對(duì)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思考

1、對(duì)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思考 在講授DNA是主要的遺傳物質(zhì)一節(jié)中，學(xué)生對(duì)肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)提出了幾點(diǎn)質(zhì)疑。筆者在經(jīng)過認(rèn)真思考、討論、查閱資料后，針對(duì)各個(gè)問題一一進(jìn)行了解答。筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生提出的疑問很有意義和代表性，現(xiàn)將學(xué)生質(zhì)疑和筆者解答整理如下，供同仁參考。也求拋磚引玉，獲得更好的解答。 1格里菲斯的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中將加熱殺死的S型和活的R型混合注射到小鼠體內(nèi)，小鼠患敗血癥死亡，并從小鼠體內(nèi)分離出活的S型，且其后代仍是有毒性的S型。格里菲思推論：在已經(jīng)加熱殺死的S型細(xì)菌中，必然含有一種“轉(zhuǎn)化因子”，促使R型轉(zhuǎn)化為S型，且這種轉(zhuǎn)化可遺傳。 11 質(zhì)疑一：是S型復(fù)活還是R型被轉(zhuǎn)化？ 學(xué)生的質(zhì)

2、疑：為什么是R型被轉(zhuǎn)化，而不是加熱殺死的S型復(fù)活呢？筆者的分析解答：學(xué)生提出這樣的質(zhì)疑，主要是對(duì)蛋白質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不太了解。蛋白質(zhì)具有一定的空間結(jié)構(gòu)才具有生理活性，加熱會(huì)破壞蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)（變性），且該過程不可逆。所以加熱后蛋白質(zhì)變性失活，不可能再恢復(fù)其功能（可以高溫下酶失活為例）。而蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的承擔(dān)者，蛋白質(zhì)失活了，生命活動(dòng)就不可能再恢復(fù)，也就是說熱殺死的S型是不可能復(fù)活的。當(dāng)筆者作出上邊的解釋后，有學(xué)生立即又提出了下面的質(zhì)疑。 12 質(zhì)疑二：加熱殺死的S型的DNA為什么沒被破壞還可以發(fā)揮轉(zhuǎn)化作用？ 學(xué)生的質(zhì)疑：加熱殺死的S型菌的蛋白質(zhì)變性失活了，失去了生理功能。那為什么熱殺死的S型的

3、DNA還有作用呢？筆者的分析解答：學(xué)生提出這樣的質(zhì)疑，和上一個(gè)問題的原因相似，主要是對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)不太了解。DNA是由兩條鏈形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)，兩條鏈間堿基通過氫鍵連接。加熱會(huì)使氫鍵斷裂，使DNA雙螺旋解開成單鏈，稱為DNA變性。但和蛋白質(zhì)變性不同的是，當(dāng)溫度緩慢降低時(shí)單鏈又可以重新形成雙鏈，稱為DNA復(fù)性。所以，加熱殺死的S菌的DNA還是有作用的。 13 質(zhì)疑三：轉(zhuǎn)化因子是S型菌的整個(gè)DNA，還是DNA片段？ 學(xué)生的質(zhì)疑：發(fā)揮轉(zhuǎn)化作用的到底是S型菌的整個(gè)DNA，還是DNA片段？筆者的分析解答：這個(gè)問題涉及的是DNA分子變性、復(fù)性、以及基因的有關(guān)知識(shí)。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)：常用的DNA變性

