浅析噬菌体侵染细菌的实验

2020-01-07程丽萍

科学咨询 2020年2期

程丽萍

(山西省翼城中学校山西翼城 043500)

“噬菌体侵染细菌的实验”是证明“DNA是遗传物质”的经典实验。通过对这个实验的学习，学生不仅要认识到DNA是T2噬菌体的遗传物质，更重要的是要学会科学家设计此实验的原理和方法。然而，在实际教学中，这一实验对学生来说是一个不太好突破的难点。针对学生的这种情况，我在教学中尝试从以下几方面对实验进行了剖析，以帮助学生更好的学习和理解。

一、实验材料的选择

艾弗里等人的实验受到了质疑。要能更严谨、更有说服力地证明“DNA是遗传物质”，我们需要更好的实验材料来替代。同时，所选择的材料最好能自然地将蛋白质与DNA彻底分开。那么，什么才是这样的好材料呢？

1969年，诺贝尔生理学和医学奖授予了三位遗传学家，他们是德尔布吕克、卢里亚和赫尔希，表彰“他们利用噬菌体作为实验材料，发现病毒的复制机制和基本结构”。由此看来，赫尔希和蔡斯在设计此实验之前，已对T2噬菌体和大肠杆菌有了一些了解，其中包括：1.T2噬菌体只有蛋白质与DNA两种化合物组成；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.相比较而言，T2噬菌体密度小，大肠杆菌密度大；5.T2噬菌体借助大肠杆菌增殖一代所用的时间等。这些事实说明，噬菌体和它的宿主大肠杆菌正是这样的好材料。[1]

二、实验的目的

本实验的目的是要证明侵入细菌的只有噬菌体的DNA而没有蛋白质。根据赫尔希和蔡斯选择的实验材料，我们就可以借助DNA和蛋白质的进入和不进入将他们分开。然而，这同时也会遇到以下的困难：1.怎样能看到DNA和蛋白质分开了？2.怎样将没进去的蛋白质与大肠杆菌脱离，脱离后如何分开？3.进入的DNA会不会出来，要是能出来，会不会影响实验观察？4.观察到什么现象才能证明侵入细菌的只有噬菌体的DNA。

三、实验难题的解决

通过对实验的分析，我们发现赫尔希和蔡斯巧妙地解决了实验中的一个个难题。第一，他们使用同位素标记法，用35S、32P分别标记蛋白质和DNA，让我们追踪到了它们的行踪；第二，充分的搅拌。他们利用搅拌的方法将吸附在大肠杆菌表面的噬菌体蛋白质外壳与其分离，再利用噬菌体外壳轻而大肠杆菌重的特点，用离心的方法将它们分开；第三，他们控制好了保温时间。噬菌体的增殖周期可分为“吸附→侵入→复制→装配→裂解”五个阶段。如果控制保温时间在侵入后、裂解前，就解决了DNA释放出来后影响实验观察的问题；第四，从理论上讲，他们用35S标记蛋白质时，上清液应检测到放射性，沉淀物没有；用32P标记DNA时，沉淀物应检测到放射性，上清液没有，这就可以证明只有噬菌体DNA侵入了大肠杆菌。

四、实验结果的分析

1.仅用32P标记噬菌体的DNA，侵染细菌后搅拌离心，实验结果为离心管下层放射性较强，说明噬菌体的DNA已经进入细菌体内了。上层的上清液中也有较弱的放射性，应该怎么解释呢？

有3个可能的原因：(1)噬菌体侵染细菌需要一个过程，有些噬菌体还没有来得及侵入就已经搅拌离心了，这些没有来得及侵入的噬菌体存在于上清液中；(2)噬菌体最开始侵入的细菌如果已经解体，释放出来的子代噬菌体会存在于上清液中；(3)T2噬菌体的化学成分中，99%的磷元素存在于DNA分子中，可能是另外1%的磷使上清液显示出很弱的放射性。

因此，该实验必须把握好侵染时间。侵染时间过短会有许多噬菌体没来得及侵入细菌，而侵染时间过长会有释放出来的子代噬菌体，这两种情况都会干扰实验结果。

2.仅用35S标记噬菌体外壳，侵染细菌后搅拌离心，实验结果为离心管上层放射性较强，说明噬菌体的蛋白质外壳没有进入细菌体内。然而，下层沉淀物中也有较弱放射性，应该如何解释呢？

硫元素仅存在于蛋白质中。因此，最可能的原因是搅拌不彻底，会导致部分吸附的噬菌体外壳没有脱落下来就离心了。因此，这少量的外壳会存在于沉淀物中。