如何向孩子解释核酸检测的原理？

各位小朋友们、同学们！大家好！我是北京市少先队校外辅导员李永乐老师，来自于中国人民大学附属中学。

最近，许多小朋友都做了很多次核酸检测。我们都知道，核酸检测的目的是为了筛查新冠病毒的感染者。可是你知道吗？为什么一个小小的棉签，就能从几千万人中筛查出携带病毒的人呢？今天呀我就要来给大家讲讲核酸检测到底是什么原理。

一、什么是核酸

为了告诉大家核酸检测的原理，我们首先得知道什么是核酸。

大家知道：人体是由许许多多个细胞构成的。细胞有细胞膜，它是保护细胞的。有许许多多的细胞器，它能执行各种各样的功能，还有一个细胞核，里面有一种叫做染色体的物质，染色体上缠绕着一种双螺旋的结构，叫做脱氧核糖核酸，简称叫做DNA。大家知道，DNA是干什么的吗？

从细胞到DNA

如果我们把DNA再放大一些，你会发现它是由一片一片的核苷酸组成的，就好像一座城堡是由一块一块的砖头拼出来的一样。核苷酸一共有四种，分别叫做A、T、C、G。而且它们有个规则：A一定和T对着，C一定和G对着，这叫做互补配对原则。大家一定要记住这个原则，因为核酸检测就是利用了这个原理。

DNA上的脱氧核苷酸序列

虽然生物千奇百怪，可是它们的遗传信息都是由这四种核苷酸记录的。打个比方：7种音符可以组成无数美妙的旋律，26个英文字母也可以组成莎士比亚的名作。利用A、T、C、G四种核苷酸的不同排列组合，就能代表生物不同的遗传信息。人们还给这种排列组合起了个名字——基因。每种生物都有自己特殊的基因，通过观察基因，我们就能知道这是哪种生物的DNA了。

除了脱氧核糖核酸DNA以外，生物体还有一种核酸，叫做核糖核酸，简称RNA，它是做什么的呢？

因为DNA在染色体上，染色体个头很大，在细胞核里出不来，它的遗传信息怎么表达呢？细胞会在细胞核里以DNA为模板，制造出单链的RNA，RNA也是由四种核苷酸构成的，它通过与DNA互补配对，也能携带遗传信息。

随后，细小的RNA会从细胞核的核孔中出来，找到一种细胞器——核糖体。RNA会告诉核糖体，按照遗传信息的命令生产各种各样的蛋白质，蛋白质是我们生命的重要组成部分，我身体里许许多多的功能都是由蛋白质完成的。

从DNA、信使RNA和蛋白质的合成

从DNA，产生RNA，再由RNA指导核糖体制造蛋白质，整个过程叫做中心法则，是细胞的核心功能。我们打一个比方吧：如果说细胞是一个工厂，那么DNA就是厂长，他负责制定生产计划，但是，厂长在办公室里，轻易不出来，他不会直接来到车间告诉工人生产什么，而是要通过车间主任转达，车间主任就是RNA，他先在办公室里听取领导的指示，然后来到生产车间，这个车间就是核糖体。车间里的工人在车间主任的指导下，生产的产品就是蛋白质。细胞生产的效率非常高，现在世界上的任何一个企业的效率，都远远赶不上一个细胞。

细胞工厂

讲到这里，大家是否明白了？核酸有两种：DNA和RNA，它们都能携带遗传信息。我们人类是以DNA为主要遗传物质，RNA是作为DNA的信使。但也有些病毒，它们没有DNA，而是直接用RNA进行遗传。新冠病毒就是这样的病毒，我们要判断一个人有没有新冠病毒，就要看这个人的细胞里有没有新冠病毒对应的RNA序列。

二、核酸如何复制

可是，大白在我们的嗓子或鼻子里捅了一下，能够拿到的细胞非常少，如果有病毒，含量也很低。而且，每天成千上万人进行核酸检测，要找到那么一两个感染者，实在太难了，我们该怎么办呢？

大家想：大海捞针很困难，但是如果大海里的针可以繁殖，1根变2根，2根变4根，4根变8根……我让它繁殖40次，那么一根针就会变1万亿根针，这时再找起来，不就方便多了吗？

所以呀，我们要进行核酸检测，首先必须要让病毒的核酸进行复制。你知道自然界中的核酸复制过程是怎样的吗？

我们的细胞每天都在分裂，细胞分裂时，DNA就随之复制了。我们可以想象成：如果一家工厂开了分厂，那么就必须再培养出一个厂长来。在这个过程中，许多生物催化剂——酶发挥了重要的作用，它可以利用细胞中的核苷酸复制出新的DNA。你可以把酶想象成一种工具，比如螺丝钉，瓶起子，有了这些工具，核苷酸就能组成DNA，没有这些工具，DNA就完全无法复制，就好像如果你没有瓶起子，就怎么也打不开一瓶饮料一样。

