DNA復(fù)制方式的探究中不需要考慮“彌散”復(fù)制嗎？

陳勇

對(duì)DNA復(fù)制方式的考查，成為近幾年高考命題的熱點(diǎn)。筆者在高三生物課堂教學(xué)中，對(duì)此知識(shí)點(diǎn)作了適當(dāng)?shù)难由?，將人教版高中生物《必?·遺傳與進(jìn)化》（教師教學(xué)用書）P82中“關(guān)于DNA分子復(fù)制方式的早期推測(cè)”內(nèi)容有機(jī)滲透于復(fù)習(xí)課中，同時(shí)輔以相應(yīng)的習(xí)題加以鞏固，在教學(xué)中收到較好效果。但學(xué)生在解答2010年北京理綜卷第30題時(shí)，對(duì)題中解題思維和答案產(chǎn)生質(zhì)疑，因?yàn)樗o答案沒有考慮對(duì)DNA分子復(fù)制的第三種方式——彌散（分散）復(fù)制的探索。筆者也仔細(xì)斟酌再三，覺得所給答案值得商榷。

1 題目

科學(xué)家以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)及密度梯度離心方法進(jìn)行了DNA復(fù)制方式的探索實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果見表1。

請(qǐng)分析并回答：

（1） 要得到DNA中的N全部被放射性標(biāo)記的大腸桿菌B，必須經(jīng)過 ? ? ? 代培養(yǎng)，且培養(yǎng)液中的 ? ? ? 是唯一氮源。

（2） 綜合分析本實(shí)驗(yàn)的DNA離心結(jié)果，第 組結(jié)果對(duì)得到結(jié)論起到了關(guān)鍵作用，但需把它與第 ? ? ? 組和第 ?組的結(jié)果進(jìn)行比較，才能說明DNA分子的復(fù)制方式是 ? ? ? 。

（3） 分析討論：

① 若子Ⅰ代DNA的離心結(jié)果為“輕”和“重”兩條密度帶，則“重帶”DNA來自于 ? ?，據(jù)此可判斷DNA分子的復(fù)制方式不是 ? ? ?復(fù)制。

② 若將子Ⅰ代DNA雙鏈分開后再離心，其結(jié)果

（選填“能”或“不能”）判斷DNA的復(fù)制方式。

③ 若在同等條件下將子Ⅱ代繼續(xù)培養(yǎng)，子n代DNA離心的結(jié)果是：密度帶的數(shù)量和位置 ? ?，放射性強(qiáng)度發(fā)生變化的是 ? ?帶。

④ 若某次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，子Ⅰ代DNA的“中帶”比以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“中帶”略寬，可能的原因是新合成DNA單鏈中的N尚有少部分為 ? ? ? 。

2 解析

本題以實(shí)驗(yàn)形式考查DNA的復(fù)制方式，同時(shí)考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析能力以及對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。此考點(diǎn)幾乎每年都有考查。

（1） 據(jù)表1中DNA在15NH4Cl為唯一氮源的培養(yǎng)液中培養(yǎng)多代，可得到大腸桿菌B。

（2） 若證明DNA的復(fù)制為半保留復(fù)制，則需證明后代DNA的兩條鏈，一條鏈?zhǔn)窃瓉淼?，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻?，?組結(jié)果與第1組、第2組的結(jié)果對(duì)比可以證實(shí)。

（3） “輕”DNA為14N/14N-DAN，“重”DNA為15N/15N-DNA，據(jù)表1，“重帶”DNA來自于B代。①的結(jié)果是后代DNA的兩條鏈或全是原來的，或全是新合成的，說明DNA分子的復(fù)制方式不是半保留復(fù)制。

② 將子Ⅰ代DNA雙鏈分開后再離心，無法判斷后代DNA的兩條鏈的來源，不能判斷DNA的復(fù)制方式。

③ 將子Ⅱ代繼續(xù)培養(yǎng)，子n代DNA的情況是有2個(gè)為15N/14N-DNA，其余全部為14N/14N-DNA，所以子n代DNA離心的結(jié)果是：密度帶的數(shù)量和位置沒有變化，放射性強(qiáng)度發(fā)生變化的是輕帶。