4、方法主要是熱變性方法和堿變性方法。熱變性使用得十分廣泛，但是高溫可能引起磷酸二酯鍵的斷裂，得到長(zhǎng)短不一的單鏈DNA。而堿變性方法則沒有這個(gè)缺點(diǎn)，在pH為113時(shí)，全部氫鍵都被淘汰，DNA完全變成單鏈的變性DNA。決定生物性狀的基本單位叫做基因，它是DNA上具有遺傳效應(yīng)的片段。S菌的DNA上具有與莢膜形成有關(guān)的片段（基因），加熱殺死S菌時(shí)，S型菌的DNA可能因高溫引起磷酸二酯鍵的斷裂，得到長(zhǎng)短不一的單鏈DNA。所以加熱殺死S菌的時(shí)候，會(huì)得到與莢膜形成有關(guān)的DNA片段。該片段與R菌DNA整合后，使得其也可以形成莢膜，即轉(zhuǎn)變?yōu)镾型。 14 質(zhì)疑四：S菌的DNA將R菌轉(zhuǎn)化，還是S菌的DNA直接控制合成

5、了S菌？ 在本節(jié)教學(xué)中，筆者補(bǔ)充了證明RNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)煙草花葉病毒侵染實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在知道煙草花葉病毒的RNA侵染煙草細(xì)胞后，利用其所帶的遺傳信息控制合成了新的煙草花葉病毒的知識(shí)后，對(duì)肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)又提出了新的質(zhì)疑。學(xué)生的質(zhì)疑：為什么是S型菌的DNA轉(zhuǎn)化了R型，而不是S型菌的DNA像煙草花葉病毒的RNA侵染煙草細(xì)胞后直接控制合成了S菌？筆者的分析解答：學(xué)生發(fā)生這樣的疑問是因?yàn)閷?duì)病毒的結(jié)構(gòu)和復(fù)制、細(xì)菌的結(jié)構(gòu)和繁殖的知識(shí)掌握的不夠清晰，不能區(qū)分這兩種生物的特征。病毒是非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物，由蛋白質(zhì)外殼和核酸組成，子代病毒是通過病毒核酸（遺傳物質(zhì)）在宿主細(xì)胞中控制合成的核酸和蛋白質(zhì)組裝而成。而

6、細(xì)菌是細(xì)胞結(jié)構(gòu)生物，細(xì)胞通過分裂實(shí)現(xiàn)增殖，也就是說新細(xì)胞只能來自于細(xì)胞的分裂，而不可能來自于其他細(xì)胞直接合成。所以該實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該是S型菌的DNA轉(zhuǎn)化了R型菌，而不是像煙草花葉病毒侵染實(shí)驗(yàn)?zāi)菢又苯涌刂坪铣闪薙菌。 2艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 艾弗里和他的同事為了弄清轉(zhuǎn)化因子是什么，分離提取了S菌的DNA、蛋白質(zhì)和多糖等物質(zhì)，然后分別加入已培養(yǎng)R型細(xì)菌的培養(yǎng)基中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：只有加入DNA，R型細(xì)菌才能轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。艾弗里還發(fā)現(xiàn)：如果用DNA酶處理S型菌的DNA，使DNA分解，就不能使R型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化。 21 質(zhì)疑一：如果在S菌的培養(yǎng)基中加入R菌的DNA，S菌能否被轉(zhuǎn)化為R型？ 學(xué)生的質(zhì)疑：如果在S菌的

7、培養(yǎng)基中加入R菌的DNA，S菌是不是也能整合R菌的DNA，從而被轉(zhuǎn)化為R型？筆者的分析解答：由于缺乏相應(yīng)的微生物知識(shí)，對(duì)R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化的具體生理過程不清楚，很容易認(rèn)為在S菌的培養(yǎng)基中加入R菌的DNA，S菌也能整合R菌的DNA，從而被轉(zhuǎn)化為R型。R型細(xì)菌之所以能整合S型菌的有關(guān)DNA片段，轉(zhuǎn)化為S型，與其自身的結(jié)構(gòu)和特性有關(guān)。R型活菌在對(duì)數(shù)期后期內(nèi)處于“感受態(tài)”（ 細(xì)菌能從環(huán)境中攝取DNA進(jìn)行轉(zhuǎn)化的狀態(tài)，稱感受態(tài)(competence)。 對(duì)于感受態(tài)本質(zhì)的解釋，有人認(rèn)為處于感受態(tài)的受體菌局部失去了細(xì)胞壁，使外源DNA能順利經(jīng)膜進(jìn)入菌體，稱局部原生質(zhì)體假說。也有人認(rèn)為是受體細(xì)胞表面出現(xiàn)了一直能結(jié)合D

