淺議同位素示蹤技術在近年江蘇高考試題中的應用

羅 琦 江東海

（江蘇省句容高級中學 江蘇鎮江 212400）

在近幾年的江蘇高考中，同位素示蹤相關知識多有涉及。試題的內容有的是與經典生物學實驗聯系，更多地是設置新情境來進行命題，而考查內容則涉及細胞內的元素或化合物的組成、分布、來源和去向以及細胞的結構和功能、化學物質的變化、反應機理等。學生要更清楚地理解同位素知識及示蹤技術相關機理，才能更好地解決這一類試題。

同位素是指同一元素的不同原子，它們具有相同數目的質子，但中子數目卻不同。所以，雖然化學性質幾乎相同，但由于原子量或質量數不同，其質譜行為、放射性轉變和物理性質等會有所差異。

自然界中許多元素都有同位素。有的有放射性，有的沒有。前者被稱為放射性同位素，如3H、14C、32P、35S、45Ca、51Cr、59Fe、125I；后者被稱為穩定性同位素，如15N、18O、13C。高中生物中常見的同位素有3H、14C、32P、35S、18O、15N等。用同位素標記化合物來追蹤物質的運行和變化規律的方法稱為同位素標記法，也叫同位素示蹤法。放射性同位素與穩定性同位素均可進行示蹤，但機理不盡相同。前者可以不斷地放出特征射線，然后用核探測器隨時追蹤它在體內或體外的位置、數量及其轉變等來示蹤，如分泌蛋白的合成和分泌過程的研究就是利用了這種同位素。后者雖然不釋放射線，但可以利用它與普通相應同位素的質量之差，通過質譜儀、氣相層析儀、核磁共振等質量分析儀器的測定來示蹤，如DNA半保留復制方式的研究。

所以如果了解了同位素應用的原理，對解答與同位素相關的高考題很有幫助，下面對近幾年江蘇高考題中相關內容進行了歸納總結。

1 用同位素標記物追蹤物質轉移途徑

這一類的知識原型出現在新人教版高中生物《必修1·分子與細胞》中魯賓、卡門進行的光合作用釋放的氧氣來自水的實驗，以及卡爾文進行的光合作用中有機物的生成途徑實驗。實驗的原理是化學反應中反應物會進入產物中，題目中既可以根據同位素先后出現的物質來判斷反應過程，也可以逆向推導，已知反應過程，推導同位素會出現在什么物質中。

【例1】（2017·江蘇卷·23）在體外用14C 標記半胱氨酸-tRNA復合物中的半胱氨酸（Cys），得到*CystRNACys，再用無機催化劑鎳將其中的半胱氨酸還原成丙氨酸（Ala），得到*Ala-tRNACys（圖1，tRNA 不變）。如果該*Ala-tRNACys參與翻譯過程，那么下列說法正確的是 （ ）

圖1 反應示意圖

A.在一個mRNA分子上可以同時合成多條被14C標記的多肽鏈

B.反密碼子與密碼子的配對由tRNA上結合的氨基酸決定

C.新合成的肽鏈中，原來Cys的位置會被替換為14C標記的Ala

D.新合成的肽鏈中，原來Ala的位置會被替換為14C標記的Cys

解析：根據題目中的新情境“在體外用14C標記半胱氨酸-tRNA復合物中的半胱氨酸，得到*Cys-tRNA?Cys，再用無機催化劑鎳將其中的半胱氨酸還原成丙氨酸（Ala）”，可以推出該tRAN最后攜帶了標記的丙氨酸，根據反應物中的同位素會進入產物質中的這一類原理，最后這種被標記的原料就會進入新合成的肽鏈中，原來半胱氨酸的位置被替換成14C標記的丙氨酸，所以C選項正確，D選項不正確；而一條mRNA上同時結合多個核糖體，就可以同時合成多條被14C標記的多肽鏈。

