“噬菌体侵染细菌实验”过程的教学突破

李希明　梁磊

摘 要 从一个实验操作者的视角，对噬菌体侵染细菌实验的过程进行思考。尝试从实验原理与假设、方法与步骤、结果与讨论、误差与分析等几个层面，突破噬菌体侵染细菌实验教学中的难题和瓶颈。

关键词 噬菌体 实验 教学 思考

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

“噬菌体侵染细菌的实验”是探索遗传物质的经典实验。对该实验的教学突破存在着下列难题：（1） DNA和蛋白质哪一个是遗传物质？（2） 如何运用同位素标记噬菌体的DNA或蛋白质？（3） 观察到什么现象才能说明对噬菌体起决定作用的是DNA，还是蛋白质？（4） 如何对实验产生的误差进行合理分析？……

要解决上述问题，必须深入地思考实验中每个步骤的目的与原因以及该步骤的注意事项。

1 原理与假设

赫尔希和蔡斯在进行噬菌体侵染细菌的实验之前，已对T2噬菌体和大肠杆菌有了一些了解，其中包括：① T2噬菌体只由DNA和蛋白质两种化学成分组成；② T2噬菌体能够在自身遗传物质的作用下，借助大肠杆菌，完成增殖过程；③ 组成T2噬菌体的蛋白质分子含有S元素，而P元素几乎都存在于DNA分子中；④ T2噬菌体是一种专门寄生于大肠杆菌体内的病毒；⑤ T2噬菌体能够特异性地吸附在大肠杆菌的表面；⑥ 相比较而言，T2噬菌体的密度小，大肠杆菌的密度大；⑦ T2噬菌体借助于大肠杆菌增殖一代所用的时间等。

这些琐碎的知识构成了赫尔希和蔡斯设计噬菌体侵染大肠杆菌实验的实验原理。学生如何利用这些知识，理解该实验的假设与预期呢？

根据实验原理中的第①、②条，可推测“噬菌体侵染大肠杆菌”的方式存在着3种可能性的假设：① 只有蛋白质注入大肠杆菌细胞内；② 只有DNA注入大肠杆菌细胞内；③ 蛋白质和DNA都注入大肠杆菌细胞内。

每一种假设都会有一种特定的预期结果，上述3种假设所对应的预期结果分别是什么呢？需要思考：采用哪种实验方法与步骤，才能将蛋白质和DNA区分开！

2 方法与步骤

2.1 标记

蛋白质和DNA都非常微小，是肉眼看不到的分子。怎样对它们进行追踪呢？

根据实验原理中的第③条，不难推测，可采用放射性同位素标记法，利用35S标记蛋白质，利用32P标记DNA，分别对蛋白质和DNA进行追踪。

事实上，除了S和P之外，蛋白质和DNA还都含有C、H、O、N等元素，标记这些元素可以吗？如果标记的是蛋白质和DNA共有的元素，是无法将蛋白质和DNA分子区分开的，无法弄清楚到底是哪种物质侵染了大肠杆菌，因此只能标记它们特有的元素。

那么，是对噬菌体的蛋白质和DNA进行“同时”标记，还是将噬菌体分为两组，一组标记蛋白质，另一组标记DNA，也就是“分别”进行标记呢？其实，这与同位素的放射性自显影技术有关。由于该技术仅能检测到元素放射性的强弱，而无法分辨是何种元素的放射性，所以，只能是对噬菌体的成分“分别”进行标记。

2.2 培养

明确了是“同时”，还是“分别”标记噬菌体的不同成分后，随之带来的问题：怎么标记？是“直接”标记噬菌体，还是“间接”标记噬菌体？根据实验原理中的第④条，噬菌体直接在培养基上是不能够存活并增殖的，只有寄生在宿主细胞——大肠杆菌体内，利用大肠杆菌的物质来合成子代噬菌体。因此若想对噬菌体中的成分进行标记，就得先标记大肠杆菌，通过亲代噬菌体的侵染增殖，从而使释放出的子代噬菌体带上标记，即只能够通过“间接”的方式来培养并标记噬菌体。不仅如此，在进行实验时，还要用已标记好的噬菌体去侵染未被标记的大肠杆菌才能得到实验结果。这是因为如果大肠杆菌也被做了标记，就分不清是哪种物质在发挥遗传作用了。

