同位素示蹤法是利用放射性核素作為示蹤劑對研究對象進(jìn)行標(biāo)記的微量分析方法，即把放射性同位素的原子參到其他物質(zhì)中去，讓它們一起運(yùn)動、遷移，再用放射性探測儀器進(jìn)行追蹤，就可知道放射性原子通過什么路徑，運(yùn)動到哪里了，是怎樣分布的。同位素示蹤法是生物學(xué)實驗中經(jīng)常應(yīng)用的一項重要方法，它可以研究細(xì)胞內(nèi)的元素或化合物的來源、組成、分布和去向等，進(jìn)而了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能、化學(xué)物質(zhì)的變化、反應(yīng)機(jī)理等。用于示蹤技術(shù)的放射性同位素一般是用于構(gòu)成細(xì)胞化合物的重要元素，如3H、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。在高中生物學(xué)教材中有多處涉及到放射性同位素的應(yīng)用，下面筆者對教材中的相關(guān)知識進(jìn)行歸納如下：
1 研究蛋白質(zhì)或核酸合成的原料及過程
把具有反射性的原子參到合成蛋白質(zhì)或核酸的原料（氨基酸或核苷酸）中，讓它們一起運(yùn)動、遷移，再用放射性探測儀器進(jìn)行追蹤，就可知道放射性原子通過什么路徑、運(yùn)動到哪里以及分布如何。
2 研究分泌蛋白的合成和運(yùn)輸
用3H標(biāo)記亮氨酸，探究分泌性蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的合成、運(yùn)輸與分泌途徑。在一次性給予放射性標(biāo)記的氨基酸的前提下，通過觀察細(xì)胞中放射性物質(zhì)在不同時間出現(xiàn)的位置，就可以明確地看出細(xì)胞器在分泌蛋白合成和運(yùn)輸中的作用。例如，通過實驗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)�，從而證明了細(xì)胞內(nèi)的各種生物膜在功能上是緊密聯(lián)系的。
3 研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能
用同位素標(biāo)記氨基酸或核苷酸并引入細(xì)胞內(nèi)，探測這些放射性標(biāo)記出現(xiàn)在哪些結(jié)構(gòu)中，從而推斷該細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。
4 探究光合作用中元素的轉(zhuǎn)移
利用放射性同位素18O、14C、3H作為示蹤原子來研究光合作用過程中某些物質(zhì)的變化過程，從而揭示光合作用的機(jī)理。例如，美國的科學(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，還是來自于二氧化碳。他們用氧的同位素18O分別標(biāo)記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2，然后進(jìn)行兩組光合作用實驗：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。在相同條件下，他們對兩組光合作用釋放的氧進(jìn)行了分析，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釋放的氧全部來自水。另外，卡爾文等用14C標(biāo)記的CO2，供小球藻進(jìn)行光合作用，追蹤檢測其放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機(jī)物中碳的途徑。
5 研究細(xì)胞呼吸過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)變途徑
利用18O作為示蹤原子研究細(xì)胞呼吸過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)變途徑，揭示呼吸作用的機(jī)理。例如，用18O標(biāo)記的氧氣（18O），生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部無放射性，即18O→H218O。用18O標(biāo)記的葡萄糖（C6H1218O6），生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部無放射性，即C6H1218O6→C18O2。例如將一只實驗小鼠放入含有放射性18O2氣體的容器內(nèi)，18O2進(jìn)入細(xì)胞后，最先出現(xiàn)的放射性化合物是水。
6 研究某些礦質(zhì)元素在植物體內(nèi)的吸收、運(yùn)輸過程
