高中生物實驗中貌合神離的術(shù)語

王學娟

現(xiàn)在高考題中實驗題所占的比重比較大，而且考題從操作性的問題向設計性的問題過度.我歸納了學生在實驗設計中常見的4組貌合神離的術(shù)語進行了分析，希望能對考生有所幫助.

一、同位素標記、放射性標記、熒光標記

在一次公開課上，我們班的同學活動充分，勇于展現(xiàn)自我.就在這樣一堂較完美的公開課，生成了一個很有意義的問題.當時上課用的活動單上有這樣一道題目：請設計一個能證明細胞膜具有流動性的實驗.有一個小組的同學設計了這樣一個實驗：利用31P標記一個細胞的細胞膜，用32S標記另一個細胞的細胞膜，然后用滅活的病毒進行促融，然后再用儀器觀察放射性的分布.這個同學發(fā)言后，我請其他小組的同學進行點評，他們都覺得設計得挺好的.后來我給同學們提出了幾個疑問︰①所有的同位素都具有放射性嗎？②在本實驗中熒光標記的設計思路和這個同學的設計思路哪個更好？③證明和說明之間有何區(qū)別？課后我對這個問題進行了梳理，并總結(jié)了高中階段常見的同位素是否具有放射性.

1.同位素標記

高中人教版必修一生物課本上有同位素標記的定義.同位素有這樣一個特性：不管哪種元素在被同位素替換后，它的化學性質(zhì)與替換前相比，沒有發(fā)生變化.正是由于它有這個特性，所以很多科學家在實驗中用到同位素對其所研究的元素進行標記.人教版的高中生物教材中有十幾處科學史中提到同位素標記.教材在有些科學史中明確說了具有放射性的某某同位素，但有些事例中沒有明確說明利用的同位素是否具有放射性.我們班學生在篇首的實驗設計就是不知道哪些同位素具有放射性，所以才誤用沒有放射性的31P和32S進行標記.本文對高中階段常用的同位素的放射性問題進行了系統(tǒng)的總結(jié).

氫的同位素.生物必修一的48至49頁，介紹了有關分泌蛋白在哪里合成，由哪些細胞結(jié)構(gòu)運輸，以及運輸?shù)姆较蛉绾?這個例子中涉及了3H標記的亮氨酸.科學家將所研究的細胞放在含有3H標記的亮氨酸的培養(yǎng)液中，看這個被標記的氨基酸首先在細胞的哪里出現(xiàn)，然后再觀察這個標記的運輸路徑.課本上僅僅說用3H標記，但沒有交代清楚3H是否具有放射性.氫元素具有7種同位素：1H、2H、3H、4H、5H、6H、7H，其中從3H到7H都是不穩(wěn)定的，具有放射性，而1H和2H是不具有放射性的穩(wěn)定的同位素.

氧的同位素.人教版教材在介紹有關光合作用的科學史中涉及到了氧和碳的同位素.在魯賓和卡門的實驗中，他們利用被18O標記的二氧化碳和水來探究植物釋放的氧氣到底來自于水還是二氧化碳.這個例子中用到的18O不具有放射性，是穩(wěn)定的同位素.在大自然的空氣中氧具有16O、17O、18O三種同位素.這三種同位素都是穩(wěn)定的，不具有放射性.科學家應該是通過檢測產(chǎn)物的質(zhì)量進行區(qū)分.碳的同位素.課本必修一在光合作用部分還介紹了有關卡爾文探究碳元素是如何轉(zhuǎn)移的經(jīng)典實驗.在這個實驗中他用14C標記的14CO2作為原料讓植物進行光合作用，然后及時觀察細胞中的14C走向，最終發(fā)現(xiàn)了著名的卡爾文循環(huán).碳在自然界中有三種形式（12C、13C、14C）存在.14C具有放射性，12C、13C在自然界中含量很大但不具有放射性.

氮的同位素.人教版必修二生物課本中在“遺傳的物質(zhì)基礎”部分介紹了當時科學家探究DNA復制特點時設計的一個經(jīng)典實驗.在這個實驗中科學家現(xiàn)將未被標記的DNA分子放在含有14N的培養(yǎng)基中，讓親代DNA分子充分被標記上14N，然后再讓這種親代DNA分子在含有15N的培養(yǎng)基上復制，而且是復制兩次.這個實驗中用到的14N和15N都是穩(wěn)定的同位素，不能放出射線.科學家是對一次復制和兩次復制所得到的子代DNA分子進行離心，通過分子量將這些DNA分為了三類（重、中、輕）.

