山東

基因是遺傳物質(zhì)的有效片段，遺傳物質(zhì)是DNA也早已成為定論，人教版教材中也有專門的一章講述DNA和基因的關(guān)系，但是教材中的一些描述不是很清楚，筆者嘗試結(jié)合試題與大家重溫經(jīng)典，再談如何證明DNA是遺傳物質(zhì)這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。

【試題1】在探索遺傳物質(zhì)的過程中，赫爾希和蔡斯做了T2噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。下列有關(guān)敘述正確的是（ ）

A.用32P、35S標(biāo)記同一組T2噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)

B.該實(shí)驗(yàn)的步驟是標(biāo)記、培養(yǎng)、攪拌、離心、檢測

C.T2噬菌體侵染大腸桿菌時(shí)，DNA進(jìn)入大腸桿菌，而RNA沒有進(jìn)入

D.該實(shí)驗(yàn)證明了DNA是遺傳物質(zhì)，而蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)

本題是寧夏育才中學(xué)2017—2018學(xué)年高二上學(xué)期期末考試的一道選擇題，考查的核心知識(shí)是噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)論。

【參考答案】B

【分析】教材的實(shí)驗(yàn)是分兩組進(jìn)行的。“同有”或“同無”無法證明哪種物質(zhì)是遺傳物質(zhì)，即同時(shí)標(biāo)記兩種化合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和兩種化合物都不標(biāo)記進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是相同的——都無法得出哪種物質(zhì)是遺傳物質(zhì)。所以實(shí)驗(yàn)必須分兩組進(jìn)行，即分別標(biāo)記DNA和蛋白質(zhì)，并探究二者的作用，所以A選項(xiàng)是錯(cuò)誤的；實(shí)驗(yàn)步驟就是如選項(xiàng)B所示，所以B選項(xiàng)是正確的；T2噬菌體是一種DNA病毒，只含有一種核酸即DNA，沒有RNA，C選項(xiàng)是錯(cuò)誤的；該實(shí)驗(yàn)只能證明DNA是遺傳物質(zhì)，而無法證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，所以D選項(xiàng)是錯(cuò)誤的。

這是一道?？碱}，試題答案和分析似乎淺顯易懂。但是，筆者就此題提出了一點(diǎn)疑問——為什么D選項(xiàng)是錯(cuò)誤的？下面首先從試題分析的A選項(xiàng)切入，思考以下幾個(gè)問題：

1.實(shí)驗(yàn)為什么分為兩組？

2.兩組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是什么？

3.兩組實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是什么？

4.得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的依據(jù)是什么？

針對(duì)上述問題，筆者詳細(xì)地分析一下：

人教版必修2的教材上有兩個(gè)證明遺傳物質(zhì)是DNA的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（格里菲思的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)和艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，主要是艾弗里實(shí)驗(yàn)），另一個(gè)是赫爾希和蔡斯的T2噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)?？雌饋?，這個(gè)問題應(yīng)該非常清晰、明確，是不存在異議的，但是筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐以及參閱一些權(quán)威著作，提出了一些問題，與各位讀者一同商榷。

【艾弗里實(shí)驗(yàn)分析】

艾弗里實(shí)驗(yàn)采用提純分離法，受條件限制，所提取的物質(zhì)的純度不可能達(dá)到100%，所以就會(huì)存在一些比較明顯的問題，見下表：

編號(hào) 問題 觀點(diǎn)1 _____理由 觀點(diǎn)2 _理由1本實(shí)驗(yàn)?zāi)芊褡C明DNA是遺傳物質(zhì)能S-DNA使R型菌轉(zhuǎn)化成S型菌，并能形_______成S型菌落_________________不能純度達(dá)不到100%2本實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)嗎？能S - 蛋 白 質(zhì) 不能使R型菌轉(zhuǎn)化成S型菌不能純度達(dá)不到100%

由此可見，純度達(dá)不到100%是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的“硬傷”，因此，才有了更好的替代實(shí)驗(yàn)——噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)。

【噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)分析】

一、實(shí)驗(yàn)描述

人教版必修2教材講述：赫爾希和蔡斯以T2噬菌體為實(shí)驗(yàn)材料，利用放射性同位素標(biāo)記的新技術(shù)，完成了另一個(gè)更具說服力的實(shí)驗(yàn)。噬菌體實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于材料的選擇和新技術(shù)的應(yīng)用，噬菌體的特點(diǎn)是只有蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部的核酸——DNA，而且侵染時(shí)兩者是分開的，注入細(xì)菌體內(nèi)的是DNA，蛋白質(zhì)外殼則留在外面；放射性同位素標(biāo)記法可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行精確的定位和追蹤，而且可以把看不見的微觀變化過程轉(zhuǎn)換為可追蹤和可檢測的宏觀現(xiàn)象。教材得出的結(jié)論是噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，DNA進(jìn)入到細(xì)菌的細(xì)胞中，而蛋白質(zhì)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(zhì)。筆者認(rèn)為，這個(gè)結(jié)論已經(jīng)明確地說明DNA才是真正的遺傳物質(zhì)，同時(shí)也就排除了蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的可能性。這就說明，“DNA是遺傳物質(zhì)，而蛋白質(zhì)不是”是確定的，是事實(shí)，也是該實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)論。證明DNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)有兩個(gè)，一個(gè)是借助電子顯微鏡可以清晰地看到噬菌體在繁殖時(shí)蛋白質(zhì)沒有進(jìn)入宿主細(xì)胞，不參與繁殖后代；另一個(gè)是放射性同位素追蹤顯示蛋白質(zhì)沒有出現(xiàn)在子代中。也就是說，蛋白質(zhì)在親子代之間不具有連續(xù)性，這就足以說明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。

二、實(shí)驗(yàn)質(zhì)疑

既然如此，為什么學(xué)生還經(jīng)常能夠見到“赫爾希和蔡斯實(shí)驗(yàn)只能證明DNA是遺傳物質(zhì)，而無法證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)”這種說法呢？支持該觀點(diǎn)的人認(rèn)為，蛋白質(zhì)沒有進(jìn)入到大腸桿菌體內(nèi)，所以無法探究蛋白質(zhì)究竟是不是遺傳物質(zhì)。也就是說，如果要證明蛋白質(zhì)是否是遺傳物質(zhì)，就必須讓蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，進(jìn)而觀察蛋白質(zhì)是否具有遺傳物質(zhì)的屬性。結(jié)果當(dāng)然存在兩種可能性，如果蛋白質(zhì)能進(jìn)入到子代體內(nèi)，參與繁殖后代，則蛋白質(zhì)也是遺傳物質(zhì)；反之則不是。

【“悖論”思考】

一方認(rèn)為蛋白質(zhì)沒有進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，所以不是遺傳物質(zhì)；另一方認(rèn)為正是由于蛋白質(zhì)沒有進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，所以無法證實(shí)蛋白質(zhì)是不是遺傳物質(zhì)。兩者雖然觀點(diǎn)不同，但是依據(jù)卻相同——都是蛋白質(zhì)沒有進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)。

【筆者的觀點(diǎn)】

首先筆者認(rèn)為，教材的實(shí)驗(yàn)結(jié)論沒有問題。噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明DNA是遺傳物質(zhì)，同時(shí)也能證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)。理由如下：

一、尊重客觀事實(shí)