研究礦質(zhì)元素的吸收部位時，常用放射性同位素32P等來做實驗，發(fā)現(xiàn)根毛區(qū)是根尖吸收礦質(zhì)離子最活躍的部位。研究礦質(zhì)離子在莖中的運(yùn)輸部位時，用不透水的蠟紙將柳樹的韌皮部和木質(zhì)部隔開，并在土壤中施用含42K的肥料，5小時后測定42K在柳莖各部位的分布；有蠟紙隔開的木質(zhì)部含有大量42K，韌皮部幾乎無42K，說明運(yùn)輸42K的是木質(zhì)部；柳莖在用蠟紙隔開韌皮部和木質(zhì)部的以下區(qū)段以及不插入蠟紙的對照實驗中，韌皮部中也有很多42K，說明42K可從木質(zhì)部橫向運(yùn)輸?shù)巾g皮部。
7 研究有絲分裂過程中染色體的變化規(guī)律
在處于連續(xù)分裂的細(xì)胞的分裂期用3H標(biāo)記胸腺嘧啶脫氧核苷酸，根據(jù)胸腺嘧啶被利用的情況，可以確定DNA合成期的起始點和持續(xù)時間，以研究有絲分裂過程中染色體的變化規(guī)律。例如為了驗證促進(jìn)有絲分裂的物質(zhì)對細(xì)胞分裂的促進(jìn)作用，將小鼠的肝細(xì)胞懸浮液分成等細(xì)胞數(shù)的甲、乙兩組，在甲組的培養(yǎng)液中加入3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷（3H-TdR）；乙組中加入等劑量的3H-TdR，加入促進(jìn)有絲分裂的物質(zhì)。培養(yǎng)一段時間后，分別測定甲、乙兩組細(xì)胞的總放射性強(qiáng)度。再如，有人為確定DNA合成期的時間長度，在處于連續(xù)分裂的細(xì)胞的分裂期加入用3H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合成期的起始點和持續(xù)時間。
8 證明DNA是遺傳物質(zhì)
在研究蛋白質(zhì)和DNA在遺傳中的作用時，分別放射性標(biāo)記蛋白質(zhì)和DNA的特征元素，用32P標(biāo)記噬菌體的DNA，大腸桿菌內(nèi)發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)，用35S標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)，大腸桿菌內(nèi)未發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)；從而驗證噬菌體在侵染細(xì)菌的過程中，進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)的是噬菌體的DNA，而不是噬菌體的蛋白質(zhì)，進(jìn)而證明了DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)。
9 探究DNA分子半保留復(fù)制的特點
通過放射性標(biāo)記來“區(qū)別”親代與子代的DNA，如放射性標(biāo)記15N，因為放射性物質(zhì)15N的原子量和14N的原子量不同，因此DNA的相對分子質(zhì)量不同。如果DNA分子的兩條鏈都是15N，則離心時為重帶；如果DNA分子的一條鏈?zhǔn)?5N，一條鏈?zhǔn)?4N，則離心時為中帶；如果DNA分子的兩條鏈都是14N，則離心時為輕帶。因此可以根據(jù)重帶、中帶、輕帶DNA出現(xiàn)的比例，判斷DNA復(fù)制是全保留復(fù)制還是半保留復(fù)制。
10 探究基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯
用放射性同位素標(biāo)記尿嘧啶核糖核苷酸（RNA的特征堿基為U）、氨基酸，則在基因轉(zhuǎn)錄、翻譯的產(chǎn)物中就會含有放射性同位素，還可以用來確定轉(zhuǎn)錄、翻譯的場所。
11 基因探針在基因診斷中的應(yīng)用
在基因診斷中可利用放射性同位素15N、32P等標(biāo)記的DNA分子做基因探針，將某一致病基因放到含放射性15N或32P的培養(yǎng)基中進(jìn)行擴(kuò)增，加熱得到被標(biāo)記的致病基因單鏈即基因探針，利用DNA分子雜交原理，將待測者的DNA分子加熱處理形成DNA分子單鏈并與基因探針混合，讓其雜交，檢測是否形成雙鏈，若完全形成雙鏈，證明該待測者患有該病，否則不患。該基因診斷的方法可迅速地檢測出肝炎病毒、腸道病毒等多種病毒，以及鐮刀型細(xì)胞貧血癥、苯丙酮尿癥、白血病等。根據(jù)雜交帶情況可檢測生物親緣關(guān)系或轉(zhuǎn)基因生物是否插入目的基因，應(yīng)用同樣的原理還可檢測飲用水中病毒的含量。例如我國科學(xué)工作者利用DNA分子雜交的原理，利用基因工程研制出“非典”診斷盒，快速診斷“非典”。
12 在生物誘變育種方面的應(yīng)用
誘變育種是利用 X 射線、γ射線、β射線或中子去輻照農(nóng)作物的種子，植株或者某些器官，使它們產(chǎn)生的遺傳性發(fā)生改變，產(chǎn)生各種各樣的突變，在較短時間內(nèi)獲得有利用價值得突變體，然后從中選擇出對人類有用的突變，經(jīng)過培育而成的新品種。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。如是典型的γ放射源，可用于誘變育種。我國應(yīng)用該方法培育出了許多農(nóng)作物新品種。如棉花高產(chǎn)品種“魯棉1號”，年種植面積曾達(dá)到3000多萬畝，在我國自己培育的棉花品種中栽培面積最大。
