DNA复制方式的探究中不需要考虑“弥散”复制吗?
2022-06-08
对DNA复制方式的考查，成为近几年高考命题的热点。笔者在高三生物课堂教学中，对此知识点作了适当的延伸，将人教版高中生物《必修2?遗传与进化》（教师教学用书）P82中“关于DNA分子复制方式的早期推测”内容有机渗透于复习课中，同时辅以相应的习题加以巩固，在教学中收到较好效果。但学生在解答2010年北京理综卷第30题时，对题中解题思维和答案产生质疑，因为所给答案没有考虑对DNA分子复制的第三种方式――弥散（分散）复制的探索。笔者也仔细斟酌再三，觉得所给答案值得商榷。
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1 题目
科学家以大肠杆菌为实验对象，运用同位素示踪技术及密度梯度离心方法进行了DNA复制方式的探索实验，实验内容及结果见表1。
请分析并回答：
（1） 要得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌B，必须经过 代培养，且培养液中的 是唯一氮源。
（2） 综合分析本实验的DNA离心结果，第 组结果对得到结论起到了关键作用，但需把它与第 组和第 组的结果进行比较，才能说明DNA分子的复制方式是 。
（3） 分析讨论：
① 若子Ⅰ代DNA的离心结果为“轻”和“重”两条密度带，则“重带”DNA来自于 ，据此可判断DNA分子的复制方式不是 复制。
② 若将子Ⅰ代DNA双链分开后再离心，其结果
（选填“能”或“不能”）判断DNA的复制方式。
③ 若在同等条件下将子Ⅱ代继续培养，子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置 ，放射性强度发生变化的是 带。
④ 若某次实验的结果中，子Ⅰ代DNA的“中带”比以往实验结果的“中带”略宽，可能的原因是新合成DNA单链中的N尚有少部分为 。
2 解析
本题以实验形式考查DNA的复制方式，同时考查学生的实验分析能力以及对知识的理解和应用能力。此考点几乎每年都有考查。
（1） 据表1中DNA在15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养多代，可得到大肠杆菌B。
（2） 若证明DNA的复制为半保留复制，则需证明后代DNA的两条链，一条链是原来的，另一条链是新合成的，第3组结果与第1组、第2组的结果对比可以证实。
（3） “轻”DNA为14N/14N-DAN，“重”DNA为15N/15N-DNA，据表1，“重带”DNA来自于B代。①的结果是后代DNA的两条链或全是原来的，或全是新合成的，说明DNA分子的复制方式不是半保留复制。
② 将子Ⅰ代DNA双链分开后再离心，无法判断后代DNA的两条链的来源，不能判断DNA的复制方式。
③ 将子Ⅱ代继续培养，子n代DNA的情况是有2个为15N/14N-DNA，其余全部为14N/14N-DNA，所以子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置没有变化，放射性强度发生变化的是轻带。
④ “中带”为15N/14N-DNA，“中带”略宽，说明新合成DNA单链中的N尚有少部分为15N。
3 答案
（1） 多 15NH4CL （2）3 1 2 半保留复制 （3）① B 半保留 ② 不能 ③ 没有变化 轻 ④ 15N
4 质疑
该命题有不少问题，对于14N和15N是否具有“放射性”一说，《中学生物教学》2010年第9期P60页张兴亚和常正良等已探讨清楚，在此不必赘述。假使14N和15N具有“放射性”，上述试题对于DNA分子复制方式的推测也应考虑弥散（分散）复制。但是根据题干第（2）小题所给答案进行推理，得出的结论是：“综合分析本实验第1、2、3组结果，能说明DNA分子的复制方式是半保留复制，并且第3组结果对结论分析起到关键性作用”。笔者认为这种说法值得商榷。
回顾一下科学家的探究历程：当沃森和克里克提出DNA半保留复制假设后，由于当时人们并不了解DNA链可以分离，所以对这个假说提出质疑，于是又有人提出了另外的假说，即全保留复制和弥散复制（也称分散复制）。全保留复制模型认为：在DNA复制时，母链DNA分开，分别复制形成两条子链DNA，此后两条母链DNA彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子;弥散复制认为：在复制过程中亲代DNA双链被切割成许多双链片段，然后以这些片段作为模板合成新链，形成一条旧链和一条新链组成的双链片段，之后这些双链片段又以某种方式聚集成“杂种链”（参见下文例题中图1）。