DNA复制的具体的过程是这样的：

首先，在解旋酶的作用下，DNA的双螺旋结构会打开，形成两条单链。

解旋酶打开DNA双链

随后，在引物酶的作用下，细胞中的核苷酸会按照互补配对的原则，在原来的DNA链上形成一小段引物。引物的作用非同小可，它可以为后面的DNA复制做基础，有点类似于合唱中起头的同学，或者旅游团中的导游。如果没有引物，DNA是没办法复制的。

引物形成

然后，第三种酶——DNA聚合酶出现了，在它的催化作用下，细胞中的核苷酸会一个一个按照碱基互补配对原则，接在引物后方，形成两条新的DNA链。就好像小朋友们，用灵巧的双手，按照图纸把积木一个个搭好了一样。

DNA复制

最后，还有一种叫做DNA连接酶的东西，它会修复新链上的缝隙，就好像对积木做最后的检查。

这样，一条新的DNA双链就形成了。你看，现在一对DNA链变成了两对，实现了DNA的复制。

可是，生物界的DNA复制速度并不快。以分裂最快的细菌为例，在环境合适的条件下，大约30分钟分裂一次。如果用这个速度进行复制，繁殖40次大约需要20个小时。能不能用人工方法，对这个过程进行加速呢？

细菌的分裂

三、聚合酶链式反应

在40年前，美国有一个科学家，名字叫穆利斯，他就发明了一种方法，可以在细胞外对核酸进行复制，而且速度特别快，人们管这种方法叫做聚合酶链式反应，简称为PCR。这是一种非常重要的生物方法，如果你想嘲笑一个生物系的学生学的不好，就可以说：他连PCR都不会做。现在的核酸检测就是使用了PCR的方法。

穆利斯

PCR具体做法是：

首先把核酸样品加热到94~98摄氏度，持续20到30秒。在高温下，DNA会发生变性，双螺旋解开，变成两条单链。你看，这个步骤和生物细胞中的解旋酶的作用一样。

然后，再把样本温度降低到50~65摄氏度，持续20到40秒，同时加入特定的引物。大家还记得引物的作用吗？引物是一小段核苷酸序列，它会按照互补配对原则，黏附在原来的DNA的特定片段上，给后续的DNA的复制起头。

第三步，把样本温度再提高到75到80摄氏度，同时加入足够的核苷酸和DNA聚合酶，这些核苷酸就好像积木一样，按照碱基互补配对原则，黏附在原来的DNA上引物的后方，形成新的DNA链条。

最后，再重复这三个步骤。

简单来说，PCR的方法就是利用温度控制，人为的让核酸进行复制。因为一个周期的时间很短，所以复制的速度很快。打个比方吧：通常的鸡每天下一个蛋，我们想提高下蛋的速度，怎么办呢？我们可以调整灯光，让鸡棚里6小时有灯，6个小时没有灯，鸡就会以为1天是12小时，它就会12小时下一个蛋了。

同样，经过一个循环，我们就能对DNA进行一次复制，时间只需要大约4分钟。如果我们反复进行这个循环，DNA就能一次次被复制。复制40次，时间也只需要2个多小时，却能把DNA复制一万亿倍。

在发明PCR的过程中，有一个难题，那就是第三步中的聚合酶要耐高温才行，而生物界大部分的酶都承受不了这么高的温度，这可怎么办？幸好，有一名中国台湾的女科学家钱嘉韵。她发现：美国黄石公园里有很多的温泉，这些温泉中有一些嗜热菌，可以在高温下生活。她通过对这些细菌的研究，发现了能够耐高温的DNA聚合酶，解决了PCR最大的难题。

钱嘉韵

四、核酸检测的步骤

了解了什么是核酸、生物中的DNA复制和人工的PCR方法之后，我们就可以解释新冠病毒的核酸检测到底是什么原理了。

冠状病毒有一个蛋白质外壳，上面长满了刺突——这是病毒侵入我们人体细胞的钥匙。在外壳内部，藏着病毒的的遗传物质——核糖核酸，也就刚才所说的RNA。我们就是要检查样本中有没有新冠病毒的RNA序列。

新冠病毒模型

样本送到实验室后，工作人员会首先用一些化学药剂把病毒的蛋白质外壳溶解掉，让内部的RNA释放出来，这个过程叫做裂解。之后，还要加入药品进行洗涤，再把样品放在离心机里旋转，让核酸和其他杂质分开，经过几个步骤后，我们就能获得比较纯净的RNA了。

裂解、洗涤和离心

但是，RNA不稳定，容易断掉，不能直接进行PCR扩增。所以，我们要首先以RNA模板，复制出跟病毒RNA对应的DNA来，这个过程叫做逆转录，然后再对这段代表病毒的DNA进行PCR扩增。

