浅议同位素示踪技术在近年江苏高考试题中的应用

罗 琦 江东海

（江苏省句容高级中学 江苏镇江 212400）

在近几年的江苏高考中，同位素示踪相关知识多有涉及。试题的内容有的是与经典生物学实验联系，更多地是设置新情境来进行命题，而考查内容则涉及细胞内的元素或化合物的组成、分布、来源和去向以及细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。学生要更清楚地理解同位素知识及示踪技术相关机理，才能更好地解决这一类试题。

同位素是指同一元素的不同原子，它们具有相同数目的质子，但中子数目却不同。所以，虽然化学性质几乎相同，但由于原子量或质量数不同，其质谱行为、放射性转变和物理性质等会有所差异。

自然界中许多元素都有同位素。有的有放射性，有的没有。前者被称为放射性同位素，如3H、14C、32P、35S、45Ca、51Cr、59Fe、125I；后者被称为稳定性同位素，如15N、18O、13C。高中生物中常见的同位素有3H、14C、32P、35S、18O、15N等。用同位素标记化合物来追踪物质的运行和变化规律的方法称为同位素标记法，也叫同位素示踪法。放射性同位素与稳定性同位素均可进行示踪，但机理不尽相同。前者可以不断地放出特征射线，然后用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等来示踪，如分泌蛋白的合成和分泌过程的研究就是利用了这种同位素。后者虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪、气相层析仪、核磁共振等质量分析仪器的测定来示踪，如DNA半保留复制方式的研究。

所以如果了解了同位素应用的原理，对解答与同位素相关的高考题很有帮助，下面对近几年江苏高考题中相关内容进行了归纳总结。

1 用同位素标记物追踪物质转移途径

这一类的知识原型出现在新人教版高中生物《必修1·分子与细胞》中鲁宾、卡门进行的光合作用释放的氧气来自水的实验，以及卡尔文进行的光合作用中有机物的生成途径实验。实验的原理是化学反应中反应物会进入产物中，题目中既可以根据同位素先后出现的物质来判断反应过程，也可以逆向推导，已知反应过程，推导同位素会出现在什么物质中。

【例1】（2017·江苏卷·23）在体外用14C 标记半胱氨酸-tRNA复合物中的半胱氨酸（Cys），得到*CystRNACys，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（图1，tRNA 不变）。如果该*Ala-tRNACys参与翻译过程，那么下列说法正确的是 （ ）

图1 反应示意图

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：根据题目中的新情境“在体外用14C标记半胱氨酸-tRNA复合物中的半胱氨酸，得到*Cys-tRNA⁃Cys，再用无机催化剂镍将其中的半胱氨酸还原成丙氨酸（Ala）”，可以推出该tRAN最后携带了标记的丙氨酸，根据反应物中的同位素会进入产物质中的这一类原理，最后这种被标记的原料就会进入新合成的肽链中，原来半胱氨酸的位置被替换成14C标记的丙氨酸，所以C选项正确，D选项不正确；而一条mRNA上同时结合多个核糖体，就可以同时合成多条被14C标记的多肽链。

参考答案：A。

【例2】（2020·江苏卷·20）同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。在生物科学史中，下列科学研究未采用同位素标记法的是 （ ）

A.卡尔文（M.Calvin）等探明CO2中的碳在光合作用中的转化途径

B.赫尔希（A.D.Hershey）等利用T2噬菌体侵染大肠杆菌证明DNA是遗传物质

C.梅塞尔森（M.Meselson）等证明DNA进行半保留复制

D.温特（F.W.Went）证明胚芽鞘产生促进生长的化学物质

解析：该题目较简单，主要考查学生对教材上相关的同位素示踪技术相关知识的熟悉程度，学生根据对教材中该实验的了解，能很容易将题目解出。

参考答案：D。

2 用同位素标记物探究化合物的作用

这一类的知识原型出现在新人教版高中生物必修2的赫尔希和蔡斯进行的噬菌体侵染细菌的实验。近几年的江苏高考题在这一类题目中主要考查的就是这个经典实验，考查的角度也很多，如用什么元素标记DNA或蛋白质，子代噬菌体含有放射性的情况，该实验得到的结论是什么等。要想更好地答对这类题目，学生不能只是死记硬背，而应该在真正了解同位素示踪的原理，以实验设计者的角度去分析标记方法，实验结论及异常情况分析等等知识，才能以不变应万变，不管考查哪个角度都能做好。

【例3】（2019·江苏卷·3）赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌实验证实了DNA是遗传物质，下列关于该实验的叙述正确的是 （ ）

A.实验中可用15N代替32P标记DNA

B.噬菌体外壳蛋白是大肠杆菌编码的

C.噬菌体DNA的合成原料来自大肠杆菌

D.实验证明了大肠杆菌的遗传物质是DNA

解析：T2噬菌体侵染细菌的实验步骤：分别用35S或32P标记噬菌体→噬菌体与大肠杆菌混合培养→噬菌体侵染未被标记的细菌→在搅拌器中搅拌，然后离心，检测上清液和沉淀物中的放射性物质。N是蛋白质和DNA共有的元素，若用15N代替32P标记噬菌体的DNA，则其蛋白质也会被标记；噬菌体的蛋白质外壳是由噬菌体的DNA在大肠杆菌体内编码的；噬菌体的DNA合成的模板来自于噬菌体自身的DNA，而原料来自于大肠杆菌；该实验证明了噬菌体的遗传物质是DNA。