參考答案：A。

【例2】（2020·江蘇卷·20）同位素可用于追蹤物質的運行和變化規律。在生物科學史中，下列科學研究未采用同位素標記法的是 （ ）

A.卡爾文（M.Calvin）等探明CO2中的碳在光合作用中的轉化途徑

B.赫爾希（A.D.Hershey）等利用T2噬菌體侵染大腸桿菌證明DNA是遺傳物質

C.梅塞爾森（M.Meselson）等證明DNA進行半保留復制

D.溫特（F.W.Went）證明胚芽鞘產生促進生長的化學物質

解析：該題目較簡單，主要考查學生對教材上相關的同位素示蹤技術相關知識的熟悉程度，學生根據對教材中該實驗的了解，能很容易將題目解出。

參考答案：D。

2 用同位素標記物探究化合物的作用

這一類的知識原型出現在新人教版高中生物必修2的赫爾希和蔡斯進行的噬菌體侵染細菌的實驗。近幾年的江蘇高考題在這一類題目中主要考查的就是這個經典實驗，考查的角度也很多，如用什么元素標記DNA或蛋白質，子代噬菌體含有放射性的情況，該實驗得到的結論是什么等。要想更好地答對這類題目，學生不能只是死記硬背，而應該在真正了解同位素示蹤的原理，以實驗設計者的角度去分析標記方法，實驗結論及異常情況分析等等知識，才能以不變應萬變，不管考查哪個角度都能做好。

【例3】（2019·江蘇卷·3）赫爾希和蔡斯的T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗證實了DNA是遺傳物質，下列關于該實驗的敘述正確的是 （ ）

A.實驗中可用15N代替32P標記DNA

B.噬菌體外殼蛋白是大腸桿菌編碼的

C.噬菌體DNA的合成原料來自大腸桿菌

D.實驗證明了大腸桿菌的遺傳物質是DNA

解析：T2噬菌體侵染細菌的實驗步驟：分別用35S或32P標記噬菌體→噬菌體與大腸桿菌混合培養→噬菌體侵染未被標記的細菌→在攪拌器中攪拌，然后離心，檢測上清液和沉淀物中的放射性物質。N是蛋白質和DNA共有的元素，若用15N代替32P標記噬菌體的DNA，則其蛋白質也會被標記；噬菌體的蛋白質外殼是由噬菌體的DNA在大腸桿菌體內編碼的；噬菌體的DNA合成的模板來自于噬菌體自身的DNA，而原料來自于大腸桿菌；該實驗證明了噬菌體的遺傳物質是DNA。

參考答案：C。

另外，2016年江蘇卷第一題，2017年江蘇卷第二題，2015年江蘇卷第四題，也都考查了該內容。這些題目除了對教材中該實驗要有所了解，還要能從同位素示蹤的原理來進行分析判斷，以后也可能在延伸至其他的角度進行命題。所以在復習中，教師應著重強化該實驗。

3 標記特征化合物，探究詳細生理過程，推測生物學原理

這一類的知識原型出現在新人教版高中生物必修1的分泌蛋白的合成與分泌過程實驗、必修2的DNA半保留復制的實驗、選擇性必修3的同位素標記的單克隆抗體定位診斷疾病等。實驗的原理是根據同位素示蹤的原理，根據同位素出現的位置或出現的狀態的監測，來判斷物質的運輸過程、合成方法等生理過程，進而推導相應的生物學原理。

【例4】（2014·江蘇卷·32節選）為研究吲哚乙酸（IAA）與脫落酸（ABA）的運輸特點，用放射性同位素14C標記IAA和ABA開展如圖2所示的實驗。請回答下列問題：

圖2 實驗過程示意圖

（1）若圖中AB為莖尖切段，瓊脂塊①和②中出現較強放射性的是_____（填序號）；瓊脂塊③和④中均出現了較強放射性，說明ABA在莖尖的運輸_____（選填“是”或“不是”）極性運輸。若先用某種抑制劑（不破壞IAA、不影響細胞呼吸）處理莖尖切段，再重復上述實驗，結果瓊脂塊①和②中放射性強度相近，該抑制劑的作用機理可能是________________________。

