對噬菌體遺傳物質的思考

山東

基因是遺傳物質的有效片段，遺傳物質是DNA也早已成為定論，人教版教材中也有專門的一章講述DNA和基因的關系，但是教材中的一些描述不是很清楚，筆者嘗試結合試題與大家重溫經(jīng)典，再談如何證明DNA是遺傳物質這個經(jīng)典實驗。

【試題1】在探索遺傳物質的過程中，赫爾希和蔡斯做了T2噬菌體侵染細菌的實驗。下列有關敘述正確的是（ ）

A.用32P、35S標記同一組T2噬菌體的DNA和蛋白質

B.該實驗的步驟是標記、培養(yǎng)、攪拌、離心、檢測

C.T2噬菌體侵染大腸桿菌時，DNA進入大腸桿菌，而RNA沒有進入

D.該實驗證明了DNA是遺傳物質，而蛋白質不是遺傳物質

本題是寧夏育才中學2017—2018學年高二上學期期末考試的一道選擇題，考查的核心知識是噬菌體侵染細菌的實驗過程和結論。

【參考答案】B

【分析】教材的實驗是分兩組進行的。“同有”或“同無”無法證明哪種物質是遺傳物質，即同時標記兩種化合物進行實驗和兩種化合物都不標記進行實驗的結論是相同的——都無法得出哪種物質是遺傳物質。所以實驗必須分兩組進行，即分別標記DNA和蛋白質，并探究二者的作用，所以A選項是錯誤的；實驗步驟就是如選項B所示，所以B選項是正確的；T2噬菌體是一種DNA病毒，只含有一種核酸即DNA，沒有RNA，C選項是錯誤的；該實驗只能證明DNA是遺傳物質，而無法證明蛋白質不是遺傳物質，所以D選項是錯誤的。

這是一道?？碱}，試題答案和分析似乎淺顯易懂。但是，筆者就此題提出了一點疑問——為什么D選項是錯誤的？下面首先從試題分析的A選項切入，思考以下幾個問題：

1.實驗為什么分為兩組？

2.兩組實驗的結果是什么？

3.兩組實驗的結論是什么？

4.得出實驗結論的依據(jù)是什么？

針對上述問題，筆者詳細地分析一下：

人教版必修2的教材上有兩個證明遺傳物質是DNA的經(jīng)典實驗，一個是肺炎雙球菌的轉化實驗（格里菲思的體內轉化實驗和艾弗里的體外轉化實驗，主要是艾弗里實驗），另一個是赫爾希和蔡斯的T2噬菌體侵染細菌的實驗?？雌饋?，這個問題應該非常清晰、明確，是不存在異議的，但是筆者結合多年的教學實踐以及參閱一些權威著作，提出了一些問題，與各位讀者一同商榷。

【艾弗里實驗分析】

艾弗里實驗采用提純分離法，受條件限制，所提取的物質的純度不可能達到100%，所以就會存在一些比較明顯的問題，見下表：

編號 問題 觀點1 _____理由 觀點2 _理由1本實驗能否證明DNA是遺傳物質能S-DNA使R型菌轉化成S型菌，并能形_______成S型菌落_________________不能純度達不到100%2本實驗能證明蛋白質不是遺傳物質嗎？能S - 蛋 白 質 不能使R型菌轉化成S型菌不能純度達不到100%

由此可見，純度達不到100%是這個實驗的“硬傷”，因此，才有了更好的替代實驗——噬菌體侵染細菌實驗。

【噬菌體侵染細菌實驗分析】

一、實驗描述

人教版必修2教材講述：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，完成了另一個更具說服力的實驗。噬菌體實驗的優(yōu)點在于材料的選擇和新技術的應用，噬菌體的特點是只有蛋白質外殼和內部的核酸——DNA，而且侵染時兩者是分開的，注入細菌體內的是DNA，蛋白質外殼則留在外面；放射性同位素標記法可以對物質進行精確的定位和追蹤，而且可以把看不見的微觀變化過程轉換為可追蹤和可檢測的宏觀現(xiàn)象。教材得出的結論是噬菌體侵染細菌時，DNA進入到細菌的細胞中，而蛋白質外殼仍留在外面。因此，子代噬菌體的各種性狀，是通過親代的DNA遺傳的，DNA才是真正的遺傳物質。筆者認為，這個結論已經(jīng)明確地說明DNA才是真正的遺傳物質，同時也就排除了蛋白質是遺傳物質的可能性。這就說明，“DNA是遺傳物質，而蛋白質不是”是確定的，是事實，也是該實驗的最終結論。證明DNA是遺傳物質的實驗證據(jù)有兩個，一個是借助電子顯微鏡可以清晰地看到噬菌體在繁殖時蛋白質沒有進入宿主細胞，不參與繁殖后代；另一個是放射性同位素追蹤顯示蛋白質沒有出現(xiàn)在子代中。也就是說，蛋白質在親子代之間不具有連續(xù)性，這就足以說明蛋白質不是遺傳物質。

