淺析噬菌體侵染細菌的實驗

程麗萍

(山西省翼城中學校 山西翼城 043500)

“噬菌體侵染細菌的實驗”是證明“DNA是遺傳物質”的經典實驗。通過對這個實驗的學習，學生不僅要認識到DNA是T2噬菌體的遺傳物質，更重要的是要學會科學家設計此實驗的原理和方法。然而，在實際教學中，這一實驗對學生來說是一個不太好突破的難點。針對學生的這種情況，我在教學中嘗試從以下幾方面對實驗進行了剖析，以幫助學生更好的學習和理解。

一、實驗材料的選擇

艾弗里等人的實驗受到了質疑。要能更嚴謹、更有說服力地證明“DNA是遺傳物質”，我們需要更好的實驗材料來替代。同時，所選擇的材料最好能自然地將蛋白質與DNA徹底分開。那么，什么才是這樣的好材料呢？

1969年，諾貝爾生理學和醫學獎授予了三位遺傳學家，他們是德爾布呂克、盧里亞和赫爾希，表彰“他們利用噬菌體作為實驗材料，發現病毒的復制機制和基本結構”。由此看來，赫爾希和蔡斯在設計此實驗之前，已對T2噬菌體和大腸桿菌有了一些了解，其中包括：1.T2噬菌體只有蛋白質與DNA兩種化合物組成；2.T2噬菌體能夠在自身遺傳物質的作用下，借助大腸桿菌完成增殖過程；3.組成T2噬菌體的蛋白質分子含有S元素，而P元素幾乎都存在于DNA分子中；4.相比較而言，T2噬菌體密度小，大腸桿菌密度大；5.T2噬菌體借助大腸桿菌增殖一代所用的時間等。這些事實說明，噬菌體和它的宿主大腸桿菌正是這樣的好材料。[1]

二、實驗的目的

本實驗的目的是要證明侵入細菌的只有噬菌體的DNA而沒有蛋白質。根據赫爾希和蔡斯選擇的實驗材料，我們就可以借助DNA和蛋白質的進入和不進入將他們分開。然而，這同時也會遇到以下的困難：1.怎樣能看到DNA和蛋白質分開了？2.怎樣將沒進去的蛋白質與大腸桿菌脫離，脫離后如何分開？3.進入的DNA會不會出來，要是能出來，會不會影響實驗觀察？4.觀察到什么現象才能證明侵入細菌的只有噬菌體的DNA。

三、實驗難題的解決

通過對實驗的分析，我們發現赫爾希和蔡斯巧妙地解決了實驗中的一個個難題。第一，他們使用同位素標記法，用35S、32P分別標記蛋白質和DNA，讓我們追蹤到了它們的行蹤；第二，充分的攪拌。他們利用攪拌的方法將吸附在大腸桿菌表面的噬菌體蛋白質外殼與其分離，再利用噬菌體外殼輕而大腸桿菌重的特點，用離心的方法將它們分開；第三，他們控制好了保溫時間。噬菌體的增殖周期可分為“吸附→侵入→復制→裝配→裂解”五個階段。如果控制保溫時間在侵入后、裂解前，就解決了DNA釋放出來后影響實驗觀察的問題；第四，從理論上講，他們用35S標記蛋白質時，上清液應檢測到放射性，沉淀物沒有；用32P標記DNA時，沉淀物應檢測到放射性，上清液沒有，這就可以證明只有噬菌體DNA侵入了大腸桿菌。

四、實驗結果的分析

1.僅用32P標記噬菌體的DNA，侵染細菌后攪拌離心，實驗結果為離心管下層放射性較強，說明噬菌體的DNA已經進入細菌體內了。上層的上清液中也有較弱的放射性，應該怎么解釋呢？

有3個可能的原因：(1)噬菌體侵染細菌需要一個過程，有些噬菌體還沒有來得及侵入就已經攪拌離心了，這些沒有來得及侵入的噬菌體存在于上清液中；(2)噬菌體最開始侵入的細菌如果已經解體，釋放出來的子代噬菌體會存在于上清液中；(3)T2噬菌體的化學成分中，99%的磷元素存在于DNA分子中，可能是另外1%的磷使上清液顯示出很弱的放射性。

因此，該實驗必須把握好侵染時間。侵染時間過短會有許多噬菌體沒來得及侵入細菌，而侵染時間過長會有釋放出來的子代噬菌體，這兩種情況都會干擾實驗結果。

2.僅用35S標記噬菌體外殼，侵染細菌后攪拌離心，實驗結果為離心管上層放射性較強，說明噬菌體的蛋白質外殼沒有進入細菌體內。然而，下層沉淀物中也有較弱放射性，應該如何解釋呢？

硫元素僅存在于蛋白質中。因此，最可能的原因是攪拌不徹底，會導致部分吸附的噬菌體外殼沒有脫落下來就離心了。因此，這少量的外殼會存在于沉淀物中。

五、實驗結論

赫爾希和蔡斯的實驗表明：噬菌體侵染細菌時，DNA進入到細菌的細胞中，而蛋白質外殼仍留在外面。因此，子代噬菌體的各種性狀是通過親代的DNA遺傳的。DNA才是真正的遺傳物質。

由于噬菌體侵染細菌的實驗是在特定的實驗條件下進行的，學生無法親自動手操作，缺少感性認識。因此，通過我們一起對這幾個方面的解讀，學生們才真正讀懂了課本上有關的實驗步驟及它們的含義，對這個實驗的理解起到了極大的幫助作用。