對“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)的有關(guān)問題解析

陸 修

(安徽省滁州市第二中學(xué) 239000)

人教版高中生物學(xué)教材《遺傳與進化》在“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)通過幾個經(jīng)典實驗介紹了遺傳物質(zhì)是如何被發(fā)現(xiàn)的，但學(xué)生對科學(xué)家在這些實驗中的設(shè)計思路和操作過程較難理解，為此，本文將有關(guān)問題分析如下：

(1)格里菲思在肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗中，獲得S型細(xì)菌體內(nèi)有轉(zhuǎn)化因子這一結(jié)論的關(guān)鍵步驟：將R型活細(xì)菌與加熱殺死的S型細(xì)菌混合后注射到小鼠體內(nèi)，引起小鼠死亡，從其尸體內(nèi)分離出S型活細(xì)菌。

(2)加熱殺死的S型細(xì)菌引起R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化的原因：加熱殺死的S型細(xì)菌其蛋白質(zhì)變性失活，但DNA在加熱過程中雙螺旋解開、氫鍵斷裂，緩慢冷卻時其堿基對之間的氫鍵自動形成，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)恢復(fù)。轉(zhuǎn)化的實質(zhì)是S型細(xì)菌中決定莢膜的基因片段整合到了R型細(xì)菌的DNA中，即實現(xiàn)了基因重組。

(3)艾弗里在肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗中用DNA水解酶處理S型細(xì)菌的DNA后，再加入到培養(yǎng)了R型細(xì)菌的培養(yǎng)基中的原因：為了排除轉(zhuǎn)化因子是DNA分子而不是DNA的基本單位脫氧核苷酸或其他化學(xué)成分及雜質(zhì)，因為當(dāng)DNA被水解后，R型細(xì)菌就不能轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌，從而進一步說明有轉(zhuǎn)化作用的是DNA分子而非其他物質(zhì)。

(4)赫爾希和蔡斯用T2噬菌體做為實驗材料的原因：T2噬菌體是一種專門寄生在大腸桿菌體內(nèi)的病毒，結(jié)構(gòu)簡單，它的頭部和尾部的外殼都由蛋白質(zhì)構(gòu)成，頭部含有DNA。由于只含有蛋白質(zhì)和DNA，所以遺傳物質(zhì)不是DNA就是蛋白質(zhì)。

(5)T2噬菌體侵染特點及過程：T2噬菌體侵染大腸桿菌后，會在自身遺傳物質(zhì)的作用下，利用大腸桿菌體內(nèi)的物質(zhì)合成自身的組成成分，進行大量增殖。當(dāng)噬菌體增殖到一定數(shù)量后，大腸桿菌裂解，釋放出大量的子代噬菌體。噬菌體侵染大腸桿菌需經(jīng)過吸附→注入DNA(蛋白質(zhì)外殼留在外面)→生物合成(噬菌體DNA的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成) →組裝(噬菌體DNA和蛋白質(zhì)外殼組合)→子代釋放等5個過程。赫爾希和蔡斯的實驗是為了證明，究竟是噬菌體的DNA還是蛋白質(zhì)進入大腸桿菌，最終控制合成新的子代噬菌體的。

(6)不在含35S和32P的培養(yǎng)基中直接培養(yǎng)T2噬菌體的原因：由于病毒必須寄生在活體細(xì)胞中才能擴增，因此無法將T2噬菌體直接在培養(yǎng)基中培養(yǎng)。所以赫爾希和蔡斯先在分別含有35S和32P的培養(yǎng)基中培養(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)記和DNA被32P標(biāo)記的兩種噬菌體。

(7)用35S和32P作為標(biāo)記元素的原因：因為S僅存在于蛋白質(zhì)中，而P幾乎都存在于DNA中，用35S和32P作為標(biāo)記元素可將蛋白質(zhì)和DNA分開，在其侵染未標(biāo)記的細(xì)菌時可單獨觀察蛋白質(zhì)和DNA的作用。如果用C、H、O、N等作為標(biāo)記元素，則噬菌體蛋白質(zhì)和DNA均有放射性，從而無法將蛋白質(zhì)和DNA分開。

