*欧阳光明*创编 2021.03.07
同位素示踪法在高中生物学实验中
的应用
欧阳光明（2021.03.07）
同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。 同位素示踪法是生物学实验中经常应用的一项重要方法，它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。总之，同位素示踪法正在更大规模地应用于生物研究领域。
用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素，如3H、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用，下面笔者对教材中的相关知识进行归纳如下：
1 研究蛋白质或核酸合成的原料及过程
把具有反射性的原子参到合成蛋白质或核酸的原料（氨基酸或核苷酸）中，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径、运动到哪里以及分布如何。
2 研究分泌蛋白的合成和运输
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用3H标记亮氨酸，探究分泌性蛋白质在细胞中的合成、运输与分泌途径。在一次性给予放射性标记的氨基酸的前提下，通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置，就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。例如，通过实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网→高尔基体→细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。
3 研究细胞的结构和功能
用同位素标记氨基酸或核苷酸并引入细胞内，探测这些放射性标记出现在哪些结构中，从而推断该细胞的结构和功能。
4 探究光合作用中元素的转移 利用放射性同位素
18
O、14C、3H作为示踪原子来研究光合作用
过程中某些物质的变化过程，从而揭示光合作用的机理。例如，美国的科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。他们用氧的同位素
18
O分别标记H2O和
CO2，使它们分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用实验：第一组向绿色植物提供H218O和CO2，第二组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。在相同条件下，他们对两组光合作用释放的氧进行了分析，结果表明第一组释放的氧全部是
18
O2，第二组释放的
氧全部是O2，从而证明了光合作用释放的氧全部来自水。另外，卡尔文等用
14
C标记的CO2，供小球藻进行光合作用，追踪检测其放
射性，探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。
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5 研究细胞呼吸过程中物质的转变途径
利用18O作为示踪原子研究细胞呼吸过程中物质的转变途径，揭示呼吸作用的机理。例如，用18O标记的氧气（18O），生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部无放射性，即
18
18
O→H218O。用
O标记的葡萄糖（C6H1218O6），生成的二氧化碳全部有放射性，
生成的水全部无放射性，即C6H1218O6→C18O2。例如将一只实验小鼠放入含有放射性
18
O2气体的容器内，18O2进入细胞后，最先出现
的放射性化合物是水。
6 研究某些矿质元素在植物体内的吸收、运输过程 研究矿质元素的吸收部位时，常用放射性同位素
32
P等来做实
验，发现根毛区是根尖吸收矿质离子最活跃的部位。研究矿质离子在茎中的运输部位时，用不透水的蜡纸将柳树的韧皮部和木质部隔开，并在土壤中施用含
42
K的肥料，5小时后测定
42
K在柳茎各部
位的分布；有蜡纸隔开的木质部含有大量42K，韧皮部几乎无42K，说明运输
42
K的是木质部；柳茎在用蜡纸隔开韧皮部和木质部的以
42
下区段以及不插入蜡纸的对照实验中，韧皮部中也有很多明42K可从木质部横向运输到韧皮部。
7 研究有丝过程中染色体的变化规律
K，说
在处于连续的细胞的期用3H标记胸腺嘧啶脱氧核苷酸，根据胸腺嘧啶被利用的情况，可以确定DNA合成期的起始点和持续时间，以研究有丝过程中染色体的变化规律。例如为了验证促进有丝的物质对细胞的促进作用，将小鼠的肝细胞悬浮液分成等细胞数的甲、乙两组，在甲组的培养液中加入3H标
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记的胸腺嘧啶脱氧核苷（3H-TdR）；乙组中加入等剂量的3H-TdR，加入促进有丝的物质。培养一段时间后，分别测定甲、乙两组细胞的总放射性强度。再如，有人为确定DNA合成期的时间长度，在处于连续的细胞的期加入用3H标记的胸腺嘧啶，根据胸腺嘧啶被利用情况，可以确定DNA合成期的起始点和持续时间。
8 证明DNA是遗传物质
在研究蛋白质和DNA在遗传中的作用时，分别放射性标记蛋白质和DNA的特征元素，用现放射性物质，用
35
32P
标记噬菌体的DNA，大肠杆菌内发
S标记噬菌体的蛋白质，大肠杆菌内未发现放
射性物质；从而验证噬菌体在侵染细菌的过程中，进入细菌体内的是噬菌体的DNA，而不是噬菌体的蛋白质，进而证明了DNA是噬菌体的遗传物质。
9 探究DNA分子半保留复制的特点
通过放射性标记来“区别”亲代与子代的DNA，如放射性标记
