李希明　梁磊

摘 要 從一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作者的視角，對噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行思考。嘗試從實(shí)驗(yàn)原理與假設(shè)、方法與步驟、結(jié)果與討論、誤差與分析等幾個(gè)層面，突破噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的難題和瓶頸。

關(guān)鍵詞 噬菌體 實(shí)驗(yàn) 教學(xué) 思考

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”是探索遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。對該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)突破存在著下列難題：（1） DNA和蛋白質(zhì)哪一個(gè)是遺傳物質(zhì)？（2） 如何運(yùn)用同位素標(biāo)記噬菌體的DNA或蛋白質(zhì)？（3） 觀察到什么現(xiàn)象才能說明對噬菌體起決定作用的是DNA，還是蛋白質(zhì)？（4） 如何對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行合理分析？……

要解決上述問題，必須深入地思考實(shí)驗(yàn)中每個(gè)步驟的目的與原因以及該步驟的注意事項(xiàng)。

1 原理與假設(shè)

赫爾希和蔡斯在進(jìn)行噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)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噬菌體只由DNA和蛋白質(zhì)兩種化學(xué)成分組成；② T2噬菌體能夠在自身遺傳物質(zhì)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(zhì)分子含有S元素，而P元素幾乎都存在于DNA分子中；④ T2噬菌體是一種專門寄生于大腸桿菌體內(nèi)的病毒；⑤ T2噬菌體能夠特異性地吸附在大腸桿菌的表面；⑥ 相比較而言，T2噬菌體的密度小，大腸桿菌的密度大；⑦ T2噬菌體借助于大腸桿菌增殖一代所用的時(shí)間等。

這些瑣碎的知識構(gòu)成了赫爾希和蔡斯設(shè)計(jì)噬菌體侵染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理。學(xué)生如何利用這些知識，理解該實(shí)驗(yàn)的假設(shè)與預(yù)期呢？

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的第①、②條，可推測“噬菌體侵染大腸桿菌”的方式存在著3種可能性的假設(shè)：① 只有蛋白質(zhì)注入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)；② 只有DNA注入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)；③ 蛋白質(zhì)和DNA都注入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)。

每一種假設(shè)都會(huì)有一種特定的預(yù)期結(jié)果，上述3種假設(shè)所對應(yīng)的預(yù)期結(jié)果分別是什么呢？需要思考：采用哪種實(shí)驗(yàn)方法與步驟，才能將蛋白質(zhì)和DNA區(qū)分開！

2 方法與步驟

2.1 標(biāo)記

蛋白質(zhì)和DNA都非常微小，是肉眼看不到的分子。怎樣對它們進(jìn)行追蹤呢？

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的第③條，不難推測，可采用放射性同位素標(biāo)記法，利用35S標(biāo)記蛋白質(zhì)，利用32P標(biāo)記DNA，分別對蛋白質(zhì)和DNA進(jìn)行追蹤。

事實(shí)上，除了S和P之外，蛋白質(zhì)和DNA還都含有C、H、O、N等元素，標(biāo)記這些元素可以嗎？如果標(biāo)記的是蛋白質(zhì)和DNA共有的元素，是無法將蛋白質(zhì)和DNA分子區(qū)分開的，無法弄清楚到底是哪種物質(zhì)侵染了大腸桿菌，因此只能標(biāo)記它們特有的元素。

那么，是對噬菌體的蛋白質(zhì)和DNA進(jìn)行“同時(shí)”標(biāo)記，還是將噬菌體分為兩組，一組標(biāo)記蛋白質(zhì)，另一組標(biāo)記DNA，也就是“分別”進(jìn)行標(biāo)記呢？其實(shí)，這與同位素的放射性自顯影技術(shù)有關(guān)。由于該技術(shù)僅能檢測到元素放射性的強(qiáng)弱，而無法分辨是何種元素的放射性，所以，只能是對噬菌體的成分“分別”進(jìn)行標(biāo)記。

2.2 培養(yǎng)

明確了是“同時(shí)”，還是“分別”標(biāo)記噬菌體的不同成分后，隨之帶來的問題：怎么標(biāo)記？是“直接”標(biāo)記噬菌體，還是“間接”標(biāo)記噬菌體？根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的第④條，噬菌體直接在培養(yǎng)基上是不能夠存活并增殖的，只有寄生在宿主細(xì)胞——大腸桿菌體內(nèi)，利用大腸桿菌的物質(zhì)來合成子代噬菌體。因此若想對噬菌體中的成分進(jìn)行標(biāo)記，就得先標(biāo)記大腸桿菌，通過親代噬菌體的侵染增殖，從而使釋放出的子代噬菌體帶上標(biāo)記，即只能夠通過“間接”的方式來培養(yǎng)并標(biāo)記噬菌體。不僅如此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，還要用已標(biāo)記好的噬菌體去侵染未被標(biāo)記的大腸桿菌才能得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這是因?yàn)槿绻竽c桿菌也被做了標(biāo)記，就分不清是哪種物質(zhì)在發(fā)揮遺傳作用了。

