兩個經(jīng)典實驗教學(xué)中常見問題的思考

汪興澤+殷俊才

摘 要 針對高中階段“肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗”和“噬菌體侵染細(xì)菌實驗”教學(xué)中的常見問題進(jìn)行探討，闡述這兩個實驗在特定的歷史背景下所具有的劃時代意義。

關(guān)鍵詞 肺炎雙球菌 噬菌體 DNA 遺傳物質(zhì)

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

人教版“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)內(nèi)容以基本史實為線索，意圖引導(dǎo)學(xué)生體驗科學(xué)探索的歷程，領(lǐng)悟科學(xué)研究方法?！胺窝纂p球菌的轉(zhuǎn)化實驗”和“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”是生命科學(xué)史上2個著名的經(jīng)典實驗，但中學(xué)中不少師生對這兩個實驗的認(rèn)識存在著一定的偏差。

1 “肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗”教學(xué)中常見的問題

“肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗”教學(xué)中最常見的問題是簡單地認(rèn)為該實驗證明了DNA是遺傳物質(zhì)。因此“什么是遺傳物質(zhì)？”就成為值得探究的問題。

20世紀(jì)早期，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)。該觀點的流行源自科賽爾，他認(rèn)為決定染色體功能的是蛋白質(zhì)。此外，科賽爾的學(xué)生萊文提出的“四核苷酸假說”認(rèn)為DNA是一種類似糖原的多聚體，不具備遺傳物質(zhì)中所必需的多樣性，不可能作為遺傳物質(zhì)。

1928年，英國的格里菲斯報道了一系列有趣的、但又令人迷惑不解的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，提出已經(jīng)被加熱殺死的S型細(xì)菌中存在轉(zhuǎn)化因子將R型活菌轉(zhuǎn)化為S型活菌的假說。格里菲斯的這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了一些科學(xué)家極大的興趣，艾弗里就是其中最杰出的一位。早在1933年，艾弗里的同事埃洛維就制備了轉(zhuǎn)化因子的粗提取溶液，只是進(jìn)一步純化轉(zhuǎn)化因子很困難。相繼的探究中艾弗里、麥克勞德和麥卡蒂發(fā)現(xiàn)：用有機(jī)溶劑除去提取物中的蛋白質(zhì)，提取物仍能轉(zhuǎn)化；分別用降解蛋白質(zhì)的酶和降解RNA的酶處理提取物后對轉(zhuǎn)化無影響。這些實驗結(jié)果排除了蛋白質(zhì)和RNA是轉(zhuǎn)化因子的可能性。1943年，在艾弗里實驗室工作的麥克勞德和麥卡蒂從S型菌中分離出具有活性的“轉(zhuǎn)化因子”，并鑒定出該物質(zhì)為“一種高聚合的、黏性的脫氧核糖核酸的鈉鹽”。1946年，艾弗里及同事發(fā)現(xiàn)分解DNA的酶能破壞提取物的轉(zhuǎn)化能力。所有這些結(jié)果都暗示了DNA是轉(zhuǎn)化物質(zhì)。于是，艾弗里得出：DNA是轉(zhuǎn)化因子。這是個頗令人回味的描述。

人教版教材介紹“實驗結(jié)果甚至出乎艾弗里自己的預(yù)料，于是艾弗里提出了不同于當(dāng)時大多數(shù)科學(xué)家觀點的結(jié)論：DNA才是使R型細(xì)菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)”。可見，教科書也沒有簡單地描述該實驗證明了DNA是遺傳物質(zhì)。

盡管艾弗里等提出自己的觀點時很謹(jǐn)慎，但仍有一些科學(xué)家對艾弗里的觀點持懷疑態(tài)度，且由于他們從S型肺炎雙球菌中純化出的活性轉(zhuǎn)化因子——DNA，純度最高時仍含有0.02%的蛋白質(zhì)。也許正是對艾弗里結(jié)論的質(zhì)疑，促使赫爾希和助手蔡斯進(jìn)行了著名的噬菌體侵染細(xì)菌的實驗。

