艾弗里、赫爾希實驗及其效應的科學邏輯探討

廖興建 周素英 ( 重慶市沙坪壩區(qū)教師進修學院 重慶 400030； 重慶市教育科學研究院 重慶 400030)

科學思維，也稱科學推理或科學邏輯，是建立科學理論的一種研究方法?？茖W思維的培養(yǎng)離不開經(jīng)典實驗，其中又以艾弗里、赫爾?！趟沟膶嶒灱捌湫葹樘厥?，其間不僅有諾貝爾獎的頒獎傳奇，更有史學家們事后的多樣演繹，是對學生進行科學思維培養(yǎng)難得的素材。以這兩個實驗及其效應為例，結(jié)合教學中可能存在的一些偏差，探討了其中的科學邏輯。

1 艾弗里對轉(zhuǎn)化因子的探究采用的是排除法思維

排除法也叫淘汰法，是指引起某一現(xiàn)象的原因有多種可能，如果將假定的各種可能都加以一一排除，觀察某一現(xiàn)象不出現(xiàn)的那個排除因素，就是某一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

艾弗里的實驗研究過程，據(jù)文獻考證是可信的[1]。艾弗里用于轉(zhuǎn)化實驗的細胞提取物，是除去了Ⅲ型S細菌多糖和大部分蛋白質(zhì)的混合物。轉(zhuǎn)化實驗的第一步，Ⅲ型S細菌的細胞提取物轉(zhuǎn)化活的Ⅱ型R菌，能轉(zhuǎn)化。第二步，用不同的水解酶(脂酶、蛋白酶、RNA酶、DNA酶)分別除去里面的大分子物質(zhì)，觀察轉(zhuǎn)化結(jié)果。從實驗方法上看，與提純某些物質(zhì)來一一檢驗相比，艾弗里的研究使用的“排除法”，能避免當時已知物質(zhì)類別的限制，因為“轉(zhuǎn)化因子”有可能是一種未知的全新物質(zhì)。

實驗結(jié)果表明沒有新物質(zhì)！他們得出的實驗結(jié)論是： 被分解掉的DNA極可能就是有活性的轉(zhuǎn)化因子。第三步： 提純檢驗轉(zhuǎn)化因子的理化特性： 與DNA分子的特性相似。

實驗結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生，是否就可以確認“DNA是遺傳物質(zhì)”呢？

2 艾弗里實驗結(jié)論與“四核苷酸”假設沖突引發(fā)的質(zhì)疑推動了科學研究

艾弗里的論文一經(jīng)發(fā)表就立即引發(fā)了廣泛的質(zhì)疑。雖然質(zhì)疑集中在DNA的純度上，但問題的關(guān)鍵不在于質(zhì)疑實驗的哪一部分，而在于為什么要質(zhì)疑？質(zhì)疑的依據(jù)是什么？有兩個原因值得探討。

一是科學理論的建立，需要滿足兩個基本要求： 理論間的“無矛盾性”和經(jīng)驗檢驗上的“可證偽性”[2]。艾弗里的實驗結(jié)論與當時流行的萊文的“四核苷酸”假設嚴重沖突： DNA是由四個不同核苷酸組成的小分子物質(zhì)！人們很難想象，結(jié)構(gòu)如此簡單的物質(zhì)怎能擔當起遺傳物質(zhì)的重任？面對沖突，就連艾弗里自己都被實驗結(jié)果給震驚了，在1944年《關(guān)于引起肺炎球菌發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)化學性質(zhì)的實驗研究》論文中也“沒有明確指出DNA就是遺傳物質(zhì)”[3],而是謹慎地說：“當然也有可能，這種物質(zhì)的生物學活性并不是核酸的一種遺傳特性，而是由于某些微量的其他物質(zhì)所造成，這些微量物質(zhì)或者吸附在它上面，或者與它密切結(jié)合在一起，因此檢測不出來[1]。”顯然，他引入了“輔助假設”，但仍對“DNA是遺傳物質(zhì)”留下懸念，“如果目前研究的結(jié)果能得到證實，那么就必須認為核酸具有某種生物學的特異性，但這種特異性的化學基礎到目前還未能搞清[4]?！?/p>

那人們該相信誰呢？后來發(fā)生的生物學史正如預期： 這兩個實驗結(jié)論都受到質(zhì)疑！在質(zhì)疑萊文“四核苷酸”假設方面，其中就有查蓋夫，他于1950年用實驗證據(jù)徹底否定了“四核苷酸”假說，并指出DNA是比蛋白質(zhì)更大的分子。在質(zhì)疑艾弗里的轉(zhuǎn)化實驗方面，其中就有赫爾希、蔡斯，他們做了噬菌體侵染細菌的實驗。

