論“證明DNA是遺傳物質(zhì)”兩大實驗中的疑問

近幾年，有關(guān)艾弗里的肺炎雙球菌的體外轉(zhuǎn)化實驗和噬菌體侵染細(xì)菌實驗中的疑問，討論聲一直不斷。下面，筆者針對其中仍然存在的幾個問題說一說自己的觀點。

1.2019年人教版高中生物必修二教材中，艾弗里的肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗，為什么沒有設(shè)置添加多糖酶的實驗組？

新版必修二教材，已經(jīng)對艾弗里的肺炎雙球菌的體外轉(zhuǎn)化實驗進行了重新編寫，恢復(fù)了該實驗的真實面貌；并且配以簡明、精確的實驗插圖，讓學(xué)生迅速并能充分理解實驗的過程及其結(jié)論。教材對這個實驗的描述大致是：艾弗里和他的同事將加熱致死的S型細(xì)菌破碎后，設(shè)法去除大部分糖類、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，制成了細(xì)胞提取物；將細(xì)胞提取物與R型菌混合培養(yǎng)后，出現(xiàn)了S型菌；然后在細(xì)胞提取物中，分別加入蛋白酶(或RNA酶、酯酶)作為該實驗的第二(三、四)組，結(jié)果細(xì)胞提取物仍然具有轉(zhuǎn)化活性。這里唯獨沒有提到加入莢膜多糖酶，難道是剩余少量的多糖對實驗沒有影響？或者是艾弗里的實驗只是為了解決DNA或蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)，沒必要再對莢膜多糖進行實驗？1939年，艾弗里實驗室的阿洛維斯研究發(fā)現(xiàn)，將S型細(xì)菌破碎后得到無細(xì)胞提取液也能成功轉(zhuǎn)化R型菌。在無細(xì)胞提取液中加入酒精后，觀察到糖漿狀的固態(tài)沉淀物。有文章指出是因為多糖不能用酒精沉淀，所以沒有必要再進行轉(zhuǎn)化檢測。而在張麗萍教授等主編的《生物化學(xué)簡明教程》中明確指出：多糖提取物一般先用乙醇進行反復(fù)沉淀除去一部分極性小的雜質(zhì)，再將沉淀得到的粗多糖進行脫色和去除蛋白質(zhì)。回顧艾弗里的原文發(fā)現(xiàn)，他對轉(zhuǎn)化物質(zhì)的提取鑒定實驗中，先用鹽水洗滌加熱殺死的S型菌，除去大部分的莢膜多糖、蛋白質(zhì)和核糖核酸，接下來的處理中也用到酒精沉淀，之后加入一種純化的細(xì)菌酶制劑水解莢膜多糖，再用血清學(xué)分析試驗確定莢膜多糖的破壞程度，最后又進一步的純化之后，才做的酶學(xué)分析、定性化學(xué)試驗等。

2.赫爾希和蔡斯在做“噬菌體侵染細(xì)菌實驗”之前，對噬菌體具體的侵染過程清楚嗎？在實驗過程中，將標(biāo)記的噬菌體與細(xì)菌混合后，“經(jīng)過短時間的保溫”這個具體的時間又是如何確定的？

經(jīng)多次查找資料發(fā)現(xiàn)：當(dāng)時的科學(xué)背景是，科學(xué)家已經(jīng)了解到T2噬菌體是一種能感染并摧毀大腸桿菌的病毒。侵染細(xì)菌時，將其遺傳物質(zhì)注入大腸桿菌后指導(dǎo)新病毒的形成，而病毒的外殼仍然留在細(xì)菌外。一段時間后，被感染的大腸桿菌就會破裂釋放出成千上萬的子代病毒。T2噬菌體只含有DNA和蛋白質(zhì)兩種分子，所以他們只要搞清楚進入細(xì)菌的是病毒的蛋白質(zhì)還是病毒的DNA，就能確定哪一種物質(zhì)才是其真正的遺傳物質(zhì)。教材中對這部分內(nèi)容的描述是：T2噬菌體侵染大腸桿菌后，就會在自身遺傳物質(zhì)的作用下，利用大腸桿菌體內(nèi)的物質(zhì)來合成自身的組成成分進行大量增殖。部分教師由于對這段科學(xué)史的不了解和對教材內(nèi)容的誤解，在授課時先向?qū)W生講解了噬菌體的具體侵染過程，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為“噬菌體侵染細(xì)菌實驗”——這個在科學(xué)史上具有里程碑式的實驗，沒必要做。

