對“DNA是主要的遺傳物質”一節的有關問題解析

陸 修

(安徽省滁州市第二中學 239000)

人教版高中生物學教材《遺傳與進化》在“DNA是主要的遺傳物質”一節通過幾個經典實驗介紹了遺傳物質是如何被發現的，但學生對科學家在這些實驗中的設計思路和操作過程較難理解，為此，本文將有關問題分析如下：

(1)格里菲思在肺炎雙球菌體內轉化實驗中，獲得S型細菌體內有轉化因子這一結論的關鍵步驟：將R型活細菌與加熱殺死的S型細菌混合后注射到小鼠體內，引起小鼠死亡，從其尸體內分離出S型活細菌。

(2)加熱殺死的S型細菌引起R型細菌轉化的原因：加熱殺死的S型細菌其蛋白質變性失活，但DNA在加熱過程中雙螺旋解開、氫鍵斷裂，緩慢冷卻時其堿基對之間的氫鍵自動形成，DNA雙螺旋結構恢復。轉化的實質是S型細菌中決定莢膜的基因片段整合到了R型細菌的DNA中，即實現了基因重組。

(3)艾弗里在肺炎雙球菌體外轉化實驗中用DNA水解酶處理S型細菌的DNA后，再加入到培養了R型細菌的培養基中的原因：為了排除轉化因子是DNA分子而不是DNA的基本單位脫氧核苷酸或其他化學成分及雜質，因為當DNA被水解后，R型細菌就不能轉化為S型細菌，從而進一步說明有轉化作用的是DNA分子而非其他物質。

(4)赫爾希和蔡斯用T2噬菌體做為實驗材料的原因：T2噬菌體是一種專門寄生在大腸桿菌體內的病毒，結構簡單，它的頭部和尾部的外殼都由蛋白質構成，頭部含有DNA。由于只含有蛋白質和DNA，所以遺傳物質不是DNA就是蛋白質。

(5)T2噬菌體侵染特點及過程：T2噬菌體侵染大腸桿菌后，會在自身遺傳物質的作用下，利用大腸桿菌體內的物質合成自身的組成成分，進行大量增殖。當噬菌體增殖到一定數量后，大腸桿菌裂解，釋放出大量的子代噬菌體。噬菌體侵染大腸桿菌需經過吸附→注入DNA(蛋白質外殼留在外面)→生物合成(噬菌體DNA的復制和蛋白質的合成) →組裝(噬菌體DNA和蛋白質外殼組合)→子代釋放等5個過程。赫爾希和蔡斯的實驗是為了證明，究竟是噬菌體的DNA還是蛋白質進入大腸桿菌，最終控制合成新的子代噬菌體的。

(6)不在含35S和32P的培養基中直接培養T2噬菌體的原因：由于病毒必須寄生在活體細胞中才能擴增，因此無法將T2噬菌體直接在培養基中培養。所以赫爾希和蔡斯先在分別含有35S和32P的培養基中培養大腸桿菌，再用上述大腸桿菌培養T2噬菌體，得到蛋白質被35S標記和DNA被32P標記的兩種噬菌體。

(7)用35S和32P作為標記元素的原因：因為S僅存在于蛋白質中，而P幾乎都存在于DNA中，用35S和32P作為標記元素可將蛋白質和DNA分開，在其侵染未標記的細菌時可單獨觀察蛋白質和DNA的作用。如果用C、H、O、N等作為標記元素，則噬菌體蛋白質和DNA均有放射性，從而無法將蛋白質和DNA分開。

(8)T2噬菌體侵染細菌實驗中攪拌和離心的目的：攪拌是讓T2噬菌體或T2噬菌體的蛋白質外殼與大腸桿菌的細胞分離，離心是讓比重不同T2噬菌體或T2噬菌體的蛋白質外殼與大腸桿菌分層，從而確定放射性物質主要在上清液中還是在沉淀物中。如果不攪拌或攪拌不夠充分，離心后T2噬菌體的蛋白質外殼將會隨著大腸桿菌沉淀下去，那么35S標記的實驗中沉淀物中將會出現較多的放射性，從而無法說明蛋白質沒有進入大腸桿菌。

