破解学生之惑 提升科学思维----同位素示踪法

内蒙古

同位素示踪法是人教版高中生物教材中的重要实验技术之一，在近几年的高考试题中经常出现。在二轮复习的过程中，教师可以同位素示踪法为主线将高中生物课程中运用此技术的相关内容串联在一起，从而达到构建知识体系，提升科学思维的目的。本文就学生对同位素示踪法的一些疑惑做出解释，并以教材中相关实验的内在联系及高考试题做出小结。

一、同位素示踪法学生之惑

1.什么是同位素

质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称同位素，如氕（1H）、氘（2H）、氚（3H）互为同位素，“同位”即指质子数相同，在元素周期表中的位置相同。有些同位素具有放射性，被称为放射性同位素。

2.什么是同位素示踪法

同位素示踪法（isotopic tracer method）是利用放射性同位素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法。同位素标记可用于追踪物质的运行和变化规律，借助同位素可以研究有机反应的历程。简而言之，就是用易于检测的一种放射性核素给某种化合物分子打上“记号”，追踪该“记号”所在的位置或者反应的产物，从而对相关问题进行分析和研究的方法，生物学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.放射性检测时能否将不同的放射性元素加以区别

常用的放射性同位素在乳胶内的射程以及半衰期是不同的，如32P 在乳胶内的射程是数毫米，半衰期是14.2 天 ；35S 在乳胶内的射程是10 um～ 1 mm，半衰期是87 天，理论上不同的放射性同位素是可以区分的，但是两种放射性同位素同时存在时不易区分。

二、高中生物涉及的同位素示踪法与学生科学思维的培养

高中生物课程中应用到同位素示踪法的主要有以下几章节，分别是人教版高中生物教材必修1第3章第2 节“分泌蛋白的合成和运输”、第5章第4 节“光合作用的探索历程”，以及必修2第3章第1 节“噬菌体侵染细菌的实验”和第3 节“DNA 半保留复制的实验证据”。这几个实验均以同位素示踪法为纽带层层递进，逐步提高学生的实验设计能力及全面思考问题的能力，有助于培养学生学科核心素养。

1.知走向——标记一种物质一种元素

分泌蛋白的合成和运输过程是其他几个实验的基础，这个实验通过追踪标记的原料进而得知产物合成和运输的场所。合成蛋白质的原料是氨基酸，本实验将反应物亮氨酸用3H 标记并追踪，发现其放射性先后出现在核糖体、内质网和高尔基体中，因而得知分泌蛋白的合成和加工的场所，通过此实验初步了解同位素追踪物质的方法。在二轮复习的过程中将蛋白质的结构、功能、合成、加工以及基因的表达串联在一起，将蛋白质这一物质在细胞中的真实情况呈现给学生，有助于学生形成生命观念及整体意识。

【例1】（2017 年，江苏卷，第23 题）在体外用14C标记半胱氨酸-tRNA 复合物中的半胱氨酸（Cys），得到*Cys-tRNACys，再用无机催化剂镍将其中的半胱氨酸还原成丙氨酸（Ala），得到*Ala-tRNACys（如图，tRNA 不变）。如果该*Ala-tRNACys参与翻译过程，那么下列说法正确的是 （ ）

A.在一个mRNA 分子上可以同时合成多条被14C 标记的多肽链

B.反密码子与密码子的配对由tRNA 上结合的氨基酸决定

C.新合成的肽链中，原来Cys 的位置会被替换为14C标记的Ala

D.新合成的肽链中，原来Ala 的位置会被替换为14C标记的Cys

【解析】本题以同位素示踪法为背景，考查蛋白质的合成（遗传信息的翻译）过程，学生只要掌握核心知识，结合题中的信息就可以解答问题。一个mRNA 分子可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成，A 正确；反密码子与密码子按碱基互补原则进行配对，与tRNA上结合的氨基酸无关，B 错误；由题干中的信息可知该tRNA 携带的氨基酸由Cys 替换成Ala，则新合成的肽链中，原来Cys 的位置会被替换成Ala，C 正确；由题干中的信息可知，该tRNA 运输Cys，则Ala 的位置不会被替换为Cys，D 错误。

【答案】AC

2.寻来源——标记两种物质的同一种元素

光合作用的历程是许多科学家经过不懈的努力，在相应技术理论支持下逐步克服困难探究出来的，得出光合作用的总反应式：，那么光合作用产物中的O2来自于反应物中的H2O 还是CO2？学生根据已学知识——“分泌蛋白的合成和运输”联想到解答此问题可使用同位素示踪法，但还需要思考两种反应物应如何标记、如何设计实验控制变量。这时教师可引导学生设置两组实验：第一组为植物提供C18O2和H2O；另一组为植物提供和CO2，在相同的条件下培养两组植物，观察两组植物释放的氧气，发现第一组释放的是O2，第二组释放的是，由此推测出光合作用中释放的O2来源于H2O。那么反应物CO2中的碳如何转化成有机物中的碳？运用同位素标记碳元素，追踪其转化的过程，这与探究分泌蛋白的合成与运输相似，由此实验，学生可知同位素示踪法也可用于研究反应过程，通过此实验教师可引导学生多提问、勤思考。

