逍遥学能 2014-09-17 13:29
在讲授DNA是主要的遗传物质一节中，学生对肺炎双球菌的转化实验提出了几点质疑。笔者在经过认真思考、讨论、查阅资料后，针对各个问题一一进行了解答。笔者发现学生提出的疑问很有意义和代表性，现将学生质疑和笔者解答整理如下，供同仁参考。也求抛砖引玉，获得更好的解答。
1．格里菲斯的体内转化实验
实验中将加热杀死的S型和活的R型混合注射到小鼠体内，小鼠患败血症死亡，并从小鼠体内分离出活的S型，且其后代仍是有毒性的S型。格里菲思推论：在已经加热杀死的S型细菌中，必然含有一种“转化因子”，促使R型转化为S型，且这种转化可遗传。
1．1 质疑一：是S型复活还是R型被转化？
学生的质疑：为什么是R型被转化，而不是加热杀死的S型复活呢？
笔者的分析解答：学生提出这样的质疑，主要是对蛋白质的化学性质不太了解。蛋白质具有一定的空间结构才具有生理活性，加热会破坏蛋白质的空间结构（变性），且该过程不可逆。所以加热后蛋白质变性失活，不可能再恢复其功能（可以高温下酶失活为例）。而蛋白质是生命活动的承担者，蛋白质失活了，生命活动就不可能再恢复，也就是说热杀死的S型是不可能复活的。
当笔者作出上边的解释后，有学生立即又提出了下面的质疑。
1．2 质疑二：加热杀死的S型的DNA为什么没被破坏还可以发挥转化作用？
学生的质疑：加热杀死的S型菌的蛋白质变性失活了，失去了生理功能。那为什么热杀死的S型的DNA还有作用呢？
笔者的分析解答：学生提出这样的质疑，和上一个问题的原因相似，主要是对DNA的结构及化学性质不太了解。DNA是由两条链形成的双螺旋结构，两条链间碱基通过氢键连接。加热会使氢键断裂，使DNA双螺旋解开成单链，称为DNA变性。但和蛋白质变性不同的是，当温度缓慢降低时单链又可以重新形成双链，称为DNA复性。所以，加热杀死的S菌的DNA还是有作用的。
1．3 质疑三：转化因子是S型菌的整个DNA，还是DNA片段？
学生的质疑：发挥转化作用的到底是S型菌的整个DNA，还是DNA片段？
笔者的分析解答：这个问题涉及的是DNA分子变性、复性、以及基因的有关知识。通过查阅资料发现：常用的DNA变性方法主要是热变性方法和碱变性方法。热变性使用得十分广泛，但是高温可能引起磷酸二酯键的断裂，得到长短不一的单链DNA。而碱变性方法则没有这个缺点，在pH为11．3时，全部氢键都被淘汰，DNA完全变成单链的变性DNA。
决定生物性状的基本单位叫做基因，它是DNA上具有遗传效应的片段。S菌的DNA上具有与荚膜形成有关的片段（基因），加热杀死S菌时，S型菌的DNA可能因高温引起磷酸二酯键的断裂，得到长短不一的单链DNA。所以加热杀死S菌的时候，会得到与荚膜形成有关的DNA片段。该片段与R菌DNA整合后，使得其也可以形成荚膜，即转变为S型。
1．4 质疑四：S菌的DNA将R菌转化，还是S菌的DNA直接控制合成了S菌？
在本节教学中，笔者补充了证明RNA是遗传物质的实验──烟草花叶病毒侵染实验。学生在知道烟草花叶病毒的RNA侵染烟草细胞后，利用其所带的遗传信息控制合成了新的烟草花叶病毒的知识后，对肺炎双球菌体内转化实验又提出了新的质疑。
学生的质疑：为什么是S型菌的DNA转化了R型，而不是S型菌的DNA像烟草花叶病毒的RNA侵染烟草细胞后直接控制合成了S菌？
笔者的分析解答：学生发生这样的疑问是因为对病毒的结构和复制、细菌的结构和繁殖的知识掌握的不够清晰，不能区分这两种生物的特征。病毒是非细胞结构的生物，由蛋白质外壳和核酸组成，子代病毒是通过病毒核酸（遗传物质）在宿主细胞中控制合成的核酸和蛋白质组装而成。而细菌是细胞结构生物，细胞通过分裂实现增殖，也就是说新细胞只能来自于细胞的分裂，而不可能来自于其他细胞直接合成。所以该实验中应该是S型菌的DNA转化了R型菌，而不是像烟草花叶病毒侵染实验那样直接控制合成了S菌。
2．艾弗里的体外转化实验
艾弗里和他的同事为了弄清转化因子是什么，分离提取了S菌的DNA、蛋白质和多糖等物质，然后分别加入已培养R型细菌的培养基中，结果发现：只有加入DNA，R型细菌才能转化为S型细菌。艾弗里还发现：如果用DNA酶处理S型菌的DNA，使DNA分解，就不能使R型细菌发生转化。
2．1 质疑一：如果在S菌的培养基中加入R菌的DNA，S菌能否被转化为R型？
学生的质疑：如果在S菌的培养基中加入R菌的DNA，S菌是不是也能整合R菌的DNA，从而被转化为R型？
笔者的分析解答：由于缺乏相应的微生物知识，对R型细菌转化的具体生理过程不清楚，很容易认为在S菌的培养基中加入R菌的DNA，S菌也能整合R菌的DNA，从而被转化为R型。
