原稿《赫尔希-蔡斯实验能否证明“蛋白质不是遗传物质”？》(1)

1《生物学教学》2016年(第41卷)第10期赫尔希-蔡斯实验能否证明“蛋白质不是遗传物质”？余骥(浙江省回浦中学317000)摘要：本文应用充分条件假言推理、不相容选言推理的逻辑方法，选择无罪推定的态度来看待科学问题，阐述了原始文献中的相关观点，以论证在赫尔希-蔡斯实验中通过两个实验组的相互对照足以证明DNA是遗传物质而蛋白质不是。这样简明扼要的结论既符合逻辑，也尊重科学史，更易被高中生所接受。关键词：赫尔希-蔡斯实验逻辑方法无罪推定DNA蛋白质遗传物质“肺炎双球菌体外转化实验”和“噬菌体侵染细菌实验”是生命科学史上探索遗传物质化学本质的两个经典实验。1944年，艾弗里(O.T.Avery)通过化学分离法，证明DNA是转化因子。1952年，赫尔希(A.D.Hershey)和蔡斯(M.Chase)进行了噬菌体侵染细菌的实验，他们利用放射性同位素示踪法考察亲子代间遗传物质的传递性，从而为遗传物质的化学本质之争画上句号。赫尔希-蔡斯实验的设计思路和科学方法均是非常好的生命科学教育素材。运用得当，可以使学生在体验科学探究的过程中，有效训练分析、推理等抽象思维能力，同时深化对实验本质的理解[1]。然而由于篇幅的原因，高中生物学教材简化了实验背景，因此，了解更详细的实验内容很有必要。同时，利用逻辑工具去理解实验结论也是一种有效的方法。1问题的提出笔者在教学过程中发现很多老师和教辅书都认为“赫尔希-蔡斯实验不能证明蛋白质不是遗传物质”。通过查阅，发现这样的观点早已存在，特别是2011年江苏高考第12题D选项的出现更是带来了争议。（2011年江苏卷12题）关于“噬菌体侵染细菌的实验”的叙述，正确的是（C）A．分别用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基培养噬菌体B．分别用35S和32P标记的噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌，进行长时间的保温培养C．用35S标记噬菌体的侵染实验中，沉淀物存在少量放射性可能是搅拌不充分所致D．32P、35S标记的噬菌体侵染实验分别说明DNA是遗传物质、蛋白质不是遗传物质经过笔者梳理发现，持上述观点的理由如下：①在侵染过程中，由于蛋白质未能进入细菌内，即缺乏直接的实验证据，所以无法确定蛋白质不是遗传物质；②由于缺乏直接的实验证据，即存在蛋白质是遗传物质的可能性，所以不能认为蛋白质不是遗传物质；③因为DNA具有亲子代间的传递性，所以DNA是遗传物质。2“证实原则”与“有罪推定”的反思持上述理由①实际上自觉的运用了逻辑经验主义的证实原则来评判本实验。证实原则主张通过直接的经验事实来“直接”证明命题的真理性。然而，证实原则一经提出就受到诸多质疑和挑战。例如，人类至今未能亲眼观察到地球绕着太阳公转，但这的确是个客观事实，因为目前所有的间接观测数据均支持这一事实，可见直接经验相比演绎推理更具或然性。虽然卡尔纳普等人对证实原则作了进一步的修正，试图弱化证实的可能性和强调演绎推理的作用，但该原则最终还是在二战前后随着逻辑经验主义运动的结束而衰亡[2]。2持上述理由②则是基于司法中有罪推定的思维方式来理解本实验。有罪推定的例子是：某人可能是罪犯，目前没有证据证明其无罪，那么不能认为其无罪。将其应用于本实验则是：蛋白质可能是遗传物质，目前没有证据证明其不是遗传物质(缺乏蛋白质进入细菌内的实验)，那么不能认为其不是遗传物质。这是将司法中有罪推定思维应用于科学问题的例子。然而“有罪推定”是论证上的一种诉诸无知，其所蕴含的论证思路是通过强调对方缺乏证据从而证明自己观点的绝对成立，因而不符合形式逻辑规律[3]。3难题的突破：演绎推理关于理由③，可以从演绎推理的角度进行分析。所谓演绎推理，就是从一般性的前提出发，通过推导即“演绎”，得出特殊性的结论，是一种必然性推理。演绎推理有三段论、假言推理和选言推理等形式。