13 探究大腦皮層的功能
科學(xué)家們常用PET技術(shù)對大腦皮層的高級功能進(jìn)行定位。PET技術(shù)是指正電子反射型計算機(jī)斷層造影成像技術(shù)，是一種直接對腦功能造影的技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)，科學(xué)家可以通過特制的探測元件測定大腦不聽區(qū)域物質(zhì)的消耗情況，進(jìn)而定位大腦皮層的不同功能區(qū)。將葡萄糖的基本元素（C、H、O）用超短“壽命”的放射性同位素標(biāo)記（如F18、C11等），制成放射性示蹤劑，然后把這種示蹤劑注射到受試者的血管中，通過特制的探測元件，就可以獲取示蹤劑在受試者大腦中的三維分布及其隨時間變化的情況。如讓受試者進(jìn)行思維、語言、聆聽、書寫等高級機(jī)能活動，皮層中相應(yīng)的中樞將處于高度興奮狀態(tài)，此時，通過觀察這些中樞對示蹤劑的消耗情況，就可以得出大腦皮層各功能區(qū)的位置和分布。例如讓受試者進(jìn)行書寫時，大腦皮層中關(guān)于書寫的中樞將大量消耗葡萄糖，該神經(jīng)中樞的位置就可以通過探測進(jìn)行定位。目前該技術(shù)已廣泛用于多種疾病的診斷與鑒別診斷、病情判斷、療效評價、臟器功能研究和新藥開發(fā)等方面。
14 研究反饋調(diào)節(jié)機(jī)制
在生物的反饋調(diào)節(jié)中，某一種物質(zhì)的變化會引起一系列的調(diào)節(jié)反應(yīng)，也會引起其他物質(zhì)的相應(yīng)變化。標(biāo)記某一物質(zhì)，用一定方法處理，通過檢測放射性物質(zhì)在某器官中的變化量，研究反饋調(diào)節(jié)的機(jī)制。例如在研究甲狀腺腺體與甲狀腺激素、促甲狀腺激素的分泌時，一般選用131I進(jìn)行同位素原子的示蹤標(biāo)記。因為人體從食物中吸收的碘元素幾乎全部集中在甲狀腺腺體，用于合成甲狀腺激素。
15 在免疫調(diào)節(jié)中的應(yīng)用
給動物以高劑量的同位素標(biāo)記的抗原，結(jié)果動物不但不發(fā)生免疫反應(yīng)，而且以后對同樣的、但不同同位素標(biāo)記的抗原也不再發(fā)生免疫反應(yīng)。此時如給其他抗原，動物仍能發(fā)生正常免疫反應(yīng)。這一實驗表明，同位素標(biāo)記的抗原與帶有互補(bǔ)抗體的淋巴細(xì)胞結(jié)合，這種淋巴細(xì)胞全被射線殺死，因此不發(fā)生免疫反應(yīng)。第二次給正常的同樣抗原時，由于帶有互補(bǔ)抗體的淋巴細(xì)胞已全被殺死，其他種類的淋巴細(xì)胞雖對其他抗原能正常反應(yīng)，但不能對此種抗原發(fā)生反應(yīng)，即不能轉(zhuǎn)變?yōu)榕c此種抗原互補(bǔ)的淋巴細(xì)胞。因此，動物就失去對此種抗原的免疫能力。由此可見，淋巴細(xì)胞的特異性是先天存在的，而不是由抗原的“教導(dǎo)”而產(chǎn)生的。
16 研究生長素的極性運(yùn)輸
證明植物生長素的極性運(yùn)輸時，用同位素14C標(biāo)記莖形態(tài)學(xué)上端的生長素（吲哚乙酸），可在莖的形態(tài)學(xué)下端探測到放射性同位素14C，而標(biāo)記莖形態(tài)學(xué)下端的生長素，則在莖的形態(tài)學(xué)上端探測不到放射性同位素，說明植物生長素只能從形態(tài)學(xué)的上端運(yùn)輸?shù)叫螒B(tài)學(xué)的下端。
17 研究物質(zhì)循環(huán)和能量流動等方面的問題
在生態(tài)系統(tǒng)中，組成生物體的C、H、O、N、P、S等元素，不斷進(jìn)行著從無機(jī)環(huán)境到生物群落，又從生物群落到無機(jī)環(huán)境的循環(huán)過程。如果用放射性同位素標(biāo)記參與物質(zhì)循環(huán)的這些元素，就可以追蹤物質(zhì)的轉(zhuǎn)移途徑。例如用35S標(biāo)記SO2、用14C標(biāo)記CO2追蹤硫循環(huán)和碳循環(huán)中S和C的轉(zhuǎn)移途徑。
總之，同位素示蹤法正在更大規(guī)模地應(yīng)用于生物研究領(lǐng)域，作為中學(xué)生物教師，了解更多的有關(guān)同位素標(biāo)記技術(shù)的知識和實驗，無疑將開拓自身的知識視野，構(gòu)建自身堅實的知識支架，教學(xué)中適當(dāng)講授一些同位素標(biāo)記技術(shù)的原初實驗，有利于把與生物學(xué)相關(guān)的復(fù)雜知識點更科學(xué)、更原始地傳授給學(xué)生，同時，也使學(xué)生對這項技術(shù)有一個更深刻的認(rèn)識和把握。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/gaozhong/144457.html
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