女子踢人:引用 “噬菌体侵染细菌的实验”的分析与教学建议

“噬菌体侵染细菌的实验”是验证DNA是遗传物质的经典实验。不同时期、不同版本的高中生物教科书都采用了这个实验，作为DNA是遗传物质的重要证据。该实验的研究背景、设计思路、科学方法都是较好的科学教育素材，运用得当，可以较好地让学生体验科学知识的发生过程，并提升学生的分析、思维、探究等方面的能力。
以往的教学，常常以“了解实验过程→分析实验结果→得出结论”为主线进行教学，尽管结合图解，学生理解了实验过程及其结果，并能够由结果推出结论，但是对于实验的实质及其科学方法乃至实验的科学价值只能是浅层次的了解，在迁移运用及能力培养方面有所欠缺。就实验而论实验，在兴趣培养方面更显苍白。本文就笔者的教学实践来谈谈该实验的有效教学。
1.研究背景
赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）设计并完成了这个实验，但是此实验的成功，建立在德尔布吕克（Max Delbruck）和卢里亚（Salvador Luria）对噬菌体研究的基础之上，并且，德尔布吕克是一位颇具传奇色彩的科学家，他的科学研究经历会让学生产生浓厚的兴趣。教学实践表明，德尔布吕克极富传奇色彩的研究经历给了学生无穷的想象空间，也极其有效地创造出思考与探究的氛围。让学生不由自主地沉入思考并积极进入自主探究的状态，这是调动学生探究积极性并增强教学有效性的重要前提。更重要的是，研究背景让学生轻而易举地抓住了实验遇到的难题到底是什么？应该如何解决？在问题的引领下思考实验，会更深入，针对性更强。
德尔布吕克1906年9月4日出生于德国柏林，1930年获理论物理学博士学位，1931年在玻尔（Niels Bohr）的指导下进行博士后研究。年仅26岁的德尔布吕克当时已经是一位小有名气的原子物理学家。德尔布吕克的导师玻尔是量子力学的巨匠，玻尔的父亲是一名医生，因此他也曾经深入思考过生物学问题。由于物理学的发展较早，已经达到了一个较高的水平，再有大的突破很难。所以，玻尔在思考生物学问题的同时萌生了一种信念：也许可在生物学研究中发现某些新的物理原理或定律。对于不少物理学家来说，这是一个浪漫的诱惑，从而吸引他们转向生物学领域。德尔布吕克就是其中的一位。1932年8月的一次国际性会议上，玻尔发表了光与生命的演讲，提出生命过程是对化学和物理学规律的补充。这对德尔布吕克的影响很大，导致他从此由物理学转向生物学研究。
1937年，德尔布吕克到美国加州理工学院摩尔根实验室从事遗传学研究。但是，他发现一个理论物理学家成天要在显微镜下与果蝇染色体打交道是多么困难。正在他产生动摇、举棋不定时，同一实验室的埃里斯（E.L.Ellis）建议德尔布吕克加入噬菌体研究。噬菌体的确也吸引了德尔布吕克，他很快意识到，噬菌体是一种进行定量研究的理想材料。寄主菌与噬菌体的实验结果分析简单，实验一天之内就能完成，有关技术易于掌握。于是德尔布吕克从此转入噬菌体研究，并提出对噬菌体进行分阶段生长试验的设想，二人共同设计并进行了著名的“一级生长试验”，1939年发表了题为“噬菌体的生长”一文，成为现代噬菌体遗传研究的开端。他们测定了噬菌体的一级生长曲线，该曲线表明噬菌体生长可分为三个时期，即潜伏期、生长期和释放期，还说明每个寄生细胞的平均释放量为100个左右。其次，他们还做了单菌释放实验，目的是测定每个被感染细胞释放的噬菌体数量（不是平均数）。单菌释放实验的另一个用途，是可以利用纯化后的噬菌体做遗传学分析。
1940年12月，德尔布吕克在一次物理学年会上结识了同样从事噬菌体研究的卢里亚。两人开始了合作研究。1943年，他们发表了一篇题为“细菌从对病毒敏感性到对病毒抗性的突变”的著名论文。同年，阿尔弗雷德·赫尔希（Alfred  Hershey）从华盛顿大学来到范德彼尔特大学拜访德尔布吕克。赫尔希也在研究噬菌体，不久也参加了德尔布吕克成立的噬菌体俱乐部。
在上述对噬菌体研究的基础上，赫尔希和蔡斯于1952年设计并进行了一个著名的实验，成功证明了DNA是遗传物质。他们是怎样设计实验的？让我们一起来分析。
