还原那些被“误解”的生物学经典实验

蒋沂蒙　王永田

摘要 就人教版教材中鲁宾和卡门的光合作用实验、摩尔根的果蝇杂交实验和艾弗里肺炎双球菌体外转化实验在教学中常遇到的“误解”进行辨析。

关键词 高中生物 经典实验 教材

中图分类号 Q-49 文献标志码 E

经典实验不仅提供了科学史实，还为学生学科素养和价值观的培养提供了生动的教育资源。充分挖掘经典实验的教育价值是高中生物教学的重要内容。科学家的实验过程总是复杂而漫长的，但由于受编写篇幅、侧重点等原因的限制，教材对科学史过程没法详细表述，容易使教师和学生因为信息不足而产生疑问或误解。下面就几个常见的经典实验的“疑问”进行辨析。

1鲁宾和卡门的光合作用实验

1.1“误解”的产生

人教版高中生物《必修1.分子与细胞》第102页在介绍鲁宾和卡门的光合作用实验时提到：“他们用氧的同位素180分别标记H₂O和CO₂，使它们分别成为H₂¹⁸O和C¹⁸O₂”，然后分别向两组同种植物提供CO、H₂¹⁸O，和C¹⁸O₂、H₂O“在其他条件都相同的条件下，他们分析了两组实验释放的氧气”，得出了结论。在此，教材并没有具体讲明“他们如何分析氧气”。随后，教材介绍了“同位素标记法”：“同位素标记法：同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。用同位素标记的化合物，化学性质不会变化。科学家通过追踪同位素标记的化合物，可以弄清化学反应的详细过程。这种方法叫做同位素标记法。”紧接着，是对卡尔文循环实验的叙述：“用¹⁴C标记¹⁴CO₂，供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性。”这样，学生很容易将180、“C与“放射性同位素”的日常经验联系起来，于是就造成误解：is0是氧的同位素，所以也有放射性。甚至一些老师也有此误解，编制的一些题目中会出现“检测¹⁸O放射性”的错误。

1.2“误解”的辨析

同位素有放射性同位素和稳定性同位素，¹⁸O、¹³C、¹⁵N等许多同位素都不具有放射性。放射性同位素可以被核探测器检测到特征射线，从而被追踪到位置、数量及其转变等。稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪、气相层析仪、核磁共振等质量分析仪器也可以测定。所以，稳定性同位素也可作为示踪剂。

鲁宾和卡门实验的确使用了同位素标记法，但是他们只是制备了含有少量同位素¹⁸O的水和碳酸氢盐，其中碳酸氢盐分解能产生二氧化碳。在适宜光照下，他们给3组小球藻提供含有不同比率180的水和碳酸氢盐，一段时间后检测光合产物氧气中含¹⁸O的比率（具体过程和结果见表1），发现氧气中含¹⁸O的比率与水中¹⁸O比率一致，与碳酸氢盐（即二氧化碳）中¹⁸O比率不一致，从而得出“光合作用产生的氧来源于水”的结论。由此可见，鲁宾和卡门并不是通过光合作用产生的氧气是¹⁶O还是¹⁸O来判断来源，而是利用氧气中¹⁸O含量和水一致还是和碳酸氢盐一致得出的结论。

2摩尔根的果蝇杂交实验

2.1“误解”的产生

人教版高中生物《必修2·遗传与进化》第29页中提到：摩尔根用偶然出现的白眼雄果蝇和野生红眼雌果蝇做杂交实验，发现“就果蝇红眼与白眼这一对相对性状来看，F₁全是红眼，F₂红眼和白眼之间的数量比是3：1。这样的遗传表现符合分离定律，表明果蝇的红眼和白眼是受一对等位基因控制的。所不同的是白眼性状的表现，总是与性别相联系。”……他们猜测“控制白眼的基因在X染色体上，而Y染色体上不含有它的等位基因”“后来他们又通过测交等方法，进一步验证了这种解释”。这段描述让很多教师将测交实验作为证明白眼和红眼基因仅在X染色体上的依据。然而由于实验选用了白眼雄果蝇，白眼和红眼基因在x染色体的同源区段上，此实验杂交和测交实验的结果与“白眼和红眼基因仅在X染色体上”是一样的。

2.2“误解”的辨析

事实是，摩尔根为了证明“白眼基因仅在x染色体上”假设，又设计了三个新实验。

①根据假设，子二代雌蝇虽然都是红眼，但基因型有两种，半数是X^BX^B，半数是X^BX^b，所以它与白眼雄蝇交配时，半数产生的子代全部是红眼，半数则产生的子代是1/4红眼雌蝇，1/4白眼雌蝇、1/4红眼雄蝇和1/4白眼雄蝇。

②根據假设，白眼雌蝇与野生红眼雄蝇交配时，子代中雌蝇都是红眼，雄蝇都是白眼。

③根据假设，白眼雌蝇和白眼雄蝇交配时，子代不管雌雄都是白眼，而且以后也能真实遗传，成为稳定的品系。

其中，第二个实验最为关键，可以排除基因在同源区段的假设。这样摩尔根才把红眼和白眼基因定在X染色体上。

3艾弗里肺炎双球菌体外转化实验

3.1“误解”的产生

人教版高中生物《必修2·遗传与进化》第43页，对艾弗里转化实验的描述中提到：“艾弗里和其同事对S型细菌中物质进行了提纯和鉴定。他们将提取的DNA、蛋白质和多糖等物质分别加入培养了R型细菌的培养基中，结果发现：加入DNA，R型细菌才能够转化为S型细菌，并且DNA的纯度越高，转化就越有效；如果用DNA酶分解从S型活细菌中提取的DNA，就不能使R型细菌发生转化。”这会使学生认为，艾弗里体外转化实验主要是将不同物质提纯，分别进行转化实验来确定转化因子。

3.2“误解”的辨析

1944年，艾弗里等人发表的论文中提到的实验思路是：从S型活细菌粗提取液中分离、纯化有活性的转化因子，并鉴定转化因子的性质或者归入已知道的化学物质类型；然后用化学或酶方法去除有转化能力提取液的某种成分，再检测去除该提取液是否仍具有转化能力。如果去除某成分后的提取液能起到转化作用，则去除成分不是转化因子；反之，去除成分则是转化因子。

通过这种方法，艾弗里等人在1943年，从S型菌中分离出具有活性的“转化因子”，并鉴定出该物质为“一种高聚合的、黏性的脱氧核糖核酸的钠盐”。1946年，他们发现此“转化因子”用DNA酶处理后不再具有转化活性，从而确认“转化因子”为DNA。由此可见，艾弗里体外转化实验的主要思路不是“将各种物质提纯，分别检测其作用”，而是“通过检测和分解S型细菌提取液的不同物质，检测能否转化R型细菌”。其实验过程更加严谨科学。

教材对科学史简洁的表述，可能会给使用者留下一些疑问。作为教材的使用者，教师应该有对疑问锲而不舍的探究精神，对实验过程追根溯源，从而更全面准确地理解科学的发展。