科学逻辑的探讨——艾弗里、赫尔希实验及其效应

时间：2023-09-25 09:17 | 栏目：第1节 DNA是主要的遗传物质 | 点击：次

科学思维，也称科学推理或科学逻辑，是建立科学理论的一种研究方法。科学思维的培养离不开经典实验，其中又以艾弗里、赫尔希-蔡斯的实验及其效应尤为特殊，其间不仅有诺贝尔奖的颁奖传奇，更有史学家们事后的多样演绎，是对学生进行科学思维培养难得的素材。以这两个实验及其效应为例，结合教学中可能存在的一些偏差，探讨了其中的科学逻辑。

1艾弗里对转化因子的探究采用的是排除法思维

排除法也叫淘汰法，是指引起某一现象的原因有多种可能，如果将假定的各种可能都加以一一排除，观察某一现象不出现的那个排除因素，就是某一现象产生的原因。

艾弗里的实验研究过程，据文献考证是可信的。艾弗里用于转化实验的细胞提取物，是除去了Ⅲ型S细菌多糖和大部分蛋白质的混合物。转化实验的第一步，Ⅲ型S细菌的细胞提取物转化活的Ⅱ型R菌，能转化。第二步，用不同的水解酶（脂酶、蛋白酶、RNA酶、DNA酶）分别除去里面的大分子物质，观察转化结果。从实验方法上看，与提纯某些物质来一一检验相比，艾弗里的研究使用的“排除法”，能避免当时已知物质类别的限制，因为“转化因子”有可能是一种未知的全新物质。

实验结果表明没有新物质！他们得出的实验结论是：被分解掉的DNA极可能就是有活性的转化因子。第三步：提纯检验转化因子的理化特性：与DNA分子特性相似。

实验结果已经产生，是否就可以确认“DNA是遗传物质”呢？

2艾弗里实验结论与“四核苷酸”假设冲突引发的质疑推动了科学研究

艾弗里的论文一经发表就立即引发了广泛的质疑。虽然质疑集中在DNA的纯度上，但问题的关键不在于质疑实验的哪一部分，而在于为什么要质疑？质疑的依据是什么？有两个原因值得探讨。

一是科学理论的建立，需要满足两个基本要求：理论间的“无矛盾性”和经验检验上的“可证伪性”。

艾弗里的实验结论与当时流行的莱文的“四核苷酸”假设严重冲突：DNA是由四个不同核苷酸组成的小分子物质！人们很难想象，结构如此简单的物质怎能担当起遗传物质的重任？面对冲突，就连艾弗里自己都被实验结果给震惊了，在1944年《关于引起肺炎球菌发生转化的物质化学性质的实验研究》论文中也“没有明确指出DNA就是遗传物质”，而是谨慎地说“当然也有可能，这种物质的生物学活性并不是核酸的一种遗传特性，而是由于某些微量的其他物质所造成，这些微量物质或者吸附在它上面，或者与它密切结合在一起，因此检测不出来。”显然，他引入了“辅助假设”，但仍对“DNA是遗传物质”留下悬念，“如果目前研究的结果能得到证实，那么就必须认为核酸具有某种生物学的特异性，但这种特异性的化学基础到目前还未能搞清。”

那人们该相信谁呢？后来发生的生物学史正如预期：这两个实验结论都受到质疑！在质疑莱文“四核苷酸”假设方面，其中就有查哥夫，他于1950年用实验证据彻底否定了“四核苷酸”假说，并指出DNA是比蛋白质更大的分子。在质疑艾弗里的转化实验方面，其中就有赫尔希、蔡斯，他们做了噬菌体侵染细菌的实验。

3赫尔希一蔡斯实验应按遗传物质的连续性来进行科学分析

T2在侵染细菌时，T2的DNA进入细菌体内，外壳留在外边。赫尔希和蔡斯用³²P和³⁵S分别标记T2的DNA和蛋白质，让T2去侵染未标记的大肠杆菌……根据两组实验中上清液与沉淀物放射性大小的差异，证明遗传物质是DNA而非蛋白质”，这样的逻辑分析是直观的，但却是错误的。

如果“T2的DNA进入细菌，外壳留在外边”是完全已知的，那么用这个实验来检验“DNA是遗传物质”便是多余。反之，如果T2注入细菌的物质是未知的，则根据上清液与沉淀物放射性的大小根本无法证伪蛋白质的作用，与艾弗里的实验相比，更加地不准确。

这个实验应根据遗传物质的连续性来进行科学分析。逻辑的起点是：T2由DNA和蛋白质组成，在侵染细菌时进入的是DNA还是蛋白质不清楚，或即便清楚但持质疑态度（如赫尔希）。逻辑的终点是：侵染后的子代T2中含有亲代T2的什么物质？用同位素来跟踪便是向T2叩问答案。实验的结果是：在子代噬菌体中能够检测到大量亲本噬菌体的核酸（³²P），而没有任何亲本蛋白质，这样才能得到“在噬菌体传代过程中发挥作用的可能是DNA，而不是蛋白质”的结论。

该实验结果发表于1952年，当时四核苷酸假设已被清除，但赫尔希在发表论文时也并未宣布他们的实验为“DNA是遗传物质”提供了确凿证据。这又是为什么呢？

4科学假设能证伪、难证实，必须永远接受经验的检验

要阐明原因，还得从科学理论的本质说起，原因有二。

一是科学理论能证伪、难证实。例如切赫和奥特曼提出的“有催化功能的RNA”就能证伪“酶是蛋白质”的假说，植物组织培养实验就能证伪“细胞分化遗传物质丢失”的假说，等等。可见，科学理论是能证伪的，但证实却只是暂时的。正如生物史学家迈尔所言：“科学家所做的全部解释都是假说，而全部假说都是推测性的。这些假说必须永远经受检验，如果发现是不完满的就必须进行修正。”

二是生命现象的因果关系非常复杂，尤其在理论体系没有建立起来以前更是难以确证。例如，童第周和牛满江等用提纯的DNA、mRNA分别注入金鱼的受精卵，在后代中都观察到相同的稳定变异现象。据中心法则就能解释这个实验结果，但在分子遗传基础理论空白的情况下，假设有（A、B、C）三个因素的共同作用才能出现现象M，如何判断找到的这个因素就一定是A呢？正如科学家所质疑的：DNA的结构和转化机制尚不清楚，怎么能确定遗传物质就一定是DNA！即便是晚近8年的赫尔希-蔡斯在下结论时仍难以断言，只是慎重描述：“我们推论，含硫蛋白质对噬菌体增殖不起作用，而DNA则有某些作用。我们的实验清楚地表明，用物理方法把T2分离成遗传的和不遗传的两个部分是可能的，然而要对其遗传部分的化学性质做出鉴定，则须等到上述某些问题得到解答之后才行。”相反，当时小组的年轻成员沃森却坚信该实验证明了“DNA是遗传物质”，并毅然地投入到DNA分子结构的研究，于1953年与克里克一起取得了创建DNA双螺旋结构模型的伟大成就。

在这段科学史的生成中，正如库恩的范式理论所揭示的，不排除一些科学共同体的范式局限、偏见、错误以及艾弗里、赫尔希的过于谨慎。但正如波普尔的主张，由于科学就是在猜测批判中前行，因此我们需要包容错误。只有这样，才会有更多像沃森一样的科学家，大胆猜测，严格批判，推动科学进步，以此弘扬科学理性。

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