假言推理可分为充分条件假言推理、必要条件假言推理和充分必要条件假言推理3种形式。选言推理也可分为相容选言推理和不相容选言推理。由于“作为遗传物质”是“具有亲子代间的传递性”的充分条件，且遗传物质非此(蛋白质)即彼(DNA)，因此根据规则[4]，本实验实际上存在两个阶段的演绎推理。第一阶段的推理(证明蛋白质不是遗传物质)属于假言推理中的充分条件假言推理。充分条件假言推理有四条规则：①由肯定前件，可以推出肯定后件；②由否定后件，可以推出否定前件；③由否定前件，不能推出否定后件；④由肯定后件，不能推出肯定前件。根据规则，充分条件假言推理有两个有效式：(1)肯定前件式：如果p，那么q；p，所以q；(2)否定后件式：如果p，那么q；非q，所以非p。第一阶段的推理属于否定后件式：如果某物质是遗传物质，那么该物质就一定具有亲子代间的传递性；蛋白质没有亲子代间的传递性，所以蛋白质不是遗传物质(如表1)。表1第一阶段的推理过程(充分条件假言推理之否定后件式)大前提小前提结论前件后件否定后件否定前件演绎推理作为遗传物质具有亲子代间的传递性蛋白质没有亲子代间的传递性蛋白质不是遗传物质第二阶段的推理(证明DNA是遗传物质)属于选言推理中的不相容选言推理。不相容选言推理有两条规则：①由肯定一个选言支，可推出否定另一个选言支；②由否定一个选言支，可推出肯定另一个选言支。根据规则，不相容选言推理有两个有效式：(1)肯定否定式：要么p，要么q；p，所以非q；(2)否定肯定式：要么p，要么q；非p，所以q。第二阶段的推理属于否定肯定式：要么蛋白质是遗传物质，要么DNA是遗传物质；蛋白质不是遗传物质，所以DNA是遗传物质(如表2)。表2第二阶段的推理过程(不相容选言推理之否定肯定式)大前提小前提结论选言1选言2否定选言1肯定选言2演绎推理蛋白质是遗传物质DNA是遗传物质蛋白质不是遗传物质DNA是遗传物质从以上分析可知，赫尔希-蔡斯实验的两个实验组(用放射性同位素35S和32P分别标记蛋白质和DNA)是通过相互对照从而形成完整逻辑链的。理由③的推理过程是通过肯定后件从而肯定前件，这不符合充分条件假言推理的规则④。虽然该理由可以得到DNA是遗传物3质的正确结论，但其论证逻辑是错误的。4价值理性：无罪推定与理由②的有罪推定相反，将无罪推定应用于本实验则是：蛋白质可能是遗传物质，目前没有证据证明其不是遗传物质(缺乏蛋白质进入细菌内的实验)，那么可以认为其不是遗传物质。从逻辑理性角度而言，无论是有罪推定，还是无罪推定，两者都是论证上的诉诸无知[3]。然而从价值理性的角度考虑，选择无罪推定的态度可能更尊重科学史和科学精神，更符合否定之否定的认识规律，因为科学理论可以通过不断被证伪而更接近真理，即目前没有出现蛋白质是遗传物质的证据那么就可以认为蛋白质不是遗传物质。另外，无罪推定的态度也是基于高中生的认知水平作出的理性选择，由此得出的结论也更容易被高中生所接受。5原始文献[5][6]与科学共同体的观点上述是从逻辑推理的角度探讨赫尔希-蔡斯实验的结论，然而这并非仅仅是一个冷冰冰的哲学逻辑问题，更应该考虑实验研究的对象是活生生的具有遗传现象的生命。作为遗传物质必须具备两个基本的属性：①控制生物性状；②可遗传或叫做世代相传，即具有亲子代间的传递性。在肺炎双球菌体外转化实验中，Avery使用酶解法将蛋白质与DNA分开研究，证明DNA是转化因子。但人们存有以下疑惑：①在化学分离的过程中是否会影响到各组分的功能呢？也许蛋白质才是真正的转化因子，只是实验的过程破坏了它作为转化因子的功能。②Avery的实验虽能证明DNA对荚膜的形成有某种直接的化学效应，即具备作为遗传物质的属性之一：控制生物性状。那么能控制生物性状就是遗传物质吗？例如RNA可以指导蛋白质合成，但其只是传递遗传信息的中间分子，DNA会不会也只是这样的中间分子呢？可见，仅证明能控制生物性状的属性是不够的。然而转化因子是否具有亲子代间的传递性，Avery不得而知。赫尔希-蔡斯实验的高明之处在于可以解决上述两个疑惑。噬菌体的结构远没有细菌复杂，仅由蛋白质外壳与DNA分子组成。