同位素标记法

同位素标记法是生物学实验和研究中常用的技术方法，利用这项技术，生命科学打开了一扇扇智慧之门。同位素标记法有哪些类型？如何真正理解这种方法呢？笔者结合教学体会，谈几点粗浅认识。

1.  同位素示踪技术中标记的同位素都有放射性吗？

高中生物实验中涉及的同位素标记主要有³H、¹⁸O、¹⁴C、⁴²K、¹³¹I、³⁵S、³²P、¹⁵N等，那么这些元素是否都具有放射性呢？其实不然！所谓同位素是指具有相同原子序数（即质子数相同，因而在元素周期表中的位置相同），但质量数不同，亦即中子数不同的一组核素。如果某同位素能够自发地从原子核内部放出粒子或射线，同时释放出能量，称为放射性同位素。如³H、¹⁴C、³²P、³⁵S、¹³¹I、⁴²K等。放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出α射线或β射线或γ射线等，直至变成另一种稳定同位素。也就是说同位素包括放射性同位素和稳定同位素，稳定同位素是指原子核结构稳定，不会发生衰变的同位素，如¹⁵N，¹⁸O等。稳定同位素不具有放射性。

在生物实验中常用放射性同位素标记某一特定物质，然后用自显影技术、晶体闪烁计数器或液体闪烁计数器等射线测量、分析、记录仪器进行追踪的方法，称为放射性标记法，它是同位素标记法的一种。测量方法的选择取决于射线种类。

在研究过程中使用稳定同位素（如¹⁵N，¹⁸O）标记，不能用自显影等技术来显现、追踪同位素去向，只能用测量分子质量或离心技术来区别同位素，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。它虽然也是同位素标记法，但不能称为放射性标记法，鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.Kamen）用¹⁸O分别标记H₂O和CO₂研究光合作用中释放的氧的来源的实验以及梅塞尔森（Meselson）用¹⁵N标记亲代DNA验证DNA半保留复制的实验，都是属于这一类型。

但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度高，测量方法简便易行，能准确地定量，精确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点，应用较为广泛。但很多同位素虽有放射性，可是半衰期极短，在应用中也会受到限制，如¹²N的半衰期仅0.011秒，¹³O的半衰期为0.0087秒^[2]。

2.  同位素标记法的教学策略

同位素标记法教学属于研究方法类教学，而方法技术类教学一方面要对方法技术总结，另一方面要让学生通过操作实践进行体会。如果客观条件不允许实践操作，笔者认为有效的教学策略是以下两个方面。

2.1注重生物学基本观点的体现

2.1.1生命的物质性观点

同位素与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。这是选择同位素标记法的依据。

构成细胞的化合物是生命活动的物质基础，在教学过程中教师应引导学生分析为什么要选择同位素标记法，选择何种元素进行标记，从而使学生认识到生命是由物质构成的，具有物质性。例如在学习“噬菌体侵染细菌”实验时，在分析格里菲斯（F.Griffith）和艾弗里（O.Avery）的实验基础上，总结出实验的思路是将DNA和蛋白质等物质分开，单独直接观察它们的作用。如何将DNA和蛋白质区分开来呢？学生思考后结合原有的知识储备，可以提出用同位素标记法。选择哪种元素进行标记呢？在分析DNA和蛋白质的组成元素后，学生可以得出标记DNA选择P元素，标记蛋白质选择S元素。由此学生可以明确各种生命活动都有其物质基础，没有物质基础的生命活动是不存在的。再遇到同类问题时，就会首先从物质组成上去分析，然后选择合适的元素进行标记。

2.1.2生命的运动性观点

一切物质都在运动，运动是物质的根本属性，运动就意味着变化，阐明生物体内物质处于不断更新的动态平衡之中，是同位素示踪技术对生命科学的重大贡献之一。向体内引入适当的同位素标记物，在不同时间测定物质中同位素含量的变化，就能了解该物质在体内的变动情况，如定量计算出体内物质的代谢率、物质的更新速度和更新时间等。进而了解生物体或细胞内的某结构的运动、更新等。

例如（2003年江苏高考生物卷41）：胸腺嘧啶脱氧核糖核苷（简称胸苷）在细胞内可以转化为胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸，后者是合成DNA的原料，用含有³H-胸苷的营养液，处理活的小肠黏膜层，半小时后洗去游离的³H-胸苷。连续48小时检测小肠绒毛的被标记部位，结果如下图（黑点表示放射性部位）。

请回答：

（1）处理后开始的几小时，发现只有a处能够检测到放射性，这说明什么？

（2）处理后24小时左右，在b处可以检测到放射性，48小时左右，在c处检测到放射性，为什么？

（3）如果继续跟踪检测，小肠黏膜层上的放射性将发生怎样的变化？

（4）上述实验假如选用含有³H-尿嘧啶核糖核苷的营养液，请推测几小时内小肠黏膜层上放射性出现的情况将会怎样？为什么？

解答此题的关键是学生不仅要有生命的物质性观点，更要具有生命的运动性观点：DNA中含有胸腺嘧啶，RNA中含有尿嘧啶，细胞具有出生、衰老、凋亡等生命历程，a处细胞不断分裂，产生的新细胞会将原有的细胞推向b处、c处，细胞死亡后从小肠黏膜层脱落，其中的放射性物质也将从小肠黏膜处消失。

2.2通过模拟活动加深理解

同位素示踪法是研究生命科学的一种重要研究方法，但由于这种方法的高技术要求和微观性，对于高中学生来说是不可能实际进行操作和实践的，从而使得学生在理解这种方法的过程中具有一定的难度，笔者在教学过程中尝试通过模拟活动，使学生很好的理解这种神秘的方法。

在学习“细胞器——细胞内的分工合作”这一节内容时，学生第一次接触到同位素示踪法，为了加深对这种方法的理解，我首先根据学生自己的选择，将学生分为若干组，分别代表核糖体、线粒体、高尔基体、内质网等不同的细胞器，然后将一些佛珠（其中有几个是红色的代表亮氨酸）和一段细绳交给核糖体组，由它们进行“蛋白质合成”，然后再传给其它“细胞器组”。在此过程中，教师择机叫停，然后再继续传递。通过模拟活动，学生兴趣高昂，对同位素示踪法理解更透彻，而且对各种细胞器的功能以及细胞器之间的协调配合的认识更加深刻，起到良好的教学效果。当学生再次遇到此类问题时，解决的思路就自然而然水到渠成了。