論“證明DNA是遺傳物質”兩大實驗中的疑問

摘要：針對教材中艾弗里的肺炎雙球菌轉化實驗為什么沒有加入多糖酶，噬菌體侵染細菌實驗的研究背景和實驗中的保溫時間，兩大實驗的關系展開討論，并給出自己的觀點和證據。

關鍵詞：艾弗里；肺炎雙球菌；赫爾希；噬菌體；科學史

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2020）11-0175

近幾年，有關艾弗里的肺炎雙球菌的體外轉化實驗和噬菌體侵染細菌實驗中的疑問，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化實驗，為什么沒有設置添加多糖酶的實驗組？

新版必修二教材，已經對艾弗里的肺炎雙球菌的體外轉化實驗進行了重新編寫，恢復了該實驗的真實面貌；并且配以簡明、精確的實驗插圖，讓學生迅速并能充分理解實驗的過程及其結論。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型細菌破碎后，設法去除大部分糖類、蛋白質和脂質，制成了細胞提取物；將細胞提取物與R型菌混合培養后，出現了S型菌；然后在細胞提取物中，分別加入蛋白酶（或RNA酶、酯酶）作為該實驗的第二（三、四）組，結果細胞提取物仍然具有轉化活性。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或蛋白質是遺傳物質，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現，將S型細菌破碎后得到無細胞提取液也能成功轉化R型菌。在無細胞提取液中加入酒精后，觀察到糖漿狀的固態沉淀物。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化檢測。而在張麗萍教授等主編的《生物化學簡明教程》中明確指出：多糖提取物一般先用乙醇進行反復沉淀除去一部分極性小的雜質，再將沉淀得到的粗多糖進行脫色和去除蛋白質。回顧艾弗里的原文發現，他對轉化物質的提取鑒定實驗中，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菌酶制劑水解莢膜多糖，再用血清學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，才做的酶學分析、定性化學試驗等。

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

經多次查找資料發現：當時的科學背景是，科學家已經了解到T2噬菌體是一種能感染并摧毀大腸桿菌的病毒。侵染細菌時，將其遺傳物質注入大腸桿菌后指導新病毒的形成，而病毒的外殼仍然留在細菌外。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和蛋白質兩種分子，所以他們只要搞清楚進入細菌的是病毒的蛋白質還是病毒的DNA，就能確定哪一種物質才是其真正的遺傳物質。教材中對這部分內容的描述是：T2噬菌體侵染大腸桿菌后，就會在自身遺傳物質的作用下，利用大腸桿菌體內的物質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史的不了解和對教材內容的誤解，在授課時先向學生講解了噬菌體的具體侵染過程，導致學生認為“噬菌體侵染細菌實驗”——這個在科學史上具有里程碑式的實驗，沒必要做。

教材中提到的“經短時間的保溫”的具體時間，在1939年就被一位德國噬菌體學派創始人給出了答案。他經過分析噬菌體的一步生長曲線發現：T2噬菌體從感染細菌到細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”應給出一個合理的解釋或注解。這樣既可以避免在教學過程中出現沒有必要的爭端，又可以讓學生了解科學研究的發現史，從而真正理解科學家的思路和方法。

3.“艾弗里的肺炎雙球菌轉化實驗”與“噬菌體侵染細菌實驗”是遞進關系嗎？

有不少資料和文章表明二者是遞進關系，認為證明DNA是遺傳物質，噬菌體侵染細菌實驗更具有說服力。對于這種觀點，筆者不認同。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記的新技術，完成了另一個更具有說服力的實驗。”而2019版新教材已經改為：“1952年，美國遺傳學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記技術，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否定了二者的遞進關系，承認了兩者在“證明DNA是遺傳物質”的地位上是相同的。人們對艾弗里實驗的質疑，源于他分離純化的轉化因子中尚含有極微量的蛋白質（原文中的描述是：通過血清學方法在1：50000的稀釋液中，檢測到肺炎雙球菌蛋白）。再翻開赫爾希當年那篇轟動世界的文章，在最后“總結”部分的第六點指出：用放射性S標記的噬菌體，感染細菌所產生的子代噬菌體的放射性不到親本的1%；用放射性P標記的噬菌體，產生的后代可以獲得30%或更多的親代P。從這里可以看出，噬菌體侵染細菌實驗也并沒有完全排除蛋白質的影響。另根據赫爾希和蔡斯的實驗數據看到，大約30%的35S留在了細菌外表面，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？還有噬菌體蛋白質約有10%是不含S，無法被35S標記，如何證明這些蛋白質沒有發揮遺傳物質的作用呢？雖然赫爾希和蔡斯用同位素標記技術直觀地演示了噬菌體遺傳信息的傳遞過程，但是對數據的分析論證上存在明顯的漏洞。此時再看艾弗里的“總結”部分：“對分離純化的轉化物質進行化學分析、酶分析、結合電泳的血清學分析、超速離心法和紫外線光譜法的研究數據均表明不含蛋白質、脂質或多糖，主要為脫氧核糖核酸。”是不是覺得當時對艾弗里的實驗提出質疑的科學家吹毛求疵？

兩篇文章均有瑕疵，為什么會受到截然不同的兩種待遇？回顧那段科學研究歷史，不難發現是因為二者所處的學術背景不同，人們對DNA認識程度的差異導致的。艾弗里的文章發表時，有關核酸組成的“四核苷酸假說”正統治人們的思想；而到了赫爾希的文章出世時，人們已經拿到高質量的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象，讓學生看到這些實驗背后科學家對科學知識的渴求，十年如一日的堅持，兢兢業業、淡泊名利的精神，這樣才能促進生物學學科核心素養的達成。正如2017版的《普通高中生物學課程標準》所說：“科學是一個發展的過程。學習生物科學史能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質和科學研究的思路和方法，學習科學家獻身科學的精神，這對提高學生的生物學學科核心素養是很有意義的。”

參考文獻：

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作者簡介：

王娟，1983，女，中學一級教師，碩士學位。

（作者單位：廣東省珠海市斗門第一中學519100）