他们用放射性同位素35S(A组)和32P(B组)分别标记蛋白质和DNA，在不影响两者化学性质的基础上研究各自的功能，并且通过跟踪亲子代间的传递性来确定遗传物质。在噬菌体侵染细菌的过程中，蛋白质与DNA的行为有何不同呢？研究者测定了搅拌前后35S和32P在细菌外的含量，发现A组的上清液和B组的沉淀物分别具有80%和70%的强放射性。为什么A组的沉淀物中有20%的放射性呢？原因在于噬菌体与细菌的吸附是表面受体的特异性结合，具有不可逆性，搅拌不能将两者完全分离。为什么B组的上清液中也有30%的放射性呢？原因在于细菌裂解释放出部分噬菌体。由此可知，DNA在侵染过程中进入细菌内部而蛋白质则留在外面。不同的行为是否意味不同的功能呢？研究者将噬菌体与细菌的碎片混合，发现含35S的蛋白质外壳始终与细胞碎片结合在一起，而含32P的DNA则出现在溶液中，可以想象，噬菌体与细菌碎片结合后试图将DNA注入，只不过另一端不是细菌而是溶液。如果蛋白质与噬菌体增殖有关，如何解释其不进入细菌的现象呢？换句话说，蛋白质连细菌都进不去，难道还有资格作为遗传物质吗？对于这样的实验现象，最合适的解释就是蛋白质只是作为噬菌体DNA的保护性外套兼具注射功能而已，与噬菌体增殖无关(Thesulfur-containingproteinofrestingphageparticlesisconfinedtoaprotectivecoatthatisresponsiblefortheadsorptiontobacteria,andfunctionsasaninstrumentfortheinjectionofthephageDNAintothecell.Thisproteinprobablyhasnofunctioninthegrowthofintracellularphage.TheDNAhassomefunction)。这也许正是生物演化的结果，是自然条件下蛋白质与DNA由于功能的不同而分4开各司其职的最直接的实验证据，显然比人工手段将两者分开研究更有说服力，这也恰恰证明蛋白质不是遗传物质。亲子代间有何联系呢？在A组中，子代噬菌体中几乎不含放射性(仅检测到少于1%)。在B组中，子代噬菌体却具有很强的放射性，这些放射性来自于亲代噬菌体中的32P即DNA，说明噬菌体DNA将遗传信息带进细菌内，控制噬菌体蛋白质的合成。由此可知，DNA不仅具有亲子代间的传递性，而且能控制生物性状，这表明遗传物质是DNA而非蛋白质。从以上分析可知，赫尔希-蔡斯实验的两个实验组是通过相互印证从而形成完整证据链的。因此，仅根据其中的一组而“分别”得出蛋白质或DNA在噬菌体增殖中各自独立的功能是不正确的。可见，2011年江苏高考第12题的D选项错在“分别”二字，而不是错在“赫尔希-蔡斯实验不能证明蛋白质不是遗传物质”。1952年，Hershey和Chase公布了噬菌体侵染细菌的实验结果，以致所有生物学家都承认遗传物质的化学本质是DNA，放弃了蛋白质是遗传物质的观点，四核苷酸假说也被彻底推翻了。受到上述实验结果的启发，沃森与克里克建立了DNA分子的双螺旋结构模型。6国内外不同版本教科书的论述笔者查阅了目前国内正在使用的6个版本的高中生物学教材，其中较新的中图版(2007年)、苏教版(2013年)和北师大版(2014年)在介绍该实验时明确提出：赫尔希-蔡斯实验证明了DNA是遗传物质，而蛋白质不是。国外较权威的生物学教材，如Raven＆Johnson的《Biology(SixthEdition)》、Mader的《Biology(EighthEdition)》、Sadava等的《LIFE：TheScienceofBiology(NinthEdition)》也认为：赫尔希-蔡斯实验表明DNA是遗传物质而非蛋白质(TheHersheyandChaseexperimentshowedthatDNAandnotproteinisthegeneticmaterial)。7结论综上所述，可以形成如下结论：①赫尔希-蔡斯实验表明DNA是遗传物质而