教学中适当讲授一些同位素标记技术的原初实验，有利于把与代谢过程有关的复杂的知识点更科学、更原始地传授给学生，同时，也使学生对这项技术有一个更深刻的认识和把握。

I see you
阿凡达主题曲
by Leona Lewis
Walking through a dream
I see you
My light in darkness breathing hope of new life
Now I live through you and you through me
Enchanting
I pray in my heart that this dream never ends

梦里穿行
我见到了你
是我黑暗中的光芒，吐纳新生活的希望
于是我中有你，你中有我
就这么着了魔
从心底祈愿，沉醉梦里不愿醒

I see me through your eyes
Living through life flying high
Your life shines the way into paradise
So I offer my life as a sacrifice
I live through your love

通过你的的眼睛，看到真实的自己
驰骋生活，朝天际飞去
而你照亮了通往天堂的轨迹
我愿把自己贡献成祭品
因你的爱，我才存在

You teach me how to see
All that’s beautiful
My senses touch your word I never pictured
Now I give my hope to you
I surrender
I pray in my heart that this world never ends

是你教我睁开双眼
看清世间美丽
我的感知是你，未曾触及的话语
给你我全部的希望
我彻底投降
从心底祈愿，这世界不要消亡

I see me through your eyes
Living through life flying high
Your love shines the way into paradise
So I offer my life
I offer my love, for you

通过你的的眼睛，看到真实的自己
驰骋生活，朝天际飞去
而你照亮了通往天堂的轨迹
把我的生命交给你
把我的爱，统统给你

When my heart was never open
(and my spirit never free)
To the world that you have shown me
But my eyes could not division
All the colours of love and of life ever more
Evermore

我从未开启的心
从未自由的魂灵
是你引领我步入新天地
但我这凡胎肉眼，要怎么分辨
这爱的色彩，这生命的斑斓，从今往后
直到永远

(I see me through your eyes)
I see me through your eyes
(Living through life flying high)
Flying high
Your love shines the way into paradise
So I offer my life as a sacrifice
And live through your love
And live through your life
I see you
I see you

通过你的的眼睛，看到真实的自己
驰骋生活，朝天际飞去
而你照亮了通往天堂的轨迹
我愿把自己贡献成祭品
因你的爱，我才存在
因你的的生命，我才存在
我见到了你
我见到了你