2.3 離心

用標(biāo)記的噬菌體侵染未標(biāo)記的大腸桿菌時(shí)，要不斷地“攪拌”（為方便實(shí)驗(yàn)誤差分析，將攪拌的目的放在4.1中分析）試管中的大腸桿菌培養(yǎng)液，使吸附在細(xì)菌上的噬菌體與細(xì)菌分離。但是即使兩者已經(jīng)分離開，還是共同存在于大腸桿菌溶液當(dāng)中，依然無法區(qū)分是大腸桿菌中含有放射性，還是周圍的溶液中具有放射性。這個(gè)問題要如何解決？可從實(shí)驗(yàn)原理中的第⑥條得到啟示，如果將噬菌體與大腸桿菌混合培養(yǎng)液放到試管中，根據(jù)兩者密度的不同，經(jīng)過離心處理，必然使密度大的大腸桿菌沉淀到試管下部，形成沉淀物，而密度較小的噬菌體則會(huì)分布在試管上部的上清液中，從而達(dá)到區(qū)分兩者的目的。

3 結(jié)果與結(jié)論

3.1 討論

對噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的結(jié)果預(yù)測見表1。

分析：

（1） 若出現(xiàn)第一組現(xiàn)象，則說明“原理與假設(shè)”中第一種假設(shè)“只注入蛋白質(zhì)”成立，進(jìn)一步說明T2噬菌體的兩大組分中蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)；

（2） 若出現(xiàn)第二組現(xiàn)象，則說明“原理與假設(shè)”中第二種假設(shè)“只注入DNA”成立，進(jìn)一步說明T2噬菌體的兩大組分中DNA是遺傳物質(zhì)；

（3） 若出現(xiàn)第三組現(xiàn)象，則說明“原理與假設(shè)”中第三種假設(shè)“同時(shí)注入蛋白質(zhì)和DNA”成立，進(jìn)一步說明不能判斷T2噬菌體的兩大組分中誰是遺傳物質(zhì)。

3.2 實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情況

（1） 結(jié)果：用35S標(biāo)記的一組感染實(shí)驗(yàn)，放射性同位素主要分布在上清液中；用32P標(biāo)記的一組實(shí)驗(yàn)，放射性同位素主要分布在試管的沉淀物中。

（2） 結(jié)論：T2噬菌體的兩大組分中是DNA進(jìn)入大腸桿菌并指導(dǎo)噬菌體的增殖，對于T2噬菌體而言，DNA是它的遺傳物質(zhì)。

4 誤差與分析

噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的大致步驟包括：標(biāo)記噬菌體（培養(yǎng)）→侵染未標(biāo)記大腸桿菌→（保溫）→（攪拌）→離心。

在實(shí)驗(yàn)步驟中，主要實(shí)驗(yàn)操作可能導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差。

4.1 攪拌

在3種可能性的假設(shè)中，蛋白質(zhì)或DNA只有一種注入大腸桿菌的情況要予以特別考慮。

若只有一種物質(zhì)注入，另一種沒有注入，例如只有DNA注入大腸桿菌，而蛋白質(zhì)沒有注入，那么蛋白質(zhì)可能以兩種方式存在，一種是不與大腸桿菌結(jié)合的游離狀態(tài)，另一種是結(jié)合在大腸桿菌表面的吸附狀態(tài)。因此，需要考慮噬菌體中的某種成分未注入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)，但吸附在了大腸桿菌表面的情況。若使該種成分與大腸桿菌脫離，則需要攪拌處理。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)原理第⑤條已說明了噬菌體的確可以吸附在大腸桿菌的表面。這就幫助解釋了，為何理論上用35S標(biāo)記的一組實(shí)驗(yàn)，放射性同位素只分布在上清液中，而事實(shí)上，在沉淀物中也有較低的放射性。其原因就在于攪拌不充分，有少量被35S標(biāo)記的噬菌體（或者僅僅只是其蛋白質(zhì)外殼）仍然還吸附在細(xì)菌的表面，隨細(xì)菌一起沉淀下去。

4.2 保溫

噬菌體侵染細(xì)菌的過程需要在適宜的溫度條件下進(jìn)行，這是因?yàn)樯诖x的過程中，酶要保持一定的活性，才能保證噬菌體在宿主細(xì)胞內(nèi)有效增殖。實(shí)驗(yàn)原理第⑦條也顯示，保溫的時(shí)間長短是一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)影響因素。換句話說，保溫時(shí)間的長短會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。這可以幫助解釋為何理論上用32P標(biāo)記的一組實(shí)驗(yàn)，放射性同位素只分布在試管的沉淀物中，而事實(shí)上，試管的上清液中也有較低的放射性。這是因?yàn)槿绻貢r(shí)間過短，則被標(biāo)記的噬菌體就不足以全部侵染大腸桿菌體，還會(huì)有一部分噬菌體沒有侵入大腸桿菌體內(nèi)。當(dāng)然，也有可能是保溫時(shí)間過長，部分大腸桿菌裂解釋放出了子代噬菌體。這兩種情況都可能導(dǎo)致本不該出現(xiàn)放射性的上清液中也有了放射性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟德爾等.遺傳學(xué)經(jīng)典文選[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012：149-163.

[2] 張玉明.噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)通報(bào)，2012（7）：34-35.