2.3 离心

用标记的噬菌体侵染未标记的大肠杆菌时，要不断地“搅拌”（为方便实验误差分析，将搅拌的目的放在4.1中分析）试管中的大肠杆菌培养液，使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离。但是即使两者已经分离开，还是共同存在于大肠杆菌溶液当中，依然无法区分是大肠杆菌中含有放射性，还是周围的溶液中具有放射性。这个问题要如何解决？可从实验原理中的第⑥条得到启示，如果将噬菌体与大肠杆菌混合培养液放到试管中，根据两者密度的不同，经过离心处理，必然使密度大的大肠杆菌沉淀到试管下部，形成沉淀物，而密度较小的噬菌体则会分布在试管上部的上清液中，从而达到区分两者的目的。

3 结果与结论

3.1 讨论

对噬菌体侵染细菌实验的结果预测见表1。

分析：

（1） 若出现第一组现象，则说明“原理与假设”中第一种假设“只注入蛋白质”成立，进一步说明T2噬菌体的两大组分中蛋白质是遗传物质；

（2） 若出现第二组现象，则说明“原理与假设”中第二种假设“只注入DNA”成立，进一步说明T2噬菌体的两大组分中DNA是遗传物质；

（3） 若出现第三组现象，则说明“原理与假设”中第三种假设“同时注入蛋白质和DNA”成立，进一步说明不能判断T2噬菌体的两大组分中谁是遗传物质。

3.2 实验的真实情况

（1） 结果：用35S标记的一组感染实验，放射性同位素主要分布在上清液中；用32P标记的一组实验，放射性同位素主要分布在试管的沉淀物中。

（2） 结论：T2噬菌体的两大组分中是DNA进入大肠杆菌并指导噬菌体的增殖，对于T2噬菌体而言，DNA是它的遗传物质。

4 误差与分析

噬菌体侵染细菌实验的大致步骤包括：标记噬菌体（培养）→侵染未标记大肠杆菌→（保温）→（搅拌）→离心。

在实验步骤中，主要实验操作可能导致的实验误差。

4.1 搅拌

在3种可能性的假设中，蛋白质或DNA只有一种注入大肠杆菌的情况要予以特别考虑。

若只有一种物质注入，另一种没有注入，例如只有DNA注入大肠杆菌，而蛋白质没有注入，那么蛋白质可能以两种方式存在，一种是不与大肠杆菌结合的游离状态，另一种是结合在大肠杆菌表面的吸附状态。因此，需要考虑噬菌体中的某种成分未注入大肠杆菌细胞内，但吸附在了大肠杆菌表面的情况。若使该种成分与大肠杆菌脱离，则需要搅拌处理。事实上，实验原理第⑤条已说明了噬菌体的确可以吸附在大肠杆菌的表面。这就帮助解释了，为何理论上用35S标记的一组实验，放射性同位素只分布在上清液中，而事实上，在沉淀物中也有较低的放射性。其原因就在于搅拌不充分，有少量被35S标记的噬菌体（或者仅仅只是其蛋白质外壳）仍然还吸附在细菌的表面，随细菌一起沉淀下去。

4.2 保温

噬菌体侵染细菌的过程需要在适宜的温度条件下进行，这是因为生命在代谢的过程中，酶要保持一定的活性，才能保证噬菌体在宿主细胞内有效增殖。实验原理第⑦条也显示，保温的时间长短是一个重要的实验影响因素。换句话说，保温时间的长短会对实验结果产生极大的影响。这可以帮助解释为何理论上用32P标记的一组实验，放射性同位素只分布在试管的沉淀物中，而事实上，试管的上清液中也有较低的放射性。这是因为如果保温时间过短，则被标记的噬菌体就不足以全部侵染大肠杆菌体，还会有一部分噬菌体没有侵入大肠杆菌体内。当然，也有可能是保温时间过长，部分大肠杆菌裂解释放出了子代噬菌体。这两种情况都可能导致本不该出现放射性的上清液中也有了放射性。

参考文献：

[1] 孟德尔等.遗传学经典文选[M].北京：北京大学出版社，2012：149-163.

[2] 张玉明.噬菌体侵染细菌实验的教学设计[J].生物学通报，2012（7）：34-35.