肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的若干疑問(wèn)和思考

周端景

摘 要： 限于高中教材的編版，人教版的教科書(shū)對(duì)于肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)只是做了一些基礎(chǔ)介紹，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)提出各種各樣的疑問(wèn)。作者發(fā)現(xiàn)學(xué)生提出的一些疑問(wèn)很有意義和代表性，并就高中教材中的肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的一些背景知識(shí)、常見(jiàn)疑問(wèn)進(jìn)行介紹，旨在幫助學(xué)生為該版塊的學(xué)習(xí)構(gòu)建較完整的知識(shí)體系。

關(guān)鍵詞： 肺炎雙球菌 轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 常見(jiàn)疑問(wèn)

一、R型菌無(wú)莢膜無(wú)毒性，而S型菌有莢膜有毒性，莢膜和其毒性有什么聯(lián)系？

肺炎雙球菌有具多糖莢膜的致病菌S型菌（Smooth，因菌落外觀(guān)光滑）和非致病菌R型菌（Rough，因菌落外觀(guān)粗糙）。莢膜由多糖構(gòu)成，莢膜具有保護(hù)作用，除了具有抗干燥等功能外，還能使細(xì)菌抵抗吞噬作用和體液中的殺菌物質(zhì)，從而使人或小家鼠致病（對(duì)人，它能導(dǎo)致肺炎；對(duì)小家鼠，則導(dǎo)致敗血癥）。但在加熱到致死程度后，該類(lèi)型的細(xì)菌便失去致病能力。相比較而言，S型肺炎雙球菌更容易在小鼠體內(nèi)存活并繁殖，從而使小鼠染病死亡，但R型肺炎雙球菌因?yàn)椴痪邆淝v膜，在小鼠體內(nèi)很容易被吞噬細(xì)胞吞噬或者被殺菌物質(zhì)殺死，所以在小鼠體內(nèi)不能存活。因此，不能認(rèn)為莢膜是毒性物質(zhì)才導(dǎo)致S型細(xì)菌有毒的，莢膜只是起保護(hù)作用。

二、R型菌和S型菌是不同類(lèi)型肺炎雙球菌，但都是寄身生活的，但是R型菌無(wú)毒性，容易被吞噬細(xì)胞吞噬或者被殺菌物質(zhì)殺死，那么在平時(shí)它們是怎樣生活的呢？

R型菌和S型菌雖然在莢膜上有差異，但是二者屬于同一個(gè)物種，R型菌不能合成莢膜的原因在于一個(gè)控制UDPG一脫氫酶的基因發(fā)生了突變，S型菌經(jīng)過(guò)突變可以產(chǎn)生R型突變體，反之亦然。R型菌往往出現(xiàn)在人為培養(yǎng)的老齡化的菌群內(nèi)，也就是說(shuō)S型菌是野生型，而R型菌是突變型。

三、為什么可以確定是R型菌可以轉(zhuǎn)化為S型菌，而不是R型菌又突變?yōu)镾型菌或者原來(lái)的S型菌復(fù)活了呢？

由于莢膜多糖的血清學(xué)特性不同、化學(xué)結(jié)構(gòu)各異，S型又可分成許多不同的小類(lèi)型，如SⅠ、SⅡ、SⅢ等，相對(duì)應(yīng)的突變型為RⅠ、RⅡ、RⅢ。1928年，格里菲斯對(duì)肺炎球菌的致病情況做了研究。當(dāng)他把熱處理的S細(xì)菌（S-Ⅲ型）與活的R細(xì)菌（R-Ⅱ型）的混合物注射到小鼠中時(shí)，盡管這兩種細(xì)菌本身都不是致死的，但是小鼠死亡了。更重要的是，從注射了這類(lèi)混合物而死亡的小鼠身上分離得到S型菌，而且是與加熱殺死的S細(xì)菌相同的S型（S-Ⅲ），而不是S-Ⅱ。雖然S型菌和R型菌可以相互突變，但是突變總是涉及丟失或獲得產(chǎn)生一個(gè)特定類(lèi)型莢膜的能力，如S-Ⅱ ? R- Ⅱ；而不是S-Ⅲ ? R-Ⅱ，即突變發(fā)生在同型的雙球菌中。因此，這些S細(xì)菌不可能是通過(guò)這些特定的R細(xì)菌突變而來(lái)的。