磷的同位素.生物必修二課本介紹了人類探究遺傳物質(zhì)到底是DNA還是蛋白質(zhì)的過程.這其中介紹了赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染大腸桿菌的實驗.這個實驗中他們用32P對DNA中的磷酸基團進行了標記.然后通過保溫、攪拌、離心等技術(shù)手段將噬菌體的外殼和大腸桿菌分開，通過觀察2組實驗結(jié)果的放射性，從而推測了噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA.這個經(jīng)典實驗中用到的32P是不穩(wěn)定的，具有放射性的.磷元素在自然界中具有13種同位素從磷27到磷39，其中磷31不具有放射性是最穩(wěn)定的.其他的同位素都不穩(wěn)定的，具有放射性.

硫的同位素.噬菌體侵染大腸桿菌的實驗中還用到35S對蛋白質(zhì)上的R基進行標記.硫元素在自然界中有四種同位素（32S、33S、34S、36S〕，它們都是穩(wěn)定的，不具有放射性.硫35是硫的一種具有放射性的核素.

我們班的那位學生利用31P標記一個細胞的細胞膜，用32S標記另一個細胞的細胞膜，然后用滅活的病毒進行促融，然后再用儀器觀察觀察放射性的分布.當時因為他不知道31P和32S不具有放射性，不能作為示蹤原子.所以做了這樣一個錯誤的設計.試想一下，如果將31P和32S換成32P和35S，可行嗎？如果這樣設計，按照理論上推測，這些示蹤原子經(jīng)過一段時間的運動后應該會均勻分布.可是細胞的放射性分布均勻，又怎么能證明細胞膜具有流動性呢，即使組成細胞膜的分子不運動，原來的兩個細胞都有放射性，目前的儀器只能測出放射性，但不能區(qū)分這種射線是來自于哪種同位素.如果用含有紅色和綠色的熒光染料分別標記兩個細胞，儀器能輕松分辨出每種熒光染料有沒有分布均勻.

2.放射性同位素的應用

現(xiàn)在人們的健康意識比較強，大街小巷的人們都知道要防輻射、遠離射線放射.事物一般都具有兩面性.放射性在人們的日常生活中也有很多的應用.

X光線透視.摔跤后可以借助于醫(yī)院的X射線透過肌肉顯示出骨頭的狀態(tài)，醫(yī)生可以根據(jù)膠片上呈現(xiàn)的影像判斷出骨頭是否處于斷裂狀態(tài)，這樣可以對癥下藥，提高治療的效果.小孩咳嗽時間長了可能會出現(xiàn)肺炎，這個也可以通過透視看清楚到底是肺部發(fā)炎還是氣管發(fā)炎.人長智齒的時間比較晚，而且有很多人長智齒時，牙齒出不了牙齦，導致反復發(fā)炎腫痛.有些私人診所就憑醫(yī)生用蠻力將牙齒拔出，這樣出血較多，容易感染.正規(guī)醫(yī)院在拔智齒之前都要通過透視，看看牙根的狀態(tài)，然后再做處理，這樣會減輕病人的痛苦.

放療.經(jīng)濟發(fā)展了，人們的生活水平提高了.可能與競爭壓力有關，可能與污染有關也可能生活習慣有關，我國癌癥發(fā)病率在全世界名列前茅.傳統(tǒng)治療癌癥的方法有物理和化學方法及放療和化療.化療是借助于藥物對付癌細胞，但是藥物是通過體液運送的，在對付癌細胞的同時也傷害了正常細胞，副作用較大.放療是利用射線對患者進行局部照射.癌細胞細胞周期變短，分裂速度加快，對射線的照射更敏感，更易死亡.

幽門螺旋桿菌的檢測.部分人由于不規(guī)則的飲食，導致胃不舒服.檢查胃部的一般的方法是做胃鏡.做胃鏡實在是很難受，有些醫(yī)生會建議病人先檢查一下是否有幽門螺旋桿菌感染.檢測幽門桿菌的方法是比較簡單的“吹氣”.這個方法的原理是人自身體內(nèi)沒有尿素酶不能將尿素分解，而幽門螺旋桿菌體內(nèi)含有尿素酶能將尿素分解釋放二氧化碳.病人首先口服含有碳13或碳14標記的尿毒膠囊，如果病人體內(nèi)有幽門螺旋桿菌就能分解尿素，反之則不能.一段時間后檢測病人呼出的氣體中是不是含有碳13或碳14.醫(yī)生可以根據(jù)氣相色譜儀分析的結(jié)果判斷此病人是否被幽門螺旋桿菌感染.剛才在前面的介紹中說了碳14具有放射性，所以小孩和孕婦最好慎重選擇.