教材中提到的“經(jīng)短時間的保溫”的具體時間，在1939年就被一位德國噬菌體學(xué)派創(chuàng)始人給出了答案。他經(jīng)過分析噬菌體的一步生長曲線發(fā)現(xiàn)：T2噬菌體從感染細(xì)菌到細(xì)菌釋放子代噬菌體的這段時間是20min。筆者建議教材在編寫時，對“短時間的保溫”應(yīng)給出一個合理的解釋或注解。這樣既可以避免在教學(xué)過程中出現(xiàn)沒有必要的爭端，又可以讓學(xué)生了解科學(xué)研究的發(fā)現(xiàn)史，從而真正理解科學(xué)家的思路和方法。

3.“艾弗里的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗”與“噬菌體侵染細(xì)菌實驗”是遞進關(guān)系嗎？

有不少資料和文章表明二者是遞進關(guān)系，認(rèn)為證明DNA是遺傳物質(zhì)，噬菌體侵染細(xì)菌實驗更具有說服力。對于這種觀點，筆者不認(rèn)同。2004版教材中這樣描述：“1952年，赫爾希和蔡斯以T2噬菌體為實驗材料，利用放射性同位素標(biāo)記的新技術(shù)，完成了另一個更具有說服力的實驗。”而2019版新教材已經(jīng)改為：“1952年，美國遺傳學(xué)家赫爾希和他的助手蔡斯以T2噬菌體為實驗材料，利用放射性同位素標(biāo)記技術(shù)，完成了另一個有說服力的實驗。”稍稍幾個字的變動，已看出端倪，教材編寫的專家們已經(jīng)否定了二者的遞進關(guān)系，承認(rèn)了兩者在“證明DNA是遺傳物質(zhì)”的地位上是相同的。人們對艾弗里實驗的質(zhì)疑，源于他分離純化的轉(zhuǎn)化因子中尚含有極微量的蛋白質(zhì)(原文中的描述是：通過血清學(xué)方法在1:50000的稀釋液中，檢測到肺炎雙球菌蛋白)。再翻開赫爾希當(dāng)年那篇轟動世界的文章，在最后“總結(jié)”部分的第六點指出：用放射性S標(biāo)記的噬菌體，感染細(xì)菌所產(chǎn)生的子代噬菌體的放射性不到親本的1%；用放射性P標(biāo)記的噬菌體，產(chǎn)生的后代可以獲得30%或更多的親代P。從這里可以看出，噬菌體侵染細(xì)菌實驗也并沒有完全排除蛋白質(zhì)的影響。另根據(jù)赫爾希和蔡斯的實驗數(shù)據(jù)看到，大約30%的35S留在了細(xì)菌外表面，剩下35S的去向沒有給出合理的解釋；大約30%的親代32P出現(xiàn)在子代噬菌體的DNA中，剩下70%32P的去向呢？還有噬菌體蛋白質(zhì)約有10%是不含S，無法被35S標(biāo)記，如何證明這些蛋白質(zhì)沒有發(fā)揮遺傳物質(zhì)的作用呢？雖然赫爾希和蔡斯用同位素標(biāo)記技術(shù)直觀地演示了噬菌體遺傳信息的傳遞過程，但是對數(shù)據(jù)的分析論證上存在明顯的漏洞。此時再看艾弗里的“總結(jié)”部分：“對分離純化的轉(zhuǎn)化物質(zhì)進行化學(xué)分析、酶分析、結(jié)合電泳的血清學(xué)分析、超速離心法和紫外線光譜法的研究數(shù)據(jù)均表明不含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)或多糖，主要為脫氧核糖核酸。”是不是覺得當(dāng)時對艾弗里的實驗提出質(zhì)疑的科學(xué)家吹毛求疵？

兩篇文章均有瑕疵，為什么會受到截然不同的兩種待遇？回顧那段科學(xué)研究歷史，不難發(fā)現(xiàn)是因為二者所處的學(xué)術(shù)背景不同，人們對DNA認(rèn)識程度的差異導(dǎo)致的。艾弗里的文章發(fā)表時，有關(guān)核酸組成的“四核苷酸假說”正統(tǒng)治人們的思想；而到了赫爾希的文章出世時，人們已經(jīng)拿到高質(zhì)量的DNA衍射圖譜，并得知在DNA分子中腺嘌呤的量總是等于胸腺嘧啶的量，鳥嘌呤的量總是等于胞嘧啶的量和不同物種中的DNA堿基組成比例不同，從而否定了列文提出的統(tǒng)治人們思想長達30年的“四核苷酸假說”。

透過枯燥的知識和冰冷的實驗現(xiàn)象，讓學(xué)生看到這些實驗背后科學(xué)家對科學(xué)知識的渴求，十年如一日的堅持，兢兢業(yè)業(yè)、淡泊名利的精神，這樣才能促進生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達成。正如2017版的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》所說：“科學(xué)是一個發(fā)展的過程。學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻身科學(xué)的精神，這對提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是很有意義的。”