肺炎雙球菌轉化實驗的若干疑問和思考

周端景

摘 要： 限于高中教材的編版，人教版的教科書對于肺炎雙球菌的轉化實驗只是做了一些基礎介紹，學生在學習時提出各種各樣的疑問。作者發現學生提出的一些疑問很有意義和代表性，并就高中教材中的肺炎雙球菌的轉化實驗的一些背景知識、常見疑問進行介紹，旨在幫助學生為該版塊的學習構建較完整的知識體系。

關鍵詞： 肺炎雙球菌 轉化實驗 常見疑問

一、R型菌無莢膜無毒性，而S型菌有莢膜有毒性，莢膜和其毒性有什么聯系？

肺炎雙球菌有具多糖莢膜的致病菌S型菌（Smooth，因菌落外觀光滑）和非致病菌R型菌（Rough，因菌落外觀粗糙）。莢膜由多糖構成，莢膜具有保護作用，除了具有抗干燥等功能外，還能使細菌抵抗吞噬作用和體液中的殺菌物質，從而使人或小家鼠致病（對人，它能導致肺炎；對小家鼠，則導致敗血癥）。但在加熱到致死程度后，該類型的細菌便失去致病能力。相比較而言，S型肺炎雙球菌更容易在小鼠體內存活并繁殖，從而使小鼠染病死亡，但R型肺炎雙球菌因為不具備莢膜，在小鼠體內很容易被吞噬細胞吞噬或者被殺菌物質殺死，所以在小鼠體內不能存活。因此，不能認為莢膜是毒性物質才導致S型細菌有毒的，莢膜只是起保護作用。

二、R型菌和S型菌是不同類型肺炎雙球菌，但都是寄身生活的，但是R型菌無毒性，容易被吞噬細胞吞噬或者被殺菌物質殺死，那么在平時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物種，R型菌不能合成莢膜的原因在于一個控制UDPG一脫氫酶的基因發生了突變，S型菌經過突變可以產生R型突變體，反之亦然。R型菌往往出現在人為培養的老齡化的菌群內，也就是說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型菌可以轉化為S型菌，而不是R型菌又突變為S型菌或者原來的S型菌復活了呢？

由于莢膜多糖的血清學特性不同、化學結構各異，S型又可分成許多不同的小類型，如SⅠ、SⅡ、SⅢ等，相對應的突變型為RⅠ、RⅡ、RⅢ。1928年，格里菲斯對肺炎球菌的致病情況做了研究。當他把熱處理的S細菌（S-Ⅲ型）與活的R細菌（R-Ⅱ型）的混合物注射到小鼠中時，盡管這兩種細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生一個特定類型莢膜的能力，如S-Ⅱ ? R- Ⅱ；而不是S-Ⅲ ? R-Ⅱ，即突變發生在同型的雙球菌中。因此，這些S細菌不可能是通過這些特定的R細菌突變而來的。

1933年，阿洛維（Lionel J. Alloway）將R-Ⅱ型菌和S-Ⅲ型菌的無細胞提取液（所有完整細胞、細胞碎片、莢膜分子都通過離心和過濾從提取物中去掉）混合，培養皿上仍長出了S-Ⅲ型菌——這否認了R型菌以某種方式使加熱殺死的S型菌“復活”。

四、高溫加熱后可以殺死細菌，為什么卻殺不死DNA？

實驗加熱溫度是60度，對生物體而言，高溫加熱后，其蛋白質的空間結構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。加熱引起蛋白質變性是導致S型細菌死亡的原因。DNA是由兩條鏈形成的雙螺旋結構，兩條鏈間堿基通過氫鍵連接，加熱會使氫鍵斷裂，使DNA雙螺旋解開成單鏈，稱為DNA變性。但和蛋白質變性不同的是，當溫度緩慢降低時單鏈又由于堿基互補配對作用可以重新形成雙鏈，稱為DNA復性。所以，加熱殺死的S菌的DNA還是有作用的。

