高中生物 格里菲斯和艾弗里的探索之路素材

1、格里菲斯和艾弗里的探索之路發(fā)現(xiàn)DNA的遺傳功能，始于1928年格里菲斯（FGriffith）所做的用肺炎雙球菌感染小家鼠的實驗。肺炎雙球菌基本上可以分為兩個類型或品系。一個是有毒的光滑類型，簡稱為S型。一個是無毒的粗糙類型，簡稱為R型。S型的細(xì)胞由相當(dāng)發(fā)達(dá)的莢膜（或稱為被囊）包裹著。莢膜由多糖構(gòu)成，其作用是保護(hù)細(xì)菌不受被感染的動物的正常抵抗機(jī)制所殺死，從而使人或小家鼠致?。▽θ耍軐?dǎo)致肺炎；對小家鼠，則導(dǎo)致敗血癥）。但在加熱到致死程度后，該類型的細(xì)菌便失去致病能力。由于莢膜多糖的血清學(xué)特性不同、化學(xué)結(jié)構(gòu)各異，S型又可分成許多不同的小類型，如S、S、S等。而R型細(xì)胞沒有合成莢膜的能力，所以不能

2、使人或小家鼠致病。它不能合成莢膜的原因在于一個控制UDPG一脫氫酶的基因發(fā)生了突變，R，S兩型可以相互轉(zhuǎn)化。1928年，格里菲斯將肺炎球菌S在特殊條件下進(jìn)行離體培養(yǎng)，從中分離出R型。當(dāng)他把這種R型的少量活細(xì)菌和大量已被殺死的S混合注射到小家鼠體內(nèi)以后，出乎意外，小家鼠卻被致死了。剖檢發(fā)現(xiàn)，小家鼠的心血中有S細(xì)菌。這一實驗結(jié)果可以有三種解釋。（1）S細(xì)菌可能并未完全殺死。但這種解釋不能成立，因為單獨(dú)注射經(jīng)過處理的S時并不能致死小家鼠。（2）R型已轉(zhuǎn)變?yōu)镾型。這一點(diǎn)也不能成立，因為剖檢發(fā)現(xiàn)的是S不是S，R型從S突變而來，理應(yīng)轉(zhuǎn)化為 S。（3）R型從殺死的S獲得某種物質(zhì)，導(dǎo)致類型轉(zhuǎn)化，從而恢復(fù)了原先

3、因基因突變而喪失的合成莢膜的能力。格里菲斯肯定了這種解釋。這就是最早發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。三年之后，研究者們發(fā)現(xiàn)，在有加熱殺死的S型細(xì)菌存在的條件下，體外培養(yǎng)R型的培養(yǎng)物，也可以產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)化作用。此后不到兩年，又發(fā)現(xiàn)S型細(xì)菌的無細(xì)胞抽提物加到生長著的R型培養(yǎng)物上，也能產(chǎn)生R向S的轉(zhuǎn)化（RS）。于是，研究者們提出，加熱殺死的S型細(xì)菌培養(yǎng)物或其無細(xì)胞抽提物中，一定存在著某種導(dǎo)致細(xì)菌類型發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。這種物質(zhì)究竟是什么，人們尚不知道，為便于研究，暫時叫做“轉(zhuǎn)化因子”（transforming principle）。 格里菲斯發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化作用，為爾后認(rèn)識到DNA是遺傳物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。艾弗里和他的同事麥克勞德（

