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【摘要】《新课标》高中生物涉及到的标记技术主要是荧光标记和放射性同位素标记，这两种标记技术也是生物学研究上常用的方法之一，该领域许多重大发现的最终定论，以及对一些假说的有力验证，都用到了标记技术。荧光标记技术和放射性同位素标记技术在基因的定位、物质代谢、物质转化、动态平衡等方面都有广泛应用。本文综述了两种现代分子生物学技术在高中生物上的应用。
【关键词】高中生物；荧光标记；放射性同位素标记
Biological markers in the application of high
He Xiao-ming
【Abstract】“New Standard” high school biology involved mainly fluorescent markers and radioactive markers, these two markers is the method commonly used in biological research, one of many important discoveries in the field the final conclusion, as well as a number of hypotheses Strong authentication, are used in the markers. Fluorescent labeling and radioisotope markers in gene mapping, metabolism, material transformation, widely used in other aspects of homeostasis. In this paper, two kinds of modern molecular biology techniques in high school biology on the application.
【Key words】High school biology; fluorescent marker; Radiolabeled
1.荧光标记和放射性同位素标记的原理
荧光标记是利用自然的，或人工合成的能发荧光的物质，如荧光素、荧光染料等标记待测分子或位点。不同的荧光物质可以发出不同颜色的荧光，跟踪其特征荧光，用荧光显示系统准确定位被标记物，并观察其动态过程。
生物学上经常用到的放射性同位素有3H、18O、35S、32P、14C、15N等。用放射性同位素代替普通元素，不会影响其分子或化合物的化学性质。利用放射性同位素不断发出的特征射线，用放射自显影、核探测器等放射性同位素示踪技术来显示、追踪所标记分子的变化及元素的代谢过程。
两种标记技术所用的标记物不影响大分子的生物活性和代谢过程，具有操作性强、特异性强、目的性强等特点，成为现代分子生物学技术利器，被人们广泛使用和信任。
2.荧光标记在高中生物上的应用
2.1 细胞膜具有流动性的研究。
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，表明了细胞膜具有流动性。
2.2 端粒学说。
每条染色体的两端都有一段特殊序列的DNA，称为端粒。科学家用黄色荧光物质标记端粒，可以跟踪端粒DNA在每次细胞分裂后的变化，以此研究端粒变化与细胞活动的相关性。
2.3 基因的定位。
现代分子生物学技术能够用特定的分子，与染色体上的某一个基因结合，这个分子又能被带有荧光标记的物质识别，通过荧光显示，就可以知道基因在染色体上的位置。这个实验不但验证了美国遗传学家萨顿的假说，也支持美国生物学家摩尔根的实验结果。
2.4 用基因芯片检测样品基因。
把待检测的基因样品用荧光物质标记，再与基因芯片上成千上万的DNA分子探针杂交，然后，通过荧光检测系统对芯片进行扫描，再利用计算机系统，对每一个探针上的荧光信号进行比较和检测，就可以迅速得出所需要的信息。
3.放射性同位素标记在高中生物上的应用
3.1 分泌蛋白的合成和运输。
有些蛋白质是在细胞内合成后，分泌到细胞外起作用的，这类蛋白质叫分泌蛋白，如消化酶、抗体和一部分激素。
科学家在豚鼠的胰腺腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3 min后，被标记的亮氨酸出现在附着有核糖体的内质网中；17 min后，出现在高尔基体中；117 min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。
示踪3H，就能找到分泌蛋白的合成和运输的途径。
3.2 光合作用相关的研究。
光合作用的原料有水和二氧化碳，那么，光合作用释放的氧气到底是来自二氧化碳还是水?人们曾一度认为这些氧气是来自同是气体的二氧化碳。
1939年，美国科学家鲁宾和卡门利用同位素标记法进行了探究。他们用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2。然后进行两组实验：第一组向植物提供H2O和C18O2；第二组向同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，分析了两组实验释放的氧气。结果表明，第一组释放的氧气全部是O2；第二组释放的氧气全部是18O2.这一事实有力地证明光合作用释放的氧气来自水。
3.3 光合作用产生有机物的合成途径。
光合作用产生的有机物又是怎样合成的呢？进入20世纪40年代，科学家开始利用放射性同位素14C做实验研究这一问题。
美国科学家卡尔文等用小球藻做实验：用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了C02中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径称为卡尔文循环。
3.4 噬菌体侵染细菌的实验。
美国科学家艾弗里通过“肺炎双球菌的转化实验”，得出了不同于当时大多数科学家观点的结论：DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
艾弗里的实验引起了人们的注意，但是，由于艾弗里实验中提取出的DNA，纯度最高时也还有0.02%的蛋白质，因此，仍有人对实验结论表示怀疑。
1952年，赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料，利用放射性同位素标记的新技术，完成了另一个更具说服力的实验。