借助電子顯微鏡（20世紀(jì)40年代電子顯微鏡已被廣泛應(yīng)用），可以清晰地看到噬菌體侵染細(xì)菌的過程，蛋白質(zhì)沒有參與繁殖后代，在親子代之間無連續(xù)性，絕無可能是遺傳物質(zhì)，這是不可否定的事實(shí)。從這個(gè)角度講，即便不使用放射性同位素標(biāo)記法這個(gè)技術(shù)，也能通過觀察得出DNA是遺傳物質(zhì)的結(jié)論。當(dāng)然放射性同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用可以更精確地定位和追蹤，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論也更宏觀、便捷。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)，二者相互對(duì)照、相互證明，說服力十足，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完整。教材的描述中有兩句話，教師們要區(qū)分對(duì)待，第一句的重點(diǎn)是“DNA進(jìn)入了，而蛋白質(zhì)沒有進(jìn)入”，如果僅憑這句話就得出“DNA是遺傳物質(zhì)”的結(jié)論確實(shí)有失偏頗，因?yàn)椤皩?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”上存在漏洞，沒有設(shè)置蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，所以在“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”上還是有一定的缺陷；第二句話的重點(diǎn)是“子代噬菌體的各種性狀，是通過親代的DNA遺傳的”，這是一句推論，并不是直接的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)論及推理過程是當(dāng)用32P標(biāo)記DNA時(shí)，放射性會(huì)出現(xiàn)在子代噬菌體中；當(dāng)用35S標(biāo)記蛋白質(zhì)時(shí)，放射性沒有出現(xiàn)在子代噬菌體中；在親子代之間具有連續(xù)性的物質(zhì)是DNA，親代的DNA可以傳給子代，然后控制子代噬菌體的各種性狀（隱含的信息），簡而言之，前者通過觀察得出的結(jié)論的確有漏洞，但這并不是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而是直接觀察的結(jié)果。后者是通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)一步挖掘隱含內(nèi)容，從而得出結(jié)論，這是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，是不容置疑的?/p>

三、理論支撐合理

對(duì)于什么物質(zhì)可作為遺傳物質(zhì)這個(gè)問題，科學(xué)家很早就已做出理論層面上的合理預(yù)測。遺傳物質(zhì)需要滿足若干條件，如能夠攜帶信息；能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，控制生物的性狀；能自我復(fù)制，在親子代之間具有連續(xù)性；能產(chǎn)生可遺傳的變異等。這個(gè)實(shí)驗(yàn)所采用的理論依據(jù)就是在親子代之間具有連續(xù)性的物質(zhì)就是遺傳物質(zhì)，理論依據(jù)合理并且充分。

所以，筆者認(rèn)為此題中的D選項(xiàng)也是正確的。針對(duì)上面的分析，再看下面一道試題。

【試題2】下列關(guān)于“噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”的敘述，正確的是 （ ）

A.噬菌體吸收和利用培養(yǎng)基中含有35S的氨基酸而被標(biāo)記

B.用32P和35S分別標(biāo)記的噬菌體分別侵染未標(biāo)記的大腸桿菌，長時(shí)間保溫和培養(yǎng)后攪拌離心

C.在32P標(biāo)記的噬菌體的侵染實(shí)驗(yàn)中，上清液出現(xiàn)較強(qiáng)放射性的原因可能是侵染時(shí)間過長

D.35S標(biāo)記的噬菌體的侵染實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)

【參考答案】C

【分析】這道題的D選項(xiàng)是否正確呢？答案是否定的。單獨(dú)的一組實(shí)驗(yàn)不能說明任何問題，同理，單獨(dú)標(biāo)記的DNA也不能證明DNA是遺傳物質(zhì)，必須要兩組相互對(duì)照，共同說明DNA是遺傳物質(zhì)，而蛋白質(zhì)不是。這才是相互對(duì)照實(shí)驗(yàn)的價(jià)值所在——相互對(duì)照組中每一組都會(huì)有各自的結(jié)論，并對(duì)最終結(jié)論起到至關(guān)重要的作用。例如，魯賓和卡門探究光合作用產(chǎn)生的氧氣中氧元素來源的實(shí)驗(yàn)、傘藻嫁接探究核質(zhì)作用的實(shí)驗(yàn)，道理都是如此。

綜上所述，筆者認(rèn)為，噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)是可以證明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)的，而平時(shí)接觸的一些題目可能對(duì)此并未深入挖掘，所以得出一些錯(cuò)誤的結(jié)論。