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为什么说组成基因的物质是DNA?

基因的组成物质是DNA,这是经过40多年研究才得出的结论。

1911年,摩尔根等科学家发现,在体细胞中染色体都是成双成对的,而在性细胞中,染色体都是成单的。由此使科学家们相信,组成基因的物质必然存在于染色体中。随着分析技术的进步,染色体的“零件”很快被查清楚,不管是动物还是植物,染色体都由DNA、RNA和蛋白质这三种物质组成。这三种物质中,只有DNA既存在于体细胞中,又存在于性细胞中,而且性细胞中的DNA数量恰好是体细胞中的一半。因此,DNA是基因的组成物质似乎就有了事实根据。

但是,细菌这样的微生物,它们的结构非常“简陋”,根本就装不下染色体这种庞然大物,对它们来说,基因搭载在哪里呢?科学家们设计了一系列精巧的实验去揭示其中的奥妙。

肺炎球菌是一种球形的细菌,它们常常会聚在一起连接成串。这种细菌有两种:一种有毒,会引起肺炎;一种则无毒。是什么决定了这两种不同的类群呢?英国细菌学家格里菲思进行了一系列的研究。他把加热杀死的毒型肺炎球菌(S型菌)和活的无毒型肺炎球菌(R型菌)分别注射到小鼠体内时,两种小鼠都安然无恙。可是,把加热杀死的S型菌与R型菌混合后,再注射到小鼠体内时,小鼠却死掉了。格里菲思猜想,大概在加热杀死的S型菌中,有某种或多种物质能使活的R型菌“变”成S型菌,他把这种改变了R型细菌性质的物质称为“转化因子”。

转化因子是什么?格里菲思又做了新的试验,他在培养R型肺炎球菌时,把样品分成了两份:一份里面加入已死的S型菌,另一份中不加这种死菌。结果,加了死菌的样品中,长出来的细菌除有R型外还有S型,而不加死菌的样品里,长出来的细菌全部是R型。这个结果使他更加坚信,加热杀死的S型菌中,肯定存在着“转化因子”,并且这种“转化因子”能够耐受一定的高温。

正当他打算继续为寻找转化因子而做准备时,却在1941年的伦敦大轰炸中不幸丧生。

格里菲思与世长辞了,但科学家们对“转化因子”的探索并没有终止。在他之后,美籍加拿大科学家埃弗里和他的同事麦克劳德、麦卡蒂等在格里菲思的基础上,设计了新的实验。他们把有毒的S型菌的成分-DNA、RNA和蛋白质,一一分开,然后把这三种成分分别加在R型肺炎球菌的培养物中。他们发现,如果在R型菌的培养物中加的是RNA,那么长出的是R型菌;如果加的是蛋白质,长出的还是R型菌;只有当加的是DNA时,培养物上长出了S型菌。这表明,使R型菌转变为S型菌的原因就是S型菌中的DNA,DNA是能使R型菌性状改变的唯一物质

不过,以当时的实验技术,很难把DNA、RNA和蛋白质分得一清二楚,DNA中很可能混杂着一些蛋白质,蛋白质里也可能含有RNA,因此还无法确认DNA就是组成基因的物质

最终证明DNA是基因组成物的科学家是美国的赫尔希和蔡斯——两位专门研究噬菌体的专家。噬菌体是一种专门吞噬细菌的病毒,它介于生物与非生物之间,一旦噬菌体进入细菌后就成了生物,开始繁衍后代,而离开细菌的噬菌体,只是一堆蛋白质和DNA组成的复合物。

噬菌体结构非常简单,由一个六角形头和针筒状的尾巴组成,并且只有两种组成物质,即蛋白质和DNA。赫尔希和蔡斯先用放射性同位素分别给蛋白质和DNA做上记号,以方便观察。他们清楚地跟踪到噬菌体在大肠杆菌体内的繁殖全过程:首先,噬菌体吸附到宿主大肠杆菌的表面,然后用尾巴像打针一样把自己的DNA注射进大肠杆菌,蛋白质外壳则留在外面。进入大肠杆菌的DNA,迅速反客为主,利用大肠杆菌中的各种物质,制造出自己的DNA和蛋白质,再把新制造出来的DNA和蛋白质进行组装,形成一个个新的噬菌体。这一系列过程清楚地证明,DNA才是基因的组成物质,是DNA决定了蛋白质,是DNA决定了噬菌体的性状。这项研究成果在1952年公布之后,掀起了DNA结构研究的一轮热潮。

【发散思维】有没有遗传物质不是DNA的生物?