从RNA制造互补DNA

科研人员已经知道了病毒的RNA序列，于是就能制作出针对病毒核酸的引物，大家还记得引物吗？它能附着在DNA上，给DNA的复制起头。因为这种引物是针对病毒核酸的，它的序列只能和病毒核酸互补配对，所以也只能附着在病毒核酸上，而对其他DNA视而不见。在进行扩增时，也只有这一种病毒的核酸会被复制。

说起来，在这方面，我国也对世界做出了贡献。在2020年1月份，新冠病毒刚刚开始流行，中国疾病预防控制中心CDC就发布了新冠病毒的RNA测序结果，并且推荐了可以制作引物的序列，向全世界公布。

随后，就是PCR扩增的过程了。现在的PCR机器都是全自动的，只要把样本和引物、聚合酶、核苷酸统统放进去，按下电钮，机器就会自动升温降温循环，而且一台机器同时可以检测96管样本，如果一管样本里混合了10个人的核酸，一次就能检查960个人了。如果一次检测4小时，一台机器一天就能检测5760人。现在你知道，为什么一天几千万人的核酸检测是怎么做的了吧？

PCR机器

大家想：如果样本中压根没有病毒核酸，那无论复制多少次，都不会有什么效果；但是如果样本中有病毒核酸，经过几次复制后，病毒核酸就会越来越多。而且，这种区别是可以实时观察的，这是因为我们还在样本中加入了一种荧光探针——一小段核苷酸序列，连接两个基团。

荧光探针不能发光

这种荧光探针能够附着在病毒核酸上，而且它的两端分别连着一个荧光基团和一个淬灭基团。平时，用紫外线照射探针，探针的荧光基团不能发光，因为淬灭基团会剥夺荧光基团的能量。可是，如果把探针拆散，荧光基团和淬灭基团分开，在紫外线照射下，荧光基团就能发光了。就好像你把钱送到验钞机的紫外灯下，你会发现钱上的防伪标记会发光一样。

淬灭基团和荧光基团分开，紫外线照射下荧光基团发光

在PCR扩增的过程中，荧光探针首先附着在病毒核酸上，病毒核酸复制时，发现了这个探针挡路，就会毫不客气的把它清除。这时，荧光基团和淬灭基团就分开了，我们就能发现荧光。

探针发光原理

在PCR的过程中，我们不停的用紫外线照射样本，如果探我们逐渐看到样本发出的荧光了，就说明病毒核酸越来越多了，这就叫实时定量荧光PCR法。

实时定量荧光PCR

人们将最初样本发出的荧光值的10倍定为阈值，当荧光强度超过阈值时，PCR循环的次数就叫做Ct值。显然，Ct值越小，就说明初始样本的病毒浓度很高，是病毒感染者；而如果Ct值很大，就说明样本中没有病毒，或者样本中病毒含量非常低。我国把Ct值低于37的定为阳性，把Ct值大于40定为阴性，37~40之间称为疑似。

同学们，这节课讲完了，我们学习到了什么？不如来做个总结吧！

首先我们学习了什么是核酸：核酸是生物遗传物质，它分为两种：DNA和RNA，我们人类是依靠DNA进行遗传的，而新冠病毒的遗传物质是RNA，核酸检测就是要检测样本中有没有病毒的RNA。

然后，我们学习了DNA的复制过程。DNA双螺旋结构打开，按照碱基互补配对原则，形成新的DNA链条，一对DNA就变成了两对。

再然后，我们学习了用人工方法进行DNA复制，这就是PCR方法。它的效率非常高，几分钟就能复制一次。我们还知道，PCR中耐高温的酶是中国台湾的科学家找到的。

最后，我们学习了整个核酸检测的流程，首先要对核酸进行提纯，然后把RNA核酸变成DNA核酸，再对DNA核酸进行扩增，最后用紫外线灯照射，观察荧光，从而确定病毒含量。

小朋友们，现在你知道核酸检测的原理了吧！其实，这种方法不光能用来检测新冠病毒，它对于整个生物技术和医疗领域的意义非常重大。比如我们经常在影视剧里看到警察在犯罪现场提取了凶手一点点的DNA，就能锁定凶手，就是利用了这种技术。

还有，以前病人感染了某种病毒或者细菌生命垂危，但是却因为不知道是什么细菌或者病毒，耽误了治疗。现在有了这种检测方法，就可以取病人的样本，对每一种怀疑的细菌或病毒的核酸序列进行测试，哪种检测成功了，就说明感染的是哪种微生物，这种方法正在挽救越来越多的人的生命。

怎么样？生物学是不是很有趣？今天的少先队课就到这里啦！小朋友们同学们，下课！

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