4、CMMcleod）和麥卡蒂（MJMccarty）正是在這個基礎(chǔ)上繼續(xù)前進(jìn)，才獲得了重大的突破。1944年，在紐約洛克菲勒研究所，艾弗里等人為了弄清轉(zhuǎn)化因子的化學(xué)本質(zhì)，開始對含有RS轉(zhuǎn)化因子的S型細(xì)菌的無細(xì)胞抽提物進(jìn)行分餾、純化工作。他們根據(jù)染色體物質(zhì)的絕大部分是蛋白質(zhì)的事實，曾一度推斷蛋白質(zhì)很可能是“轉(zhuǎn)化因子”。然而，當(dāng)他們使用一系列的化學(xué)法和酶催化法，把各種蛋白質(zhì)、類脂、多糖和核糖核酸從抽提物中去掉之后，卻發(fā)現(xiàn)抽提物的剩余物質(zhì)仍然保持把R型轉(zhuǎn)化為S型的能力。于是，他們對自己的推斷動搖了。最后，在對抽提物進(jìn)一步純化之后，他們發(fā)現(xiàn)，只消把取自S細(xì)胞抽提物的純化DNA，以低達(dá)六億分之一的劑量加在一

5、個R型細(xì)胞的培養(yǎng)物中，仍然具有使RS的轉(zhuǎn)化能力。他們還發(fā)現(xiàn)，從一個本身由R型轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的S型細(xì)菌的培養(yǎng)物中提取的DNA也能使RS。于是，他們得出結(jié)論說，“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA。并在實驗醫(yī)學(xué)雜志第79卷第137期發(fā)表了這一研究成果。艾弗里等人的試驗和結(jié)論是對脫氧核糖核酸認(rèn)識史上的一次重大突破，徹底改變了它在生物體內(nèi)無足輕重的傳統(tǒng)觀念。艾弗里等人在1944年所作的試驗和結(jié)論，不僅沒有使科學(xué)界立即接受DNA是遺傳物質(zhì)的正確觀念，反而引起了科學(xué)界許多人的極大驚訝和懷疑。當(dāng)時主要有兩種代表性的否定意見。第一種是，即使活性轉(zhuǎn)化因子就是DNA，也可能只是通過對莢膜的形成有直接的化學(xué)效應(yīng)而發(fā)生的作用，不是由于它

6、是遺傳信息的載體而起作用的。第二種否定意見則根本不承認(rèn)DNA是遺傳物質(zhì)，認(rèn)為不論純化的 DNA從數(shù)據(jù)上看是如何的純凈，它仍然可能藏留著一絲有沾污性的蛋白質(zhì)殘余，說不定這就是有活性的轉(zhuǎn)化因子。科學(xué)界的懷疑、否定，不但沒有能動搖艾弗里等人繼續(xù)探索的堅定信心，反而加強(qiáng)了他們的信念，為進(jìn)一步明確、探索而奮斗。為了回答第一種懷疑論，泰勒（HTaylor）和哈赤基斯（RDHotchkiss）先后做了大量的實驗工作。特別是他們在1949年所進(jìn)行的實驗，給了懷疑論者以致命一擊。泰勒從粗糙型（即R突變型）品系中分離出一個新的更加粗糙、更加不規(guī)則的突變型ER，并且發(fā)現(xiàn)從R品系細(xì)胞中提取出來的DNA可以完成ER向R

7、的轉(zhuǎn)化。這樣，就證明了在以往實驗中作為受體的R品系本身還帶有一種轉(zhuǎn)化因子。這種轉(zhuǎn)化因子能把R品系仍然還具有的一點(diǎn)點(diǎn)殘余的合成莢膜的能力轉(zhuǎn)授給那個莢膜缺陷更甚的ER品系。不僅如此，泰勒還發(fā)現(xiàn)，將從S品系（作為給體）提取的NDA加到ER品系（作為受體）中，也能實現(xiàn)ER向R的轉(zhuǎn)化。如果把這種第一輪的R轉(zhuǎn)化物抽取一些加以培養(yǎng)，然后再加進(jìn)S給體的DNA，便會出現(xiàn)R向S的轉(zhuǎn)化。泰勒的這些發(fā)現(xiàn)使得那些曾抱有“DNA僅僅是在多糖莢膜合成中作為一種外源化學(xué)介質(zhì)進(jìn)行干擾而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化作用”這種信念的人們，無言以對，只得認(rèn)輸。在同一年內(nèi)，哈赤基斯還證實了那些與莢膜形成毫無關(guān)系的一些細(xì)菌性狀（如對藥物的敏感性和抗性）也會

