对“DNA是主要的遗传物质”一节的有关问题解析

陆 修

(安徽省滁州市第二中学 239000)

人教版高中生物学教材《遗传与进化》在“DNA是主要的遗传物质”一节通过几个经典实验介绍了遗传物质是如何被发现的，但学生对科学家在这些实验中的设计思路和操作过程较难理解，为此，本文将有关问题分析如下：

(1)格里菲思在肺炎双球菌体内转化实验中，获得S型细菌体内有转化因子这一结论的关键步骤：将R型活细菌与加热杀死的S型细菌混合后注射到小鼠体内，引起小鼠死亡，从其尸体内分离出S型活细菌。

(2)加热杀死的S型细菌引起R型细菌转化的原因：加热杀死的S型细菌其蛋白质变性失活，但DNA在加热过程中双螺旋解开、氢键断裂，缓慢冷却时其碱基对之间的氢键自动形成，DNA双螺旋结构恢复。转化的实质是S型细菌中决定荚膜的基因片段整合到了R型细菌的DNA中，即实现了基因重组。

(3)艾弗里在肺炎双球菌体外转化实验中用DNA水解酶处理S型细菌的DNA后，再加入到培养了R型细菌的培养基中的原因：为了排除转化因子是DNA分子而不是DNA的基本单位脱氧核苷酸或其他化学成分及杂质，因为当DNA被水解后，R型细菌就不能转化为S型细菌，从而进一步说明有转化作用的是DNA分子而非其他物质。

(4)赫尔希和蔡斯用T2噬菌体做为实验材料的原因：T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒，结构简单，它的头部和尾部的外壳都由蛋白质构成，头部含有DNA。由于只含有蛋白质和DNA，所以遗传物质不是DNA就是蛋白质。

(5)T2噬菌体侵染特点及过程：T2噬菌体侵染大肠杆菌后，会在自身遗传物质的作用下，利用大肠杆菌体内的物质合成自身的组成成分，进行大量增殖。当噬菌体增殖到一定数量后，大肠杆菌裂解，释放出大量的子代噬菌体。噬菌体侵染大肠杆菌需经过吸附→注入DNA(蛋白质外壳留在外面)→生物合成(噬菌体DNA的复制和蛋白质的合成) →组装(噬菌体DNA和蛋白质外壳组合)→子代释放等5个过程。赫尔希和蔡斯的实验是为了证明，究竟是噬菌体的DNA还是蛋白质进入大肠杆菌，最终控制合成新的子代噬菌体的。

(6)不在含35S和32P的培养基中直接培养T2噬菌体的原因：由于病毒必须寄生在活体细胞中才能扩增，因此无法将T2噬菌体直接在培养基中培养。所以赫尔希和蔡斯先在分别含有35S和32P的培养基中培养大肠杆菌，再用上述大肠杆菌培养T2噬菌体，得到蛋白质被35S标记和DNA被32P标记的两种噬菌体。

(7)用35S和32P作为标记元素的原因：因为S仅存在于蛋白质中，而P几乎都存在于DNA中，用35S和32P作为标记元素可将蛋白质和DNA分开，在其侵染未标记的细菌时可单独观察蛋白质和DNA的作用。如果用C、H、O、N等作为标记元素，则噬菌体蛋白质和DNA均有放射性，从而无法将蛋白质和DNA分开。

(8)T2噬菌体侵染细菌实验中搅拌和离心的目的：搅拌是让T2噬菌体或T2噬菌体的蛋白质外壳与大肠杆菌的细胞分离，离心是让比重不同T2噬菌体或T2噬菌体的蛋白质外壳与大肠杆菌分层，从而确定放射性物质主要在上清液中还是在沉淀物中。如果不搅拌或搅拌不够充分，离心后T2噬菌体的蛋白质外壳将会随着大肠杆菌沉淀下去，那么35S标记的实验中沉淀物中将会出现较多的放射性，从而无法说明蛋白质没有进入大肠杆菌。