8、NA并使之進(jìn)入細(xì)胞的酶，稱酶受體假說）。被加熱殺死的S型肺炎雙球菌（供體菌）自溶，釋放出自身的DNA片段，當(dāng)DNA片段遇到感受態(tài)的R型活肺炎雙球菌（受體菌）時(shí)，R型活肺炎雙球菌（受體菌）細(xì)胞膜上的結(jié)合位點(diǎn)相結(jié)合，隨后其中一條鏈被細(xì)胞膜上的核酸酶降解，降解產(chǎn)生的能量協(xié)助把另一條單鏈推進(jìn)受體細(xì)胞（該過程稱為DNA的結(jié)合和攝?。．?dāng)單鏈進(jìn)入受體菌細(xì)胞后，便與受體菌DNA上的同源區(qū)段發(fā)生交換重組。再通過受體菌DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂，而表現(xiàn)出轉(zhuǎn)化的性狀，于是就由R型肺炎雙球菌產(chǎn)生出S型肺炎雙球菌的后代。而S型肺炎雙球菌有莢膜，無感受態(tài)，不能作為受體菌，所以在S菌的培養(yǎng)基中加入R菌的DNA，S菌不能被轉(zhuǎn)化為

9、R型。當(dāng)然S型菌在自然狀態(tài)下或人工的誘變下發(fā)生基因突變，S型菌可能突變?yōu)镽型，但不是轉(zhuǎn)化。 22 質(zhì)疑二：艾弗里的第三組實(shí)驗(yàn)（加DNA水解物）為什么沒能排除人們對(duì)其實(shí)驗(yàn)的懷疑？ 學(xué)生的質(zhì)疑：艾弗里在第三組實(shí)驗(yàn)（加DNA水解物）中，用DNA酶處理提取的DNA，然后加入培養(yǎng)R型菌的培養(yǎng)基中，結(jié)果培養(yǎng)基中未出現(xiàn)S型。這個(gè)實(shí)驗(yàn)從反面證明了DNA是遺傳物質(zhì)，為什么不能排除人們對(duì)提取的DNA中含有002%的蛋白質(zhì)起到了轉(zhuǎn)化因子（遺傳物質(zhì)）的作用的懷疑？筆者的分析解答：這個(gè)推理從理論上來說確實(shí)沒錯(cuò)，但是實(shí)際上，當(dāng)時(shí)情況要復(fù)雜的多。當(dāng)時(shí)人們對(duì)艾弗里實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示懷疑的原因主要來自兩個(gè)方面。一方面：艾弗里的實(shí)驗(yàn)并

10、非無懈可擊，人們發(fā)現(xiàn)他的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的DNA純度不夠，關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)出現(xiàn)了問題，由此證據(jù)得到的推論自然會(huì)被人們懷疑。盡管艾弗里的第三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)茏龀鲆恍┙忉?，但是人們?nèi)匀豢梢哉J(rèn)為是DNA和蛋白質(zhì)共同作用完成細(xì)菌的轉(zhuǎn)化，或者蛋白質(zhì)也參與了細(xì)菌的轉(zhuǎn)化過程，即無法完全排除蛋白質(zhì)可能起了作用的懷疑。另一方面：艾弗里由實(shí)驗(yàn)推論得到DNA是使R型細(xì)菌發(fā)生遺傳改變的物質(zhì)，這個(gè)觀點(diǎn)與當(dāng)時(shí)大多數(shù)科學(xué)家的觀點(diǎn)是截然不同的，因此很多人都不愿承認(rèn)艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這一點(diǎn)從他一生的遭遇就可以看出。自1930年起，幾乎每年艾弗里都因發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌的抗原特異性取決于其多糖莢膜而獲諾貝爾獎(jiǎng)提名，但由于當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為抗原特性取