8、發(fā)生轉(zhuǎn)化。他從正常的S型肺炎球菌中分離出了一種抗青霉素的突變型（記為PenrS），提取出它的DNA，加到一個由對青霉素敏感的S型中突變產(chǎn)生的R型（記為PenrR）的培養(yǎng)物中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，某些個PenrR受體細(xì)菌已被轉(zhuǎn)化為PenrS給體型。據(jù)此，他得出結(jié)論說，肺炎球菌的DNA不但帶有為莢膜形成所需要的信息，而且還帶有對青霉素產(chǎn)生抗性的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成所需要的信息。他還認(rèn)為，莢膜的形成和對青霉素的抗性似乎是由不同的DNA分子控制著。此后不久，哈赤基斯又利用從S野生型抗鏈霉素突變型細(xì)胞中提取的DNA進(jìn)行試驗，也獲得了同上述實驗完全相仿的結(jié)果。當(dāng)哈赤基斯將其實驗結(jié)果在美國科學(xué)院院報上發(fā)表之后,一切認(rèn)為 D

9、NA的轉(zhuǎn)化作用是生理性的而不是遺傳性的各種奇談怪論便消失無蹤了。針對第二種否定意見，艾弗里和麥卡蒂于1946年用蛋白水解酶、核糖核酸酶和DNA酶分別處理肺炎球菌的細(xì)胞抽提物。結(jié)果表明，前兩種酶根本不影響抽提物的生物學(xué)效能，然而只消碰一碰后者，抽提物的轉(zhuǎn)化活性便立即被完全破壞掉。這一結(jié)果進(jìn)一步證明了DNA作為遺傳信息載體的功能。哈赤基斯繼續(xù)對轉(zhuǎn)化因子進(jìn)行化學(xué)提純。到1949年時，他已經(jīng)能把附著在活性DNA上的蛋白質(zhì)含量降低到0.02。盡管如此，在1949年，這些實驗結(jié)果仍然沒能使懷疑論者相信DNA是遺傳變化的原因所在。甚至到1950年，米爾斯基（AEMirsky）仍對艾弗里的轉(zhuǎn)化因子試驗結(jié)論持懷

10、疑態(tài)度。他認(rèn)為，“很可能就是DNA而不是其它的東西是對轉(zhuǎn)化活性有責(zé)的，但還沒有得到證實。在活性因子的純化過程中，越來越多的附著在DNA上的蛋白質(zhì)被去掉了，但很難消除這樣的可能性，即可能還有微量的蛋白質(zhì)附著在DNA上，雖然無法通過所采用的各種檢驗法把它們偵察出來，因此對DNA本身是否就是轉(zhuǎn)化介質(zhì)還存在一些疑問”。后來，隨著對DNA化學(xué)本性的足夠了解，特別是1952年赫爾希（A.D.Hers-hey）和蔡斯（MChase）證明了噬菌體DNA能攜帶母體病毒的遺傳信息到后代中去以后，科學(xué)界才終于接受了DNA是遺傳信息載體的理論。美國分子遺傳學(xué)家GS斯坦特寫道：“這項理論到1950年后好像突然出現(xiàn)在空中

11、似的，到了1952年已被許多分子遺傳學(xué)家奉為信條”。科學(xué)界對艾弗里等人的理論的懷疑，也反映到諾貝爾獎評選委員會中。當(dāng)艾弗里提出他們的理論以后，鮮有人提議艾弗里應(yīng)獲這種最高獎勵。但鑒于科學(xué)界對其理論還抱有懷疑，諾貝爾獎評選委員會認(rèn)為推遲發(fā)獎更為合適?？墒牵?dāng)對他的成就的爭議平息、諾貝爾獎評選委員會準(zhǔn)備授獎之時，他已經(jīng)去世了。諾貝爾獎評選委員會只好惋惜地承認(rèn)：“艾弗里于1944年關(guān)于DNA攜帶信息的發(fā)現(xiàn)代表了遺傳學(xué)領(lǐng)域中一個最重要的成就，他沒能得到諾貝爾獎金是很遺憾的”。 艾弗里等人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)為什么遲遲得不到科學(xué)界的承認(rèn)呢？這當(dāng)然不是由于他們的不術(shù)地位低下所致，因為艾弗里那時已經(jīng)是細(xì)菌學(xué)界的一員老