太空育種.我國航天事業(yè)發(fā)展很快，飛船不僅將航天員們帶入了太空，也將多種植物的種子帶入了太空，種子跟隨飛船在宇宙翱翔，沐浴著宇宙的清新與舒適.返回地面的飛船將種子帶回地面，育種專家對它們進行了選育.從這些太空種子中選出了產(chǎn)量高、抗寒、抗旱、抗病的作物新品種.太空育種的原理是種子在太空接受了大量的輻射，大幅度地提高了基因突變的頻率.

微生物育種.現(xiàn)在醫(yī)院里的青霉素價格很便宜.二戰(zhàn)期間我國的青霉素價格很高，簡直可以與黃金的價格相媲美.人類首次發(fā)現(xiàn)青霉素從一個發(fā)霉的甜瓜中分離得到的，一開始產(chǎn)量很低，而且純度不高.這些青霉素無法在臨床上使用.后來科學家通過射線照射，提高了青霉菌的突變頻率，提高了產(chǎn)量，價格才降下了.有了青霉素等消炎藥的使用，我國人口的平均壽命有了大幅度地提高.

3.熒光標記

熒光標記是用熒光蛋白或熒光蛋白基因?qū)Ρ粯擞浀奈镔|(zhì)進行研究的方法.熒光染料不僅可以與蛋白質(zhì)相結(jié)合，也可以與核酸相結(jié)合.選修三課本中基因工程部分涉及到的基因探針有的是用放射性標記，有的就是用熒光標記.基因探針可以在短時間內(nèi)檢測多種目的基因.

用熒光標記細胞膜時，一般只能標記蛋白質(zhì)，而不能標記磷脂.熒光染料的種類很多，可以根據(jù)需要標記的物質(zhì)進行選擇，國內(nèi)已有不少的專門經(jīng)營熒光染料的商家.其實熒光標記法就是在放射性標記法之后出現(xiàn)的一種靈敏度更高、更方便、更快捷的標記方法.

二、證明與說明

篇首的那道實驗設計題目.還有學生想通過細胞滲透失水或滲透吸水的實驗來證明細胞膜具有流動性.想通過這個實驗達到證明目的的學生將證明與說明混淆了.只有親眼看到分子的運動才能直接證明細胞膜具有流動性.植物細胞滲透失水原生質(zhì)層體積縮小，這個事例只能由細胞膜的體積在縮小而間接說明分子是可以運動的.同樣變形蟲在運動和攝食時不斷變化身體的外形也只是間接說明了這一點.自由擴散、協(xié)助擴散、主動運輸?shù)戎荒荛g接說明膜的流動性.

三、對照與對比

生物實驗的設計一般都需要設計對照組.所謂的對照組一般可以認為是在自然條件下的一組實驗，而實驗組與對照組相比應該出現(xiàn)一個條件不同即存在一個自變量.科學家在探究光合作用條件時，對照組一般都是能進行光合作用的，而實驗組﹝例如缺乏光﹞一般都是不能進行光合作用的.這樣相互對照就能找出光合作用需要哪些條件.但是在探究呼吸作用產(chǎn)物時，經(jīng)常選用酵母菌.這種生物很特殊，不管是在有氧的條件下還是在無氧的條件下都能正常生存而且都能釋放出二氧化碳.在這個實驗中，這兩組實驗只能相互對比后發(fā)現(xiàn)，在單位時間內(nèi)有氧呼吸產(chǎn)生的二氧化碳比無氧呼吸更多.這些難以設計對照組的實驗，需要設計重復實驗，這樣才能提高實驗的可信度.

四、結(jié)論與推論

最近幾年的江蘇模擬題和高考題都有對生物科學史考查的題目.這樣的考題難度較低，但有些同學沒有理清楚結(jié)論和推論之間的區(qū)別，從而將一些推論張冠李戴，失去了該得的分數(shù).科學史上往往需要經(jīng)過幾十年甚至上百年的科學研究才能得出一個令世人信服的結(jié)論.教師要在課堂上幫助同學們理清楚科學發(fā)展史上的主線.例如在探究植物彎向光源生長的原因中課本中涉及到了4位科學家的實驗.溫特才用瓊脂塊收集了尖端產(chǎn)生的物質(zhì)，前面的科學家僅僅是推測有這種物質(zhì)存在.孟德爾只是通過實驗總結(jié)出了遺傳的兩大定律，但他沒有闡述這兩大定律的實質(zhì).只要學生區(qū)別了結(jié)論與推論，面對科學史就能輕松判斷正誤.