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1700253159 但是,有的时候,在这种培养板上也会出现菌落,明显的是这些细菌有了抗T1噬菌体能力。现在的问题是,这种突变了的抗性菌株是怎么来的?是被T1噬菌体诱导出来的,还是细菌自己偶尔的随机突变碰巧搞出来的?如果是前一种情况,则符合“新拉马克主义”所说的生物可以针对环境出现定向突变的理论;后一种情况当然是符合达尔文的随机突变理论。现在需要做实验来证明到底是哪种情况起作用。
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1700253161 这里面有一个麻烦,因为无论是定向诱导而来或是随机突变而来,其结果是一样的,很难找出一个办法来验证其根源是什么。
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1700253163 科学家们不是吃素的,他们自有办法解决这一难题。当时重要的分子遗传学研究者鲁拉(Salvador Luria)和德尔布鲁克(Max Delbruck)是研究噬菌体的专家,他们在1943年设计了一个实验,即著名的波动实验成功解决了这个麻烦。
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1700253165 实验的原理是这样的:
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1700253167 他们把来源相同的细菌分为两组,分别装入甲、乙两只试管中,然后把甲管再分装入50支小管,保温30小时左右,让细菌突变,再把50支小管中的细菌分别涂到含有T1噬菌体的培养基上培养,并计算出现的抗性菌落数目。
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1700253169 乙管用另一种办法处理,并不把它分装,而是先保温30小时左右给他们突变的机会,然后再分装到20支小管中去,直接涂到含有T1噬菌体的培养基上培养,同样计算出现的抗性菌落数目,与甲管进行对比。
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1700253171 结果发现,甲管分装后涂出来的20个平板中,各平板菌落数相差很大;而乙管直接分出来的各板上菌落数则大致差不多。
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1700253173 这说明了什么呢?
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1700253175 说明细菌对T1噬菌体的抗性是自发的随机的突变产生的,而不是诱导产生的。因为这两管细菌在涂到培养基上之前都没有接触过T1噬菌体,所以谈不上什么诱导,细菌也就没有机会产生所谓定向突变。
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1700253177 甲管分出来的各个平板上之所以出现不同数量的抗性菌落,是因为对应的小管中在保温阶段出现突变的细菌数量不同。如果碰巧哪一管中没有细菌发生突变,那么对应的平板就没有菌落生长。乙管则不然,因为它们是从一个大管中直接分出来的,所以突变细菌的分布很均匀,在平板上的表现当然也就很均匀了。
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1700253179 这个实验也可以用来证明细菌抗药性的出现是否与接触药物无关。
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1700253181 这本是一个经典的实验,在生物学上又叫做彷徨实验或变量实验。后来的影印实验可以认为是这一实验的翻版和改进,基本原理大致相同,意义也差不多,同样证明了细菌的抗性突变不是由环境定向诱导造成的,而是随机突变出现的。本来已经没有什么好争议的了。鲁拉和德尔布鲁克两人也因相关研究而于1969年共同获得诺贝尔生理奖和医学奖。
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1700253183 这是对新拉马克主义的一次沉重的打击。自此以后,谁如果还是坚持定向突变和获得性遗传,都将会被视为是保守和无知的表现。
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1700253185 但到了1988年,事情却又出现了变化。当时的分子生物学研究已经相当发达,借助这一有力工具,分子生物学家凯恩斯(John Cairns)对波动实验提出了挑战。他认为,这一实验只是证明了抗性突变是由随机突变而产生的,但是没有同时否定定向突变存在的可能性。T1噬菌体在这个实验中只是选择因素,而不是诱导因素,细菌根本没有机会来适应T1噬菌体,何谈定向突变?要想否定定向突变,必须重新设计实验,即用温和的方法来作为诱变因素,而不是上来就把细菌给搞死,那是“霸王硬上弓”。
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1700253187 为此,凯恩斯设计了一个新的实验。有一种细菌在利用乳糖的半乳糖苷酶基因上出现过一个突变,其中的一个氨基酸密码子变成了终止密码子。这样,这个基因经过转录和翻译后,就只能得到一个不完整的蛋白,这样的蛋白当然不能分解乳糖。如果把这个突变了的细菌放在只有乳糖的培养基上培养,肯定会非常饥饿,不过一时之间也死不掉,只有饿得受不了时才会一命呜呼。这是一个被动的和温和的过程,和被凶狠的T1噬菌体一刀杀死是两回事。
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1700253189 这种培养方式满足凯恩斯的要求:他先把这种细菌接种到平板培养基上,在上面加上一层没有任何营养的琼脂糖把细菌盖住,在培养不同的时间后,比如0天以后、一天以后、两天以后、三天以后等,分别再在上面加上一层只含乳糖的培养基。这个所谓0天以后,就是直接加乳糖培养基。
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1700253191 这样再观察细菌的生长情况,实验结果令人大吃一惊!
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1700253193 根据随机突变理论,无论是培养多少天的细菌,在加上乳糖培养基后,出现可以利用乳糖的突变细菌的概率应该是相同的。这一点没问题,因为无论预先饥饿的是几天时间,一天也好,两天也好,只要加入了乳糖培养基,都会在两天后长出能利用乳糖的突变菌落。这些菌落,就是事先已有了的随机突变的生的。
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1700253195 问题是,随着加入了乳糖培养基的平板培养时间越长,则出现突变菌落的数目也越多和时间呈现一种线性关系。换句话说,接触乳糖时间越长的细菌,越容易出现能利用乳糖的突变菌落。
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1700253197 这当然就是定向诱导突变!
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1700253199 定向突变就是适应性突变!
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1700253201 也就不是随机突变!
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1700253203 也就是说,生物确实可以针对环境来主动改变自身的结构。长颈鹿的脖子确实就是这样越变越长的。
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1700253205 这一小小的结果等于否定了达尔文主义的理论根基!
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1700253207 这篇论文被发表在了1988年9月8日号的《自然》杂志上。《自然》杂志也很重视这一结果,同期发表了一些评论文章。果然,论文马上引起了强烈反响,许多学者纷纷发表自己的看法。《科学》与《遗传》等重量级杂志也发表了一些研究论文,不仅肯定了凯恩斯的实验结果,还报道了其他细菌的其他基因也有类似的定向突变情况,甚至连真核的酵母菌都可以出现定向诱导,定向诱导竟然有一定的普通性!
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