T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的相關(guān)試題分類解析

安徽 陸 修

T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的相關(guān)試題分類解析

安徽 陸 修

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，很多的規(guī)律和結(jié)論都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的，比如遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)就是通過(guò)如下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)完成的，1928年英國(guó)科學(xué)家格里菲思的肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，1944年美國(guó)科學(xué)家艾弗里的肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，1952年赫爾希和蔡斯用T2噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，還有后來(lái)的煙草花葉病毒的感染和重建實(shí)驗(yàn)，最終證明DNA是主要的遺傳物質(zhì)，少部分生物的遺傳物質(zhì)是RNA。由于這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)比較經(jīng)典，所以高考題中對(duì)該知識(shí)的考查還是比較多的，但這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路、操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)論還是比較難理解的，所以學(xué)生在處理這些題目時(shí)感覺(jué)有一定難度的，尤其是T2噬菌體侵染細(xì)菌的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，筆者對(duì)考查該實(shí)驗(yàn)的有關(guān)試題進(jìn)行了分類分析，希望對(duì)學(xué)生的復(fù)習(xí)有些幫助：

一、對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的考查

【例1】對(duì)噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的敘述中，不正確的是（ ）

A. 本實(shí)驗(yàn)選用噬菌體作為實(shí)驗(yàn)材料的原因之一是其結(jié)構(gòu)組成只有蛋白質(zhì)和DNA

B. 設(shè)計(jì)思路是設(shè)法將DNA和蛋白質(zhì)區(qū)分開(kāi)，單獨(dú)、直接地研究它們?cè)谶z傳中的作用

C. 為確認(rèn)何種物質(zhì)注入細(xì)菌體內(nèi)，用32P和35S分別標(biāo)記噬菌體的 DNA和蛋白質(zhì)

D. 實(shí)驗(yàn)之所以有說(shuō)服力，是因?yàn)閷⑹删w的蛋白質(zhì)與DNA直接分開(kāi)以后再侵染細(xì)菌

【解析】該實(shí)驗(yàn)的思路：T2噬菌體是一種專門寄生在大腸桿菌體內(nèi)的病毒，只含有蛋白質(zhì)和DNA這兩種物質(zhì)，S是蛋白質(zhì)的特有元素，DNA分子中含有P，而蛋白質(zhì)中幾乎不含有，用放射性同位素32P和放射性同位素35S分別標(biāo)記DNA和蛋白質(zhì)，直接單獨(dú)去觀察它們的去路，故A項(xiàng)、B項(xiàng)、C項(xiàng)均正確；該實(shí)驗(yàn)只是用35S和32P分別對(duì)噬菌體的蛋白質(zhì)和DNA標(biāo)記，巧妙地將兩者間接分離，而不是將兩者直接分離后再侵染，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】D

二、對(duì)噬菌體標(biāo)記過(guò)程的考查

【例2】關(guān)于“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”的敘述，正確的是（ ）

A. 用含有放射性同位素35S和32P的培養(yǎng)基培養(yǎng)噬菌體

B. 用含有放射性同位素35S和32P的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌

C. 用未標(biāo)記的噬菌體侵染含有放射性同位素35S和32P的大腸桿菌

D. 用放射性同位素35S或32P標(biāo)記的噬菌體分別侵染未標(biāo)記的大腸桿菌

【解析】對(duì)噬菌體標(biāo)記過(guò)程：由于病毒必須寄生在活體細(xì)胞中才能擴(kuò)增，因此無(wú)法將T2噬菌體直接放在培養(yǎng)基中培養(yǎng)。赫爾希和蔡斯首先用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的兩種培養(yǎng)基分別培養(yǎng)大腸桿菌，再用上述大腸桿菌培養(yǎng)T2噬菌體，得到蛋白質(zhì)被35S標(biāo)記或DNA被32P標(biāo)記的噬菌體。然后再用35S或32P標(biāo)記的噬菌體分別侵染未標(biāo)記的大腸桿菌，直接單獨(dú)去觀察噬菌體的蛋白質(zhì)和DNA的作用。

