艾弗里、赫爾希實(shí)驗(yàn)及其效應(yīng)的科學(xué)邏輯探討

廖興建 周素英 ( 重慶市沙坪壩區(qū)教師進(jìn)修學(xué)院 重慶 400030； 重慶市教育科學(xué)研究院 重慶 400030)

科學(xué)思維，也稱科學(xué)推理或科學(xué)邏輯，是建立科學(xué)理論的一種研究方法。科學(xué)思維的培養(yǎng)離不開經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，其中又以艾弗里、赫爾希—蔡斯的實(shí)驗(yàn)及其效應(yīng)尤為特殊，其間不僅有諾貝爾獎的頒獎傳奇，更有史學(xué)家們事后的多樣演繹，是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維培養(yǎng)難得的素材。以這兩個實(shí)驗(yàn)及其效應(yīng)為例，結(jié)合教學(xué)中可能存在的一些偏差，探討了其中的科學(xué)邏輯。

1 艾弗里對轉(zhuǎn)化因子的探究采用的是排除法思維

排除法也叫淘汰法，是指引起某一現(xiàn)象的原因有多種可能，如果將假定的各種可能都加以一一排除，觀察某一現(xiàn)象不出現(xiàn)的那個排除因素，就是某一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

艾弗里的實(shí)驗(yàn)研究過程，據(jù)文獻(xiàn)考證是可信的[1]。艾弗里用于轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞提取物，是除去了Ⅲ型S細(xì)菌多糖和大部分蛋白質(zhì)的混合物。轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的第一步，Ⅲ型S細(xì)菌的細(xì)胞提取物轉(zhuǎn)化活的Ⅱ型R菌，能轉(zhuǎn)化。第二步，用不同的水解酶(脂酶、蛋白酶、RNA酶、DNA酶)分別除去里面的大分子物質(zhì)，觀察轉(zhuǎn)化結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)方法上看，與提純某些物質(zhì)來一一檢驗(yàn)相比，艾弗里的研究使用的“排除法”，能避免當(dāng)時已知物質(zhì)類別的限制，因?yàn)椤稗D(zhuǎn)化因子”有可能是一種未知的全新物質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明沒有新物質(zhì)！他們得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是： 被分解掉的DNA極可能就是有活性的轉(zhuǎn)化因子。第三步： 提純檢驗(yàn)轉(zhuǎn)化因子的理化特性： 與DNA分子的特性相似。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生，是否就可以確認(rèn)“DNA是遺傳物質(zhì)”呢？

2 艾弗里實(shí)驗(yàn)結(jié)論與“四核苷酸”假設(shè)沖突引發(fā)的質(zhì)疑推動了科學(xué)研究

艾弗里的論文一經(jīng)發(fā)表就立即引發(fā)了廣泛的質(zhì)疑。雖然質(zhì)疑集中在DNA的純度上，但問題的關(guān)鍵不在于質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)的哪一部分，而在于為什么要質(zhì)疑？質(zhì)疑的依據(jù)是什么？有兩個原因值得探討。

一是科學(xué)理論的建立，需要滿足兩個基本要求： 理論間的“無矛盾性”和經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)上的“可證偽性”[2]。艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與當(dāng)時流行的萊文的“四核苷酸”假設(shè)嚴(yán)重沖突： DNA是由四個不同核苷酸組成的小分子物質(zhì)！人們很難想象，結(jié)構(gòu)如此簡單的物質(zhì)怎能擔(dān)當(dāng)起遺傳物質(zhì)的重任？面對沖突，就連艾弗里自己都被實(shí)驗(yàn)結(jié)果給震驚了，在1944年《關(guān)于引起肺炎球菌發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究》論文中也“沒有明確指出DNA就是遺傳物質(zhì)”[3],而是謹(jǐn)慎地說：“當(dāng)然也有可能，這種物質(zhì)的生物學(xué)活性并不是核酸的一種遺傳特性，而是由于某些微量的其他物質(zhì)所造成，這些微量物質(zhì)或者吸附在它上面，或者與它密切結(jié)合在一起，因此檢測不出來[1]。”顯然，他引入了“輔助假設(shè)”，但仍對“DNA是遺傳物質(zhì)”留下懸念，“如果目前研究的結(jié)果能得到證實(shí)，那么就必須認(rèn)為核酸具有某種生物學(xué)的特異性，但這種特異性的化學(xué)基礎(chǔ)到目前還未能搞清[4]。”

那人們該相信誰呢？后來發(fā)生的生物學(xué)史正如預(yù)期： 這兩個實(shí)驗(yàn)結(jié)論都受到質(zhì)疑！在質(zhì)疑萊文“四核苷酸”假設(shè)方面，其中就有查蓋夫，他于1950年用實(shí)驗(yàn)證據(jù)徹底否定了“四核苷酸”假說，并指出DNA是比蛋白質(zhì)更大的分子。在質(zhì)疑艾弗里的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)方面，其中就有赫爾希、蔡斯，他們做了噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。