此后，美国科学家马修?米西尔逊和福兰克林?斯塔尔在15NH4Cl培养基中连续培养大肠杆菌15代，制备只含15N标记的大肠杆菌的DNA。然后将它转移到只含14N氮源中培养，复制一代后，所有DNA密度介于15N/15N-DNA和14N/14N-DAN之间，即梯度离心后“仅为中带”。再复制一代后，出现两条区带，一半是中带，一半是轻带。随着在14N培养液中培养代数的增加，中间密度区的区带量逐渐减少，低密度区带的量逐渐增加，但并不出现新的区带。为了准确证实第一代DNA分子确实是一半是15N-DNA、一半14N-DNA，他们还将这种分子经加热变性，对变性前后的DNA分别进行CsCl密度梯度离心。结果变性前的一条“中带”，变性后则分为两条区带，即“重带”（15N/15N-DNA）和“轻带”（14N/14N-DNA）。这些实验结果显然只有用半保留复制机制才能圆满解释。 而第（2）小题所给答案中，只将第3组实验结果与第1、2组比较，这只能排除全保留复制，却不能排除弥散复制的可能，即“不能说明DNA分子的复制方式是半保留复制”。要想进一步排除弥散复制的可能性，可以再复制一代，如果所有DNA全部位于“中带”，则是弥散复制;如果一半是“中带”，一半是“轻带”，则是半保留复制了。或者对第一代全位于“中带”的DNA进行热变性和梯度离心，如果仅得到“中带”，则是弥散复制;若一半“中带”、一半“重带”，则是半保留复制。所以，就本题而言，对半保留复制方式的得出，关键作用的不能仅仅是第3组结果，必须同时还有第4组结果。笔者在教学时举例如下：
【例1】 DNA的复制方式，可以通过设想来进行预测，可能的情况是全保留复制、半保留复制、弥散（分散）复制三种。究竟是哪种复制方式呢？（图1）
下面设计实验来证明DNA的复制方式。
实验步骤：
a.在氮源为14N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14NDNA（对照）。
b.在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15NDNA（亲代）。
c.将亲代15N大肠杆菌转移到氮源为含14N的培养基中，再连续繁殖两代（Ⅰ和Ⅱ），用密度梯度离心法分离，不同分子量的DNA分子将分布在试管中的不同位置上。
实验预测：
（1） 如果与对照（14N/14N）相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带：一条 带和一条 带，则可以排除 。
（2） 如果子代Ⅰ只有一条中密度带，则可以排除
，但不能肯定是 。
（3） 如果子代Ⅰ只有一条中密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定：若子代Ⅱ可以分出 和
，则可以排除分散复制，同时肯定半保留复制;如果子代Ⅱ不能分出 密度两条带，则排除 ，同时确定为 。
解析：从题目中的图示可知，深色为亲代DNA的脱氧核苷酸链（母链），浅色为新形成的子代DNA的脱氧核苷酸链（子链）。因此全保留复制后得到的两个DNA分子，一个是原来的两条母链重新形成的亲代DNA分子，一个是两条子链形成的子代DNA分子;半保留复制后得到的每个子代DNA分子的一条链为母链，一条链为子链;分散复制后得到的每个子代DNA分子的单链都是由母链片段和子代片段间隔连接而成的。
答案：（1） 轻（14N/14N） 重（15N/15N） 半保留复制和弥散复制 （2） 全保留复制 半保留复制或弥散复制 （3） 一条中密度带 一条轻密度带 中、轻 半保留复制 弥散复制
【例2】 科学家在研究DNA分子复制方式时进行了如图2所示的实验研究（已知培养用的细菌大约每20 min分裂一次）。
（1） 实验一和实验二的作用是 。
（2） 从实验三的结果C、D可以看出DNA分子复制 （是/不是）半保留复制。
（3） 如果实验三的结果都为F，则可判断DNA分子的复制方式 （是/不是）半保留复制。
（4） 如果DNA分子的复制方式是半保留复制，某次实验的结果中，结果C比以往实验结果所呈现的带略宽，那么可能的原因是新合成DNA单链中的N尚有少部分为 。
（5） 如果DNA分子的复制方式是半保留复制，与结果D相比，结果E密度带的数量和位置
，放射性强度不同的是 带。
解析：（1） 实验一和实验二分别表示14N和15N标记的DNA分子的离心结果，其作用是与后面的实验结果形成对照。（2） 从实验三的结果C、D可以看出新形成的DNA分子中有的保留了原来DNA分子（15N/15N）中的一条链，可见DNA分子复制具有半保留复制的特点。（3） 结果E表明原来被15N标记的DNA分子的两条链没有分开。（4） “中带”为15N/14N，“中带”略宽，说明新合成的DNA分子之间的相对分子质量有差别，是由DNA单链中的N尚有少部分为15N引起的。（5） 假设原有DNA分子数目为n，结果D和结果E都有2n个DNA分子为15N/14N，结果D有2n个DNA分子为14N/14N，结果E有6n个DNA分子为14N/14N，所以与结果D相比，结果E密度带的数量和位置没有变化，放射性强度发生变化的是轻带。