(9)T2噬菌体侵染细菌实验中上清液和沉淀物中都有放射性的原因：赫尔希和蔡斯分别用35S和32P标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌，理论上，用35S标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌后，上清液具有很高的放射性，下层沉淀物中不含放射性。用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌后，理论上，上清液中不含放射性，下层沉淀物中具有很高的放射性。而实际上，实验结果显示：用35S标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌后，在离心的下层沉淀物中，具有一定的放射性，而上清液中的放射性强度比理论值略低；用32P标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌后，在离心的上层清液中，具有一定的放射性，而下层沉淀物中的放射性强度比理论值略低。为什么会出现这种情况呢：①用35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌，沉淀物中也有少量放射性的原因是由于搅拌不充分，有少量35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在细菌表面，随细菌离心到沉淀物中，使沉淀物中出现少量的放射性。②用32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌，上清液中有少量放射性的原因是保温时间过短，部分噬菌体没有侵染到大肠杆菌细胞内，经离心后分布于上清液中，使上清液出现放射性；保温时间过长，噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放子代，经离心后分布于上清液中，也会使上清液的放射性含量升高。因此，在用32P标记的噬菌体侵染实验中，要严格控制噬菌体和大肠杆菌混合培养后到离心分离的时间，时间过短未充分侵染；时间过长则侵染进入大肠杆菌细胞内的噬菌体增殖产生的子代噬菌体会释放出来，使实验误差增大，故严格控制好时间是减小此实验误差的关键因素之一。此外，搅拌过程可能会导致部分大肠杆菌破裂，释放出32P标记的DNA或子代噬菌体。

(10)35S和32P标记的噬菌体侵染细菌的实验都要做的原因：如果只做35S 标记的噬菌体侵染细菌这一组实验而不做32P标记的那一组，或者只做32P标记的噬菌体侵染细菌这一组实验而不做35S标记的那一组，就无法知道32P标记的实验结果与35S 标记实验结果是不相同的事实，因此便不能作出在侵染过程DNA与蛋白质的作用是不同的判断，也即不能得出DNA是遗传物质而蛋白质则不是的结论。

(11)噬菌体侵染细菌实验中放射性元素的去向：若用35S和32P标记噬菌体而宿主细胞未被标记，只在部分子代噬菌体的核酸中有32P标记；若用C、H、O、N等标记噬菌体而宿主细胞未被标记，则只在部分子代噬菌体的核酸中有C、H、O、N标记元素。因为蛋白质不进入宿主细胞，而DNA是半保留复制，在亲子代之间有连续性。

若用32P和35S同时标记宿主细胞而噬菌体未被标记，则在子代病毒的核酸和蛋白质外壳中均有标记元素；若用C、H、O、N等标记宿主细胞而噬菌体未被标记，则在子代噬菌体的核酸和蛋白质外壳中均可找到标记元素。因为子代噬菌体的蛋白质和DNA是利用宿主细胞中的氨基酸和脱氧核苷酸合成的。若用32p标记宿主细胞而噬菌体未被标记，则只在子代病毒的核酸中有标记而蛋白质中没有；若用35S标记宿主细胞而噬菌体未被标记，则只在子代病毒的蛋白质中有标记而核酸中没有，因为S只存在于蛋白质中，而P存在于DNA中。

(12)DNA是主要的遗传物质的原因：艾弗里的肺炎双球菌体外转化实验和赫尔希、蔡斯的T2噬菌体侵染细菌实验都证明了DNA是遗传物质，后来的烟草花叶病毒感染和重建实验证明RNA是遗传物质。由于原核生物和真核生物均含有DNA和RNA两种核酸，其遗传物质是DNA；病毒没有细胞结构，只有一种核酸(DNA病毒、RNA病毒)，其绝大部分病毒遗传物质是DNA，少数病毒遗传物质是RNA。所以说，DNA是主要的遗传物质。