【答案】D

三、對(duì)噬菌體侵染細(xì)菌后放射性存在位置及誤差的考查

【例3】關(guān)于“赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”的敘述，正確的是 （ ）

A. 攪拌離心后，含32P的放射性同位素主要分布在上清液中

B. 用32P標(biāo)記噬菌體的侵染實(shí)驗(yàn)中，上清液中存在放射性是培養(yǎng)時(shí)間過(guò)短所致

C. 用32P標(biāo)記噬菌體的侵染實(shí)驗(yàn)中，上清液中存在放射性是培養(yǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)所致

D. 用35S標(biāo)記噬菌體的侵染實(shí)驗(yàn)中，沉淀物存在放射性可能是攪拌不充分所致

【解析】噬菌體侵染細(xì)菌后放射性存在位置。理論上，用35S標(biāo)記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，上清液具有很高的放射性，下層沉淀物中應(yīng)該不含放射性。用32P標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌后，上清液中不含放射性，下層沉淀物中具有很高的放射性。而實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果顯示：用35S標(biāo)記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，在離心的下層沉淀物中，具有一定的放射性，而上清液中的放射性強(qiáng)度比理論值略低。用32P標(biāo)記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，在離心的上層清液中，具有一定的放射性，而下層沉淀物中的放射性強(qiáng)度比理論值略低，故A項(xiàng)錯(cuò)誤。為什么會(huì)出現(xiàn)這種誤差呢？分析如下：①用35S標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌，沉淀物中也有少量放射性的原因是由于攪拌不充分，有少量35S的噬菌體蛋白質(zhì)外殼吸附在細(xì)菌表面，隨細(xì)菌離心到沉淀物中，使沉淀物中出現(xiàn)少量的放射性。②用32P標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌，上清液中有少量放射性的原因是：a. 保溫時(shí)間過(guò)短，部分噬菌體沒(méi)有侵染到大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)離心后分布于上清液中，使上清液出現(xiàn)放射性。b. 保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，噬菌體在大腸桿菌內(nèi)增殖后釋放子代，經(jīng)離心后分布于上清液中，也會(huì)使上清液的放射性含量升高。因此用32P標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)中，要嚴(yán)格控制好從噬菌體和大腸桿菌混合培養(yǎng)到用離心機(jī)分離的時(shí)間，時(shí)間過(guò)短未充分侵染；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則侵染進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的噬菌體增殖產(chǎn)生的子代噬菌體釋放出來(lái)了，都會(huì)使實(shí)驗(yàn)誤差增大，故嚴(yán)格控制好時(shí)間是減小此實(shí)驗(yàn)誤差的關(guān)鍵因素之一?？梢?jiàn)B項(xiàng)、C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確。

【答案】D

四、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的考查

【例4】關(guān)于“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”的敘述，正確的是（ ）

A.32P標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)說(shuō)明DNA是遺傳物質(zhì)

B.35S標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)說(shuō)明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)

C. 該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明DNA能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成

D. 該實(shí)驗(yàn)證明DNA是主要遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)

【解析】該實(shí)驗(yàn)可得到結(jié)論有：在此實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)35S標(biāo)記的噬菌體侵染和32P標(biāo)記的噬菌體侵染這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)相互對(duì)照，說(shuō)明了只有DNA進(jìn)入了大腸桿菌，而蛋白質(zhì)外殼沒(méi)有進(jìn)入大腸桿菌。因此子代噬菌體是在親代T2噬菌體的DNA的控制下合成的，從而能夠說(shuō)明DNA是遺傳物質(zhì)而蛋白質(zhì)不是。由于子代噬菌體是在親代T2噬菌體的DNA的控制下合成的，而子代是有蛋白質(zhì)外殼的，所以該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明DNA能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，故C項(xiàng)正確。如果只做這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的一組實(shí)驗(yàn)而不做另一組，就無(wú)法知道35S標(biāo)記的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是放射性主要存在于上清液中，32P標(biāo)記的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是放射性主要存在于沉淀物中這兩個(gè)事實(shí)。因此就不能作出在侵染過(guò)程DNA與蛋白質(zhì)的作用是不同的這一判斷，也就得不到DNA是遺傳物質(zhì)而蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)的結(jié)論了。因此是這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)共同說(shuō)明了DNA是遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，并不是32P標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)單獨(dú)說(shuō)明DNA是遺傳物質(zhì)，35S標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)單獨(dú)說(shuō)明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，故A項(xiàng)、B項(xiàng)錯(cuò)誤。該實(shí)驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)，而不能證明DNA是主要遺傳物質(zhì)，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】C

五、對(duì)噬菌體增殖過(guò)程的考查

【例5】某科學(xué)家做“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”時(shí)，用放射性同位素標(biāo)記某個(gè)噬菌體和細(xì)菌的有關(guān)結(jié)構(gòu)或物質(zhì)（如表所示）。產(chǎn)生的n個(gè)子代噬菌體與親代噬菌體的形狀、大小完全一樣。

（1）子代噬菌體的DNA應(yīng)含有表中的_______和_______元素，各占________個(gè)和________個(gè)。

（2）子代噬菌體中，只含32P的有_______個(gè)；只含31P的有_______個(gè)；同時(shí)含有32P、31P的有_______個(gè)。

（3）子代噬菌體的蛋白質(zhì)分子中都沒(méi)有________元素，由此說(shuō)明_________________________；子代噬菌體蛋白質(zhì)都含有_______元素，這是因?yàn)開(kāi)____________________________________________________。