15
N，因为放射性物质
15
N的原子量和
14
N的原子量不同，因此
1514
DNA的相对分子质量不同。如果DNA分子的两条链都是离心时为重带；如果DNA分子的一条链是
15
N，则N，则
N，一条链是
14
离心时为中带；如果DNA分子的两条链都是
N，则离心时为轻
带。因此可以根据重带、中带、轻带DNA出现的比例，判断DNA复制是全保留复制还是半保留复制。
10 探究基因的转录和翻译
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用放射性同位素标记尿嘧啶核糖核苷酸（RNA的特征碱基为U）、氨基酸，则在基因转录、翻译的产物中就会含有放射性同位素，还可以用来确定转录、翻译的场所。
11 基因探针在基因诊断中的应用
在基因诊断中可利用放射性同位素15N、32P等标记的DNA分子做基因探针，将某一致病基因放到含放射性
15
N或
32
P的培养基中
进行扩增，加热得到被标记的致病基因单链即基因探针，利用DNA分子杂交原理，将待测者的DNA分子加热处理形成DNA分子单链并与基因探针混合，让其杂交，检测是否形成双链，若完全形成双链，证明该待测者患有该病，否则不患。该基因诊断的方法可迅速地检测出肝炎病毒、肠道病毒等多种病毒，以及镰刀型细胞贫血症、苯丙酮尿症、白血病等。根据杂交带情况可检测生物亲缘关系或转基因生物是否插入目的基因，应用同样的原理还可检测饮用水中病毒的含量。例如我国科学工作者利用DNA分子杂交的原理，利用基因工程研制出“非典”诊断盒，快速诊断“非典”。
12 在生物诱变育种方面的应用
诱变育种是利用 X 射线、γ射线、β射线或中子去辐照农作物的种子，植株或者某些器官，使它们产生的遗传性发生改变，产生各种各样的突变，在较短时间内获得有利用价值得突变体，然后从中选择出对人类有用的突变，经过培育而成的新品种。诱变育种常用的放射性同位素有
35
S、32P、45Ca（β射线）65Zn、60Co（γ射
线）等，主要方法有浸泡种子、施入土壤、涂抹幼苗、注入植物组织内等。如
是典型的γ放射源，可用于诱变育种。我国应用该
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方法培育出了许多农作物新品种。如棉花高产品种“鲁棉1号”，年种植面积曾达到3000多万亩，在我国自己培育的棉花品种中栽培面积最大。
13 探究大脑皮层的功能
科学家们常用PET技术对大脑皮层的高级功能进行定位。PET技术是指正电子反射型计算机断层造影成像技术，是一种直接对脑功能造影的技术，运用该技术，科学家可以通过特制的探测元件测定大脑不听区域物质的消耗情况，进而定位大脑皮层的不同功能区。将葡萄糖的基本元素（C、H、O）用超短“寿命”的放射性同位素标记（如F18、C11等），制成放射性示踪剂，然后把这种示踪剂注射到受试者的血管中，通过特制的探测元件，就可以获取示踪剂在受试者大脑中的三维分布及其随时间变化的情况。如让受试者进行思维、语言、聆听、书写等高级机能活动，皮层中相应的中枢将处于高度兴奋状态，此时，通过观察这些中枢对示踪剂的消耗情况，就可以得出大脑皮层各功能区的位置和分布。例如让受试者进行书写时，大脑皮层中关于书写的中枢将大量消耗葡萄糖，该神经中枢的位置就可以通过探测进行定位。目前该技术已广泛用于多种疾病的诊断与鉴别诊断、病情判断、疗效评价、脏器功能研究和新药开发等方面。
14 研究反馈调节机制
在生物的反馈调节中，某一种物质的变化会引起一系列的调节反应，也会引起其他物质的相应变化。标记某一物质，用一定方法处理，通过检测放射性物质在某器官中的变化量，研究反馈调节的
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机制。例如在研究甲状腺腺体与甲状腺激素、促甲状腺激素的分泌时，一般选用
131
I进行同位素原子的示踪标记。因为人体从食物中
吸收的碘元素几乎全部集中在甲状腺腺体，用于合成甲状腺激素。
15 在免疫调节中的应用
给动物以高剂量的同位素标记的抗原，结果动物不但不发生免疫反应，而且以后对同样的、但不同同位素标记的抗原也不再发生免疫反应。此时如给其他抗原，动物仍能发生正常免疫反应。这一实验表明，同位素标记的抗原与带有互补抗体的淋巴细胞结合，这种淋巴细胞全被射线杀死，因此不发生免疫反应。第二次给正常的同样抗原时，由于带有互补抗体的淋巴细胞已全被杀死，其他种类的淋巴细胞虽对其他抗原能正常反应，但不能对此种抗原发生反应，即不能转变为与此种抗原互补的淋巴细胞。因此，动物就失去对此种抗原的免疫能力。由此可见，淋巴细胞的特异性是先天存在的，而不是由抗原的“教导”而产生的。
16 研究生长素的极性运输
证明植物生长素的极性运输时，用同位素14C标记茎形态学上端的生长素（吲哚乙酸），可在茎的形态学下端探测到放射性同位素
14
C，而标记茎形态学下端的生长素，则在茎的形态学上端探测不到
放射性同位素，说明植物生长素只能从形态学的上端运输到形态学的下端。
17 研究物质循环和能量流动等方面的问题
在生态系统中，组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落到无机环境的循环
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过程。如果用放射性同位素标记参与物质循环的这些元素，就可以追踪物质的转移途径。例如用
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S标记SO2、用
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C标记CO2追踪
硫循环和碳循环中S和C的转移途径。
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