陸 修

(安徽省滁州市第二中學 239000)

人教版高中生物學教材《遺傳與進化》在“DNA是主要的遺傳物質”一節(jié)通過幾個經(jīng)典實驗介紹了遺傳物質是如何被發(fā)現(xiàn)的，但學生對科學家在這些實驗中的設計思路和操作過程較難理解，為此，本文將有關問題分析如下：

(1)格里菲思在肺炎雙球菌體內轉化實驗中，獲得S型細菌體內有轉化因子這一結論的關鍵步驟：將R型活細菌與加熱殺死的S型細菌混合后注射到小鼠體內，引起小鼠死亡，從其尸體內分離出S型活細菌。

(2)加熱殺死的S型細菌引起R型細菌轉化的原因：加熱殺死的S型細菌其蛋白質變性失活，但DNA在加熱過程中雙螺旋解開、氫鍵斷裂，緩慢冷卻時其堿基對之間的氫鍵自動形成，DNA雙螺旋結構恢復。轉化的實質是S型細菌中決定莢膜的基因片段整合到了R型細菌的DNA中，即實現(xiàn)了基因重組。

(3)艾弗里在肺炎雙球菌體外轉化實驗中用DNA水解酶處理S型細菌的DNA后，再加入到培養(yǎng)了R型細菌的培養(yǎng)基中的原因：為了排除轉化因子是DNA分子而不是DNA的基本單位脫氧核苷酸或其他化學成分及雜質，因為當DNA被水解后，R型細菌就不能轉化為S型細菌，從而進一步說明有轉化作用的是DNA分子而非其他物質。

(4)赫爾希和蔡斯用T2噬菌體做為實驗材料的原因：T2噬菌體是一種專門寄生在大腸桿菌體內的病毒，結構簡單，它的頭部和尾部的外殼都由蛋白質構成，頭部含有DNA。由于只含有蛋白質和DNA，所以遺傳物質不是DNA就是蛋白質。

(5)T2噬菌體侵染特點及過程：T2噬菌體侵染大腸桿菌后，會在自身遺傳物質的作用下，利用大腸桿菌體內的物質合成自身的組成成分，進行大量增殖。當噬菌體增殖到一定數(shù)量后，大腸桿菌裂解，釋放出大量的子代噬菌體。噬菌體侵染大腸桿菌需經(jīng)過吸附→注入DNA(蛋白質外殼留在外面)→生物合成(噬菌體DNA的復制和蛋白質的合成) →組裝(噬菌體DNA和蛋白質外殼組合)→子代釋放等5個過程。赫爾希和蔡斯的實驗是為了證明，究竟是噬菌體的DNA還是蛋白質進入大腸桿菌，最終控制合成新的子代噬菌體的。

(6)不在含35S和32P的培養(yǎng)基中直接培養(yǎng)T2噬菌體的原因：由于病毒必須寄生在活體細胞中才能擴增，因此無法將T2噬菌體直接在培養(yǎng)基中培養(yǎng)。所以赫爾希和蔡斯先在分別含有35S和32P的培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌，再用上述大腸桿菌培養(yǎng)T2噬菌體，得到蛋白質被35S標記和DNA被32P標記的兩種噬菌體。

(7)用35S和32P作為標記元素的原因：因為S僅存在于蛋白質中，而P幾乎都存在于DNA中，用35S和32P作為標記元素可將蛋白質和DNA分開，在其侵染未標記的細菌時可單獨觀察蛋白質和DNA的作用。如果用C、H、O、N等作為標記元素，則噬菌體蛋白質和DNA均有放射性，從而無法將蛋白質和DNA分開。

(8)T2噬菌體侵染細菌實驗中攪拌和離心的目的：攪拌是讓T2噬菌體或T2噬菌體的蛋白質外殼與大腸桿菌的細胞分離，離心是讓比重不同T2噬菌體或T2噬菌體的蛋白質外殼與大腸桿菌分層，從而確定放射性物質主要在上清液中還是在沉淀物中。如果不攪拌或攪拌不夠充分，離心后T2噬菌體的蛋白質外殼將會隨著大腸桿菌沉淀下去，那么35S標記的實驗中沉淀物中將會出現(xiàn)較多的放射性，從而無法說明蛋白質沒有進入大腸桿菌。

