備課素材：噬菌體侵染細菌實驗疑點辨析 第二學期高中生物學必修二

|噬菌體侵染細菌實驗疑點辨析噬菌體侵染細菌實驗是證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實驗之一,人教版新教材中采用了圖文并茂的方式介紹該實驗,但是受篇幅所限,教材對實驗的介紹做了較多簡略,且缺乏相關(guān)背景內(nèi)容的鋪墊,故師生在學習噬菌體侵染細菌實驗時產(chǎn)生了不少疑問.這些疑問經(jīng)各類習題的加工形成很多誤解,這些誤解又通過習題的流傳而產(chǎn)生更大影響,對師生理解該實驗的本質(zhì)造成了很大困擾,也不利于學生理解科學的本質(zhì)和科學素養(yǎng)的提升.在摩爾根等人將遺傳因子也就是基因定位于染色體上后,染色體的主要成分也被確認主要是DNA和蛋白質(zhì),基因的化學本質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)就成為遺傳學界新的熱點議題.科學界分析遺傳物質(zhì)應(yīng)具有以下４個特征:可以復制并且傳遞給后代;可以儲存大量信息;能夠控制性狀;能夠發(fā)生突變.當時核酸研究的權(quán)威人物列文提取的DNA分子量約為1500,且測得的四種堿基數(shù)量接近,由此列文提出DNA是由四種核苷酸各一個組成的小分子物質(zhì),即四核苷酸假說.這么簡單的小分子是不可能編碼遺傳信息的,由此直接排除了DNA是遺傳物質(zhì)的可能性.而蛋白質(zhì)已知是由多種氨基酸構(gòu)成的大分子物質(zhì),似乎在結(jié)構(gòu)上更適合作為遺傳物質(zhì),因而當時絕大多數(shù)科學家都把目光集中在蛋白質(zhì)身上.1943年艾弗里實驗提出DNA是轉(zhuǎn)化因子,該實驗引起了很大爭議:莢膜的有無可以看作是一對性狀,而DNA能夠引起性狀的改變,這符合遺傳物質(zhì)控制性狀的特征.而赫爾希等人一直以來也是認為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì),他們研究的T２噬菌體結(jié)構(gòu)簡單,僅含DNA和蛋白質(zhì),看起來是一個驗證遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)的好材料.他們根據(jù)遺傳物質(zhì)能夠傳遞給后代這一特征來設(shè)計實驗,該實驗的關(guān)鍵是子代噬菌體中檢測到了大量標記DNA的32P,而標記蛋白質(zhì)的35S在子代噬菌體中幾乎檢測不到.這一結(jié)果出乎他們的意料,因而他們的觀點也開始轉(zhuǎn)向DNA更可能是遺傳物質(zhì).赫爾希等人設(shè)計的噬菌體侵染細菌實驗較為復雜,為了讓學生更容易理解該實驗,教學中很多教師往往先介紹噬菌體侵染細菌的具體過程,再介紹噬菌體侵染細菌實驗.這樣的教學順序讓學生誤以為赫爾希等人實驗開始前已經(jīng)知道噬菌體注入細菌的是DNA,失去了對噬菌體侵染實驗設(shè)計過程所蘊含的科學思維分析.事實上,1939年,“噬菌體小組”發(fā)起人之一德爾布呂克與埃里斯共同發(fā)表了“噬菌體的生長”一文,測定了噬菌體的生長曲線,表明噬菌體的生長可分為三個階段:潛伏期、生長期和釋放期,明確了噬菌體在細菌中增殖,但當時尚不清楚噬菌體將DNA注入了細菌中(圖１).1942年夏天,安德森等人用電子顯微鏡拍攝到了噬菌體侵染細菌的顯微照片,他們驚訝地發(fā)現(xiàn)噬菌體有個小尾巴,并且通過尾巴吸附在細菌表面,他們說:“這看起來像個大號皮下注射器,它們似乎把什么東西注入細胞中去”(圖２)因此,赫爾希等人并不清楚噬菌體的侵染細菌的具體過程,但是對其過程已有一定的推測:噬菌體外殼留在細菌外,推測注人的物質(zhì)應(yīng)該是控制遺傳的部分,赫爾希等人的實驗結(jié)果補充了該過程的部分細節(jié)。