标记法在人教版高中生物学必修模块的分布及应用分析

标记法在人教版高中生物学必修模块的分布及应用分析

张秀华

新疆阿勒泰地区第二高级中学 新疆 阿勒泰 836599

摘要：标记法在生物学研究中发挥着重要的作用，相关内容在人教版（2019）高中生物学必修模块多有涉及，本文重点介绍同位素、同位素标记法及荧光标记法在教材中的分布及应用进行分析。

关键词：标记法；同位素标记法；荧光标记法

标记法在高中生物学可以分为同位素标记法和荧光标记法，同位素标记法又包含稳定同位素和放射性同位素标记。在生物学研究中，标记法是一项重要的实验技术，通过标记法可以追踪物质的运输途径，并显示其变化规律。同位素标记法和荧光标记法在高中生物学教材中多有涉及，本文介绍这些方法在必修教材中的分布及应用分析。

1.同位素及同位素标记法

同位素是同一元素的不同原子，其原子具有相同数目的质子，但中子数目却不同。同位素可分为两类：具有放射性的放射性同位素和不具有放射稳定同位素。放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断发出射线，如3H，14C，35S，32P，131I等；稳定性同位素极不易发生自行衰变，目前技术手段检测不到其放射性，如18O和15N。科学家通过对同位素的追踪，可以揭示化学反应的详细过程，这种科学研究方法叫作同位素标记法，也叫同位素示踪法。当同位素用于追踪物质运行和变化过程时，就被称为示踪元素。生物学研究中使用的示踪元素一般是组成生物体的主要元素的同位素，即C，H，O，N，S，P等元素的同位素。

放射性同位素具有原子核不稳定、不断放出特征射线的属性，可用核探测设备对它的数量、位置(体内或体外)及在化学反应中的转变过程等，实现即时追踪。放射性同位素标记法具有灵敏度高、测量简便、定位准确、定量精准等优点。稳定性同位素也可作为示踪元素，可以利用它与普通同位素在原子质量、质谱性质等方面的区别，通过质谱仪或气相层析仪等仪器来完成分析。

2.同位素标记法在高中生物学教材中的分布

2.1稳定同位素作为示踪元素的经典实验

2.1.1人教版必修1第5章第4节“光合作用与能量转换”中“思考·讨论”探索光合作用原理的部分实验，1941年，美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素180分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。

2.1.2人教版必修2第3章第3节“DNA的复制”中“思考·讨论”证明DNA半保留复制的实验，15N是14N元素的两种稳定同位素，这两种同位素的相对原子质量不同，含15N的DNA比含14N的DNA密度大，因此，利用离心技术可以在试管中区分含有不同N元素的DNA。科学家利用含15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌增殖若干代，这时，大肠杆菌的DNA几乎都是15N标记的。然后，将大肠杆菌转移到含有14NH4Cl普通培养液中培养。在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将提取的DNA进行离心，记录离心后试管中DNA的位置。科学家完成上述实验的结果是：亲代大肠杆菌的DNA经离心处理后，试管中只出现了一条DNA带，位置靠近试管的底部，说明其密度最大，是15N标记的亲代双DNA(15N/15N-DNA)；将转移培养后第一代细菌的DNA离心后，试管中也只有一条带，但位置居中，说明其密度居中，是只有一条单链被15N标记的子代双链DNA(15N/14N-DNA)；将第二代细菌的DNA离心后，试管中出现两条带，一条带位置居中，为15N/14N-DNA，另一条带的位置更靠上，说明其密度最小，是两条单链都没有被15N标记的子代双链DNA(14N/14N-DNA)。实验结果证明：DNA的复制是以半保留的方式进行的。

2.2放射性同位素作为示踪元素的经典实验

2.2.1人教版必修1第3章第2节“细胞器之间的分工合作”中“思考·讨论”分泌蛋白的合成和运输，科学家向豚鼠的胰腺腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3min后，带有放射性标记的物质出现在附着有核糖体的内质中；17min后，出现在高尔基体中；117min后，出现在靠近细胞膜内侧的运输蛋白质的囊泡中、以及释放到细胞外的分泌物中。实验揭示了分泌蛋白在细胞中的合成与分泌途径：核糖体合成肽链→内质网合成和加工→高尔基体分类、包装和加工→囊泡运输→细胞膜分泌→细胞外。

2.2.2人教版必修1第5章第4节“光合作用与能量转换”中，20世纪40年代，美国科学家卡尔文(M.Calvin，1911—1997)等用小球藻(-种单细胞的绿藻)做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。

2.2.3人教版必修2第3章第1节“DNA是主要的遗传物质”中，介绍了噬菌体侵染细菌的实验。为了探究遗传物质的化学本质，赫尔希和蔡斯利用放射性同位素标记技术，以T2噬菌体和大肠杆菌为实验材料进行实验。他们利用T2噬菌体的DNA含P不含S，而蛋白质含S几乎不含P的特点，用35S和32P分别对T2噬菌体进行标记，从而实现对噬菌体的蛋白质和DNA的分别标记。实验结果表明，噬菌体将DNA注入宿主细胞，而将蛋白质外壳留在宿主细胞外。进一步实验发现，在大肠杆菌裂解后释放出的子代噬菌体中，可以检测到32P标记的DNA，但不能检测到35S标记的蛋白质，从而证明DNA是遗传物质。

2.2.4人教版必修2第6章第1节“生物有共同祖先的证据”中“科学·技术·社会”理想的“地质时钟”科学家发现，在同年代形成的岩石中，所含铅和铀的比例是相同的。岩石中的铅是由铀逐渐衰变形成的。铅的相对原子质量是207，放射性铀的相对原子质量是238。铀（238U）具有不稳定的原子核，能够自行放射出射线，最后衰变成质量较轻、较稳定的铅（206Pb）。同样的道理，测定化石中14C和12C的比例，也可以知道化石中的生物所生存的年代。

3.荧光标记法在高中生物学教材中的分布

3.1人教版必修1第3章第1节“细胞膜的结构和功能”中“对细胞膜结构的探索”，1970年，科学家用发绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，用发红色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子，将小鼠细胞和人细胞融合。这两种细胞刚融合时，融合细胞的一半发绿色荧光，另一半发红色荧光。在37℃下经过40min，两种颜色的荧光均匀分布。这一实验以及相关的其他实验证据表明，细胞膜具有流动性。

3.2人教版必修2第5章第2节“染色体变异”中“染色体数目的变异”介绍野生马铃薯体细胞中含有两个染色体组，每个染色体组中含有12条形态和功能不同的非同源染色体。通过红色荧光标记野生马铃薯的染色体组成。

参考文献：

[1]朱正威，赵占良.普通高中教科书：生物学：必修1分子与细胞[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]朱正威，赵占良.普通高中教科书：生物学：必修2遗传与进化[M].北京：人民教育出版社，2019.