11、決于細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)，不相信艾弗里的結(jié)果，懷疑其結(jié)果是因?yàn)槎嗵菗诫s了蛋白質(zhì)雜質(zhì)導(dǎo)致的。在1946年以前，艾弗里有4次進(jìn)入了第二輪名單，即諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)對(duì)其工作做了書面評(píng)價(jià)，但是評(píng)價(jià)的結(jié)果都認(rèn)為他的發(fā)現(xiàn)不值得獲獎(jiǎng)。1946年起，開始有人在提名艾弗里時(shí)提到他對(duì)遺傳物質(zhì)的研究。當(dāng)時(shí)研究核酸的兩個(gè)權(quán)威卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院的化學(xué)教授艾納哈馬斯登和他的前學(xué)生，細(xì)胞研究與遺傳學(xué)教授托布真卡佩森。這兩個(gè)人都相信只有蛋白質(zhì)才有可能是遺傳物質(zhì)，而且他們根據(jù)自己的研究經(jīng)驗(yàn)，知道很難除去DNA中的蛋白質(zhì)雜質(zhì)，從而不相信艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1946年，由哈馬斯登對(duì)艾弗里的實(shí)驗(yàn)做了簡(jiǎn)短的書面評(píng)價(jià)，他對(duì)艾弗里的結(jié)果持批評(píng)態(tài)度，認(rèn)

12、為艾弗里的DNA是被蛋白質(zhì)雜質(zhì)污染了，蛋白質(zhì)才是轉(zhuǎn)化因子。接下來的幾年，有一些實(shí)驗(yàn)室用其他實(shí)驗(yàn)證實(shí)了艾弗里的結(jié)論，艾弗里的發(fā)現(xiàn)已獲得了獨(dú)立驗(yàn)證。1952年，艾弗里再次進(jìn)入了諾貝爾獎(jiǎng)第二輪提名名單，由細(xì)菌學(xué)教授伯恩特馬爾姆格倫對(duì)之做了書面評(píng)價(jià)。馬爾姆格倫綜述了這幾年來的有關(guān)研究，認(rèn)為蛋白質(zhì)不太可能是轉(zhuǎn)化因子。但是他的結(jié)論卻是，要把DNA作為轉(zhuǎn)化因子仍然缺乏最后的證據(jù)，因此認(rèn)為艾弗里的發(fā)現(xiàn)目前不值得獲獎(jiǎng)。從這些歷史可以看出，由于艾弗里當(dāng)時(shí)的研究結(jié)果和當(dāng)時(shí)的主流思想、權(quán)威理論相反，所以一直不被人們重視，甚至被認(rèn)為是無價(jià)值的。所以，他的結(jié)論被人們懷疑也就“理所當(dāng)然”。在解答學(xué)生的這個(gè)質(zhì)疑的同時(shí)，可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行這樣一些情感教育：一、科學(xué)研究就是在這樣的“吹毛求疵”中不斷前進(jìn)的；二、科學(xué)研究中還需要自信，需要堅(jiān)持自己的思想，需要懷疑的態(tài)度；三、淡薄以明志，寧?kù)o以致遠(yuǎn)。艾弗里的成果雖然當(dāng)時(shí)未被人肯定，他未得到應(yīng)有的榮譽(yù)，但他仍然熱衷于自己的工作，不斷取得突破，終為世人敬仰。有的人獲得諾貝爾獎(jiǎng)，是為自己增輝，有的人獲獎(jiǎng)，卻是為諾貝爾獎(jiǎng)增輝。艾弗里沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，應(yīng)該是諾貝爾獎(jiǎng)的遺憾，而不是艾弗里的遺憾。 學(xué)生的這些質(zhì)疑，有的雖然看似簡(jiǎn)單，但是要真正的