1933年，阿洛維（Lionel J. Alloway）將R-Ⅱ型菌和S-Ⅲ型菌的無(wú)細(xì)胞提取液（所有完整細(xì)胞、細(xì)胞碎片、莢膜分子都通過(guò)離心和過(guò)濾從提取物中去掉）混合，培養(yǎng)皿上仍長(zhǎng)出了S-Ⅲ型菌——這否認(rèn)了R型菌以某種方式使加熱殺死的S型菌“復(fù)活”。

四、高溫加熱后可以殺死細(xì)菌，為什么卻殺不死DNA？

實(shí)驗(yàn)加熱溫度是60度，對(duì)生物體而言，高溫加熱后，其蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞而喪失生物活性，這種生物活性的喪失是不可逆的。加熱引起蛋白質(zhì)變性是導(dǎo)致S型細(xì)菌死亡的原因。DNA是由兩條鏈形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)，兩條鏈間堿基通過(guò)氫鍵連接，加熱會(huì)使氫鍵斷裂，使DNA雙螺旋解開(kāi)成單鏈，稱(chēng)為DNA變性。但和蛋白質(zhì)變性不同的是，當(dāng)溫度緩慢降低時(shí)單鏈又由于堿基互補(bǔ)配對(duì)作用可以重新形成雙鏈，稱(chēng)為DNA復(fù)性。所以，加熱殺死的S菌的DNA還是有作用的。

五、R型細(xì)菌是如何轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌的？

轉(zhuǎn)化作用是指一種生物由于接受了另一種生物的遺傳物質(zhì)（DNA或RNA），而表現(xiàn)出后者的某些遺傳性狀或發(fā)生遺傳性狀改變的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)是外源DNA與受體細(xì)胞DNA之間的重組，使受體細(xì)胞獲得新的遺傳信息。因此，轉(zhuǎn)化作用可以看做是廣義上的基因重組。

轉(zhuǎn)化在細(xì)菌中較普遍。兩個(gè)菌種能否轉(zhuǎn)化，與兩種細(xì)菌的親緣關(guān)系有關(guān)，轉(zhuǎn)化一般只發(fā)生在同一物種或近緣物種之間，親緣關(guān)系越近，轉(zhuǎn)化就越容易。R型細(xì)菌在生長(zhǎng)高峰期會(huì)出現(xiàn)局部細(xì)胞壁缺失現(xiàn)象，稱(chēng)為感受態(tài)。感受態(tài)的細(xì)菌能產(chǎn)生一些酶，催化轉(zhuǎn)化的進(jìn)行，只有處于感受態(tài)的細(xì)菌才能發(fā)生轉(zhuǎn)化。發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)，S型細(xì)菌的DNA先以雙鏈形式吸附于R型細(xì)菌表面的特定結(jié)合位點(diǎn)上，R型細(xì)菌會(huì)釋放核酸內(nèi)切酶將吸附的DNA降解為一些DNA片段（其中一些片段含有控制莢膜形成的基因），再依靠另一種核酸酶降解其中的一條單鏈。進(jìn)入R型細(xì)菌體內(nèi)的DNA單鏈片段與R型細(xì)菌的DNA上同源區(qū)段進(jìn)行配對(duì)（因?yàn)闊o(wú)莢膜菌是有莢膜菌的突變體，所以很容易找到同源區(qū)段），切除并替換相應(yīng)的單鏈片段，形成一個(gè)雜合DNA區(qū)段（它們間不一定互補(bǔ)，而是呈雜合狀態(tài)）?？梢?jiàn)轉(zhuǎn)化后形成的S型細(xì)菌內(nèi)含有兩種DNA（R型和S型）。隨著這種細(xì)菌的分裂增殖，會(huì)形成兩種細(xì)菌：與親代一致的R型細(xì)菌和含有S型細(xì)菌DNA的重組類(lèi)型細(xì)菌。如果該S型DNA片段上含有控制莢膜形成的基因，則轉(zhuǎn)化后的細(xì)菌就會(huì)產(chǎn)生莢膜而成為S型細(xì)菌。