2 “噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”教學(xué)中常見問題的思考

“噬菌體侵染細(xì)菌的實驗”教學(xué)中最常見的問題是簡單認(rèn)為實驗結(jié)果證明蛋白質(zhì)沒有進(jìn)入大腸桿菌，而DNA進(jìn)入大腸桿菌內(nèi)。

噬菌體侵染細(xì)菌的部分實驗過程如圖1所示。

赫爾希和蔡斯的實驗結(jié)果表明，大約75%的噬菌體蛋白質(zhì)和15%的DNA釋放到上清液。多數(shù)噬菌體的蛋白質(zhì)在上清液中，而DNA在沉淀物里，這暗示了噬菌體的蛋白質(zhì)外殼仍留在外面，DNA進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞中。赫爾希和蔡斯進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，感染細(xì)菌產(chǎn)生的子代噬菌體35S的放射性低于親代放射性的1%，32P的放射性超過親代放射性的30%。這表明病毒蛋白作為一種保護(hù)層促使噬菌體吸附到細(xì)菌上，使得噬菌體DNA能夠注射到宿主細(xì)胞中。同時，他們又認(rèn)為由于分離技術(shù)的不確定性，不能斷言該實驗為DNA是遺傳物質(zhì)提供了確鑿的證據(jù)，需要進(jìn)一步的研究來確定遺傳物質(zhì)的本質(zhì)。

人教版教材的相關(guān)敘述是：“用35S標(biāo)記一組感染實驗，放射性主要分布在上清液；用32P標(biāo)記一組感染實驗，放射性主要分布在沉淀物中……進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌裂解釋放的噬菌體中可以檢測到32P標(biāo)記的DNA，但卻不能檢測到35S標(biāo)記的蛋白質(zhì)。”可見，教材的敘述看似贅述，卻是符合事實的。

3 后續(xù)的相關(guān)研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家對S型細(xì)菌的DNA將R型菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌的大致過程（圖2）有了進(jìn)一步的了解。研究表明少數(shù)R型活菌會處于感受態(tài)，膜表面會出現(xiàn)多種負(fù)責(zé)DNA的結(jié)合、切割及加工等的蛋白質(zhì)，其中細(xì)菌自溶素等蛋白質(zhì)能使細(xì)菌細(xì)胞壁部分溶解，暴露出細(xì)胞膜上的DNA結(jié)合蛋白和核酸酶等。被加熱殺死的S型肺炎雙球菌可釋放出DNA片段，這些DNA片段遇到感受態(tài)的R型菌時，就會與細(xì)胞膜表面的DNA結(jié)合蛋白結(jié)合，激活鄰近的核酸酶，其中一條鏈降解，另一條鏈則被吸收到受體菌內(nèi)。進(jìn)入受體細(xì)胞的單鏈DNA與相關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)合，形成有效保護(hù)單鏈DNA的復(fù)合物，并將其引至受體菌DNA處。供體單鏈DNA片段在另一些蛋白質(zhì)參與下與受體菌的DNA同源重組，形成一個雜種DNA區(qū)段。隨著受體菌DNA的復(fù)制和分裂生殖形成R型和S型兩種后代，并不是R型直接變成S型。

T2噬菌體侵染細(xì)菌的過程大致是：噬菌體的尾部吸附到細(xì)菌細(xì)胞壁后，釋放溶菌酶，在細(xì)胞壁上打開一個缺口，尾鞘收縮，頭部的DNA注入細(xì)胞內(nèi)。噬菌體DNA進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后，逐漸控制細(xì)胞的代謝，巧妙地“綁架”宿主細(xì)胞，大量復(fù)制產(chǎn)生子代噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)，并裝配成完整的噬菌體顆粒。到后期，噬菌體促進(jìn)溶菌酶的釋放，溶解宿主細(xì)胞壁，促使細(xì)胞裂解，釋放出成熟的子代噬菌體。據(jù)觀察，T2噬菌體在37℃下，10 min左右開始出現(xiàn)完整的多角形頭部結(jié)構(gòu)，只需數(shù)十分鐘就可以產(chǎn)生100～300個子代噬菌體。