二、實驗質疑

既然如此，為什么學生還經(jīng)常能夠見到“赫爾希和蔡斯實驗只能證明DNA是遺傳物質，而無法證明蛋白質不是遺傳物質”這種說法呢？支持該觀點的人認為，蛋白質沒有進入到大腸桿菌體內，所以無法探究蛋白質究竟是不是遺傳物質。也就是說，如果要證明蛋白質是否是遺傳物質，就必須讓蛋白質進入細菌體內，進而觀察蛋白質是否具有遺傳物質的屬性。結果當然存在兩種可能性，如果蛋白質能進入到子代體內，參與繁殖后代，則蛋白質也是遺傳物質；反之則不是。

【“悖論”思考】

一方認為蛋白質沒有進入細菌體內，所以不是遺傳物質；另一方認為正是由于蛋白質沒有進入細菌體內，所以無法證實蛋白質是不是遺傳物質。兩者雖然觀點不同，但是依據(jù)卻相同——都是蛋白質沒有進入細菌體內。

【筆者的觀點】

首先筆者認為，教材的實驗結論沒有問題。噬菌體侵染細菌的實驗能夠證明DNA是遺傳物質，同時也能證明蛋白質不是遺傳物質。理由如下：

一、尊重客觀事實

借助電子顯微鏡（20世紀40年代電子顯微鏡已被廣泛應用），可以清晰地看到噬菌體侵染細菌的過程，蛋白質沒有參與繁殖后代，在親子代之間無連續(xù)性，絕無可能是遺傳物質，這是不可否定的事實。從這個角度講，即便不使用放射性同位素標記法這個技術，也能通過觀察得出DNA是遺傳物質的結論。當然放射性同位素示蹤技術的應用可以更精確地定位和追蹤，得出實驗結論也更宏觀、便捷。

二、實驗設計合理

該實驗設計了兩組實驗，二者相互對照、相互證明，說服力十足，實驗設計完整。教材的描述中有兩句話，教師們要區(qū)分對待，第一句的重點是“DNA進入了，而蛋白質沒有進入”，如果僅憑這句話就得出“DNA是遺傳物質”的結論確實有失偏頗，因為“實驗設計”上存在漏洞，沒有設置蛋白質進入細菌的實驗，所以在“實驗設計”上還是有一定的缺陷；第二句話的重點是“子代噬菌體的各種性狀，是通過親代的DNA遺傳的”，這是一句推論，并不是直接的實驗結果。該實驗的最終結論及推理過程是當用32P標記DNA時，放射性會出現(xiàn)在子代噬菌體中；當用35S標記蛋白質時，放射性沒有出現(xiàn)在子代噬菌體中；在親子代之間具有連續(xù)性的物質是DNA，親代的DNA可以傳給子代，然后控制子代噬菌體的各種性狀（隱含的信息），簡而言之，前者通過觀察得出的結論的確有漏洞，但這并不是實驗設計，而是直接觀察的結果。后者是通過嚴謹?shù)膶嶒炘O計，得到實驗結果并進一步挖掘隱含內容，從而得出結論，這是嚴謹?shù)?，是不容置疑的?/p>

三、理論支撐合理

對于什么物質可作為遺傳物質這個問題，科學家很早就已做出理論層面上的合理預測。遺傳物質需要滿足若干條件，如能夠攜帶信息；能夠指導蛋白質合成，控制生物的性狀；能自我復制，在親子代之間具有連續(xù)性；能產(chǎn)生可遺傳的變異等。這個實驗所采用的理論依據(jù)就是在親子代之間具有連續(xù)性的物質就是遺傳物質，理論依據(jù)合理并且充分。

所以，筆者認為此題中的D選項也是正確的。針對上面的分析，再看下面一道試題。

【試題2】下列關于“噬菌體侵染細菌實驗”的敘述，正確的是 （ ）

A.噬菌體吸收和利用培養(yǎng)基中含有35S的氨基酸而被標記

B.用32P和35S分別標記的噬菌體分別侵染未標記的大腸桿菌，長時間保溫和培養(yǎng)后攪拌離心

C.在32P標記的噬菌體的侵染實驗中，上清液出現(xiàn)較強放射性的原因可能是侵染時間過長

D.35S標記的噬菌體的侵染實驗能夠證明蛋白質不是遺傳物質

【參考答案】C

【分析】這道題的D選項是否正確呢？答案是否定的。單獨的一組實驗不能說明任何問題，同理，單獨標記的DNA也不能證明DNA是遺傳物質，必須要兩組相互對照，共同說明DNA是遺傳物質，而蛋白質不是。這才是相互對照實驗的價值所在——相互對照組中每一組都會有各自的結論，并對最終結論起到至關重要的作用。例如，魯賓和卡門探究光合作用產(chǎn)生的氧氣中氧元素來源的實驗、傘藻嫁接探究核質作用的實驗，道理都是如此。

綜上所述，筆者認為，噬菌體侵染細菌的實驗是可以證明蛋白質不是遺傳物質的，而平時接觸的一些題目可能對此并未深入挖掘，所以得出一些錯誤的結論。