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老虎机和分子生物学(10) 波动测试
送交者: 苦行僧 2018年12月16日18:16:06 于 [教育学术] 发送悄悄话

      意识到老虎机游戏和细菌产生具有抗噬菌体感染突变的菌株之间的相似性后,Luria早早的就离开舞会,并在第二天(星期天)一大早就去实验室开始用实验验证自己的新想法:细菌的这种抗病毒感染的特性到底是由于病毒感染诱导产生的(acquired hereditary immunity)还是由于细菌自身的基因发生突变导致的,这将为生物的进化理论提供最直接的证据。

      Luria做的第一个实验是:

1)星期天,将数目相同的大肠杆菌B(50到500个细菌)接种到一系列体积相同的同一种培养基中培养过夜。

2)星期一,这一系列的培养基中生长的细菌数目都刚好达到约10^9个。将这此分开培养的细菌同噬菌体混合后分别涂抹在不同的细菌培养平板上。另外,作为对照组,不同组的细菌和噬菌体的混合物以相同体积充分混合后也均匀地涂抹在平板上。

3)星期二,数平板中的生长出来的抗噬菌体感染的细菌克隆数目,发现这些平板中生长的抗性菌落平均数约为10个,有很多平板上一个菌落都不长,而有少数平板上长的菌落数很多一一一如Luria期望的老虎机中大奖很相似。而在对照组中长出的抗性菌落平均数也大约是10个,虽然上下有所浮动,但没有实验组中的"中大奖"的现象发生。

      在星期二下午Luria就得到预期的实验结果,这一实验结果可以清楚地表明这些抗性的细菌不是由噬菌体而获得的(acquired immunity),而是由于细菌自身的突变产生,噬菌体的存在只是提供了一种环境选择压力。

      然而,由于刚到Indiana大学不久,Luria没有什么熟悉的同事可以交流自己的看法,同时也认为其他生物学方面的同事可能不一定能理解这一发现的重要性。只有与自己长期合作、拥有理论物理学博士学位的Delbruck才能给自己提供更好的建议。于是兴奋得象中了"大奖"的Luria立即给在 Vanderbilt 大学物理系工作的Delbruck写了一封信,介绍自己的想法和他的第一个实验的结果(1943年1月20日)。

      四天后,也就是在1943年1月24日,Luria受到了经常对别人的科学报告提出尖锐的批评,如"你讲的我一个字都不懂,你能再说一遍吗?""这是我听过的最差的报告",的Delbruck寄来的那张著名的邮政卡片,上面写着短短的几句话:"你关于在不同平板上生长的抗性菌落数目的浮动方面的解释是正确的。在后者(应该指对照组)中的克隆数目显示的是泊松分布。我认为我们现在需要解决的是它的理论推导方面的问题。我已经开始做这方面的工作。"

      2月3日,Luria收到了Delbruck寄来的关于该实验的数学理论推导方面的手稿:不仅对Luria实验结果的可靠性提供了数学理论上的支持,还给这个实验取了一个新名词"波动测试"(fluctuation test),并且提出了准确地计算细菌抗性突变克隆的数目、突变发生的概率和突变发生时发生时间点之间的关系的数学公式。

      于是,Luria又设计了一系列实验,进一步验证了Delbruck在文稿的理论部分提供的数学公式可靠性,并在夏天访问Vanderbilt 大学时与Delbruck 一起完成了分子生物学的奠基之作《从对病毒敏感到对病毒抗性的细菌突变》(Mutations of bacteria from virus sensitivity to virus resistance),即后来被科学家们称为Luria-Delbruck实验或波动测试(fluctuation test)的论文。

      除了新颖的实验设计,理论部分充分体现了Delbruck清晰的思辩和严密的逻辑推理理力,充分地考虑到了:细菌完成每次分裂循环所需的时间、细菌发生突变的机率、细菌培养的时间、细菌的"年龄"和培养条件等因素对抗性菌落数目的影响。

      另外值得一提的是,同噬菌体感染细菌必须经过噬菌体吸附到细菌表面、噬菌体在细菌体内增殖和细菌裂解并释放出新的噬菌体的过程相区别的是,在Luria-Delbruck实验中发现的噬菌体根本上就无法吸附到对病毒有抗性的细菌突变株表面,这也从另一个侧面说明了这些变异的菌株在与病毒接触之前就已经存在,因此不可能是由病毒诱导产生的(获得性遗传)。

      这篇长达二十一页的论文,无论是写作方式、实验设计还是理论推导、还是结论的新颖性方面都堪称经典。它至少解决了以下两个问题:

1)生物的进化是由于自身的突变和自然选择的结果。第一次用科学实验、从基因水平证明达尔文的自然选择学说是正确的。而拉马克的"用进废退"学说(acquired hereditary immunity)不符合事实。

2)虽然细菌没有细胞核,但它们是有基因的。由于只需一天时间,一个细菌就可以增殖到10^9个,因此研究细菌基因功能的周期将会大大缩短。立即吸引了大量的遗传学家和生化学家们加入进来研究不同的细菌突变,如细菌对青霉素和链霉素等的抗性,的作用机理。细菌遗传学和生物化学的融合进一步催生分子生物学的快速发展。

      因此加州大学伯克利分校教授Gunther Stent认为:这篇细菌抗性的文章对于细菌遗传学和Gregor Mendel的文章对普通遗传学同样重要。该文为后来的细菌遗传学研究提供了一个标准,如应该怎样安排实验和分析数据才能得到有意义而又清晰的结论。

      遗憾的是,在中国无论是遗传学、分子遗传学、生物化学和微生物学的教科书中似乎都忽视了这一经典之作(也许教科书里有提到,但被玩劣的我忽视了,欢迎指正),这对学习生物学的学生来说真是个巨大的损失。

      另外,该文中清楚地注明了Luria和Delbruck各自的贡献:Luria完成实验部分的工作,而理论部分则出自Delbruck。也许正是因为他们能用这种诚实科学的态度来对待自己的合作者,才保证了他们在功成名就之后还能保持合作。联想到杨振宁和李政道先生从合作到反目成仇的故事,让人不得不兴叹这两位最著名的华人科学家确实为华人之间的合作树立了一个很坏的榜样。也许正是这种榜样的作用,在我2000年准备出国留学时,网络上流传着的是"千万不要到华人实验工作"的说法。希望后来的科学家在思考科学问题不要考虑国界,虽然科学家有自己的祖国。


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    你的说法有一定道理,后面我还会讨论这个问题  /无内容 - 苦行僧 12/18/18 (329)
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