赫尔希和蔡斯首先在分别含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基中培养大肠杆菌，再用上述大肠杆菌培养T2噬菌体，得到DNA含有32P标记或蛋白质含有35S标记的噬菌体。然后，用32P或35S标记的T2噬菌体分别侵染未标记的大肠杆菌，经过短时间的保温后，用搅拌机搅拌、离心。搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离，离心的目的是让上清液中析出重量较轻的T2噬菌体颗粒，而离心管的沉淀物中留下被感染的大肠杆菌。离心后，检查上清液和离心管中的放射性物质发现：用35S标记的一组实验，放射性同位素主要分布在试管的沉淀物中。
进一步发现：细菌裂解释放出的T2噬菌体中，可以检测到32P标记的DNA，但却不能检测到35S标记的蛋白质。赫尔希和蔡斯的实验表明：噬菌体侵染细菌时，DNA进入到细菌的细胞中，而蛋白质外壳仍留在外面。
因此，子代噬菌体的各种性状，是通过亲代的DNA遗传的。DNA才是真正的遗传物质。
3.5 DNA分子半保留复制的研究。
沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的论文后，又发表了第二篇论文，提出了被后人称为“DNA分子半保留复制”的著名假说。
要分析DNA的复制究竟是半保留的还是全保留的，就需要区分亲代与子代的DNA。
1958年，科学家以大肠杆菌为实验材料，运用同位素示踪技术，设计了一个巧妙的实验。首先，科学家以含有15N标记的NH4Cl培养液来培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖几代，再将大肠杆菌转移到14N的普通培养液中。然后，在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将提取的DNA进行密度梯度离心，记录离心后试管中DNA的位置。如果DNA是以半保留的方式复制的，那么离心后应该出现三条DNA带：一条带是15N的亲代双链DNA，其密度最大，最靠近试管底部；一条带是只有一条DNA链被15N标记的子代双链DNA，其密度居中，位置也居中；还有一条带是两条DNA链都未被15N标记的子代双链DNA，密度最小，离试管底部最远。实验结果与预期一样，在试管中出现了DNA的这三条带，证明DNA的复制是以半保留的方式进行的。
3.6 目的基因的检测。
目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特征，只有通过检测和鉴定才能知道。在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等标记，并以此作为探针，用探针与基因组DNA杂交，如果显示出杂交带，就表明目的基因已插入染色体DNA中。
4.未来展望
生命科学研究中的标记技术极大地简化和加速了分子生物学向更广和更深的领域研究。大量新的、高效的、特异的现代标记技术建立在经典的标记技术基础之上，并不断完善和扩充，如等位特异PCR、等位特异连接、序列特征扩增区、变性梯度胶电泳等。在标记方法上，也从单一标记、双标记到多标记、复合标记，从特异标记到选择标记、定点标记、原位标记等。这些更新的标记技术有望在以后补充到高中生物学中。
收稿日期：2011-04-14
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
【关键词】高中生物；荧光标记；放射性同位素标记
Biological markers in the application of high
He Xiao-ming
【Abstract】“New Standard” high school biology involved mainly fluorescent markers and radioactive markers, these two markers is the method commonly used in biological research, one of many important discoveries in the field the final conclusion, as well as a number of hypotheses Strong authentication, are used in the markers. Fluorescent labeling and radioisotope markers in gene mapping, metabolism, material transformation, widely used in other aspects of homeostasis. In this paper, two kinds of modern molecular biology techniques in high school biology on the application.
【Key words】High school biology; fluorescent marker; Radiolabeled
1.荧光标记和放射性同位素标记的原理
荧光标记是利用自然的，或人工合成的能发荧光的物质，如荧光素、荧光染料等标记待测分子或位点。不同的荧光物质可以发出不同颜色的荧光，跟踪其特征荧光，用荧光显示系统准确定位被标记物，并观察其动态过程。
生物学上经常用到的放射性同位素有3H、18O、35S、32P、14C、15N等。用放射性同位素代替普通元素，不会影响其分子或化合物的化学性质。利用放射性同位素不断发出的特征射线，用放射自显影、核探测器等放射性同位素示踪技术来显示、追踪所标记分子的变化及元素的代谢过程。
两种标记技术所用的标记物不影响大分子的生物活性和代谢过程，具有操作性强、特异性强、目的性强等特点，成为现代分子生物学技术利器，被人们广泛使用和信任。
2.荧光标记在高中生物上的应用
2.1 细胞膜具有流动性的研究。
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，表明了细胞膜具有流动性。
2.2 端粒学说。
每条染色体的两端都有一段特殊序列的DNA，称为端粒。科学家用黄色荧光物质标记端粒，可以跟踪端粒DNA在每次细胞分裂后的变化，以此研究端粒变化与细胞活动的相关性。
2.3 基因的定位。
