备课素材：噬菌体侵染细菌实验疑点辨析-2024——2025学年度第二学期高中生物学必修二

|噬菌体侵染细菌实验疑点辨析 噬菌体侵染细菌实验是证明DNA是遗传物质的经典实验之一,人教版新教材中采用了图文并茂的方式介绍该实验,但是受篇幅所限,教材对实验的介绍做了较多简略,且缺乏相关背景内容的铺垫,故师生在学习噬菌体侵染细菌实验时产生了不少疑问.这些疑问经各类习题的加工形成很多误解,这些误解又通过习题的流传而产生更大影响,对师生理解该实验的本质造成了很大困扰,也不利于学生理解科学的本质和科学素养的提升. 在摩尔根等人将遗传因子也就是基因定位于染色体上后,染色体的主要成分也被确认主要是DNA和蛋白质,基因的化学本质是DNA还是蛋白质就成为遗传学界新的热点议题. 科学界分析遗传物质应具有以下４个特征: 可以复制并且传递给后代;可以储存大量信息;能够控制性状;能够发生突变. 当时核酸研究的权威人物列文提取的DNA分子量约为1500,且测得的四种碱基数量接近,由此列文提出DNA是由四种核苷酸各一个组成的小分子物质,即四核苷酸假说.这么简单的小分子是不可能编码遗传信息的,由此直接排除了DNA是遗传物质的可能性.而蛋白质已知是由多种氨基酸构成的大分子物质,似乎在结构上更适合作为遗传物质,因而当时绝大多数科学家都把目光集中在蛋白质身上. 1943年艾弗里实验提出DNA是转化因子,该实验引起了很大争议:荚膜的有无可以看作是一对性状,而DNA能够引起性状的改变,这符合遗传物质控制性状的特征.而赫尔希等人一直以来也是认为蛋白质是遗传物质,他们研究的T２噬菌体结构简单,仅含DNA和蛋白质,看起来是一个验证遗传物质是蛋白质的好材料.他们根据遗传物质能够传递给后代这一特征来设计实验,该实验的关键是子代噬菌体中检测到了大量标记DNA的32P,而标记蛋白质的35S在子代噬菌体中几乎检测不到.这一结果出乎他们的意料,因而他们的观点也开始转向DNA更可能是遗传物质. 赫尔希等人设计的噬菌体侵染细菌实验较为复杂,为了让学生更容易理解该实验,教学中很多教师往往先介绍噬菌体侵染细菌的具体过程,再介绍噬菌体侵染细菌实验.这样的教学顺序让学生误以为赫尔希等人实验开始前已经知道噬菌体注入细菌的是DNA,失去了对噬菌体侵染实验设计过程所蕴含的科学思维分析. 事实上,1939年,“噬菌体小组”发起人之一德尔布吕克与埃里斯共同发表了“噬菌体的生长”一文,测定了噬菌体的生长曲线,表明噬菌体的生长可分为三个阶段:潜伏期、生长期和释放期,明确了噬菌体在细菌中增殖,但当时尚不清楚噬菌体将DNA注入了细菌中(图１). 1942年夏天,安德森等人用电子显微镜拍摄到了噬菌体侵染细菌的显微照片,他们惊讶地发现噬菌体有个小尾巴,并且通过尾巴吸附在细菌表面,他们说:“这看起来像个大号皮下注射器,它们似乎把什么东西注入细胞中去”(图２) 因此,赫尔希等人并不清楚噬菌体的侵染细菌的具体过程,但是对其过程已有一定的推测:噬菌体外壳留在细菌外,推测注人的物质应该是控制遗传的部分,赫尔希等人的实验结果补充了该过程的部分细节。德尔布吕克、赫尔希和卢里亚也于1969年共同获得了诺贝尔医学或生理学奖,获奖理由就是发现了病毒的复制机理及遗传结构”。 32P和35S能否通过放射性区分？ 