高中生物教材中的同位素

徐立宏　王　芳

同位素是指原子序數(shù)相同，在元素周期表上的位置相同、而化學(xué)性質(zhì)相似、質(zhì)量不同的元素。當(dāng)前高中生物教材中的實(shí)驗(yàn)和相關(guān)習(xí)題中頻繁出現(xiàn)同位素的應(yīng)用，以下就相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行歸納闡述。

1 研究某些物質(zhì)的轉(zhuǎn)移

同位素的主要應(yīng)用是利用其放射性進(jìn)行示蹤，常用的示蹤原子有14C、18O、15N、3H、32P、35S等，就是把放射性同位素的原子摻到其他物質(zhì)中去，讓它們一起運(yùn)動(dòng)、遷移，再用放射性探測(cè)儀器進(jìn)行追蹤，就可知道放射性原子通過什么路徑、運(yùn)動(dòng)到哪里了、分布如何。

1.1 細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)移

高中生物教材中，介紹科學(xué)家在研究分泌蛋白的合成和分泌時(shí)，曾經(jīng)做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在豚鼠的胰臟腺泡細(xì)胞中注射3H標(biāo)記的亮氨酸，3 min后被標(biāo)記的氨基酸出現(xiàn)在附著有核糖體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，17 min后出現(xiàn)在高爾基體中，117 min后出現(xiàn)在靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)的小泡中，以及釋放到細(xì)胞外的分泌物中。實(shí)驗(yàn)說明分泌蛋白在附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體中合成之后，是按照內(nèi)質(zhì)網(wǎng)—高爾基體—細(xì)胞膜的方向運(yùn)輸?shù)模瑥亩C明了細(xì)胞內(nèi)的各種生物膜在功能上是緊密聯(lián)系的。

教材中介紹了科學(xué)家用含有14C的二氧化碳來追蹤光合作用中的C原子，證明它的轉(zhuǎn)移途徑是：二氧化碳——三碳化合物——糖類。

同樣，在C4植物的光反應(yīng)階段，CO2的C首先轉(zhuǎn)移到C4中，然后再轉(zhuǎn)移到C3中，這一變化過程也是利用14C的同位素示蹤技術(shù)確認(rèn)的。

1.2 生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移

研究生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸，用同位素14C標(biāo)記的吲哚乙酸來處理一段枝條的一端，然后探測(cè)另一端是否有含有放射性14C的吲哚乙酸存在（圖1）。處理甲圖中A端，能在B端探測(cè)到14C的存在，而處理乙圖中A端，卻不能B端探測(cè)到14C的存在，表明生長(zhǎng)素是從形態(tài)學(xué)的上端向形態(tài)學(xué)的下端運(yùn)輸?shù)摹?/p>

動(dòng)物胚胎發(fā)育過程等方面，應(yīng)用了活體染色法、同位素標(biāo)記法等方法，確定了胚胎各個(gè)胚層的來源。

1.3 生物體之間的轉(zhuǎn)移

利用15N標(biāo)記無機(jī)鹽，研究其在動(dòng)植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移途徑（圖2）。

1.4 生物與無機(jī)環(huán)境之間的轉(zhuǎn)移

證明光合作用中氧氣來源于參加反應(yīng)的水。19世紀(jì)30年代美國科學(xué)家魯賓和卡門研究光合作用中釋放的氧到底是來自于水，還是來自于CO2。他們進(jìn)行了這樣兩組實(shí)驗(yàn)：用氧的同位素18O分別標(biāo)記H2O和CO2，使它分別成為H218O和C18O2，然后進(jìn)行兩組光合作用的實(shí)驗(yàn)：第一組向綠色植物提供H218O和CO2；第二組向同種綠色植物提供H2O和C18O2。在相同的條件下，對(duì)兩組光合作用實(shí)驗(yàn)釋放出的氧進(jìn)行分析，結(jié)果表明，第一組釋放的氧全部是18O2，第二組釋放的氧全部是O2。從而證明了光合作用中釋放的氧全部來自水。

2 可以用來確定古生物年代

通過測(cè)定含碳物質(zhì)如化石等樣品中碳的衰變速度，即可確定有機(jī)體的死亡時(shí)間，即化石的年代，從而為生物進(jìn)化理論提供有力的證據(jù)。例如，若干萬年以前，始祖鳥通過攝食，吸收了動(dòng)植物中含有放射性14C的營養(yǎng)物質(zhì)，死亡后不再吸收。隨著年代的推移，始祖鳥中14C含量逐步減少，古生物學(xué)家在對(duì)始祖鳥化石的測(cè)定中，發(fā)現(xiàn)14C含量與現(xiàn)代鳥相同。已知地表中14C的含量基本不變，14C的半衰期為T年。那么，始祖鳥距今年代大約為多少年？因?yàn)?4C的半衰期為T年，根據(jù)始祖鳥化石中14C的含量與現(xiàn)代鳥的相同，即衰變的次數(shù)為N次，可推算衰變的時(shí)間為NT年，即始祖鳥距今年代大約為NT年。

3 可以用來研究遺傳物質(zhì)