3 赫爾希—蔡斯實(shí)驗(yàn)應(yīng)按遺傳物質(zhì)的連續(xù)性來進(jìn)行科學(xué)分析

“T2在侵染細(xì)菌時，T2的DNA進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，外殼留在外邊。赫爾希和蔡斯用32P和35S分別標(biāo)記T2的DNA和蛋白質(zhì)，讓T2去侵染未標(biāo)記的大腸桿菌……根據(jù)兩組實(shí)驗(yàn)中上清液與沉淀物放射性大小的差異，證明遺傳物質(zhì)是DNA而非蛋白質(zhì)”，這樣的邏輯分析是直觀的，但卻是錯誤的。

如果“T2的DNA進(jìn)入細(xì)菌，外殼留在外邊”是完全已知的，那么用這個實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)“DNA是遺傳物質(zhì)”便是多余。反之，如果T2注入細(xì)菌的物質(zhì)是未知的，則根據(jù)上清液與沉淀物放射性的大小根本無法證偽蛋白質(zhì)的作用，與艾弗里的實(shí)驗(yàn)相比，更加地不準(zhǔn)確。

這個實(shí)驗(yàn)應(yīng)根據(jù)遺傳物質(zhì)的連續(xù)性來進(jìn)行科學(xué)分析。邏輯的起點(diǎn)是： T2由DNA和蛋白質(zhì)組成，在侵染細(xì)菌時進(jìn)入的是DNA還是蛋白質(zhì)不清楚，或即便清楚但持質(zhì)疑態(tài)度(如赫爾希)。邏輯的終點(diǎn)是： 侵染后的子代T2中含有親代T2的什么物質(zhì)？用同位素來跟蹤便是向T2叩問答案。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是： 在子代噬菌體中能夠檢測到大量親本噬菌體的核酸(32P)，而沒有任何親本蛋白質(zhì)[5]，這樣才能得到“在噬菌體傳代過程中發(fā)揮作用的可能是DNA，而不是蛋白質(zhì)”的結(jié)論。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表于1952年，當(dāng)時四核苷酸假設(shè)已被清除，但赫爾希在發(fā)表論文時也并未宣布他們的實(shí)驗(yàn)為“DNA是遺傳物質(zhì)”提供了確鑿證據(jù)[4]。這又是為什么呢？

4 科學(xué)假設(shè)能證偽、難證實(shí)，必須永遠(yuǎn)接受經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)

要闡明原因，還得從科學(xué)理論的本質(zhì)說起，原因有二。

一是科學(xué)理論能證偽、難證實(shí)。例如切赫和奧特曼提出的“有催化功能的RNA”就能證偽“酶是蛋白質(zhì)”的假說，植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)就能證偽“細(xì)胞分化遺傳物質(zhì)丟失”的假說，等等。可見，科學(xué)理論是能證偽的，但證實(shí)卻只是暫時的。正如生物史學(xué)家邁爾所言：“科學(xué)家所做的全部解釋都是假說，而全部假說都是推測性的。這些假說必須永遠(yuǎn)經(jīng)受檢驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)是不完滿的就必須進(jìn)行修正[6]。”

二是生命現(xiàn)象的因果關(guān)系非常復(fù)雜，尤其在理論體系沒有建立起來以前更是難以確證。例如，童第周和牛滿江等[7]用提純的DNA、 mRNA分別注入金魚的受精卵，在后代中都觀察到相同的穩(wěn)定變異現(xiàn)象。據(jù)中心法則就能解釋這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但在分子遺傳基礎(chǔ)理論空白的情況下，假設(shè)有(A、 B、 C)三個因素的共同作用才能出現(xiàn)現(xiàn)象M，如何判斷找到的這個因素就一定是A呢？正如科學(xué)家所質(zhì)疑的： DNA的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化機(jī)制尚不清楚，怎么能確定遺傳物質(zhì)就一定是DNA！即便是晚近8年的赫爾希—蔡斯在下結(jié)論時仍難以斷言，只是慎重描述：“我們推論，含硫蛋白質(zhì)對噬菌體增殖不起作用，而DNA則有某些作用。我們的實(shí)驗(yàn)清楚地表明，用物理方法把T2分離成遺傳的和不遺傳的兩個部分是可能的，然而，要對其遺傳部分的化學(xué)性質(zhì)做出鑒定，則須等到上述某些問題得到解答之后才行[4]。”相反，當(dāng)時小組的年輕成員沃森卻堅(jiān)信該實(shí)驗(yàn)證明了“DNA是遺傳物質(zhì)”，并毅然地投入到DNA分子結(jié)構(gòu)的研究，于1953年與克里克一起取得了創(chuàng)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的偉大成就。

在這段科學(xué)史的生成中，正如庫恩的范式理論所揭示的，不排除一些科學(xué)共同體的范式局限、偏見、錯誤以及艾弗里、赫爾希的過于謹(jǐn)慎。但正如波普爾的主張，由于科學(xué)就是在猜測、批判中前行，因此我們需要包容錯誤。只有這樣，才會有更多像沃森一樣的科學(xué)家，大膽猜測，嚴(yán)格批判，推動科學(xué)進(jìn)步，以此弘揚(yáng)科學(xué)理性。