六、R型細(xì)菌可以轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌，那么R型細(xì)菌的DNA能否使S型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化？

R型細(xì)菌之所以能夠轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌，一是取決于R型細(xì)菌能否出現(xiàn)感受態(tài)，二是取決于R型細(xì)菌的DNA與S型細(xì)菌DNA的相似程度。因?yàn)樵谧匀粻顩r下，S型細(xì)菌很難出現(xiàn)感受態(tài)，所以雖然S型細(xì)菌的DNA與R型細(xì)菌DNA的相似程度很高，轉(zhuǎn)化也不能發(fā)生。同時(shí)由于S型細(xì)菌具有莢膜，導(dǎo)致在自然條件下很難接受外源DNA分子，也不能使S型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化，但是如果S型細(xì)菌發(fā)生基因突變，則有可能轉(zhuǎn)變?yōu)镽型細(xì)菌。

七、R型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化后，R型細(xì)菌和S型細(xì)菌的數(shù)量比例哪個(gè)多？

這個(gè)疑惑來(lái)源于以下兩個(gè)試題：

試題1：在肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，將加熱殺死的S型細(xì)菌與R型細(xì)菌相混合后，注射到小鼠體內(nèi)，小鼠死亡，則小鼠體內(nèi)S型、R型細(xì)菌含量變化情況最可能是下圖哪個(gè)選項(xiàng)（ ） [答案]B。

試題2：英國(guó)科學(xué)家格里菲思將無(wú)毒性R型菌與加熱殺死的S型細(xì)菌混合后，注射到小鼠體內(nèi)，小鼠患敗血癥死亡。請(qǐng)問(wèn)在小鼠體內(nèi)可找到下列哪些類(lèi)型的細(xì)菌（ ） [答案]C。

A.有毒R型 B.無(wú)毒R型 C.有毒S型 D.無(wú)毒S型

把兩個(gè)試題一比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者的答案有沖突。那么，到底誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)呢？此題情境是肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，根據(jù)河北師大、新鄉(xiāng)師院、北京師院、山東師院合編的《遺傳學(xué)》教材，該書(shū)P161上面介紹的Griffith實(shí)驗(yàn)結(jié)果：把少量的R型細(xì)菌和大量已經(jīng)加熱殺死的S型細(xì)菌混合起來(lái)，一起注射到小家鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小家鼠得敗血癥死亡，從死鼠體內(nèi)分離出來(lái)的肺炎雙球菌全部都是S型的。也就是說(shuō)在體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樾∈蟮拿庖咦饔?，最終只有S型細(xì)菌存活，所以筆者支持第二題的答案，同時(shí)要注意課本中介紹肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)分為體內(nèi)轉(zhuǎn)化和體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。在艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，原來(lái)培養(yǎng)基里全為R型細(xì)菌，R型細(xì)菌吸收外緣DNA發(fā)生轉(zhuǎn)化并非100%，并且轉(zhuǎn)化后的S型細(xì)菌繁殖的后代又有一半是R型細(xì)菌，所以在體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中是R型細(xì)菌多而S型細(xì)菌少。

學(xué)生的這些質(zhì)疑，有的雖然看似簡(jiǎn)單，但是要真正解釋清楚，需要深入教材，吃透教材。僅憑高中教材和教參中的知識(shí)要解決這些問(wèn)題，顯得非常有限，這就要求教師不斷學(xué)習(xí)提高，提高自己的業(yè)務(wù)能力。另外，學(xué)生的質(zhì)疑是思維活躍的表現(xiàn)，同時(shí)這種敢于質(zhì)疑、大膽設(shè)想的精神也是新課程要求的學(xué)生探究活動(dòng)的具體體現(xiàn)，應(yīng)該多加鼓勵(lì)和引導(dǎo)。培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神與創(chuàng)新意識(shí)，才能為社會(huì)培養(yǎng)出創(chuàng)新型人才，為國(guó)家培養(yǎng)棟梁之才。

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[6]蒸水滔滔.R型菌真的能在小鼠體內(nèi)存活并增殖嗎？.