3.1 遺傳物質(zhì)的確定

1952年，在噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)中，赫爾希和蔡斯把宿主細(xì)菌分別培養(yǎng)在含有35S和32P的培養(yǎng)基里，宿主細(xì)菌在生長(zhǎng)過程中,就分別被35S和32P所標(biāo)記。然后,他們用T2噬菌體分別去侵染被35S和32P標(biāo)記的細(xì)菌。噬菌體在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)增殖，裂解后釋放出很多子代噬菌體，用被35S和32P標(biāo)記的噬菌體分別去侵染未標(biāo)記的細(xì)菌,測(cè)定結(jié)果顯示,用35S標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌時(shí),宿主細(xì)胞內(nèi)很少有同位素標(biāo)記,而大多數(shù)35S標(biāo)記的噬菌體蛋白質(zhì)附著在宿主細(xì)胞的外面。當(dāng)用32P標(biāo)記的噬菌體感染細(xì)菌時(shí),宿主細(xì)胞外面的噬菌體外殼中很少有放射性同位素32P,而大多數(shù)放射性同位素32P在宿主細(xì)胞內(nèi)。以上實(shí)驗(yàn)表明,噬菌體在侵染細(xì)菌時(shí),進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)的主要是DNA,而大多數(shù)蛋白質(zhì)在細(xì)菌的外面?？梢?在噬菌體的生活史中，只有DNA是在親代和子代之間具有連續(xù)性的物質(zhì)。

3.2 DNA的半保留復(fù)制

1958年梅塞爾森和斯塔爾利用氮標(biāo)記技術(shù)在大腸桿菌中首次證實(shí)了DNA的半保留復(fù)制。他們將大腸桿菌放在含有15N標(biāo)記的NH4Cl培養(yǎng)基中繁殖了15代，使所有的大腸桿菌DNA被15N所標(biāo)記，可以得到含15N的DNA。然后將細(xì)菌轉(zhuǎn)移到含有14N標(biāo)記的NH4Cl培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，在培養(yǎng)不同代數(shù)時(shí)，收集細(xì)菌，裂解細(xì)胞，用CsCl密度梯度離心法觀察DNA所處的位置。由于15N-DNA的密度比普通DNA(14N－DNA)的密度大，在CsCl密度梯度離心時(shí)，兩種密度不同的DNA分布在不同的區(qū)帶。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在全部由15N標(biāo)記的培養(yǎng)基中得到的15N的DNA顯示為一條重密度帶位于離心管的管底。當(dāng)轉(zhuǎn)入14N標(biāo)記的培養(yǎng)基中繁殖后第一代，得到了一條中密度帶，這是15N-DNA和14N-DNA的雜交分子。第二代有中密度帶及低密度帶兩個(gè)區(qū)帶，這表明它們分別為15N14N－DNA和14N14N-DNA。隨著以后在14N培養(yǎng)基中培養(yǎng)代數(shù)的增加，低密度帶增強(qiáng)，而中密度帶逐漸減弱，離心結(jié)束后，從管底到管口，CsCl溶液密度分布從高到低形成密度梯度，不同重量的DNA分子就停留在與其相當(dāng)?shù)腃sCl密度處，在紫外光下可以看到DNA分子形成的區(qū)帶。為了證實(shí)第一代雜交分子中15N-DNA和14N－DNA，將這種雜交分子經(jīng)加熱變性，對(duì)于變性前后的DNA分別進(jìn)行CsCl密度梯度離心，結(jié)果變性前的雜交分子為一條中密度帶，變性后則分為兩條區(qū)帶，即重密度帶(15N－DNA)及低密度帶(14N－DNA)。

3.3 確定DNA合成期的時(shí)間長(zhǎng)度

有人為確定DNA合成期的時(shí)間長(zhǎng)度，在處于連續(xù)分裂的細(xì)胞的分裂期加入以氚標(biāo)記的胸腺嘧啶，根據(jù)胸腺嘧啶被利用情況，可以確定DNA合成期的起始點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間。

3.4 DNA分子探針

用放射性同位素（如32P）以及熒光分子等標(biāo)記DNA的分子，利用DNA分子雜交原理，鑒別被測(cè)標(biāo)本上的遺傳信息，達(dá)到快速診斷的目的。DNA分子探針還可以用來檢測(cè)飲用水中的病毒含量。

4 誘變育種

誘變育種常用的放射性同位素有35S、32P、45Ca（β射線）、65Zn、60Co(γ射線)等，主要方法有浸泡種子、施入土壤、涂抹幼苗、注入植物組織內(nèi)等。

5 醫(yī)學(xué)上放射性治療

放射性治療是將帶有射線的放射性藥物給腫瘤病人口服或靜脈注射入體內(nèi)后，放射性藥物隨血液到達(dá)腫瘤部位，對(duì)腫瘤細(xì)胞放出一種β射線，其射線像“魔彈”一樣，能瞄準(zhǔn)腫瘤細(xì)胞射擊，最后抑制或摧毀腫瘤細(xì)胞，從而達(dá)到治療的目的。

1941年放射性碘首次作為治療手段被用于臨床，1943年放射性碘被用來治療甲亢病人，1946年首次報(bào)道用131I治療甲亢。由于甲狀腺有濃集碘的功能，同位素碘與碘的化學(xué)性質(zhì)是相同的。同位素碘在甲狀腺內(nèi)被濃集后，放出大量的β射線（90％以上）。β射線能量很低，射程很短，僅為0.5～2 mm，用一張紙就可以擋住。因?yàn)棣律渚€只對(duì)甲狀腺濾泡細(xì)胞有破壞，不會(huì)穿過甲狀腺包膜損傷甲狀腺旁腺或周圍組織。而甲亢對(duì)131I的攝取率高，功能亢進(jìn)時(shí)的甲狀腺濾泡上皮細(xì)胞對(duì)放射線是敏感的，131I濃集在甲狀腺內(nèi)，大量的β射線可以破壞亢進(jìn)的甲狀腺濾泡上皮細(xì)胞，使亢進(jìn)的甲狀腺功能恢復(fù)正常，而放射線對(duì)全身的輻射是很少的。