12、將。不是由于出版機(jī)構(gòu)的壓抑，因為他拉的文章在實驗醫(yī)學(xué)雜志上得到了及時發(fā)表。也不是由于他們的研究超越了時代或離開了研究的主流趨勢，因為當(dāng)時有許多人都在研究格里菲斯發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。馬克思主義認(rèn)為，艾弗里的發(fā)現(xiàn)的蒙難主要由于認(rèn)識論方面的一些原因造成的。具體說來是：第一，傳統(tǒng)觀念的束縛。無庸否認(rèn)，大家早就懷疑過DNA在遺傳過程中是否有一定的功能，特別是自從福爾根（F.Feulgen）于1924年證明了DNA是染色體的一個主要組分之后。但是，由于科學(xué)研究發(fā)展的特定歷史進(jìn)程，人們對蛋白質(zhì)的研究頗為充分，對它的重要性和分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識比較深入；而對DNA的研究就非常不夠，因而人們也就很難設(shè)想DNA能夠作為遺傳信

13、息的載體。在一段相當(dāng)長的時間內(nèi)，DNA不像蛋白質(zhì)那樣引人注意。這除了它不像蛋白質(zhì)（特別是酶）那樣到處都是，且到處都是活躍以外，重要的一點(diǎn)還在于結(jié)構(gòu)上似乎沒有蛋白質(zhì)那樣變化多端，具有個性（同一生物體中的異源蛋白質(zhì)之間，或者不同生物體中的同源蛋白質(zhì)之間，在結(jié)構(gòu)的特異性上存在著極大的差異）。直到30年代后期，科學(xué)界還普遍堅持萊文（PATLevine）在20年代提出的“DNA結(jié)構(gòu)的四核苷酸假說”，認(rèn)為DNA只不過是一種含有腺苷酸、鳥苷酸、胸腺苷酸和胞苷酸四種殘基各一個的四核苷酸而已。到了40年代早期，盡管已經(jīng)認(rèn)識到DNA分子量實際上要比四核苷酸理論所要求的大得多，但是仍然普遍地相信四核苷乃是那較大的D

14、N聚合體的基本重復(fù)單元，其中四個嘌呤和嘧啶堿基都依次按規(guī)定的序列而被重復(fù)著。DNA被看成如同淀粉等聚合物一樣的一種單調(diào)的均勻的物質(zhì)。第二，錯誤地總結(jié)經(jīng)驗造成的因噎廢食。就在艾弗里等人做出上述結(jié)論的20年之間，著名生物學(xué)家、1915年諾貝爾化學(xué)獎獲得者威爾斯塔特在實驗中由于采用的酶溶液過于稀釋之故，以至用通常的化學(xué)檢驗法顯示不出它的蛋白質(zhì)含量，但仍存在催化活性，于是便做出了酶不是蛋白質(zhì)的錯誤結(jié)論，宣稱已經(jīng)制成了不含蛋白質(zhì)的酶的制備物。由于這種結(jié)論出自權(quán)威之口，人們信以為真，結(jié)果使對酶的研究推遲達(dá)10年之久。1944年時，科學(xué)界對這種前車之鑒仍記憶猶新。所以，當(dāng)艾弗里等人公布他們的結(jié)論后，害怕再受騙的科學(xué)界便不敢再盲然唯這位權(quán)威而是從，遲遲不予認(rèn)可了。播種苦果的是已故權(quán)威威爾斯塔特，而蒙受苦果之害的是在世權(quán)威艾弗里。殊途而同歸?！巴査顾氐腻e誤幽靈使