2.噬菌体侵染细菌的猜想
DNA和蛋白质到底哪一个是遗传物质，尽管格里菲斯（F．Griffith）和艾弗里（O．Avery）已经证实了DNA是导致细菌转化的因子，但是，这仅仅是从一个侧面证明了DNA可以控制细菌荚膜的形成，并没有证明作为遗传物质必须具备的亲子代间的传递性。噬菌体身体结构异常简单，简单到只有蛋白质外壳包裹着DNA构成。如果能证明噬菌体传递给后代的只有DNA而没有蛋白质，就强有力地证明了DNA是遗传物质而蛋白质不是。
但是噬菌体侵染细菌到底是怎样进行的呢？根据实验可以推测：噬菌体侵染细菌时，进入细菌的只有其DNA分子，但这只是一个推测，这样一个微观过程如何才能观察到？这就是赫尔希和蔡斯遇到的难题。这个难以解决的问题一定要呈现给学生，只有从这个难题的角度去思考实验的设计方案，才能使思维的指向性更明确，才能更深入地思考如何才能直接观察到噬菌体侵入细菌的只有DNA而没有蛋白质。
教学过程中补充噬菌体侵染细菌的过程（如下图）是必要的，只有了解此过程，才能深入分析，寻找实验方法。当然，实验验证之前，这个过程仅仅是一个根据当时文献的推理与猜想，这个一定要告诉学生。
噬菌体结构模式图及侵染细菌过程示意图
吸附        侵入        复制        组装         释放
3.难题的突破
首先，该实验存在一个演绎推理，是实验的前提条件，必须让学生明白这个推理过程。所谓演绎推理，就是由普通性的前提推出特殊性结论的推理。演绎推理有三段论、假言推理和选言推理等形式，该实验的推理属于假言推理。
假言推理的基本原则是：小前提肯定大前提的后件，结论就要肯定大前提的前件；小前提否定大前提的前件，结论就要否定大前提的后件。推理的过程如下表所示：
前提与结论
大前提
小前提
结论
推理过程
作为遗传物质，必须能够从亲代传递给子代。
噬菌体的DNA传递给了子代，而蛋白质没有传递给子代。
所以，DNA是遗传物质，而蛋白质不是。
实验的目的是要证明侵入细菌的只有噬菌体的DNA而没有蛋白质。而实验的难点则有如下几个：
⑴ 如何用同位素标记噬菌体的DNA或蛋白质？  可以直接告诉学生用同位素示踪法，或者让学生回忆光合作用过程研究氧气分子来源的方法。而关键的问题是如何用同位素进行标记？标记什么元素？可以通过问题探讨让学生解决：①我们怎样得到同位素标记的噬菌体？（根据学生的基础，也可以分解为几个问题：能不能直接标记？可以用含有同位素的培养基培养病毒得到吗？如何才能做到？）②如果有多种同位素如14C、15N、3H、32P、35S等，选择哪种元素进行标记？为什么？③如果同时用不同的同位素分别标记噬菌体的DNA和蛋白质可以吗？为什么？（不可以，因为结果检测只是检测放射性强弱，而不能分辨不同元素的放射性）
⑵ 怎样使噬菌体外壳从细菌表面脱落下来？  假如噬菌体侵入细菌的只有DNA而没有蛋白质，那么噬菌体的蛋白质外壳就留在了细菌表面，只有把细菌和噬菌体的外壳分开观察（检测放射性），才能达到实验目的。噬菌体侵染细菌后，其蛋白质外壳仍吸附在细菌表面，而所有细菌此时悬浮在培养液中，怎样使细菌和噬菌体外壳分离呢？可以通过问题让学生解决：①如何使噬菌体外壳与细菌脱离？②脱离后如何把二者分开？（可以告诉学生，噬菌体外壳非常微小，如果离心，是细菌首先沉淀。）
⑶ 观察到什么现象才能说明侵入细菌的只有噬菌体的DNA？  可以先让学生预测实验结果，然后再一起分析结果，得出结论。可提出下列问题：①标记DNA的噬菌体侵染、处理后的结果如何？怎样解释？②标记蛋白质的噬菌体侵染、处理后的结果如何？怎样解释？
4.深化实验分析
⑴ 从理论上讲，仅用32P标记噬菌体的DNA，侵染细菌后搅拌离心，实验结果应该是只有沉淀物（细菌）具有放射性，而上清液不应该有放射性，这样才能说明噬菌体的DNA进入细菌体内了。但是，实际的实验结果是上清液中也有较弱的放射性，应该如何解释？