五、R型細菌是如何轉化為S型細菌的？

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

轉化在細菌中較普遍。兩個菌種能否轉化，與兩種細菌的親緣關系有關，轉化一般只發生在同一物種或近緣物種之間，親緣關系越近，轉化就越容易。R型細菌在生長高峰期會出現局部細胞壁缺失現象，稱為感受態。感受態的細菌能產生一些酶，催化轉化的進行，只有處于感受態的細菌才能發生轉化。發生轉化時，S型細菌的DNA先以雙鏈形式吸附于R型細菌表面的特定結合位點上，R型細菌會釋放核酸內切酶將吸附的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。進入R型細菌體內的DNA單鏈片段與R型細菌的DNA上同源區段進行配對（因為無莢膜菌是有莢膜菌的突變體，所以很容易找到同源區段），切除并替換相應的單鏈片段，形成一個雜合DNA區段（它們間不一定互補，而是呈雜合狀態）。可見轉化后形成的S型細菌內含有兩種DNA（R型和S型）。隨著這種細菌的分裂增殖，會形成兩種細菌：與親代一致的R型細菌和含有S型細菌DNA的重組類型細菌。如果該S型DNA片段上含有控制莢膜形成的基因，則轉化后的細菌就會產生莢膜而成為S型細菌。

六、R型細菌可以轉化為S型細菌，那么R型細菌的DNA能否使S型細菌發生轉化？

R型細菌之所以能夠轉化為S型細菌，一是取決于R型細菌能否出現感受態，二是取決于R型細菌的DNA與S型細菌DNA的相似程度。因為在自然狀況下，S型細菌很難出現感受態，所以雖然S型細菌的DNA與R型細菌DNA的相似程度很高，轉化也不能發生。同時由于S型細菌具有莢膜，導致在自然條件下很難接受外源DNA分子，也不能使S型細菌發生轉化，但是如果S型細菌發生基因突變，則有可能轉變為R型細菌。

七、R型細菌發生轉化后，R型細菌和S型細菌的數量比例哪個多？

這個疑惑來源于以下兩個試題：

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

試題2：英國科學家格里菲思將無毒性R型菌與加熱殺死的S型細菌混合后，注射到小鼠體內，小鼠患敗血癥死亡。請問在小鼠體內可找到下列哪些類型的細菌（ ） [答案]C。

A.有毒R型 B.無毒R型 C.有毒S型 D.無毒S型

把兩個試題一比較，就會發現兩者的答案有沖突。那么，到底誰對誰錯呢？此題情境是肺炎雙球菌的體內轉化實驗，根據河北師大、新鄉師院、北京師院、山東師院合編的《遺傳學》教材，該書P161上面介紹的Griffith實驗結果：把少量的R型細菌和大量已經加熱殺死的S型細菌混合起來，一起注射到小家鼠體內，結果發現小家鼠得敗血癥死亡，從死鼠體內分離出來的肺炎雙球菌全部都是S型的。也就是說在體內轉化實驗中，因為小鼠的免疫作用，最終只有S型細菌存活，所以筆者支持第二題的答案，同時要注意課本中介紹肺炎雙球菌的轉化實驗分為體內轉化和體外轉化實驗。在艾弗里的體外轉化實驗中，原來培養基里全為R型細菌，R型細菌吸收外緣DNA發生轉化并非100%，并且轉化后的S型細菌繁殖的后代又有一半是R型細菌，所以在體外轉化實驗中是R型細菌多而S型細菌少。

學生的這些質疑，有的雖然看似簡單，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要解決這些問題，顯得非常有限，這就要求教師不斷學習提高，提高自己的業務能力。另外，學生的質疑是思維活躍的表現，同時這種敢于質疑、大膽設想的精神也是新課程要求的學生探究活動的具體體現，應該多加鼓勵和引導。培養學生的質疑精神與創新意識，才能為社會培養出創新型人才，為國家培養棟梁之才。

參考文獻：

[1]汪朝暉.從不同角度透視肺炎雙球菌轉化實驗.安徽省績溪縣績溪中學.

[2]何小波，張亞萍.對肺炎雙球菌轉化實驗的幾點思考.成都棠湖中學外語實驗學校.

[3]劉北光.對肺炎雙球菌轉化實驗的三個疑點的辨析.

[4]龔軍輝.肺炎雙球菌轉化實驗的幾個疑問[N].學習方法報·生物周刊 高考版，2008.3.26（39）.

[5]張軍昌.關于肺炎雙球菌轉化實驗的幾個問題.河北省內邱縣內邱中學.

[6]蒸水滔滔.R型菌真的能在小鼠體內存活并增殖嗎？.