艾弗里、赫尔希实验及其效应中的科学逻辑.docx

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1、艾弗里、赫尔希实验及其效应中的科学逻辑科学思维，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

2、实验的细胞提取物，是除去了型S细菌多糖和大部分蛋白质的混合物。转化实验的第一步，型S细菌的细胞提取物转化活的型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

3、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

4、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

5、，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

6、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

7、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

8、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。