(8)T2噬菌體侵染細(xì)菌實驗中攪拌和離心的目的：攪拌是讓T2噬菌體或T2噬菌體的蛋白質(zhì)外殼與大腸桿菌的細(xì)胞分離，離心是讓比重不同T2噬菌體或T2噬菌體的蛋白質(zhì)外殼與大腸桿菌分層，從而確定放射性物質(zhì)主要在上清液中還是在沉淀物中。如果不攪拌或攪拌不夠充分，離心后T2噬菌體的蛋白質(zhì)外殼將會隨著大腸桿菌沉淀下去，那么35S標(biāo)記的實驗中沉淀物中將會出現(xiàn)較多的放射性，從而無法說明蛋白質(zhì)沒有進入大腸桿菌。

(9)T2噬菌體侵染細(xì)菌實驗中上清液和沉淀物中都有放射性的原因：赫爾希和蔡斯分別用35S和32P標(biāo)記的T2噬菌體侵染大腸桿菌，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，下層沉淀物中不含放射性。用32P標(biāo)記的噬菌體侵染大腸桿菌后，理論上，上清液中不含放射性，下層沉淀物中具有很高的放射性。而實際上，實驗結(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度比理論值略低。為什么會出現(xiàn)這種情況呢：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保溫時間過短，部分噬菌體沒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；保溫時間過長，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，也會使上清液的放射性含量升高。因此，在用32P標(biāo)記的噬菌體侵染實驗中，要嚴(yán)格控制噬菌體和大腸桿菌混合培養(yǎng)后到離心分離的時間，時間過短未充分侵染；時間過長則侵染進入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的噬菌體增殖產(chǎn)生的子代噬菌體會釋放出來，使實驗誤差增大，故嚴(yán)格控制好時間是減小此實驗誤差的關(guān)鍵因素之一。此外，攪拌過程可能會導(dǎo)致部分大腸桿菌破裂，釋放出32P標(biāo)記的DNA或子代噬菌體。

(10)35S和32P標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌的實驗都要做的原因：如果只做35S 標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌這一組實驗而不做32P標(biāo)記的那一組，或者只做32P標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌這一組實驗而不做35S標(biāo)記的那一組，就無法知道32P標(biāo)記的實驗結(jié)果與35S 標(biāo)記實驗結(jié)果是不相同的事實，因此便不能作出在侵染過程DNA與蛋白質(zhì)的作用是不同的判斷，也即不能得出DNA是遺傳物質(zhì)而蛋白質(zhì)則不是的結(jié)論。

(11)噬菌體侵染細(xì)菌實驗中放射性元素的去向：若用35S和32P標(biāo)記噬菌體而宿主細(xì)胞未被標(biāo)記，只在部分子代噬菌體的核酸中有32P標(biāo)記；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。因為蛋白質(zhì)不進入宿主細(xì)胞，而DNA是半保留復(fù)制，在親子代之間有連續(xù)性。

若用32P和35S同時標(biāo)記宿主細(xì)胞而噬菌體未被標(biāo)記，則在子代病毒的核酸和蛋白質(zhì)外殼中均有標(biāo)記元素；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。因為子代噬菌體的蛋白質(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。若用32p標(biāo)記宿主細(xì)胞而噬菌體未被標(biāo)記，則只在子代病毒的核酸中有標(biāo)記而蛋白質(zhì)中沒有；若用35S標(biāo)記宿主細(xì)胞而噬菌體未被標(biāo)記，則只在子代病毒的蛋白質(zhì)中有標(biāo)記而核酸中沒有，因為S只存在于蛋白質(zhì)中，而P存在于DNA中。

(12)DNA是主要的遺傳物質(zhì)的原因：艾弗里的肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗和赫爾希、蔡斯的T2噬菌體侵染細(xì)菌實驗都證明了DNA是遺傳物質(zhì)，后來的煙草花葉病毒感染和重建實驗證明RNA是遺傳物質(zhì)。由于原核生物和真核生物均含有DNA和RNA兩種核酸，其遺傳物質(zhì)是DNA；病毒沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，只有一種核酸(DNA病毒、RNA病毒)，其絕大部分病毒遺傳物質(zhì)是DNA，少數(shù)病毒遺傳物質(zhì)是RNA。所以說，DNA是主要的遺傳物質(zhì)。