3 赫爾?！趟箤嶒瀾催z傳物質(zhì)的連續(xù)性來進行科學分析

“T2在侵染細菌時，T2的DNA進入細菌體內(nèi)，外殼留在外邊。赫爾希和蔡斯用32P和35S分別標記T2的DNA和蛋白質(zhì)，讓T2去侵染未標記的大腸桿菌……根據(jù)兩組實驗中上清液與沉淀物放射性大小的差異，證明遺傳物質(zhì)是DNA而非蛋白質(zhì)”，這樣的邏輯分析是直觀的，但卻是錯誤的。

如果“T2的DNA進入細菌，外殼留在外邊”是完全已知的，那么用這個實驗來檢驗“DNA是遺傳物質(zhì)”便是多余。反之，如果T2注入細菌的物質(zhì)是未知的，則根據(jù)上清液與沉淀物放射性的大小根本無法證偽蛋白質(zhì)的作用，與艾弗里的實驗相比，更加地不準確。

這個實驗應根據(jù)遺傳物質(zhì)的連續(xù)性來進行科學分析。邏輯的起點是： T2由DNA和蛋白質(zhì)組成，在侵染細菌時進入的是DNA還是蛋白質(zhì)不清楚，或即便清楚但持質(zhì)疑態(tài)度(如赫爾希)。邏輯的終點是： 侵染后的子代T2中含有親代T2的什么物質(zhì)？用同位素來跟蹤便是向T2叩問答案。實驗的結(jié)果是： 在子代噬菌體中能夠檢測到大量親本噬菌體的核酸(32P)，而沒有任何親本蛋白質(zhì)[5]，這樣才能得到“在噬菌體傳代過程中發(fā)揮作用的可能是DNA，而不是蛋白質(zhì)”的結(jié)論。

該實驗結(jié)果發(fā)表于1952年，當時四核苷酸假設已被清除，但赫爾希在發(fā)表論文時也并未宣布他們的實驗為“DNA是遺傳物質(zhì)”提供了確鑿證據(jù)[4]。這又是為什么呢？

4 科學假設能證偽、難證實，必須永遠接受經(jīng)驗的檢驗

要闡明原因，還得從科學理論的本質(zhì)說起，原因有二。

一是科學理論能證偽、難證實。例如切赫和奧特曼提出的“有催化功能的RNA”就能證偽“酶是蛋白質(zhì)”的假說，植物組織培養(yǎng)實驗就能證偽“細胞分化遺傳物質(zhì)丟失”的假說，等等?？梢?，科學理論是能證偽的，但證實卻只是暫時的。正如生物史學家邁爾所言：“科學家所做的全部解釋都是假說，而全部假說都是推測性的。這些假說必須永遠經(jīng)受檢驗，如果發(fā)現(xiàn)是不完滿的就必須進行修正[6]?！?/p>

二是生命現(xiàn)象的因果關(guān)系非常復雜，尤其在理論體系沒有建立起來以前更是難以確證。例如，童第周和牛滿江等[7]用提純的DNA、 mRNA分別注入金魚的受精卵，在后代中都觀察到相同的穩(wěn)定變異現(xiàn)象。據(jù)中心法則就能解釋這個實驗結(jié)果，但在分子遺傳基礎理論空白的情況下，假設有(A、 B、 C)三個因素的共同作用才能出現(xiàn)現(xiàn)象M，如何判斷找到的這個因素就一定是A呢？正如科學家所質(zhì)疑的： DNA的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化機制尚不清楚，怎么能確定遺傳物質(zhì)就一定是DNA！即便是晚近8年的赫爾?！趟乖谙陆Y(jié)論時仍難以斷言，只是慎重描述：“我們推論，含硫蛋白質(zhì)對噬菌體增殖不起作用，而DNA則有某些作用。我們的實驗清楚地表明，用物理方法把T2分離成遺傳的和不遺傳的兩個部分是可能的，然而，要對其遺傳部分的化學性質(zhì)做出鑒定，則須等到上述某些問題得到解答之后才行[4]?！毕喾矗敃r小組的年輕成員沃森卻堅信該實驗證明了“DNA是遺傳物質(zhì)”，并毅然地投入到DNA分子結(jié)構(gòu)的研究，于1953年與克里克一起取得了創(chuàng)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的偉大成就。

在這段科學史的生成中，正如庫恩的范式理論所揭示的，不排除一些科學共同體的范式局限、偏見、錯誤以及艾弗里、赫爾希的過于謹慎。但正如波普爾的主張，由于科學就是在猜測、批判中前行，因此我們需要包容錯誤。只有這樣，才會有更多像沃森一樣的科學家，大膽猜測，嚴格批判，推動科學進步，以此弘揚科學理性。