答案：（1） 对照 （2） 是 （3） 不是 （4） 15N （5） 没有变化 轻
由此可见，若考虑DNA分子的弥散（分散）复制，则上述考题中的解析和答案将作许多更改。特别是第（2）题中第一空，应将“3”改为“3、4”;第（3）题中第二空答案应将“半保留”改为“半保留复制和弥散”，这样或许更严谨些。
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1 题目
科学家以大肠杆菌为实验对象，运用同位素示踪技术及密度梯度离心方法进行了DNA复制方式的探索实验，实验内容及结果见表1。
请分析并回答：
（1） 要得到DNA中的N全部被放射性标记的大肠杆菌B，必须经过 代培养，且培养液中的 是唯一氮源。
（2） 综合分析本实验的DNA离心结果，第 组结果对得到结论起到了关键作用，但需把它与第 组和第 组的结果进行比较，才能说明DNA分子的复制方式是 。
（3） 分析讨论：
① 若子Ⅰ代DNA的离心结果为“轻”和“重”两条密度带，则“重带”DNA来自于 ，据此可判断DNA分子的复制方式不是 复制。
② 若将子Ⅰ代DNA双链分开后再离心，其结果
（选填“能”或“不能”）判断DNA的复制方式。
③ 若在同等条件下将子Ⅱ代继续培养，子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置 ，放射性强度发生变化的是 带。
④ 若某次实验的结果中，子Ⅰ代DNA的“中带”比以往实验结果的“中带”略宽，可能的原因是新合成DNA单链中的N尚有少部分为 。
2 解析
本题以实验形式考查DNA的复制方式，同时考查学生的实验分析能力以及对知识的理解和应用能力。此考点几乎每年都有考查。
（1） 据表1中DNA在15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养多代，可得到大肠杆菌B。
（2） 若证明DNA的复制为半保留复制，则需证明后代DNA的两条链，一条链是原来的，另一条链是新合成的，第3组结果与第1组、第2组的结果对比可以证实。
（3） “轻”DNA为14N/14N-DAN，“重”DNA为15N/15N-DNA，据表1，“重带”DNA来自于B代。①的结果是后代DNA的两条链或全是原来的，或全是新合成的，说明DNA分子的复制方式不是半保留复制。
② 将子Ⅰ代DNA双链分开后再离心，无法判断后代DNA的两条链的来源，不能判断DNA的复制方式。
③ 将子Ⅱ代继续培养，子n代DNA的情况是有2个为15N/14N-DNA，其余全部为14N/14N-DNA，所以子n代DNA离心的结果是：密度带的数量和位置没有变化，放射性强度发生变化的是轻带。
④ “中带”为15N/14N-DNA，“中带”略宽，说明新合成DNA单链中的N尚有少部分为15N。
3 答案
（1） 多 15NH4CL （2）3 1 2 半保留复制 （3）① B 半保留 ② 不能 ③ 没有变化 轻 ④ 15N
4 质疑
该命题有不少问题，对于14N和15N是否具有“放射性”一说，《中学生物教学》2010年第9期P60页张兴亚和常正良等已探讨清楚，在此不必赘述。假使14N和15N具有“放射性”，上述试题对于DNA分子复制方式的推测也应考虑弥散（分散）复制。但是根据题干第（2）小题所给答案进行推理，得出的结论是：“综合分析本实验第1、2、3组结果，能说明DNA分子的复制方式是半保留复制，并且第3组结果对结论分析起到关键性作用”。笔者认为这种说法值得商榷。
回顾一下科学家的探究历程：当沃森和克里克提出DNA半保留复制假设后，由于当时人们并不了解DNA链可以分离，所以对这个假说提出质疑，于是又有人提出了另外的假说，即全保留复制和弥散复制（也称分散复制）。全保留复制模型认为：在DNA复制时，母链DNA分开，分别复制形成两条子链DNA，此后两条母链DNA彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子;弥散复制认为：在复制过程中亲代DNA双链被切割成许多双链片段，然后以这些片段作为模板合成新链，形成一条旧链和一条新链组成的双链片段，之后这些双链片段又以某种方式聚集成“杂种链”（参见下文例题中图1）。