④ “中帶”為15N/14N-DNA，“中帶”略寬，說明新合成DNA單鏈中的N尚有少部分為15N。

3 答案

（1） 多 15NH4CL （2）3 1 2 半保留復(fù)制 （3）① B 半保留 ② 不能 ③ 沒有變化 輕 ④ 15N

4 質(zhì)疑

該命題有不少問題，對(duì)于14N和15N是否具有“放射性”一說，《中學(xué)生物教學(xué)》2010年第9期P60頁張興亞和常正良等已探討清楚，在此不必贅述。假使14N和15N具有“放射性”，上述試題對(duì)于DNA分子復(fù)制方式的推測(cè)也應(yīng)考慮彌散（分散）復(fù)制。但是根據(jù)題干第（2）小題所給答案進(jìn)行推理，得出的結(jié)論是：“綜合分析本實(shí)驗(yàn)第1、2、3組結(jié)果，能說明DNA分子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，并且第3組結(jié)果對(duì)結(jié)論分析起到關(guān)鍵性作用”。筆者認(rèn)為這種說法值得商榷。

回顧一下科學(xué)家的探究歷程：當(dāng)沃森和克里克提出DNA半保留復(fù)制假設(shè)后，由于當(dāng)時(shí)人們并不了解DNA鏈可以分離，所以對(duì)這個(gè)假說提出質(zhì)疑，于是又有人提出了另外的假說，即全保留復(fù)制和彌散復(fù)制（也稱分散復(fù)制）。全保留復(fù)制模型認(rèn)為：在DNA復(fù)制時(shí)，母鏈DNA分開，分別復(fù)制形成兩條子鏈DNA，此后兩條母鏈DNA彼此結(jié)合，恢復(fù)原狀，新合成的兩條子鏈彼此互補(bǔ)結(jié)合形成一條新的雙鏈DNA分子;彌散復(fù)制認(rèn)為：在復(fù)制過程中親代DNA雙鏈被切割成許多雙鏈片段，然后以這些片段作為模板合成新鏈，形成一條舊鏈和一條新鏈組成的雙鏈片段，之后這些雙鏈片段又以某種方式聚集成“雜種鏈”（參見下文例題中圖1）。

此后，美國(guó)科學(xué)家馬修·米西爾遜和福蘭克林·斯塔爾在15NH4Cl培養(yǎng)基中連續(xù)培養(yǎng)大腸桿菌15代，制備只含15N標(biāo)記的大腸桿菌的DNA。然后將它轉(zhuǎn)移到只含14N氮源中培養(yǎng)，復(fù)制一代后，所有DNA密度介于15N/15N-DNA和14N/14N-DAN之間，即梯度離心后“僅為中帶”。再復(fù)制一代后，出現(xiàn)兩條區(qū)帶，一半是中帶，一半是輕帶。隨著在14N培養(yǎng)液中培養(yǎng)代數(shù)的增加，中間密度區(qū)的區(qū)帶量逐漸減少，低密度區(qū)帶的量逐漸增加，但并不出現(xiàn)新的區(qū)帶。為了準(zhǔn)確證實(shí)第一代DNA分子確實(shí)是一半是15N-DNA、一半14N-DNA，他們還將這種分子經(jīng)加熱變性，對(duì)變性前后的DNA分別進(jìn)行CsCl密度梯度離心。結(jié)果變性前的一條“中帶”，變性后則分為兩條區(qū)帶，即“重帶”（15N/15N-DNA）和“輕帶”（14N/14N-DNA）。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯然只有用半保留復(fù)制機(jī)制才能圓滿解釋。

而第（2）小題所給答案中，只將第3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第1、2組比較，這只能排除全保留復(fù)制，卻不能排除彌散復(fù)制的可能，即“不能說明DNA分子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制”。要想進(jìn)一步排除彌散復(fù)制的可能性，可以再復(fù)制一代，如果所有DNA全部位于“中帶”，則是彌散復(fù)制;如果一半是“中帶”，一半是“輕帶”，則是半保留復(fù)制了。或者對(duì)第一代全位于“中帶”的DNA進(jìn)行熱變性和梯度離心，如果僅得到“中帶”，則是彌散復(fù)制;若一半“中帶”、一半“重帶”，則是半保留復(fù)制。所以，就本題而言，對(duì)半保留復(fù)制方式的得出，關(guān)鍵作用的不能僅僅是第3組結(jié)果，必須同時(shí)還有第4組結(jié)果。筆者在教學(xué)時(shí)舉例如下：

【例1】 DNA的復(fù)制方式，可以通過設(shè)想來進(jìn)行預(yù)測(cè)，可能的情況是全保留復(fù)制、半保留復(fù)制、彌散（分散）復(fù)制三種。究竟是哪種復(fù)制方式呢？（圖1）