（2）若圖中AB為成熟莖切段，瓊脂塊①②③④均出現較強放射性，說明IAA在成熟莖切段中的運輸_____（選填“是”或“不是”）極性運輸。

解析與參考答案：該題利用新情境考查標記特征化合物，探究詳細的生理過程，要求根據同位素的出現的含量和軌跡分析問題。由于生長素在未成熟組織中進行極性運輸，只由形態學上端運至形態學下端，所以瓊脂塊①中出現較強放射性。瓊脂塊③和④中均出現了較強放射性，說明ABA在莖尖的運輸不是極性運輸。因為生長素運輸方式是主動運輸，需要載體參與，消耗能量，又因為該抑制劑不破壞IAA、不影響細胞呼吸，故瓊脂塊①和②中放射性強度相近的原因最可能是影響了主動運輸的載體蛋白，如該抑制劑與運輸IAA的載體結合，阻止了IAA的極性運輸。瓊脂塊①～④均出現較強放射性，不符合極性運輸的特點，說明IAA在成熟莖切段中的運輸不是極性運輸。

【例4】（2018·1江蘇卷·26題節選）圖3為真核細胞中3種結構的示意圖，請回答下列問題：

圖3 結構示意圖

（4）在細胞分裂間期，結構乙的數目增多，其增多的方式有3種假設：Ⅰ.細胞利用磷脂、蛋白質等重新合成；Ⅱ.細胞利用其他生物膜裝配形成；Ⅲ.結構乙分裂、增殖形成。

有人通過放射性標記實驗，對上述假設進行了探究，方法如下：首先將一種鏈孢霉營養缺陷型突變株在加有3H標記的膽堿（磷脂的前體）培養基中培養，然后轉入另一種培養基中繼續培養，定期取樣，檢測細胞中結構乙的放射性。結果見表1。

表1 實驗結果記錄表

①與野生型相比，實驗中所用鏈孢霉營養缺陷型突變株的代謝特點是________________________。

②實驗中所用的“另一種培養基”在配制成分上的要求是____________________________________。

③通過上述實驗，初步判斷3種假設中成立的是_____（選填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”）。

解析與參考答案：該題利用新情境考查標記特征化合物，探究生物學原理的典型題目，可以根據同位素利用的原理和含量變化進行分析。要想通過放射性物質的變化來探究假設，首先要對該物質進行標記，所以實驗中所用鏈孢霉營養缺陷型突變株的代謝特點是自身不能合成膽堿。這樣才必須利用培養基中有標記的膽堿來合成磷脂，使自身具有標記物。要想檢測原有放射性物質的變化。實驗中所用的“另一種培養基”中的膽堿應該沒有3H標記，而其他條件應該與前一步驟的培養基相同，這樣才能使鏈孢霉營養缺陷型突變株生長環境相同，排除培養基差異帶來的影響。據表1可知，相對放射性隔代逐漸減少一倍，所以線粒體最可能是分裂、增殖形成的。

通過以上的例子不難發現，近幾年的江蘇高考中，有關同位素示蹤的題目以教材上的方法為基礎，通過新知識背景進行考查的居多。解答此類題目的思路是：先閱讀材料，讀懂并接收信息；然后，處理提煉有用材料；最后，將教材同位素示蹤的知識“嫁接”于材料信息中分析解決問題。

其實，以新背景通過同位素示蹤考查內容還可以有很多方面，如利用同位素進行食物鏈、物質循環的研究，胚胎發育、基因檢測、生物考古、中心法則相關的其他途徑、通過標記研究細胞分裂的內容。最近在各國肆虐的新型冠狀病毒也可能是考查的一個新的熱點，利用用同位素示蹤的方法，研究該病毒的遺傳途徑和致病原因、藥物治療的途徑等，可以更好地考查學生的科學思維、科學探究、生命觀念以及社會責任等方面。