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微生物著名实验

确定生源论的实验

为了击败自然发生论,人类斗争了近二百年,从自然发生说到确定生源论,是来之不易的,这是科学实验的一次重大胜利。意大利医生雷地( Francesco Redi )第一个用实验来检验自然发生说。他做过一个对比实验:把肉块分分置几个不同容器中,有的盖上细布,而有的敞开让苍蝇可以自由进出。结果不盖布的容器里,肉腐烂并长出蛆来,而盖着布的容器里肉虽腐烂但不生蛆。就此,雷地得出结论,烂肉里的蛆是由苍蝇在其上产卵生长出来的,没有蝇卵,烂肉就不会生长出蛆来。后来,许多人重复了雷地的实验,并得出同样的结果,自然发生说才渐渐消退。 1862 年,巴斯德( Louis Pasteur )巧妙地设计制造出了形态独特的鹅颈瓶进行肉汤煮沸实验,才真正击败自然发生说。巴斯德将肉汤放进鹅颈瓶里,瓶颈作成 S 形,但仍然开着口。他将肉汤煮沸,把汤里和瓶内微生物全部杀死,然后置于原处观察,结果肉汤保待无菌状态。巴斯德实验成功之妙在于 S 形的瓶颈,外部的空气无法回流进去。这样,巴斯德实验证明空气不存在 “ 生命力 ” , “ 生物来源于生物 ”—— 这是生源论的著名论点。

肺炎双球菌转化实验

格里菲斯 ( Frederick Griffith ) 发现了细菌转化现象,他是分子遗传学的奠基人。他用实验证明了,若将活的无毒的粗糙型的 I 型肺炎双球菌( R 型)和加热致死的有毒的光滑型的 II 型肺炎双球菌( S 型)混合后注入健康小鼠体内会导致小鼠死亡。从该小鼠体内可提取到活的 S 型肺炎双球菌。难道是 S 型肺炎双球菌复活了吗? 格里菲斯 没有对此现象进行进一步的研究。但这个实验为以后认识到 DNA 是遗传物质奠定了基础。十九世纪三十年代, 艾弗里( Avery )、麦克劳德( Macleod ) 和麦卡蒂( McCarty )继续了他的工作并解释了该实验现象。原来,虽然 S 型菌已经加热致死,它的 DNA 并未解体, S 型肺炎双球菌的 DNA 进入了 R 型菌,使其转化为新的 S 型致病肺炎双球菌。 艾弗里等人的实验第一次证明了遗传物质就在 DNA 。

一步生长试验

埃利斯( E . L . Ellis )和 德尔布吕克( Max Delbruck )在对大肠杆菌( E. coli )噬菌体的研究中取得了很大的成就。

  德尔布吕克在摩尔根实验室的两年期间,遇到了很大的困难。想想一个学物理的人总要和染色体啊,基因啊什么的打叫道。所以他在日记中有这样的话:“我在阅读那些论文时真是望而生畏,各种基因型都有很长的陈述。太可怕了,我简直无法读懂它!”正在他感觉困惑的时候,摩尔根实验室里的埃里斯( E. L. Ellis )从污水中分离到噬菌体,埃里斯让他参加以噬菌体为实验材料的遗传课题。当时电子显微镜还没有发明( 1939 年才发明),所以看不到这种病毒 —— 噬菌体;当埃里斯向他描述噬菌体时,他甚至说: “ 我无法相信它的存在 ” 。但就是德尔布吕克后来提出了对噬菌体分阶段的生长设计,在此设想的基础上,他与埃里斯共同进行了著名的噬菌体 “ 一步生长试验 ” ,后来被公认为现代噬菌体研究方向的开端。虽然这个试验最初是为研究噬菌体的复制而建立,但后来也推广到动物病毒和植物病毒的研究中。 基本方法是以噬菌体的稀释液来感染高浓度的宿主细胞,等病毒吸附后,高倍稀释“病毒 — 细胞培养物”以建立同步感染,然后继续培养,定时取样并测定培养物中的病毒效力,并以感染时间为横坐标,病毒的感染效力为纵坐标,绘制出病毒特征性的繁殖曲线,即一步生长曲线。 曲线包括三个部分:

1 、潜伏期:指噬菌体的核酸侵入宿主细胞后至第一个成熟噬菌体粒子装配前的一段时间。

2 、裂解期:紧接在潜伏期后的宿细胞迅速裂解、溶液中噬菌体粒子急剧增多的一段时间。

3 、平稳期:指感染后的宿主细胞已全部裂解,溶液中噬菌体效价达到最高点的时期。

一个基因一个酶

到了 20 世纪 30 年代,生物学家已经确定基因需要酶的帮助才能完成功能,但是,基因和酶到底是什么关系仍然是个需要搞清楚的问题。 1941 年,美国生物学家乔治 · 比德尔( George Beadle ) 和爱德华 · 塔特姆( Edward Tatum ) 解开了这个迷。

1941 年,比德尔放弃了自己的果蝇实验,开始和塔特姆合作,把霉脉胞霉作为研究对象,并且共同发表了一篇关于他们的粗糙脉胞霉( Neurospora crassa )实验的论文,提出基因通过相应的酶的活动进行表达。第一种被确定的基因是一种催化烟酸合成的酶基因。这篇报告是“一个基因一种酶”学说的基础。他们选择脉胞霉是因为它生长和繁殖很快。他们把脉胞霉接种到适宜的培养基,然后用 X 射线照射菌落。其中一些菌落虽能生长但不能大量繁殖。只有加入维生素 B6 后,这些被照射过的菌落才开始正常生长。通过将这些有缺陷的菌种与正常菌种杂交,他们证实这种缺陷是孟德尔隐形基因遗传。根据实验结果,他们认为所有的生物体内的一切生物化学过程最终都由基因控制;这些过程都可以分为一系列的化学反应;美国反应都以某种方式受到单个基因的控制;单个基因的突变只能改变细胞进行某一化学反应的能力。

总结上面的观点,比德尔和塔特姆认为每个基因仅控制一种酶的形成。由于他们的开创性工作,比德尔、塔特姆和莱德博格分享了 1958 年的诺贝尔医学及生理学奖。

 

  基因转导的发现实验

  乔舒亚·莱德伯格 (Joshua Lederberg) 和津德 (Norton Zinder) 为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用,做了如下实验:在用烧结玻璃滤板(只允许液体和比细菌小的颗粒通过)隔开的 U 型管的左右两臂中分别放入两株不同的伤寒沙门氏菌,这两株菌都被伤寒沙门氏菌噬菌体侵染过,然后用泵交替抽吸,使两端的液体来回流动。在仔细的观察中,他们意外地发现其中一端的菌体表达了存在于另一端个体中的基因,这说明伤寒沙门氏菌噬菌体 能携带 DNA ,并能在另外的细菌中表达, 起着基因转导的作用。于是他们发现一个重要的基因转移途径 — 转导,即噬菌体可以携带 DNA 从一个细菌进入到另一个细菌。

 

噬菌体侵染细菌试验

赫尔希 ( Alfred Hershey ) 和切斯 ( Martha Chase )用放射性同位素 32 P 标记噬菌体 DNA ,用放射性同位素 35 S 标记噬菌体的蛋白质外壳,并让这种噬菌体去感染细菌,然后溶解宿主细胞,分离出子代 T2 噬菌体。结果在子代 T2 噬菌体中只发现被标记的核酸,而没有被标记的蛋白质。他们进一步做了一系列实验发现被标记的蛋白质没有进入细胞而是留在细菌的细胞膜上。由此,他们得出结论,噬菌体蛋白质对于噬菌体在细菌体内的再生进程并未发生任何作用,指导合成子代噬菌体的亲代噬菌体基因寓于它的 DNA 之中,也就是说 DNA 是噬菌体的遗传物质。这为证明 DNA   遗传物质提供了令人信服的证据。

限制性内切酶的发现

1952 年,卢里亚( Salvador Luria )得到了一种特别的突变菌,噬菌体可以感染并杀死它,但并不释放出噬菌体来,他一直无法解释这一现象。一天,他不小心将装有被噬菌体感染的大肠杆菌的试管打碎了,他便到隔壁借来了痢疾杆菌(志贺氏菌),他认为结果应该大致相同。结果被感染的痢疾杆菌释放出了噬菌体。这一结果使他感到既迷惑又兴奋,后来秘密揭开了:噬菌体在突变菌中被修饰了而不能生长,只有到其它菌种上才能繁殖。细菌的“限制”和“修饰”现象就是在这次偶发事件中发现的,休曼( Mary Human )和魏吉尔( Jean Weigie )也分别独立地发现了这种现象。后来科学家们通过对这种现象的进一步研究发现了限制性内切酶。
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