【例2】（2016 年，全国卷Ⅲ，第2 题）在前人进行的下列研究中,采用的核心技术相同（或相似）的一组是 （ ）

①证明光合作用所释放的氧气来自于水

②用紫外线等处理青霉菌选育高产青霉素菌株

③用T2噬菌体侵染大肠杆菌证明DNA 是遗传物质

④用甲基绿和吡罗红对细胞染色,观察核酸的分布

A.①② B.①③ C.② ④ D.③④

【解析】本题考查同位素示踪法，学生将复习过程中的相关知识整合即可得出正确答案。①③应用同位素示踪法，②应用基因突变原理，④通过颜色反应确定细胞中核酸的分布。

【答案】B

3.巧标记——标记两种物质的不同元素

噬菌体侵染细菌的实验目的是确定DNA 和蛋白质哪种物质是遗传物质，这与研究光合作用产物O2中的O 来源相似，但学生需要思考如何标记噬菌体。噬菌体是病毒，营寄生生活，因此需要将噬菌体的寄主——大肠杆菌标记，进而实现对噬菌体的标记。标记的元素如何选择？首先要明确本实验需设置两组实验，一组只标记DNA，另一组只标记蛋白质，然后思考是标记DNA 和蛋白质的共有元素（C、H、O、N）还是特有元素（DNA 标记P，蛋白质标记S），如果标记两者的共有元素，如标记氨基酸中的氢元素，则蛋白质会被标记，在氨基酸脱水缩合的过程中形成的水也带有标记的氢，若带有标记的水参与核酸的水解，这样带有标记的氢元素又出现在核苷酸上，进而出现在DNA 上，就无法实现DNA 和蛋白质分别标记的目的，从而确定需要标记DNA 和蛋白质各自特有的元素。根据人教版教材必修1 细胞的物质组成的内容可知，具有细胞结构的细菌组成成分有核酸（DNA 和RNA）、蛋白质、糖类、脂质、水和无机盐；噬菌体的组成成分是DNA 和蛋白质，相比较而言细胞重，离心结果中沉淀（较重）的是细菌，上清液中（较轻）是噬菌体颗粒。若是遗传物质则该物质能从亲代传到子代，则放射性的标记也会在子代中检测到。

【例3】（2017 年，全国卷Ⅱ，第2 题）在证明DNA 是遗传物质的过程中，T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验发挥了重要作用。下列与该噬菌体相关的叙述，正确的是 （ ）

A.T2噬菌体也可以在肺炎双球菌中复制和增殖

B.T2噬菌体病毒颗粒内可以合成mRNA 和蛋白质

C.培养基中的32P 经宿主摄取后可出现在T2噬菌体的核酸中

D.人类免疫缺陷病毒与T2噬菌体的核酸类型和增殖过程相同

【解析】本题考查T2噬菌体这一病毒的相关内容。由人教版教材必修2第44 页中的“T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒”知A、B 错误；噬菌体利用大肠杆菌体内的物质来合成自身的组成成分，C 正确；由人教版教材必修1第29 页中的“部分病毒的遗传信息，直接贮存在RNA 中，如HIV、SARS 病毒等”知，人体免疫缺陷病毒（HIV）的遗传物质是RNA，T2噬菌体的遗传物质是DNA，D 错误。本题也提示教师在整合知识的同时也要注意回归教材。

【答案】C

4.探未知——标记元素，由结果推过程

DNA 复制方式的实验证据重在运用技术探究未知，首先学生要思考如何区分亲代和子代DNA 链，由此联想到需要运用同位素标记法。科学家Meselson 和Stahl 将大肠杆菌长期培养在以15N 为氮源的培养液中得到15N-DNA，作为亲代DNA，由于该DNA 分子的密度比14N-DNA 的密度要大，所以在密度梯度离心时，这两种DNA 会形成位置不同的区带。将亲代DNA 培养在含14N 的培养液中，新形成的子代DNA 链是14N。若实验前不了解DNA 的复制方式，学生可以根据教材中给出的实验结果推测DNA的复制方式，实验结果显示经过一代之后，所有DNA 的密度在15N-DNA 和14N-DNA 之间，即形成了15N-DNA和14N-DNA 杂合分子，两代后出现等量的14N-DNA 和15N/14N-DNA 杂合分子，由此推断DNA 的复制方式是半保留复制，亲代的15N-DNA 分子链一直完整地保留并存在于后代中，这种稳定性与DNA 是遗传物质这一功能相符，教师可借此实验培养学生对未知知识的探究能力。

【例4】（2017 年，全国卷Ⅰ，第29 题）根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA 病毒和DNA 病毒两种类型。有些病毒对人类健康会造成很大危害。通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。

假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换。请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型。简要写出（1）实验思路，（2）预期实验结果及结论即可。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）

【解析】本题考查同位素示踪法、DNA 和RNA 的组成以及噬菌体侵染细菌的相关知识，考查学生实验探究能力以及对相应知识的掌握程度，这就要求学生在复习的过程中将知识体系化的同时应具备相应的科学思维素养。DNA 的特有碱基为T，RNA 的特有碱基为U，根据病毒的生活方式，分别设置甲、乙两组实验，再根据噬菌体侵染细菌的实验推测结果。

【答案】（1）思路：

甲组：将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。

乙组：将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中，之后接种新病毒。培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。

（2）结果及结论：若甲组收集的病毒有放射性，乙组无，即为RNA 病毒；反之为DNA 病毒。

同位素示踪法是生物学实验研究中应用较广泛的技术之一，在高中生物教材中的运用由易到难，教师在二轮复习的过程中可以以点连线，整合相关知识，系统地对相关知识进行复习。同位素示踪法还可用来探索有丝分裂与减数分裂、光合作用与细胞呼吸的联系中物质运行规律，例如H2O 中的氧元素如何进入有机物中。在掌握基础知识的同时进行适度拓展对培养学生的科学思维和科学探究素养有很大的帮助，而科学思维和科学探究素养是生物学科学习研究及培养学生创新能力的必备品质。