放射线是不稳定元素衰变时从原子核中放射出来的有穿透性的核辐射,主要包括以下几种:α射线(释放的是α粒子,α粒子是带有两个正电荷的氦核,具有较高的质量和较低的速度,穿透力较弱,通常只能穿透一定厚度的纸或薄金属);β射线(释放的是带负电的电子,由放射性核素衰变为中子并释放出一个电子,具有较小的质量但速度很快,穿透力较强,可以穿透大多数金属和有机物质);r射线(放射性核素由较高能态跃迁为较低能态时多余的能量转换为一种波长很短的电磁波，穿透性很强)。32P、35S衰变时释放的放射线都是射线,即电子流,本质上没有区别，在当时不能区分。 35S标记的噬菌体侵染细菌实验中,沉淀物中含有少量放射性的原因赫尔希等人的论文中对此有所阐释,搅拌是利用水流的剪切力将噬菌体从细菌表面剪切下来，在保证细菌结构稳定的前提下,搅拌不可能将吸附在细菌表面的噬菌体全部剥离,大约有20%~30%左右的噬菌体无法剥落下来,致使这部分噬菌体外壳随细菌在离心时沉淀到试管底部,因而沉淀物中含有少量放射性。 32P标记的噬菌体侵染细菌实验中,上清液中含有少量放射性的原因对此现象常见的解释:保温时间太短,有部分筮菌体未吸附到细菌上或保温时间过长,导致部分子代噬菌体被释放出来,留在上清液中。若真如此,赫尔希等人的实验操作就非常不严谨。事实 上,作为科学史上的著名实验,赫尔希等科学家在实验操作时都是十分严格的。参照赫尔希等人的京文所述,赫尔希等人事先已经严格测定了在不同品度下噬菌体侵染细菌到噬菌体从细菌中释放的 生长曲线(如图1)。确定菌体的潜伏时间为18~22min,约25 min 后才有个别菌体的释放,也们的实验时间严格控制在15min内,确保没有子代噬菌体的释放,因而上述的第二个理由根本不成立。其次，赫尔希使用的噬菌体和细菌比例为1:5,保温的时间为5min,足以保证噬菌体吸附到细菌上并将遗传物质注人细菌中,但是之前的实验也说明了在不搅拌的情况下就有部分35S和32P是在上清液中的,而搅拌后约25%的S和35%的P脱落下来,说明噬菌体并不都能成功吸附到细菌上,已吸附到细菌上的噬菌体也不一定都能将DNA 成功注人细菌(图3)。 此外,参照赫尔希等人原文，人教版新教材中省略了一个实验步骤:在保温一段时间后,赫尔希等人先进行离心以将未成功吸附的噬菌体除去,再进行培养和搅拌,所以上述第一个理由也不成立。 未成功吸附的噬菌体在培养之前就已被离心除大。32P标记的菌体侵染细菌实验组中，上清液中含有少量放射性,主要是因为少量菌体吸附在细菊上,但是未能成功注人DNA,在搅拌中大部分的筮菌体又被剥落下来,这些噬菌体中有少量含有未成功注人的 DNA。 在实际教学中可以联系生活知识进行拓展: 病毒通常由核酸和蛋白质组成,蛋白质对其侵染活性有很大作用,并不是每个病毒都有活性,在病毒合成中可能因出现各种错误而失活,从细菌中释放出来后暴露的时间里也很容易因为各种原因失活,如新型冠状病毒 COVID-19 暴露在空气中受紫外线等环境因素影响,通常只能保留几个小时的活性在低温条件下,如冷库,冰冻食品上可保留较长时间的活性。 2011年江苏卷第 12 题: 关于“噬菌体侵细菌的实验”的叙述,正确的是( ) A.分别用含有放射性同位素:S和放射性同位素32P的培养基培养噬菌体 B.分别用35S和32P标记的菌体侵染未被标记的大肠杆菌,进行长时间的保温培养 C.用35S标记噬菌体的侵染实验中,沉淀物存在少量放射性可能是搅拌不充分所致。 