论“证明DNA是遗传物质”两大实验中的疑问

近几年，有关艾弗里的肺炎双球菌的体外转化实验和噬菌体侵染细菌实验中的疑问，讨论声一直不断。下面，笔者针对其中仍然存在的几个问题说一说自己的观点。

1.2019年人教版高中生物必修二教材中，艾弗里的肺炎双球菌的转化实验，为什么没有设置添加多糖酶的实验组？

新版必修二教材，已经对艾弗里的肺炎双球菌的体外转化实验进行了重新编写，恢复了该实验的真实面貌；并且配以简明、精确的实验插图，让学生迅速并能充分理解实验的过程及其结论。教材对这个实验的描述大致是：艾弗里和他的同事将加热致死的S型细菌破碎后，设法去除大部分糖类、蛋白质和脂质，制成了细胞提取物；将细胞提取物与R型菌混合培养后，出现了S型菌；然后在细胞提取物中，分别加入蛋白酶(或RNA酶、酯酶)作为该实验的第二(三、四)组，结果细胞提取物仍然具有转化活性。这里唯独没有提到加入荚膜多糖酶，难道是剩余少量的多糖对实验没有影响？或者是艾弗里的实验只是为了解决DNA或蛋白质是遗传物质，没必要再对荚膜多糖进行实验？1939年，艾弗里实验室的阿洛维斯研究发现，将S型细菌破碎后得到无细胞提取液也能成功转化R型菌。在无细胞提取液中加入酒精后，观察到糖浆状的固态沉淀物。有文章指出是因为多糖不能用酒精沉淀，所以没有必要再进行转化检测。而在张丽萍教授等主编的《生物化学简明教程》中明确指出：多糖提取物一般先用乙醇进行反复沉淀除去一部分极性小的杂质，再将沉淀得到的粗多糖进行脱色和去除蛋白质。回顾艾弗里的原文发现，他对转化物质的提取鉴定实验中，先用盐水洗涤加热杀死的S型菌，除去大部分的荚膜多糖、蛋白质和核糖核酸，接下来的处理中也用到酒精沉淀，之后加入一种纯化的细菌酶制剂水解荚膜多糖，再用血清学分析试验确定荚膜多糖的破坏程度，最后又进一步的纯化之后，才做的酶学分析、定性化学试验等。

2.赫尔希和蔡斯在做“噬菌体侵染细菌实验”之前，对噬菌体具体的侵染过程清楚吗？在实验过程中，将标记的噬菌体与细菌混合后，“经过短时间的保温”这个具体的时间又是如何确定的？

经多次查找资料发现：当时的科学背景是，科学家已经了解到T2噬菌体是一种能感染并摧毁大肠杆菌的病毒。侵染细菌时，将其遗传物质注入大肠杆菌后指导新病毒的形成，而病毒的外壳仍然留在细菌外。一段时间后，被感染的大肠杆菌就会破裂释放出成千上万的子代病毒。T2噬菌体只含有DNA和蛋白质两种分子，所以他们只要搞清楚进入细菌的是病毒的蛋白质还是病毒的DNA，就能确定哪一种物质才是其真正的遗传物质。教材中对这部分内容的描述是：T2噬菌体侵染大肠杆菌后，就会在自身遗传物质的作用下，利用大肠杆菌体内的物质来合成自身的组成成分进行大量增殖。部分教师由于对这段科学史的不了解和对教材内容的误解，在授课时先向学生讲解了噬菌体的具体侵染过程，导致学生认为“噬菌体侵染细菌实验”——这个在科学史上具有里程碑式的实验，没必要做。

教材中提到的“经短时间的保温”的具体时间，在1939年就被一位德国噬菌体学派创始人给出了答案。他经过分析噬菌体的一步生长曲线发现：T2噬菌体从感染细菌到细菌释放子代噬菌体的这段时间是20min。笔者建议教材在编写时，对“短时间的保温”应给出一个合理的解释或注解。这样既可以避免在教学过程中出现没有必要的争端，又可以让学生了解科学研究的发现史，从而真正理解科学家的思路和方法。

3.“艾弗里的肺炎双球菌转化实验”与“噬菌体侵染细菌实验”是递进关系吗？

有不少资料和文章表明二者是递进关系，认为证明DNA是遗传物质，噬菌体侵染细菌实验更具有说服力。对于这种观点，笔者不认同。2004版教材中这样描述：“1952年，赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料，利用放射性同位素标记的新技术，完成了另一个更具有说服力的实验。”而2019版新教材已经改为：“1952年，美国遗传学家赫尔希和他的助手蔡斯以T2噬菌体为实验材料，利用放射性同位素标记技术，完成了另一个有说服力的实验。”稍稍几个字的变动，已看出端倪，教材编写的专家们已经否定了二者的递进关系，承认了两者在“证明DNA是遗传物质”的地位上是相同的。人们对艾弗里实验的质疑，源于他分离纯化的转化因子中尚含有极微量的蛋白质(原文中的描述是：通过血清学方法在1:50000的稀释液中，检测到肺炎双球菌蛋白)。再翻开赫尔希当年那篇轰动世界的文章，在最后“总结”部分的第六点指出：用放射性S标记的噬菌体，感染细菌所产生的子代噬菌体的放射性不到亲本的1%；用放射性P标记的噬菌体，产生的后代可以获得30%或更多的亲代P。从这里可以看出，噬菌体侵染细菌实验也并没有完全排除蛋白质的影响。另根据赫尔希和蔡斯的实验数据看到，大约30%的35S留在了细菌外表面，剩下35S的去向没有给出合理的解释；大约30%的亲代32P出现在子代噬菌体的DNA中，剩下70%32P的去向呢？还有噬菌体蛋白质约有10%是不含S，无法被35S标记，如何证明这些蛋白质没有发挥遗传物质的作用呢？虽然赫尔希和蔡斯用同位素标记技术直观地演示了噬菌体遗传信息的传递过程，但是对数据的分析论证上存在明显的漏洞。此时再看艾弗里的“总结”部分：“对分离纯化的转化物质进行化学分析、酶分析、结合电泳的血清学分析、超速离心法和紫外线光谱法的研究数据均表明不含蛋白质、脂质或多糖，主要为脱氧核糖核酸。”是不是觉得当时对艾弗里的实验提出质疑的科学家吹毛求疵？

两篇文章均有瑕疵，为什么会受到截然不同的两种待遇？回顾那段科学研究历史，不难发现是因为二者所处的学术背景不同，人们对DNA认识程度的差异导致的。艾弗里的文章发表时，有关核酸组成的“四核苷酸假说”正统治人们的思想；而到了赫尔希的文章出世时，人们已经拿到高质量的DNA衍射图谱，并得知在DNA分子中腺嘌呤的量总是等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量总是等于胞嘧啶的量和不同物种中的DNA碱基组成比例不同，从而否定了列文提出的统治人们思想长达30年的“四核苷酸假说”。

透过枯燥的知识和冰冷的实验现象，让学生看到这些实验背后科学家对科学知识的渴求，十年如一日的坚持，兢兢业业、淡泊名利的精神，这样才能促进生物学学科核心素养的达成。正如2017版的《普通高中生物学课程标准》所说：“科学是一个发展的过程。学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的思路和方法，学习科学家献身科学的精神，这对提高学生的生物学学科核心素养是很有意义的。”