⑵ 仅用35S标记噬菌体外壳，侵染细菌后搅拌离心，实验结果应该是只有上清液（含有噬菌体外壳）具有放射性，而沉淀物不应该有放射性，这样才能说明噬菌体的蛋白质外壳没有进入细菌体内。但是，实际的实验结果是沉淀物中也有较弱放射性，应该如何解释？
可以引导学生发现问题，然后组织学生通过“小组讨论→代表回答→评价修正→总结归纳”的方式进行。要解决上述两个问题，并不是很容易的，因为实验并不是学生亲自动手，仅仅是学生通过思考设计的一个实验方案罢了。尽管我们通过问题设计尽量让学生从一个研究者的角度去思考实验过程，但由于没有亲身实践，仍属于较浅层次的理解与认识。如此，就需要学生深入研究实验过程，寻找导致这种结果的原因。解决上述问题，必须深入思考实验的每个步骤的目的与原因，以及该步骤的注意事项，必须从一个操作者的角度去思考才能有所收获，从而解决问题。如：问题⑴发生的原因，要想到噬菌体侵染持续时间的长短，把握好时间，才不至于导致某些噬菌体因没来得及侵入而留在上清液，或者某些细菌因时间过长已经裂解，从而存在于上清液（问题的详细答案见《生物学通报》2008年第2期第32页）。所以，这两个问题可以较好地引导学生深入分析实验过程，使学生对实验的认识得以升华。
5.德尔布吕克的贡献
关于德尔布吕克的下列介绍，与本文的实验没有太大关联。但是，对于青少年时期学生的影响却不可低估。德尔布吕克的人格魅力可以影响到了解他的任何人，他热爱科学研究，真诚而毫不保留地分享研究成果，以博大的胸怀善待每一个与之合作的科学家。对于正在形成价值观的高中生来说，将会起到良好的影响作用。
德尔布吕克和他麾下的一大批科学家们所进行的一系列研究，有力地推动了生物学研究由经典遗传学阶段进入到分子遗传学阶段，而德尔布吕克、卢里亚和赫尔希也因此获得了1969年的诺贝尔生理学和医学奖。
德尔布吕克对遗传学的贡献，不仅仅在于他与卢里亚、赫尔希用噬菌体所做的几项重要实验，而且还在于他在学术组织方面所起的杰出作用。从1940年开始，他和卢里亚、赫尔希合作组成噬菌体小组，共同开创了美国噬菌体遗传学派。1944年在德尔布吕克的倡导下，还通过了所谓“噬菌体条约”，规范了噬菌体研究中有关材料和方法方面诸多事项，使各国的噬菌体研究得以深入，成果便于交流。噬菌体研究人员由原先的两三人发展到最盛时期来自37个国内外机构和大学的数百人之多。德尔布吕克严谨的科学态度、献身科学的精神、杰出地组织和团结能力，对分子生物学和分子遗传学的发展产生了巨大的推动作用。德尔布吕克通过噬菌体研究培养了整整一代的分子生物学家，仅是其中后来获得诺贝尔生理学或医学奖的就有一大批，众所周知的沃森也是噬菌体小组成员。德尔布吕克是精思勤研的典范，他的科学和人格魅力可以把各个领域的人吸引到他的周围。所以，1965年诺贝尔奖得主之一、法国巴斯德研究所所长雅克莫诺曾说：“就是在这样的场合，分子遗传学这一新学科才获得了它的躯体和灵魂”。1966年，在德尔布吕克60寿辰之际，加州理工学院出版了一本纪念文集：《噬菌体和分子生物学的开端》，充分肯定了德尔布吕克在学术组织方面的重大贡献。
6.教育价值
科学家专注于科学研究的态度、献身科学的精神以及智慧的头脑、巧妙的实验设计都会深深的吸引学生，并对他们产生深刻的影响，在培养学生学习的兴趣方面具有不可替代的作用，甚至能使学生由简单的“兴趣”向“志趣”转化，为他们一生的理想奠基。
实验研究的背景介绍，不仅能引起学生的探究兴趣，抓住实验难题，使学生思维定向，并且让学生认识到“噬菌体侵染细菌的实验”是经历了那么多基础研究才得以成功的，没有德尔布吕克对噬菌体的前期研究，这个实验时不可能成功的。在这个学习的过程中，学生能够很好地体验科学研究的发展性，领悟科学发现是许多科学家协作研究、共同努力的结果，并且认同科学学说的建立过程是一个不断开拓、继承、修正和发展的过程。
不仅如此，实验的深入学习与研讨完全可以转化为学生在课堂上很容易进行的小课题研究，把学习的权利真正还给学生，努力创设一个充满探究氛围的课堂环境，让学生自主、合作、快乐地进行探究，较好地培养学生的质疑能力和创新思维能力，在培养学生科学素养方面所起的作用不可低估。