参考答案：C。

另外，2016年江苏卷第一题，2017年江苏卷第二题，2015年江苏卷第四题，也都考查了该内容。这些题目除了对教材中该实验要有所了解，还要能从同位素示踪的原理来进行分析判断，以后也可能在延伸至其他的角度进行命题。所以在复习中，教师应着重强化该实验。

3 标记特征化合物，探究详细生理过程，推测生物学原理

这一类的知识原型出现在新人教版高中生物必修1的分泌蛋白的合成与分泌过程实验、必修2的DNA半保留复制的实验、选择性必修3的同位素标记的单克隆抗体定位诊断疾病等。实验的原理是根据同位素示踪的原理，根据同位素出现的位置或出现的状态的监测，来判断物质的运输过程、合成方法等生理过程，进而推导相应的生物学原理。

【例4】（2014·江苏卷·32节选）为研究吲哚乙酸（IAA）与脱落酸（ABA）的运输特点，用放射性同位素14C标记IAA和ABA开展如图2所示的实验。请回答下列问题：

图2 实验过程示意图

（1）若图中AB为茎尖切段，琼脂块①和②中出现较强放射性的是_____（填序号）；琼脂块③和④中均出现了较强放射性，说明ABA在茎尖的运输_____（选填“是”或“不是”）极性运输。若先用某种抑制剂（不破坏IAA、不影响细胞呼吸）处理茎尖切段，再重复上述实验，结果琼脂块①和②中放射性强度相近，该抑制剂的作用机理可能是________________________。

（2）若图中AB为成熟茎切段，琼脂块①②③④均出现较强放射性，说明IAA在成熟茎切段中的运输_____（选填“是”或“不是”）极性运输。

解析与参考答案：该题利用新情境考查标记特征化合物，探究详细的生理过程，要求根据同位素的出现的含量和轨迹分析问题。由于生长素在未成熟组织中进行极性运输，只由形态学上端运至形态学下端，所以琼脂块①中出现较强放射性。琼脂块③和④中均出现了较强放射性，说明ABA在茎尖的运输不是极性运输。因为生长素运输方式是主动运输，需要载体参与，消耗能量，又因为该抑制剂不破坏IAA、不影响细胞呼吸，故琼脂块①和②中放射性强度相近的原因最可能是影响了主动运输的载体蛋白，如该抑制剂与运输IAA的载体结合，阻止了IAA的极性运输。琼脂块①～④均出现较强放射性，不符合极性运输的特点，说明IAA在成熟茎切段中的运输不是极性运输。

【例4】（2018·1江苏卷·26题节选）图3为真核细胞中3种结构的示意图，请回答下列问题：

图3 结构示意图

（4）在细胞分裂间期，结构乙的数目增多，其增多的方式有3种假设：Ⅰ.细胞利用磷脂、蛋白质等重新合成；Ⅱ.细胞利用其他生物膜装配形成；Ⅲ.结构乙分裂、增殖形成。

有人通过放射性标记实验，对上述假设进行了探究，方法如下：首先将一种链孢霉营养缺陷型突变株在加有3H标记的胆碱（磷脂的前体）培养基中培养，然后转入另一种培养基中继续培养，定期取样，检测细胞中结构乙的放射性。结果见表1。

表1 实验结果记录表

①与野生型相比，实验中所用链孢霉营养缺陷型突变株的代谢特点是________________________。

②实验中所用的“另一种培养基”在配制成分上的要求是____________________________________。

③通过上述实验，初步判断3种假设中成立的是_____（选填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”）。

解析与参考答案：该题利用新情境考查标记特征化合物，探究生物学原理的典型题目，可以根据同位素利用的原理和含量变化进行分析。要想通过放射性物质的变化来探究假设，首先要对该物质进行标记，所以实验中所用链孢霉营养缺陷型突变株的代谢特点是自身不能合成胆碱。这样才必须利用培养基中有标记的胆碱来合成磷脂，使自身具有标记物。要想检测原有放射性物质的变化。实验中所用的“另一种培养基”中的胆碱应该没有3H标记，而其他条件应该与前一步骤的培养基相同，这样才能使链孢霉营养缺陷型突变株生长环境相同，排除培养基差异带来的影响。据表1可知，相对放射性隔代逐渐减少一倍，所以线粒体最可能是分裂、增殖形成的。

通过以上的例子不难发现，近几年的江苏高考中，有关同位素示踪的题目以教材上的方法为基础，通过新知识背景进行考查的居多。解答此类题目的思路是：先阅读材料，读懂并接收信息；然后，处理提炼有用材料；最后，将教材同位素示踪的知识“嫁接”于材料信息中分析解决问题。

其实，以新背景通过同位素示踪考查内容还可以有很多方面，如利用同位素进行食物链、物质循环的研究，胚胎发育、基因检测、生物考古、中心法则相关的其他途径、通过标记研究细胞分裂的内容。最近在各国肆虐的新型冠状病毒也可能是考查的一个新的热点，利用用同位素示踪的方法，研究该病毒的遗传途径和致病原因、药物治疗的途径等，可以更好地考查学生的科学思维、科学探究、生命观念以及社会责任等方面。