下面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來證明DNA的復(fù)制方式。

實(shí)驗(yàn)步驟：

a.在氮源為14N的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的大腸桿菌，其DNA分子均為14NDNA（對(duì)照）。

b.在氮源為15N的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的大腸桿菌，其DNA分子均為15NDNA（親代）。

c.將親代15N大腸桿菌轉(zhuǎn)移到氮源為含14N的培養(yǎng)基中，再連續(xù)繁殖兩代（Ⅰ和Ⅱ），用密度梯度離心法分離，不同分子量的DNA分子將分布在試管中的不同位置上。

實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)：

（1） 如果與對(duì)照（14N/14N）相比，子代Ⅰ能分辨出兩條DNA帶：一條 ? 帶和一條 ? 帶，則可以排除 ? ? 。

（2） 如果子代Ⅰ只有一條中密度帶，則可以排除

，但不能肯定是 ? ? ? 。

（3） 如果子代Ⅰ只有一條中密度帶，再繼續(xù)做子代ⅡDNA密度鑒定：若子代Ⅱ可以分出 ? ?和

，則可以排除分散復(fù)制，同時(shí)肯定半保留復(fù)制;如果子代Ⅱ不能分出 ? ?密度兩條帶，則排除 ? ?，同時(shí)確定為 ? ?。

解析：從題目中的圖示可知，深色為親代DNA的脫氧核苷酸鏈（母鏈），淺色為新形成的子代DNA的脫氧核苷酸鏈（子鏈）。因此全保留復(fù)制后得到的兩個(gè)DNA分子，一個(gè)是原來的兩條母鏈重新形成的親代DNA分子，一個(gè)是兩條子鏈形成的子代DNA分子;半保留復(fù)制后得到的每個(gè)子代DNA分子的一條鏈為母鏈，一條鏈為子鏈;分散復(fù)制后得到的每個(gè)子代DNA分子的單鏈都是由母鏈片段和子代片段間隔連接而成的。

答案：（1） 輕（14N/14N） 重（15N/15N） 半保留復(fù)制和彌散復(fù)制 （2） 全保留復(fù)制 半保留復(fù)制或彌散復(fù)制 （3） 一條中密度帶 一條輕密度帶 中、輕 半保留復(fù)制 彌散復(fù)制

【例2】 科學(xué)家在研究DNA分子復(fù)制方式時(shí)進(jìn)行了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)研究（已知培養(yǎng)用的細(xì)菌大約每20 min分裂一次）。

（1） 實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的作用是 ? ?。

（2） 從實(shí)驗(yàn)三的結(jié)果C、D可以看出DNA分子復(fù)制 ? （是/不是）半保留復(fù)制。

（3） 如果實(shí)驗(yàn)三的結(jié)果都為F，則可判斷DNA分子的復(fù)制方式 ? （是/不是）半保留復(fù)制。

（4） 如果DNA分子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，某次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，結(jié)果C比以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)的帶略寬，那么可能的原因是新合成DNA單鏈中的N尚有少部分為 ? ?。

（5） 如果DNA分子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，與結(jié)果D相比，結(jié)果E密度帶的數(shù)量和位置

，放射性強(qiáng)度不同的是 ? ? ?帶。

解析：（1） 實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二分別表示14N和15N標(biāo)記的DNA分子的離心結(jié)果，其作用是與后面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成對(duì)照。（2） 從實(shí)驗(yàn)三的結(jié)果C、D可以看出新形成的DNA分子中有的保留了原來DNA分子（15N/15N）中的一條鏈，可見DNA分子復(fù)制具有半保留復(fù)制的特點(diǎn)。（3） 結(jié)果E表明原來被15N標(biāo)記的DNA分子的兩條鏈沒有分開。（4） “中帶”為15N/14N，“中帶”略寬，說明新合成的DNA分子之間的相對(duì)分子質(zhì)量有差別，是由DNA單鏈中的N尚有少部分為15N引起的。（5） 假設(shè)原有DNA分子數(shù)目為n，結(jié)果D和結(jié)果E都有2n個(gè)DNA分子為15N/14N，結(jié)果D有2n個(gè)DNA分子為14N/14N，結(jié)果E有6n個(gè)DNA分子為14N/14N，所以與結(jié)果D相比，結(jié)果E密度帶的數(shù)量和位置沒有變化，放射性強(qiáng)度發(fā)生變化的是輕帶。

答案：（1） 對(duì)照 （2） 是 （3） 不是 （4） 15N （5） 沒有變化 輕

由此可見，若考慮DNA分子的彌散（分散）復(fù)制，則上述考題中的解析和答案將作許多更改。特別是第（2）題中第一空，應(yīng)將“3”改為“3、4”;第（3）題中第二空答案應(yīng)將“半保留”改為“半保留復(fù)制和彌散”，這樣或許更嚴(yán)謹(jǐn)些。