【解析】T2噬菌體侵染特點(diǎn)及過(guò)程：T2噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，蛋白質(zhì)外殼未進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)而是遺傳物質(zhì)DNA進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，然后在自身遺傳物質(zhì)DNA的作用下，利用大腸桿菌體內(nèi)的氨基酸和脫氧核苷酸來(lái)合成自身的蛋白質(zhì)和DNA，進(jìn)行大量增殖。當(dāng)噬菌體增殖到一定數(shù)量后，大腸桿菌裂解，釋放出來(lái)大量的子代噬菌體。

由于細(xì)菌細(xì)胞中核苷酸含31P，而噬菌體DNA中含32P，細(xì)菌氨基酸含35S，噬菌體蛋白質(zhì)含32S，合成子代噬菌體所需的原料均來(lái)自寄主細(xì)胞，由于DNA復(fù)制方式為半保留，因此，每個(gè)噬菌體侵染細(xì)菌所形成的子代噬菌體的DNA中，只有2個(gè)含親代噬菌體的DNA模板鏈，即一條鏈為32P、另一條鏈為31P，而其他的DNA雙鏈均為31P，蛋白質(zhì)外殼全是由細(xì)菌提供的氨基酸合成的，即全是35S。

【答案】（1）31P32P n 2（或32P31P 2 n） （2）0 n-2 2 （3）32S 噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，蛋白質(zhì)沒(méi)有進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)35S 子代噬菌體的蛋白質(zhì)外殼是以細(xì)菌內(nèi)35S標(biāo)記的氨基酸為原料合成的

【進(jìn)一步思考】如果題目給的元素不是P和S而是其他C、H、O、N呢？

①若用C、H、O、N等標(biāo)記噬菌體而宿主細(xì)胞未被標(biāo)記，則只在部分子代噬菌體的核酸中有C、H、O、N標(biāo)記元素。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)不進(jìn)入宿主細(xì)胞，而DNA是半保留復(fù)制，在親子代之間有連續(xù)性。

②若用C、H、O、N等標(biāo)記宿主細(xì)胞而噬菌體未被標(biāo)記，則在子代噬菌體的核酸和蛋白質(zhì)外殼中均可找到標(biāo)記元素，因?yàn)樽哟删w的蛋白質(zhì)和DNA是利用宿主細(xì)胞中的氨基酸和脫氧核苷酸合成的。

【例6】某研究人員模擬赫爾希和蔡斯關(guān)于噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了以下4個(gè)實(shí)驗(yàn)：①用32P標(biāo)記的噬菌體侵染未標(biāo)記的細(xì)菌；②用未標(biāo)記的噬菌體侵染35S標(biāo)記的細(xì)菌；③用15N標(biāo)記的噬菌體侵染未標(biāo)記的細(xì)菌；④用未標(biāo)記的噬菌體侵染3H標(biāo)記的細(xì)菌。以上4個(gè)實(shí)驗(yàn)，保溫一段時(shí)間后攪拌離心，在此過(guò)程中細(xì)菌并未裂解。檢測(cè)到放射性的主要部分是 （ ）

A. 沉淀物、沉淀物、沉淀物和上清液、沉淀物和上清液

B. 沉淀物、沉淀物、沉淀物和上清液、沉淀物

C. 沉淀物、上清液、沉淀物、沉淀物和上清液

D. 上清液、上清液、沉淀物和上清液、上清液

【解析】噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，噬菌體只把DNA注入細(xì)菌體內(nèi)，蛋白質(zhì)外殼未進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，攪拌離心后，細(xì)菌在沉淀物中，噬菌體DNA主要在沉淀物中，蛋白質(zhì)外殼主要在上清液中。①中噬菌體的DNA有放射性，蛋白質(zhì)沒(méi)有，所以放射性在沉淀中，②中噬菌體無(wú)放射性，細(xì)菌有放射性，而子代噬菌體還沒(méi)有釋放，所以放射性在沉淀中，③中噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)均含有放射性，所以在沉淀和上清液中，④中噬菌體無(wú)放射性，細(xì)菌有放射性，而子代噬菌體還沒(méi)有釋放，所以放射性在沉淀中。

【答案】B

【例7】以含（15NH4）235SO4、KH231PO4的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌，再向大腸桿菌培養(yǎng)液中接種以32P標(biāo)記的T2噬菌體（S元素為32S，N元素為14N），一段時(shí)間后，檢測(cè)子代噬菌體中的S、P、N元素，下表中對(duì)結(jié)果的預(yù)測(cè)，可能發(fā)生的是 （ ）

【解析】噬菌體親子代個(gè)體與細(xì)菌之間的同位素標(biāo)記關(guān)系

解題時(shí)一定要看清標(biāo)記對(duì)象是噬菌體還是細(xì)菌，標(biāo)記元素是蛋白質(zhì)特有的S，還是DNA特有的P，還是兩者共有C、H、O、N。

【答案】D

（作者單位：安徽省滁州市第二中學(xué)）