(9)T2噬菌體侵染細菌實驗中上清液和沉淀物中都有放射性的原因：赫爾希和蔡斯分別用35S和32P標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌，理論上，用35S標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，上清液具有很高的放射性，下層沉淀物中不含放射性。用32P標記的噬菌體侵染大腸桿菌后，理論上，上清液中不含放射性，下層沉淀物中具有很高的放射性。而實際上，實驗結果顯示：用35S標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，在離心的下層沉淀物中，具有一定的放射性，而上清液中的放射性強度比理論值略低；用32P標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，在離心的上層清液中，具有一定的放射性，而下層沉淀物中的放射性強度比理論值略低。為什么會出現(xiàn)這種情況呢：①用35S標記的噬菌體侵染大腸桿菌，沉淀物中也有少量放射性的原因是由于攪拌不充分，有少量35S的噬菌體蛋白質外殼吸附在細菌表面，隨細菌離心到沉淀物中，使沉淀物中出現(xiàn)少量的放射性。②用32P標記的噬菌體侵染大腸桿菌，上清液中有少量放射性的原因是保溫時間過短，部分噬菌體沒有侵染到大腸桿菌細胞內，經(jīng)離心后分布于上清液中，使上清液出現(xiàn)放射性；保溫時間過長，噬菌體在大腸桿菌內增殖后釋放子代，經(jīng)離心后分布于上清液中，也會使上清液的放射性含量升高。因此，在用32P標記的噬菌體侵染實驗中，要嚴格控制噬菌體和大腸桿菌混合培養(yǎng)后到離心分離的時間，時間過短未充分侵染；時間過長則侵染進入大腸桿菌細胞內的噬菌體增殖產(chǎn)生的子代噬菌體會釋放出來，使實驗誤差增大，故嚴格控制好時間是減小此實驗誤差的關鍵因素之一。此外，攪拌過程可能會導致部分大腸桿菌破裂，釋放出32P標記的DNA或子代噬菌體。

(10)35S和32P標記的噬菌體侵染細菌的實驗都要做的原因：如果只做35S 標記的噬菌體侵染細菌這一組實驗而不做32P標記的那一組，或者只做32P標記的噬菌體侵染細菌這一組實驗而不做35S標記的那一組，就無法知道32P標記的實驗結果與35S 標記實驗結果是不相同的事實，因此便不能作出在侵染過程DNA與蛋白質的作用是不同的判斷，也即不能得出DNA是遺傳物質而蛋白質則不是的結論。

(11)噬菌體侵染細菌實驗中放射性元素的去向：若用35S和32P標記噬菌體而宿主細胞未被標記，只在部分子代噬菌體的核酸中有32P標記；若用C、H、O、N等標記噬菌體而宿主細胞未被標記，則只在部分子代噬菌體的核酸中有C、H、O、N標記元素。因為蛋白質不進入宿主細胞，而DNA是半保留復制，在親子代之間有連續(xù)性。

若用32P和35S同時標記宿主細胞而噬菌體未被標記，則在子代病毒的核酸和蛋白質外殼中均有標記元素；若用C、H、O、N等標記宿主細胞而噬菌體未被標記，則在子代噬菌體的核酸和蛋白質外殼中均可找到標記元素。因為子代噬菌體的蛋白質和DNA是利用宿主細胞中的氨基酸和脫氧核苷酸合成的。若用32p標記宿主細胞而噬菌體未被標記，則只在子代病毒的核酸中有標記而蛋白質中沒有；若用35S標記宿主細胞而噬菌體未被標記，則只在子代病毒的蛋白質中有標記而核酸中沒有，因為S只存在于蛋白質中，而P存在于DNA中。

(12)DNA是主要的遺傳物質的原因：艾弗里的肺炎雙球菌體外轉化實驗和赫爾希、蔡斯的T2噬菌體侵染細菌實驗都證明了DNA是遺傳物質，后來的煙草花葉病毒感染和重建實驗證明RNA是遺傳物質。由于原核生物和真核生物均含有DNA和RNA兩種核酸，其遺傳物質是DNA；病毒沒有細胞結構，只有一種核酸(DNA病毒、RNA病毒)，其絕大部分病毒遺傳物質是DNA，少數(shù)病毒遺傳物質是RNA。所以說，DNA是主要的遺傳物質。