浅谈高中生物学教学中同位素示踪技术的应用

冯 飞

(陕西省西安市八一民族中学 陕西 西安 710108)

同位素示踪技术是高中生物学教材中出现的一种重要的实验技术，在近几年的高考试题中出现的频率较高[1]。高三二轮复习时，教师会以同位素示踪技术作为专题，带领学生将教材中应用到此技术的内容进行梳理，使学生在头脑中构建完整的知识网络，从而培养学生的科学思维，提高学生的概况总结能力。

1.同位素和同位素示踪技术

1.1 同位素。同位素是同一元素的不同种类原子，具有相同的质子数[2]，不同的中子数[3]，即同一元素的不同核素之间互称同位素，例如氢有1H、2H、3H三种核素，互称同位素。同位素分为稳定性同位素和放射性同位素，稳定性同位素是天然存在的，目前技术手段检测不到其放射性，安全、无辐射、不受半衰期的影响，可用于长时间的示踪实验，常见的有12C、13C、16O、18O、15N等；放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地释放出射线，例如14C、32P、35S、3H、131I、60Co等。

1.2 同位素示踪技术。同位素示踪技术，也称同位素标记法或同位素追踪法。高中生物学教材(人教课标版，2003)中将该技术描述为：“同位素可用于追踪物质的运行和变化规律，用同位素标记的化合物，化学性质不会改变。科学家通过追踪同位素标记的化合物，可以弄清化学反应的详细过程[3]。”在实际分析中，一般用一种同位素将某种化合物进行标记，也就是使该化合物带上记号，再追踪此标记信号在化学反应过程中出现的位置或反应的产物，最终达到解决相关问题的目的。

同位素示踪技术包括稳定性同位素示踪技术和放射性同位素示踪技术，使用较广泛的是放射性同位素示踪技术，因为该技术灵敏度高，容易检测。但是，检测某些与孕妇或儿童相关的疾病时，需要对食物或药物中的某些成分进行标记，为了防止对孕妇或儿童的身体造成伤害，只能使用对人体几乎安全无害的稳定性同位素。

2.高中生物学中的同位素示踪技术

高中生物学教材(人教课标版，2003)中涉及的同位素示踪技术，主要用于追踪物质运行、变化规律，以区别不同细胞器、元素、化合物等在生理和生物化学反应中的重要作用，理清化学反应的详细过程，为学生深入理解知识奠定基础。

2.1 稳定性同位素示踪技术的应用。

(1)探究光合作用中氧气的来源。科学家在研究光合作用的过程时，为了探究光合作用的产物氧气是来源于CO2还是H2O时，将相同的植物平均分为两组，分别提供经18O标记的H218O和C18O2，其他条件均相同并且适宜，待光合作用结束后，利用质谱仪检测每组植物释放的氧气中氧原子的种类，明确了氧气中的氧来自于H2O，从而证明了光合作用中释放的氧气来自于H2O。

(2)探究DNA分子复制的过程。探究DNA复制的过程时，科学家将大肠杆菌DNA分子用稳定性同位素15N进行标记，放到含有14N的培养液中让其继续繁殖若干代，将复制所得的子代DNA进行密度梯度离心，根据离心所得DNA条带的位置判断DNA的复制方式。由于15N和14N的原子量不同，如果DNA的两条链都含15N，那么该DNA的分子量最大，离心时形成重带；如果DNA的一条链含15N，另一条链含14N，那么该DNA的分子量居中，离心时形成中带；如果DNA的两条链都含14N，那么该DNA的分子量最小，离心时形成轻带，以此来研究分析DNA的复制方式究竟是半保留复制还是全保留复制。根据离心后DNA条带的分布情况，即含15N-14N的中带和含14N-14N的轻带，且轻带的量多于中带，确定了DNA的复制方式是半保留复制，也可以区别新合成的DNA和旧的DNA。

2.2 放射性同位素示踪技术的应用。

(1)探究分泌蛋白的合成、运输和分泌。科学家在研究细胞器在外分泌蛋白合成中的作用时，用3H标记的亮氨酸作为原料，通过观察不同时间3H在细胞中出现的位置，即核糖体→内质网→囊泡→高尔基体→囊泡→细胞膜，从而明确各种细胞器在外分泌蛋白的合成、运输和分泌中的重要作用。

(2)探究光合作用中有机物的合成途径。探究光合作用中合成有机物的途径时，科学家用小球藻作为实验材料，用放射性同位素14C对光合作用的原料CO2进行标记，追踪检测14C出现的物质和位置，明确了暗(碳)反应阶段碳元素的具体去向，即CO2→三碳化合物→糖类。

(3)探究遗传物质的化学本质。由于DNA的组成元素主要有C、H、O、N、P，蛋白质的组成元素主要有C、H、O、N、S[4]，因此，P是DNA的特征元素，S是蛋白质的特征元素。因而，在研究生物的遗传物质是DNA还是蛋白质时，科学家用每种物质的特征元素，即放射性32P和35S，分别标记噬菌体的DNA和蛋白质进行噬菌体侵染细菌的实验，经培养、离心等过程，根据上清液或沉淀物中出现放射性的情况，证明噬菌体的DNA进入大肠杆菌体内，蛋白质外壳留在外面，再利用大肠杆菌体内的原料合成自身的遗传物质DNA和蛋白质外壳，最后组装成新的子代噬菌体，进而明确了遗传物质的化学本质是DNA。

综上所述，同位素示踪技术在研究生物的生命活动、遗传和变异等生物学现象中发挥着非常重要的作用，理解同位素示踪技术的原理，有助于师生明确生理生化反应的过程，也有助于学生对高考题的作答。学生在学习科学家利用同位素示踪技术进行科学研究的过程中，可以更加深入地理解所学知识，学习到科学家的思维方式和解决问题的方法，将这种方法灵活地应用于解决其他问题，从而有利于培养学生的科学思维和创造力，提高学生的科学探究能力。