遗传和变异

生物都具有遗传和变异的现象，这是人类早已认识到的。但是，遗传和变异究竟怎样发生的？在生物体内是什么物质对遗传和变异起着决定作用？生物的遗传和变异有哪些共同的基本规律？对于这些问题进行深入的科学研究，并且不断获得突破性的进展，都是近一百多年来的事。19世纪60年代，遗传学家从生物的性状出发，发现了遗传的两个基本定律。到20世纪中叶，科学家们已经能够从分子水平上来探讨遗传的本质。现在，随着生物技术的发展，人们又在分子水平上实现了对遗传物质的重新组合，解决了许多与人类的生产和生活密切相关的问题。

遗传的物质基础

我们知道，生物体的性状之所以能够传给后代，是由于生物体内具有对遗传起决定作用的物质——遗传物质。那么，究竟什么是遗传物质呢？遗传物质具有什么样的结构和功能特点呢？在生物的遗传过程中，遗传物质是怎样发挥作用的呢？

一 DNA是主要的遗传物质

19世纪末叶，生物学家通过对细胞的有丝分裂、减数分裂和受精过程的研究，认识到染色体在生物的遗传中具有重要的作用。染色体主要是由蛋白质和DNA组成的。那么，在这两种物质中，究竟哪一种是遗传物质呢？曾经有不少学者认为，蛋白质是一切生命活动的体现者，因此，蛋白质是在生物的遗传中起决定作用的物质。后来，越来越多的科学实验证明，生物体内主要的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。

你认为作为遗传物质应该具有怎样的特点？

怎样证明DNA是遗传物质呢？科学家们的做法是：设法把DNA与蛋白质分开，单独地、直接地去观察DNA的作用。下面介绍证明DNA是遗传物质的两个著名的实验。

肺炎双球菌的转化实验

1928年，英国科学家格里菲思用肺炎双球菌在小鼠身上进行转化实验。当时，他用了两种不同类型的肺炎双球菌。一种叫R型细菌，它的菌落粗糙，菌体无多糖类的荚膜，是无毒性的球型菌；另一种叫S型细菌，它的菌落光滑，菌体有多糖类的荚膜，是有毒性的球形菌，可以引起人患肺炎和使小鼠患败血症。肺炎双球菌转化实验的实验过程如图。

格里菲思从第4组实验的小鼠尸体上分离出了有毒性的S型活细菌，这表明无毒性的R型活细菌在与被加热杀死的S型细菌混合后，转化为有毒性的S型活细菌。接着，格里菲思又发现，这些转化成的S型细菌的后代也是有毒性的S型细菌，可见这种性状的转化是可以遗传的。为什么无毒性的R型活细菌能够转化成有毒性的S型活细菌呢？格里菲思的结论是：在第4组实验中，已经被加热杀死的S型细菌中，必然含有某种促成这一转化的活性物质——“转化因子”。但是，那时格里菲思并不知道转化因子是什么物质。为了弄清楚转化因子究竟是什么物质，1944年，美国科学家艾弗里和他的同事，从S型活细菌中提取出了DNA、蛋白质和多糖等物质，然后将它们分别加入培养R型细菌的培养基中，结果发现只有加入DNA，R型细菌才能够转化为S型细菌，DNA的纯度越高，转化就越有效。艾弗里还发现，如果用DNA酶处理DNA，就会使DNA分解，那么，S型死细菌就不能使R型细菌发生转化。由此可见，转化因子就是DNA。艾弗里等人的研究工作表明：DNA才是使R型细菌产生稳定的遗传变化的物质，也就是说DNA是遗传物质。

噬菌体侵染细菌的实验T₂噬菌体是一种专门寄生在细菌体内的病毒(如图)，T₂噬菌体侵染细菌后，就会在自身遗传物质的作用下，利用细菌体内的物质来合成自身的组成成分，从而进行大量增殖。T₂噬菌体头部和尾部的外壳是由蛋白质构成的，在它的头部内含有一个DNA分子。那么，T₂噬菌体的遗传物质究竟是蛋白质还是DNA呢？

科学家首先用放射性同位素³⁵S标记了一部分噬菌体的蛋白质，并用放射性同位素³²P标记了另一部分噬菌体的DNA。然后，用被标记的T₂噬菌体分别去侵染细菌(如图)。当噬菌体在细菌体内大量增殖时，生物学家们对被标记物质进行测试。测试的结果表明，噬菌体的蛋白质并没有进入细菌内部，而是留在细菌的外部，噬菌体的DNA却进入了细菌体内。可见，噬菌体在细菌内的增殖是在噬菌体DNA的作用下完成的。

为什么选择³⁵S和³²P这两个元素分别对蛋白质和DNA作标记？用¹⁴C和¹⁸O等元素可行吗？参考答案

上述实验结果表明：在噬菌体中，亲代和子代之间具有连续性的物质是DNA，而不是蛋白质。也就是说，子代噬菌体的各种性状，是通过亲代的DNA遗传给后代的，因此，DNA才是真正的遗传物质。现代科学研究证明，遗传物质除了DNA以外，还有RNA。有些病毒不含有DNA，只含有蛋白质和RNA，如烟草花叶病毒。从烟草花叶病毒中提取出来的蛋白质，不能使烟草感染病毒，但是，从这些病毒中提取出来的RNA，却能使烟草感染病毒。因此，在这些病毒中，RNA是遗传物质。因为绝大多数生物的遗传物质是DNA，所以说DNA是主要的遗传物质。

DNA的粗提取与鉴定

一、填充题

1．证明DNA是遗传物质的著名的实验是：______实验和______的实验。

2．20世纪40年代～60年代间，科学家相继用不同的实验证明了DNA是遗传物质，这些实验都是设法把______和______，以便能够______去观察DNA的作用。

二、判断题

1．细胞中的所有DNA都是染色体的组成成分。( )

2．真核生物细胞中的遗传物质都是DNA，病毒中的遗传物质都是RNA。( )

三、简答题

肺炎双球菌的转化实验中，能够证明DNA是遗传物质的最关键的实验设计思路是什么？要实现这一设计思路，需要具备怎样的技术手段？这对于你认识科学与技术之间的相互关系有什么启示？参考答案