R型细菌之所以能整合S型菌的有关DNA片段，转化为S型，与其自身的结构和特性有关。R型活菌在对数期后期内处于“感受态”（ 细菌能从环境中摄取DNA进行转化的状态，称感受态(competence)。 对于感受态本质的解释，有人认为处于感受态的受体菌局部失去了细胞壁，使外源DNA能顺利经膜进入菌体，称局部原生质体假说。也有人认为是受体细胞表面出现了一直能结合DNA并使之进入细胞的酶，称酶受体假说）。被加热杀死的S型肺炎双球菌（供体菌）自溶，释放出自身的DNA片段，当DNA片段遇到感受态的R型活肺炎双球菌（受体菌）时，R型活肺炎双球菌（受体菌）细胞膜上的结合位点相结合，随后其中一条链被细胞膜上的核酸酶降解，降解产生的能量协助把另一条单链推进受体细胞（该过程称为DNA的结合和摄取）。当单链进入受体菌细胞后，便与受体菌DNA上的同源区段发生交换重组。再通过受体菌DNA复制、细胞分裂，而表现出转化的性状，于是就由R型肺炎双球菌产生出S型肺炎双球菌的后代。
而S型肺炎双球菌有荚膜，无感受态，不能作为受体菌，所以在S菌的培养基中加入R菌的DNA，S菌不能被转化为R型。当然S型菌在自然状态下或人工的诱变下发生基因突变，S型菌可能突变为R型，但不是转化。
2．2 质疑二：艾弗里的第三组实验（加DNA水解物）为什么没能排除人们对其实验的怀疑？
学生的质疑：艾弗里在第三组实验（加DNA水解物）中，用DNA酶处理提取的DNA，然后加入培养R型菌的培养基中，结果培养基中未出现S型。这个实验从反面证明了DNA是遗传物质，为什么不能排除人们对提取的DNA中含有0．02%的蛋白质起到了转化因子（遗传物质）的作用的怀疑？
笔者的分析解答：这个推理从理论上来说确实没错，但是实际上，当时情况要复杂的多。当时人们对艾弗里实验结果表示怀疑的原因主要来自两个方面。
一方面：艾弗里的实验并非无懈可击，人们发现他的第一个实验中的DNA纯度不够，关键性的实验证据出现了问题，由此证据得到的推论自然会被人们怀疑。尽管艾弗里的第三个实验能做出一些解释，但是人们仍然可以认为是DNA和蛋白质共同作用完成细菌的转化，或者蛋白质也参与了细菌的转化过程，即无法完全排除蛋白质可能起了作用的怀疑。
另一方面：艾弗里由实验推论得到DNA是使R型细菌发生遗传改变的物质，这个观点与当时大多数科学家的观点是截然不同的，因此很多人都不愿承认艾弗里的实验结果，这一点从他一生的遭遇就可以看出。自1930年起，几乎每年艾弗里都因发现肺炎双球菌的抗原特异性取决于其多糖荚膜而获诺贝尔奖提名，但由于当时人们普遍认为抗原特性取决于细胞表面的蛋白质，不相信艾弗里的结果，怀疑其结果是因为多糖掺杂了蛋白质杂质导致的。在1946年以前，艾弗里有4次进入了第二轮名单，即诺贝尔奖委员会对其工作做了书面评价，但是评价的结果都认为他的发现不值得获奖。1946年起，开始有人在提名艾弗里时提到他对遗传物质的研究。当时研究核酸的两个权威──卡罗林斯卡医学院的化学教授艾纳·哈马斯登和他的前学生，细胞研究与遗传学教授托布真·卡佩森。这两个人都相信只有蛋白质才有可能是遗传物质，而且他们根据自己的研究经验，知道很难除去DNA中的蛋白质杂质，从而不相信艾弗里的实验结果。1946年，由哈马斯登对艾弗里的实验做了简短的书面评价，他对艾弗里的结果持批评态度，认为艾弗里的DNA是被蛋白质杂质污染了，蛋白质才是转化因子。
接下来的几年，有一些实验室用其他实验证实了艾弗里的结论，艾弗里的发现已获得了独立验证。1952年，艾弗里再次进入了诺贝尔奖第二轮提名名单，由细菌学教授伯恩特·马尔姆格伦对之做了书面评价。马尔姆格伦综述了这几年来的有关研究，认为蛋白质不太可能是转化因子。但是他的结论却是，要把DNA作为转化因子仍然缺乏最后的证据，因此认为艾弗里的发现目前不值得获奖。
从这些历史可以看出，由于艾弗里当时的研究结果和当时的主流思想、权威理论相反，所以一直不被人们重视，甚至被认为是无价值的。所以，他的结论被人们怀疑也就“理所当然”。
在解答学生的这个质疑的同时，可以对学生进行这样一些情感教育：一、科学研究就是在这样的“吹毛求疵”中不断前进的；二、科学研究中还需要自信，需要坚持自己的思想，需要怀疑的态度；三、淡薄以明志，宁静以致远。艾弗里的成果虽然当时未被人肯定，他未得到应有的荣誉，但他仍然热衷于自己的工作，不断取得突破，终为世人敬仰。有的人获得诺贝尔奖，是为自己增辉，有的人获奖，却是为诺贝尔奖增辉。艾弗里没有获得诺贝尔奖，应该是诺贝尔奖的遗憾，而不是艾弗里的遗憾。
学生的这些质疑，有的虽然看似简单，但是要真正的解释清楚，需要我们深入教材，吃透教材。高中教材和教参中的知识要解决这些问题，显得非常的有限，这就促进了我们教师的不断学习提高，需要教师作一名学者，而不是教书匠。另外，学生的质疑是他深思熟虑之后提出的，是思维活跃的表现，同时这种敢于质疑、大胆设想的精神，也是新课程要求的学生探究活动的具体体现，我们应该多加鼓励和引导。培养学生的质疑精神、创新意识，才能为社会培养出创新型人才，为国家培养出真正的栋梁之才。