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对艾弗里实验表述的质疑(2010年7月被生物学通报退稿)  

2010-03-20 21:07:45|  分类: 遗传与进化 |  标签: |举报 |字号 订阅

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人教版高中生物课标教材(以下均简称“课标教材”)对艾弗里实验的表述,不符合生物科学发展的史实。


1 Avery实验简介

Avery等在1944年发表了《Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal Types: Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type Ⅲ》(以下简称“论文”)。论文第一次用实验表明了DNA是遗传物质。让我们先简单回顾论文所述的实验过程。  

   
1.1 “转化因子”的纯化[1]

 

1.1.1 原始材料:离心得到S型肺炎双球菌(Streptococcus pneumoniae)。将离心得到的S型细菌加热杀死。

1.1.2 从原始材料获得具有转化活性的提取液:用氯化钠溶液洗原始材料。将清洗后的原始材料置于含脱氧胆酸钠的氯化钠溶液中,振荡,离心去除细胞,得到S型细菌的粗提取液。向粗提取液中添加无水酒精,析出纤维状物质。将纤维状物质再溶于氯化钠溶液中,得到S型细菌的提取液(具有转化活性)。

1.1.3 去除提取液中的蛋白质和多糖:使用Sevag法去除提取液中的蛋白质。使用酶去除提取液中的荚膜多糖。再次使用Sevag法去除提取液中的蛋白质。向提取液中添加无水酒精,析出纤维状物质(具有转化活性)。

通过以上步骤,Avery等得到了具有转化活性的纯化的“转化因子”。


1.2 纯化“转化因子”的鉴定[1]

1.2.1 纯化的转化因子与双缩脲试剂和米龙氏试剂反应均为阴性,与二苯胺试剂反应为阳性。

1.2.2 纯化的转化因子中N/P值和DNA中N/P值相近。

1.2.3经纯化的胰蛋白酶、糜蛋白酶、核糖核酸酶处理后,纯化的转化因子仍具有转化活性;经未纯化的DNase处理后,转化因子失去转化活性。

1.2.4 免疫分析表明:纯化的转化因子既不与肺炎双球菌蛋白抗体反应,也不与荚膜多糖抗体反应。

1.2.5 超高速离心与电泳的结果均表明,纯化的转化因子成分均一,紫外吸收峰在260nm(和核酸相同)。

根据上述结果,Avery等推断转化因子是DNA。


1.3 转化因子是DNA的最终证明[2]

1946年,Avery等获得了DNase,经DNase处理后的转化因子丧失了转化活性,由此确定了转化因子是DNA。


2 课标教材对Avery实验的表述[3]

为了弄清楚转化因子,艾弗里及其同事对S型细菌中的物质进行了提纯和鉴定。他们将提纯的DNA、蛋白质和多糖等物质分别加入到培养了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,并且DNA的纯度越高,转化就越有效;如果用DNA酶分解从S型细菌中提取的DNA,就不能使R型细菌发生转化。


3 课标教材对Avery实验的表述不符合生物科学发展史实


3.1 课标教材的表述误解了Avery实验的设计思路

Avery实验的思路是:先纯化转化因子,然后对纯化的转化因子进行鉴定。这在论文中已经明确指出:The major interest has centered in attempts to isolate the active principle from crude bacterial extracts and to identify if possible its chemical nature or at least to characterize it sufficiently to place it in a general group of known chemical substances.(关注焦点放在了:从细菌粗提液中分离出具有转化活性的物质;我们期望能够对这种物质进行鉴定,或者至少获得足够的关于该物质的描述性信息,从而将其归属于某类已知的化学物质。)

Avery原始实验抓住了转化因子具有转化活性这一核心功能。首先明确S型细菌的粗提取液具有转化能力,然后通过一定的方法逐步去除粗提取液中的某种成分。如果去除某种成分后丧失转化能力,则去除的成分是转化必需成分;如果去除某种成分后仍保持转化能力,则去除的成分是转化非必需成分。不断地去除转化非必需成分,实质上就是在不断地纯化转化因子。得到纯化的“转化因子”后,Avery等再对转化因子进行鉴定。

与Avery等整体上把握转化因子的转化活性不同,课标教材对Avery实验的表述是一种简单的还原论,即强调对S型细菌的各种成分进行分析。如采用课标教材所述的实验思路,Avery等不但需要分离、提纯转化因子,还需要分离提纯非转化因子。


3.2 课标教材的表述不符合Avery的实际工作

依据课标教材的表述,Avery等需要对S型细菌的各种成分进行分离提纯。

1994年McCarty(Avery的同事,1944年论文的三作者之一)指出[4]:他们曾经怀疑具有转化能力的纤维状物质是多糖(因为免疫学检测到多糖抗体反应)。1943年的一次实验中,纤维状物质经过分解荚膜多糖的酶处理后,检测不到多糖抗体反应,仍具有转化能力,Avery等据此排除了多糖是转化因子的可能。由此可见,Avery等并未对S型细菌的荚膜多糖进行分离、提纯。

以上分析表明,课标教材对Avery实验的表述和科学史实不符。

除人教版高中生物课标教材外,国内其它版本教材也存在对艾弗里实验表述的误解。

《普通高中生物课程标准(实验)》指出,科学是一个发展的过程。学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路,理解科学的本质和科学研究的方法,学习科学家献身科学的精神。因此,生物科学史对培养学生的生物科学素养有着重要意义。Avery实验作为生物科学史的重要事件,在编入教材时,理应尽量忠于史实,实事求是。考虑到教材的科普性质,教材编写时可对原始实验进行重写,但应该保留原始实验的思路。

 

参考文献

[1]Avery O.T., MacLeod C.M., McCarty M.: Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types: Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type Ⅲ. J. Exp. Med., 1944,79:137158.

[2] McCarty M. & Avery O. T.:Studies of the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types II. Effect of desoxyribonuclease on the biological activity of the transforming substance. J. Exp. Med.,1946,83: 89~96.

[3]人民教育出版社,课程教材研究所,生物课程教材研究开发中心:普通高中课程标准实验教科书生物②必修《遗传与进化》.北京:人民教育出版社,2007:43~44.

[4] McCarty M.: A Retrospective Look: How We Identified the Pneumococcal Transforming Substance as DNA. J. Exp. Med., 1994,179:385~394.

 

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