现代分子生物学技术能够用特定的分子，与染色体上的某一个基因结合，这个分子又能被带有荧光标记的物质识别，通过荧光显示，就可以知道基因在染色体上的位置。这个实验不但验证了美国遗传学家萨顿的假说，也支持美国生物学家摩尔根的实验结果。
2.4 用基因芯片检测样品基因。
把待检测的基因样品用荧光物质标记，再与基因芯片上成千上万的DNA分子探针杂交，然后，通过荧光检测系统对芯片进行扫描，再利用计算机系统，对每一个探针上的荧光信号进行比较和检测，就可以迅速得出所需要的信息。
3.放射性同位素标记在高中生物上的应用
3.1 分泌蛋白的合成和运输。
有些蛋白质是在细胞内合成后，分泌到细胞外起作用的，这类蛋白质叫分泌蛋白，如消化酶、抗体和一部分激素。
科学家在豚鼠的胰腺腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3 min后，被标记的亮氨酸出现在附着有核糖体的内质网中；17 min后，出现在高尔基体中；117 min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。
示踪3H，就能找到分泌蛋白的合成和运输的途径。
3.2 光合作用相关的研究。
光合作用的原料有水和二氧化碳，那么，光合作用释放的氧气到底是来自二氧化碳还是水?人们曾一度认为这些氧气是来自同是气体的二氧化碳。
1939年，美国科学家鲁宾和卡门利用同位素标记法进行了探究。他们用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2。然后进行两组实验：第一组向植物提供H2O和C18O2；第二组向同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，分析了两组实验释放的氧气。结果表明，第一组释放的氧气全部是O2；第二组释放的氧气全部是18O2.这一事实有力地证明光合作用释放的氧气来自水。
3.3 光合作用产生有机物的合成途径。
光合作用产生的有机物又是怎样合成的呢？进入20世纪40年代，科学家开始利用放射性同位素14C做实验研究这一问题。
美国科学家卡尔文等用小球藻做实验：用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了C02中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径称为卡尔文循环。
3.4 噬菌体侵染细菌的实验。
美国科学家艾弗里通过“肺炎双球菌的转化实验”，得出了不同于当时大多数科学家观点的结论：DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
艾弗里的实验引起了人们的注意，但是，由于艾弗里实验中提取出的DNA，纯度最高时也还有0.02%的蛋白质，因此，仍有人对实验结论表示怀疑。
1952年，赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料，利用放射性同位素标记的新技术，完成了另一个更具说服力的实验。
赫尔希和蔡斯首先在分别含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基中培养大肠杆菌，再用上述大肠杆菌培养T2噬菌体，得到DNA含有32P标记或蛋白质含有35S标记的噬菌体。然后，用32P或35S标记的T2噬菌体分别侵染未标记的大肠杆菌，经过短时间的保温后，用搅拌机搅拌、离心。搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离，离心的目的是让上清液中析出重量较轻的T2噬菌体颗粒，而离心管的沉淀物中留下被感染的大肠杆菌。离心后，检查上清液和离心管中的放射性物质发现：用35S标记的一组实验，放射性同位素主要分布在试管的沉淀物中。
进一步发现：细菌裂解释放出的T2噬菌体中，可以检测到32P标记的DNA，但却不能检测到35S标记的蛋白质。赫尔希和蔡斯的实验表明：噬菌体侵染细菌时，DNA进入到细菌的细胞中，而蛋白质外壳仍留在外面。
因此，子代噬菌体的各种性状，是通过亲代的DNA遗传的。DNA才是真正的遗传物质。
3.5 DNA分子半保留复制的研究。
沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的论文后，又发表了第二篇论文，提出了被后人称为“DNA分子半保留复制”的著名假说。
要分析DNA的复制究竟是半保留的还是全保留的，就需要区分亲代与子代的DNA。
1958年，科学家以大肠杆菌为实验材料，运用同位素示踪技术，设计了一个巧妙的实验。首先，科学家以含有15N标记的NH4Cl培养液来培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖几代，再将大肠杆菌转移到14N的普通培养液中。然后，在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再将提取的DNA进行密度梯度离心，记录离心后试管中DNA的位置。如果DNA是以半保留的方式复制的，那么离心后应该出现三条DNA带：一条带是15N的亲代双链DNA，其密度最大，最靠近试管底部；一条带是只有一条DNA链被15N标记的子代双链DNA，其密度居中，位置也居中；还有一条带是两条DNA链都未被15N标记的子代双链DNA，密度最小，离试管底部最远。实验结果与预期一样，在试管中出现了DNA的这三条带，证明DNA的复制是以半保留的方式进行的。
3.6 目的基因的检测。
目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特征，只有通过检测和鉴定才能知道。在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素等标记，并以此作为探针，用探针与基因组DNA杂交，如果显示出杂交带，就表明目的基因已插入染色体DNA中。
4.未来展望
生命科学研究中的标记技术极大地简化和加速了分子生物学向更广和更深的领域研究。大量新的、高效的、特异的现代标记技术建立在经典的标记技术基础之上，并不断完善和扩充，如等位特异PCR、等位特异连接、序列特征扩增区、变性梯度胶电泳等。在标记方法上，也从单一标记、双标记到多标记、复合标记，从特异标记到选择标记、定点标记、原位标记等。这些更新的标记技术有望在以后补充到高中生物学中。
收稿日期：2011-04-14
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”