4 兩個經(jīng)典實驗的歷史意義

兩個經(jīng)典實驗到底能不能證明DNA是遺傳物質(zhì)呢？那首先得思考什么是遺傳物質(zhì)。通常，遺傳物質(zhì)是指親代與子代之間傳遞遺傳信息的物質(zhì)。那什么是遺傳信息呢？教材中表示遺傳信息蘊藏在4種堿基對的排列順序之中。但因表觀遺傳學(xué)的快速發(fā)展，遺傳信息的概念得到了進(jìn)一步的發(fā)展。表觀遺傳是指DNA序列不發(fā)生變化，但基因表達(dá)卻發(fā)生了可遺傳的改變?？梢哉J(rèn)為，基因組含有兩類遺傳信息：一類是傳統(tǒng)意義上的遺傳信息，即DNA序列所提供的遺傳信息；另一類是表觀遺傳學(xué)信息，它提供了何時、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳信息的指令。正如盧因所言：“我們不知道除了DNA序列之外是否還需要其他形式的信息。”可見，即使現(xiàn)在，對遺傳物質(zhì)給予一個完美的定義也不易。endprint

事實上，無論艾弗里還是赫爾希、蔡斯等在最初表述自己的觀點時都很謹(jǐn)慎。除了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度之外，還因為1952年之前人們對DNA的結(jié)構(gòu)還不清楚。那么，是誰第一個認(rèn)為這兩個經(jīng)典實驗證明了DNA是遺傳物質(zhì)的呢？據(jù)記載，1952年4月在牛津召開的普通微生物學(xué)會議中，年輕的沃森在解釋了赫爾希與蔡斯的試驗后，為DNA是遺傳物質(zhì)進(jìn)行了辯護(hù)?？梢?，兩個經(jīng)典實驗?zāi)芊褡C明DNA是遺傳物質(zhì)在當(dāng)時就有爭議。

沃森在其所著的《基因的分子生物學(xué)》一書中介紹“從這些實驗獲得結(jié)果清楚無誤地表明：在后代噬菌體中能夠檢測到大量母代噬菌體的核酸，而沒有任何母本蛋白質(zhì)。此外，還證明了幾乎沒有母本蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)菌，而只能吸附到細(xì)菌的外殼上，當(dāng)DNA進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后這些蛋白質(zhì)就沒有任何功能了”“利用某些病毒，現(xiàn)在可以進(jìn)行更令人信服的實驗。例如，從小鼠多瘤病毒純化的DNA可以進(jìn)入小鼠細(xì)胞，啟動病毒繁殖的周期并產(chǎn)生數(shù)以千計的新的多瘤病毒”。

此外，人教版教材有如“前后經(jīng)歷24年，人們才確信DNA是遺傳物質(zhì)”之類的描述。教材用“確信”而不用“證明”二字，正是對這段歷史的尊重。

自萊文提出的“四核苷酸假說”認(rèn)為“DNA不可能作為遺傳物質(zhì)”，到現(xiàn)在“DNA是遺傳物質(zhì)”深入人心，這兩個經(jīng)典實驗功不可沒。筆者認(rèn)為：兩個經(jīng)典實驗使科學(xué)家意識到DNA具有重要的功能，使得包括沃森在內(nèi)的一些科學(xué)家很快接受了DNA就是遺傳物質(zhì)的觀點，激發(fā)了科學(xué)家研究DNA的巨大熱情，因而具有劃時代的歷史意義。正如查哥夫所說，只有在后沃森和克里克時代，核酸才從無人問津走到生物學(xué)思考的中心。

綜上所述，無論是20個世紀(jì)50年代科學(xué)家，還是現(xiàn)行人教版教材，都沒有簡單地認(rèn)為兩個經(jīng)典的實驗證明了DNA是遺傳物質(zhì)。如果高中生物老師能夠在教學(xué)中利用這兩個實驗，關(guān)注特定的歷史背景，加深學(xué)生對科學(xué)事實的印象；關(guān)注其中的細(xì)節(jié)，通過恰當(dāng)?shù)靥釂?，激發(fā)學(xué)生思考，比起簡單灌輸實驗結(jié)論更有利于培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和科學(xué)本質(zhì)觀，促進(jìn)核心概念的理解，使學(xué)生真正地“知其所以然”。如此，必能使課堂教學(xué)生機(jī)盎然，提高課堂效率，提高學(xué)生生命科學(xué)的核心素養(yǎng)。

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