(9)T2噬菌體侵染細菌實驗中上清液和沉淀物中都有放射性的原因：赫爾希和蔡斯分別用35S和32P標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌，理論上，用35S標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，上清液具有很高的放射性，下層沉淀物中不含放射性。用32P標記的噬菌體侵染大腸桿菌后，理論上，上清液中不含放射性，下層沉淀物中具有很高的放射性。而實際上，實驗結果顯示：用35S標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，在離心的下層沉淀物中，具有一定的放射性，而上清液中的放射性強度比理論值略低；用32P標記的T2噬菌體侵染大腸桿菌后，在離心的上層清液中，具有一定的放射性，而下層沉淀物中的放射性強度比理論值略低。為什么會出現這種情況呢：①用35S標記的噬菌體侵染大腸桿菌，沉淀物中也有少量放射性的原因是由于攪拌不充分，有少量35S的噬菌體蛋白質外殼吸附在細菌表面，隨細菌離心到沉淀物中，使沉淀物中出現少量的放射性。②用32P標記的噬菌體侵染大腸桿菌，上清液中有少量放射性的原因是保溫時間過短，部分噬菌體沒有侵染到大腸桿菌細胞內，經離心后分布于上清液中，使上清液出現放射性；保溫時間過長，噬菌體在大腸桿菌內增殖后釋放子代，經離心后分布于上清液中，也會使上清液的放射性含量升高。因此，在用32P標記的噬菌體侵染實驗中，要嚴格控制噬菌體和大腸桿菌混合培養后到離心分離的時間，時間過短未充分侵染；時間過長則侵染進入大腸桿菌細胞內的噬菌體增殖產生的子代噬菌體會釋放出來，使實驗誤差增大，故嚴格控制好時間是減小此實驗誤差的關鍵因素之一。此外，攪拌過程可能會導致部分大腸桿菌破裂，釋放出32P標記的DNA或子代噬菌體。

(10)35S和32P標記的噬菌體侵染細菌的實驗都要做的原因：如果只做35S 標記的噬菌體侵染細菌這一組實驗而不做32P標記的那一組，或者只做32P標記的噬菌體侵染細菌這一組實驗而不做35S標記的那一組，就無法知道32P標記的實驗結果與35S 標記實驗結果是不相同的事實，因此便不能作出在侵染過程DNA與蛋白質的作用是不同的判斷，也即不能得出DNA是遺傳物質而蛋白質則不是的結論。

(11)噬菌體侵染細菌實驗中放射性元素的去向：若用35S和32P標記噬菌體而宿主細胞未被標記，只在部分子代噬菌體的核酸中有32P標記；若用C、H、O、N等標記噬菌體而宿主細胞未被標記，則只在部分子代噬菌體的核酸中有C、H、O、N標記元素。因為蛋白質不進入宿主細胞，而DNA是半保留復制，在親子代之間有連續性。

若用32P和35S同時標記宿主細胞而噬菌體未被標記，則在子代病毒的核酸和蛋白質外殼中均有標記元素；若用C、H、O、N等標記宿主細胞而噬菌體未被標記，則在子代噬菌體的核酸和蛋白質外殼中均可找到標記元素。因為子代噬菌體的蛋白質和DNA是利用宿主細胞中的氨基酸和脫氧核苷酸合成的。若用32p標記宿主細胞而噬菌體未被標記，則只在子代病毒的核酸中有標記而蛋白質中沒有；若用35S標記宿主細胞而噬菌體未被標記，則只在子代病毒的蛋白質中有標記而核酸中沒有，因為S只存在于蛋白質中，而P存在于DNA中。

(12)DNA是主要的遺傳物質的原因：艾弗里的肺炎雙球菌體外轉化實驗和赫爾希、蔡斯的T2噬菌體侵染細菌實驗都證明了DNA是遺傳物質，后來的煙草花葉病毒感染和重建實驗證明RNA是遺傳物質。由于原核生物和真核生物均含有DNA和RNA兩種核酸，其遺傳物質是DNA；病毒沒有細胞結構，只有一種核酸(DNA病毒、RNA病毒)，其絕大部分病毒遺傳物質是DNA，少數病毒遺傳物質是RNA。所以說，DNA是主要的遺傳物質。