德爾布呂克、赫爾希和盧里亞也于1969年共同獲得了諾貝爾醫(yī)學或生理學獎,獲獎理由就是發(fā)現(xiàn)了病毒的復制機理及遺傳結(jié)構(gòu)”。32P和35S能否通過放射性區(qū)分？放射線是不穩(wěn)定元素衰變時從原子核中放射出來的有穿透性的核輻射,主要包括以下幾種:α射線(釋放的是α粒子,α粒子是帶有兩個正電荷的氦核,具有較高的質(zhì)量和較低的速度,穿透力較弱,通常只能穿透一定厚度的紙或薄金屬);β射線(釋放的是帶負電的電子,由放射性核素衰變?yōu)橹凶硬⑨尫懦鲆粋€電子,具有較小的質(zhì)量但速度很快,穿透力較強,可以穿透大多數(shù)金屬和有機物質(zhì));r射線(放射性核素由較高能態(tài)躍遷為較低能態(tài)時多余的能量轉(zhuǎn)換為一種波長很短的電磁波，穿透性很強)。32P、35S衰變時釋放的放射線都是射線,即電子流,本質(zhì)上沒有區(qū)別，在當時不能區(qū)分。35S標記的噬菌體侵染細菌實驗中,沉淀物中含有少量放射性的原因赫爾希等人的論文中對此有所闡釋,攪拌是利用水流的剪切力將噬菌體從細菌表面剪切下來，在保證細菌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下,攪拌不可能將吸附在細菌表面的噬菌體全部剝離,大約有20%~30%左右的噬菌體無法剝落下來,致使這部分噬菌體外殼隨細菌在離心時沉淀到試管底部,因而沉淀物中含有少量放射性。32P標記的噬菌體侵染細菌實驗中,上清液中含有少量放射性的原因?qū)Υ爽F(xiàn)象常見的解釋:保溫時間太短,有部分筮菌體未吸附到細菌上或保溫時間過長,導致部分子代噬菌體被釋放出來,留在上清液中。若真如此,赫爾希等人的實驗操作就非常不嚴謹。事實上,作為科學史上的著名實驗,赫爾希等科學家在實驗操作時都是十分嚴格的。參照赫爾希等人的京文所述,赫爾希等人事先已經(jīng)嚴格測定了在不同品度下噬菌體侵染細菌到噬菌體從細菌中釋放的生長曲線(如圖1)。確定菌體的潛伏時間為18~22min,約25min后才有個別菌體的釋放,也們的實驗時間嚴格控制在15min內(nèi),確保沒有子代噬菌體的釋放,因而上述的第二個理由根本不成立。其次，赫爾希使用的噬菌體和細菌比例為1:5,保溫的時間為5min,足以保證噬菌體吸附到細菌上并將遺傳物質(zhì)注人細菌中,但是之前的實驗也說明了在不攪拌的情況下就有部分35S和32P是在上清液中的,而攪拌后約25%的S和35%的P脫落下來,說明噬菌體并不都能成功吸附到細菌上,已吸附到細菌上的噬菌體也不一定都能將DNA成功注人細菌(圖3)。此外,參照赫爾希等人原文，人教版新教材中省略了一個實驗步驟:在保溫一段時間后,赫爾希等人先進行離心以將未成功吸附的噬菌體除去,再進行培養(yǎng)和攪拌,所以上述第一個理由也不成立。未成功吸附的噬菌體在培養(yǎng)之前就已被離心除大。32P標記的菌體侵染細菌實驗組中，上清液中含有少量放射性,主要是因為少量菌體吸附在細菊上,但是未能成功注人DNA,在攪拌中大部分的筮菌體又被剝落下來,這些噬菌體中有少量含有未成功注人的DNA。在實際教學中可以聯(lián)系生活知識進行拓展:病毒通常由核酸和蛋白質(zhì)組成,蛋白質(zhì)對其侵染活性有很大作用,并不是每個病毒都有活性,在病毒合成中可能因出現(xiàn)各種錯誤而失活,從細菌中釋放出來后暴露的時間里也很容易因為各種原因失活,如新型冠狀病毒COVID-19暴露在空氣中受紫外線等環(huán)境因素影響,通常只能保留幾個小時的活性在低溫條件下,如冷庫,冰凍食品上可保留較長時間的活性。2011年江蘇卷第12題:關(guān)于“噬菌體侵細菌的實驗”的敘述,正確的是()A.分別用含有放射性同位素:S和放射性同位素32P的培養(yǎng)基培養(yǎng)噬菌體B.分別用35S和32P標記的菌體侵染未被標記的大腸桿菌,進行長時間的保溫培養(yǎng)C.用35S標記噬菌體的侵染實驗中,沉淀物存在少量放射性可能是攪拌不充分所致。