D.32 P、35S标记的噬菌体侵染实验分别说明DNA 是遗传物质、蛋白质不是遗传物质 对于D选项的错误之处,部分教师认为,噬菌体侵染细菌时,只有 DNA 进入细菌,蛋白质外壳留在细菌外面,因此该实验只能说明 DNA 是遗传物质,但不能说明蛋白质不是遗传物质,甚至认为如果要证明蛋白质不是遗传物质,还要做一个对照实验,即让蛋白质进入细菌而 DNA 留在外面,这样才能够证明蛋白质不是噬菌体的遗传物质。 这个理解在诸多教辅中十分流行,造成了很大的争议。 在该试题出现后，就引发过激烈的讨论，并得出了比较合理的解释:这是自然的侵染实验，单独的一组:32P标记的 T2 菌体侵染实验只能得出噬菌体 DNA 进入了大肠杆菌体内，无法确定蛋白质是否进入大肠杆菌体内并起到遗传物质的作用只有两组实验互相对照，才能得出噬菌体的 DNA进入大肠杆菌，而含35S的蛋白质并没有进入大肠杆菌,没有进入大肠杆菌的成分，显然不可能对大肠杆菌中产生的子代噬菌体起到遗传的作用。这两组实验互相对照才能达到逻辑上的严谨、严密，更有力地支持了 DNA 是 T2 菌体的遗传物质而蛋白质不是。 该选项错在“分别”两字上，应该是两组实验相互对照共同支持了 DNA 是遗传物质，而蛋白质不是。 赫尔各和感斯在论文中给出的结论是蛋白质担负着使噬菌体吸附到细菌上并使 DNA注入细胞的责任,对胞内噬菌体的增殖没有作用而是 DNA 在起作用。该题D选项的表述易引起理解上歧义,该选项也可以理解为两个实验“分别”支持DNA 是遗传物质而蛋白质不是遗传物质，两个实验互相对照可以加强说服力。而且该实验的关键 部分是遗传物质应该可以传递给子代。子代噬菌体中检测到大量32P,而几乎检测不到35S,而非其是否进入细胞。并且，随着科学研究的深入现在已知很多病毒是以胞吞等形式进入细胞的，如HIV和COVID-19,这时蛋白质也进入了细胞，因此蛋白质是否进入细胞不应是关键问题。 教师在遇到这类试题的时候,应该理性分析,有所取舍,避免以讹传讹。 赫尔希等人的噬菌体侵染细菌实验是基于遗传物质应具有的4个特征中遗传物质应该可以传递给后代来设计,实验结果支持 DNA 是遗传物质而蛋白质不是遗传物质,实验设计的起点与终点才是该实验教学中最重要的部分，过于纠结不重要的细节反倒容易因小失大,不利于发展学生的核心素养 艾弗里的肺炎链球菌体外转化实验提供了 DNA 控制荚膜性状的证据,赫尔希等人的噬菌体侵染细菌实验支持 DNA 可以传递给后代,分别解释了遗传物质应具有的4个特征中的两个:控制性状和传递给后代。艾弗里实验结果发表的时候受到了诸多质疑而到赫尔希的实验结果发表时已经积累了诸多支持 DNA 是遗传物质的证据,科学界不少学者的观点已经发生了转变,如查哥夫就是受此影响，重新测定了 DNA 碱基的含量,推翻了列文的“四核苷酸况”搬开阻碍认识DNA定遗传物质最大的绊脚石;沃森和克里克也支持 DNA 是遗传物质因而直接尝试揭示 DNA 的结构,以说明 DNA 结构与其作为遗传物质之间的关系。 因而,艾弗里实验作为支持 DNA 是遗传物质的第一个实验证据,对其他实验的设计和进行起到了启示和引领的作用,是第一个破冰者,虽然因为种种原因,艾弗里没有获得诺贝尔奖，但是历史不该忘记艾弗里等人在证明 DNA 是遗传物质的过程中做出的卓越贡献,诺贝尔奖委员会也承认，艾弗里没有获得诺贝尔奖是诺贝尔奖的遗憾而不是艾弗里的遗憾。 学科网（北京）股份有限公司 $$