此后，美国科学家马修?米西尔逊和福兰克林?斯塔尔在15NH4Cl培养基中连续培养大肠杆菌15代，制备只含15N标记的大肠杆菌的DNA。然后将它转移到只含14N氮源中培养，复制一代后，所有DNA密度介于15N/15N-DNA和14N/14N-DAN之间，即梯度离心后“仅为中带”。再复制一代后，出现两条区带，一半是中带，一半是轻带。随着在14N培养液中培养代数的增加，中间密度区的区带量逐渐减少，低密度区带的量逐渐增加，但并不出现新的区带。为了准确证实第一代DNA分子确实是一半是15N-DNA、一半14N-DNA，他们还将这种分子经加热变性，对变性前后的DNA分别进行CsCl密度梯度离心。结果变性前的一条“中带”，变性后则分为两条区带，即“重带”（15N/15N-DNA）和“轻带”（14N/14N-DNA）。这些实验结果显然只有用半保留复制机制才能圆满解释。 而第（2）小题所给答案中，只将第3组实验结果与第1、2组比较，这只能排除全保留复制，却不能排除弥散复制的可能，即“不能说明DNA分子的复制方式是半保留复制”。要想进一步排除弥散复制的可能性，可以再复制一代，如果所有DNA全部位于“中带”，则是弥散复制;如果一半是“中带”，一半是“轻带”，则是半保留复制了。或者对第一代全位于“中带”的DNA进行热变性和梯度离心，如果仅得到“中带”，则是弥散复制;若一半“中带”、一半“重带”，则是半保留复制。所以，就本题而言，对半保留复制方式的得出，关键作用的不能仅仅是第3组结果，必须同时还有第4组结果。笔者在教学时举例如下：
【例1】 DNA的复制方式，可以通过设想来进行预测，可能的情况是全保留复制、半保留复制、弥散（分散）复制三种。究竟是哪种复制方式呢？（图1）
下面设计实验来证明DNA的复制方式。
实验步骤：
a.在氮源为14N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14NDNA（对照）。
b.在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15NDNA（亲代）。
c.将亲代15N大肠杆菌转移到氮源为含14N的培养基中，再连续繁殖两代（Ⅰ和Ⅱ），用密度梯度离心法分离，不同分子量的DNA分子将分布在试管中的不同位置上。
实验预测：
（1） 如果与对照（14N/14N）相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带：一条 带和一条 带，则可以排除 。
（2） 如果子代Ⅰ只有一条中密度带，则可以排除
，但不能肯定是 。
（3） 如果子代Ⅰ只有一条中密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定：若子代Ⅱ可以分出 和
，则可以排除分散复制，同时肯定半保留复制;如果子代Ⅱ不能分出 密度两条带，则排除 ，同时确定为 。
解析：从题目中的图示可知，深色为亲代DNA的脱氧核苷酸链（母链），浅色为新形成的子代DNA的脱氧核苷酸链（子链）。因此全保留复制后得到的两个DNA分子，一个是原来的两条母链重新形成的亲代DNA分子，一个是两条子链形成的子代DNA分子;半保留复制后得到的每个子代DNA分子的一条链为母链，一条链为子链;分散复制后得到的每个子代DNA分子的单链都是由母链片段和子代片段间隔连接而成的。
答案：（1） 轻（14N/14N） 重（15N/15N） 半保留复制和弥散复制 （2） 全保留复制 半保留复制或弥散复制 （3） 一条中密度带 一条轻密度带 中、轻 半保留复制 弥散复制
【例2】 科学家在研究DNA分子复制方式时进行了如图2所示的实验研究（已知培养用的细菌大约每20 min分裂一次）。
（1） 实验一和实验二的作用是 。
（2） 从实验三的结果C、D可以看出DNA分子复制 （是/不是）半保留复制。
（3） 如果实验三的结果都为F，则可判断DNA分子的复制方式 （是/不是）半保留复制。
（4） 如果DNA分子的复制方式是半保留复制，某次实验的结果中，结果C比以往实验结果所呈现的带略宽，那么可能的原因是新合成DNA单链中的N尚有少部分为 。
（5） 如果DNA分子的复制方式是半保留复制，与结果D相比，结果E密度带的数量和位置
，放射性强度不同的是 带。
解析：（1） 实验一和实验二分别表示14N和15N标记的DNA分子的离心结果，其作用是与后面的实验结果形成对照。（2） 从实验三的结果C、D可以看出新形成的DNA分子中有的保留了原来DNA分子（15N/15N）中的一条链，可见DNA分子复制具有半保留复制的特点。（3） 结果E表明原来被15N标记的DNA分子的两条链没有分开。（4） “中带”为15N/14N，“中带”略宽，说明新合成的DNA分子之间的相对分子质量有差别，是由DNA单链中的N尚有少部分为15N引起的。（5） 假设原有DNA分子数目为n，结果D和结果E都有2n个DNA分子为15N/14N，结果D有2n个DNA分子为14N/14N，结果E有6n个DNA分子为14N/14N，所以与结果D相比，结果E密度带的数量和位置没有变化，放射性强度发生变化的是轻带。
答案：（1） 对照 （2） 是 （3） 不是 （4） 15N （5） 没有变化 轻
由此可见，若考虑DNA分子的弥散（分散）复制，则上述考题中的解析和答案将作许多更改。特别是第（2）题中第一空，应将“3”改为“3、4”;第（3）题中第二空答案应将“半保留”改为“半保留复制和弥散”，这样或许更严谨些。