D.32P、35S標記的噬菌體侵染實驗分別說明DNA是遺傳物質(zhì)、蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)對于D選項的錯誤之處,部分教師認為,噬菌體侵染細菌時,只有DNA進入細菌,蛋白質(zhì)外殼留在細菌外面,因此該實驗只能說明DNA是遺傳物質(zhì),但不能說明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì),甚至認為如果要證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì),還要做一個對照實驗,即讓蛋白質(zhì)進入細菌而DNA留在外面,這樣才能夠證明蛋白質(zhì)不是噬菌體的遺傳物質(zhì)。這個理解在諸多教輔中十分流行,造成了很大的爭議。在該試題出現(xiàn)后，就引發(fā)過激烈的討論，并得出了比較合理的解釋:這是自然的侵染實驗，單獨的一組:32P標記的T2菌體侵染實驗只能得出噬菌體DNA進入了大腸桿菌體內(nèi)，無法確定蛋白質(zhì)是否進入大腸桿菌體內(nèi)并起到遺傳物質(zhì)的作用只有兩組實驗互相對照，才能得出噬菌體的DNA進入大腸桿菌，而含35S的蛋白質(zhì)并沒有進入大腸桿菌,沒有進入大腸桿菌的成分，顯然不可能對大腸桿菌中產(chǎn)生的子代噬菌體起到遺傳的作用。這兩組實驗互相對照才能達到邏輯上的嚴謹、嚴密，更有力地支持了DNA是T2菌體的遺傳物質(zhì)而蛋白質(zhì)不是。該選項錯在“分別”兩字上，應(yīng)該是兩組實驗相互對照共同支持了DNA是遺傳物質(zhì)，而蛋白質(zhì)不是。赫爾各和感斯在論文中給出的結(jié)論是蛋白質(zhì)擔負著使噬菌體吸附到細菌上并使DNA注入細胞的責任,對胞內(nèi)噬菌體的增殖沒有作用而是DNA在起作用。該題D選項的表述易引起理解上歧義,該選項也可以理解為兩個實驗“分別”支持DNA是遺傳物質(zhì)而蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，兩個實驗互相對照可以加強說服力。而且該實驗的關(guān)鍵部分是遺傳物質(zhì)應(yīng)該可以傳遞給子代。子代噬菌體中檢測到大量32P,而幾乎檢測不到35S,而非其是否進入細胞。并且，隨著科學研究的深入現(xiàn)在已知很多病毒是以胞吞等形式進入細胞的，如HIV和COVID-19,這時蛋白質(zhì)也進入了細胞，因此蛋白質(zhì)是否進入細胞不應(yīng)是關(guān)鍵問題。教師在遇到這類試題的時候,應(yīng)該理性分析,有所取舍,避免以訛傳訛。赫爾希等人的噬菌體侵染細菌實驗是基于遺傳物質(zhì)應(yīng)具有的4個特征中遺傳物質(zhì)應(yīng)該可以傳遞給后代來設(shè)計,實驗結(jié)果支持DNA是遺傳物質(zhì)而蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì),實驗設(shè)計的起點與終點才是該實驗教學中最重要的部分，過于糾結(jié)不重要的細節(jié)反倒容易因小失大,不利于發(fā)展學生的核心素養(yǎng)艾弗里的肺炎鏈球菌體外轉(zhuǎn)化實驗提供了DNA控制莢膜性狀的證據(jù),赫爾希等人的噬菌體侵染細菌實驗支持DNA可以傳遞給后代,分別解釋了遺傳物質(zhì)應(yīng)具有的4個特征中的兩個:控制性狀和傳遞給后代。艾弗里實驗結(jié)果發(fā)表的時候受到了諸多質(zhì)疑而到赫爾希的實驗結(jié)果發(fā)表時已經(jīng)積累了諸多支持DNA是遺傳物質(zhì)的證據(jù),科學界不少學者的觀點已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變,如查哥夫就是受此影響，重新測定了DNA堿基的含量,推翻了列文的“四核苷酸況”搬開阻礙認識DNA定遺傳物質(zhì)最大的絆腳石;沃森和克里克也支持DNA