الهدف
بنهاية هذا الدرس، يكون الطالب قادرًا على عرض أهم التجارب العلمية التي أثبتت أن DNA هو المادة الوراثية في الكائنات الحية.
شرح الدرس
ننتقل الآن من مستوى الأجهزة (المدروس في الأبواب السابقة) إلى مستوى الجزيء، في باب البيولوجيا الجزيئية، لفهم الأساس الجزيئي الذي تُبنى عليه كل الظواهر الحيوية التي سبق دراستها، بما فيها التكاثر ونقل الصفات الوراثية من الأبوين إلى الأبناء.
قبل التوصل إلى الدور الجزيئي لـالحمض النووي DNA، مرّ العلماء بسلسلة من التجارب الحاسمة. من أهمها تجربة فريدريك جريفيث (1928) على بكتيريا المكورات الرئوية: عندما خلط سلالة بكتيرية ضارة مقتولة بالحرارة مع سلالة أخرى حية غير ضارة، تحولت السلالة غير الضارة إلى سلالة ضارة قاتلة — وأطلق على هذا “عامل التحول” دون أن يحدد طبيعته الكيميائية بدقة.
حدد أفري وزملاؤه لاحقًا (في الأربعينيات) أن “عامل التحول” هو DNA بالذات، عن طريق تكرار تجربة جريفيث مع معالجة المستخلص بإنزيمات تحلل البروتين أو الدهون أو DNA على التوالي، فوجدوا أن التحول يتوقف فقط عند تحليل DNA، مما يثبت أنه المادة المسؤولة.
قدّم هيرشي وتشيس (1952) دليلًا حاسمًا آخر باستخدام العاثيات (فيروسات تصيب البكتيريا)، حيث وضعا علامات مشعة مختلفة على بروتين العاثية وعلى DNA العاثية بشكل منفصل، ووجدا أن المادة المشعة التي تدخل البكتيريا فعليًا وتوجه إنتاج عاثيات جديدة هي DNA فقط، وليس البروتين — وهو ما أكد بشكل قاطع أن DNA هو المادة الوراثية، لا البروتين كما كان يُفترض سابقًا بسبب تعقيد تركيب البروتينات الظاهري.
أسئلة تدريبية
1. باحث يعالج مستخلصًا من بكتيريا بإنزيم يحلل البروتين فقط، ويجد أن “عامل التحول” (المسؤول عن تحويل السلالة غير الضارة لضارة) لا يزال فعّالًا. ماذا يستنتج من هذه النتيجة؟
عرض الإجابة
أن عامل التحول ليس بروتينًا، لأن تحليل البروتين لم يوقف فعاليته – وهذا يتفق مع تجربة أفري التي أثبتت أن عامل التحول هو DNA بالتحديد.
2. باحثة تكرر تجربة مماثلة، لكنها تعالج المستخلص بإنزيم يحلل DNA فقط، فتجد أن عامل التحول يتوقف عن العمل تمامًا. ماذا يؤكد هذا؟
عرض الإجابة
يؤكد أن عامل التحول هو DNA بالتحديد، وليس بروتينًا أو دهونًا، لأن تحليل DNA فقط هو ما أوقف فعاليته.
3. باحث يستخدم عاثيات موسومة بمادة مشعة على غلافها البروتيني فقط (دون DNA)، ويجد أن المادة المشعة لا تدخل البكتيريا المصابة. ماذا يستنتج من هذا حول ما يدخل البكتيريا فعليًا؟
عرض الإجابة
يستنتج أن البروتين لا يدخل البكتيريا لتوجيه إنتاج عاثيات جديدة، مما يدعم أن DNA (لا البروتين) هو المادة التي تدخل وتحمل المعلومات الوراثية.
4. طالب يسأل: “لماذا لم تكن تجربة جريفيث وحدها كافية لإثبات أن DNA هو المادة الوراثية؟” ما الإجابة الصحيحة؟
عرض الإجابة
لأن جريفيث حدد وجود “عامل تحول” مسؤول عن التحويل، لكنه لم يحدد طبيعته الكيميائية بدقة (هل هو بروتين أم DNA أم شيء آخر)؛ هذا التحديد الدقيق جاء لاحقًا مع تجارب أفري.
5. باحثة تخلط سلالة بكتيرية ضارة مقتولة بالحرارة مع سلالة حية غير ضارة، وتلاحظ ظهور سلالة ضارة قاتلة جديدة. ما اسم هذه التجربة التاريخية، ومن أجراها؟
عرض الإجابة
تجربة التحول البكتيري، أجراها فريدريك جريفيث في 1928.
6. باحث يعالج مستخلصًا بإنزيم يحلل الدهون فقط، ويجد أن عامل التحول لا يزال يعمل بفعالية كاملة. ماذا يستنتج حول طبيعة عامل التحول من هذه النتيجة بالتحديد؟
عرض الإجابة
يستنتج أن عامل التحول ليس دهونًا، لأن تحليل الدهون لم يؤثر على فعاليته.
7. باحثة تصمم تجربة لتحديد ما إذا كان البروتين أم DNA هو المادة التي توجه إنتاج عاثيات جديدة داخل البكتيريا. ما التصميم التجريبي الذي استخدمه هيرشي وتشاس لحل هذا السؤال بالتحديد؟
عرض الإجابة
وضع علامات مشعة مختلفة على بروتين العاثية وعلى DNA العاثية بشكل منفصل، لتتبع أيهما يدخل البكتيريا فعليًا ويوجه إنتاج عاثيات جديدة.
8. طالب يسأل: “ما البديل الذي كان يُفترض أن يكون المادة الوراثية قبل هذه التجارب، ولماذا؟” ما الإجابة المرتبطة بالسياق التاريخي؟
عرض الإجابة
كان يُفترض أن البروتين هو المادة الوراثية، بسبب تعقيد تركيب البروتينات الظاهري الذي بدا أكثر قدرة على حمل معلومات معقدة، مقارنة بما كان يُنظر إليه كتركيب أبسط لـ DNA في ذلك الوقت.
9. باحث يحلل نتائج تجربة هيرشي وتشاس، ويجد أن المادة المشعة المرتبطة بـ DNA هي التي دخلت البكتيريا، بينما بقيت المادة المشعة المرتبطة بالبروتين خارجها. ماذا يؤكد هذا حول طبيعة المادة الوراثية؟
عرض الإجابة
يؤكد بشكل قاطع أن DNA هو المادة الوراثية، لا البروتين، لأن DNA هو ما دخل البكتيريا فعليًا وتمكن من توجيه إنتاج عاثيات جديدة.
10. باحثة تريد إثبات أن عامل تحول معين (في تجربة مشابهة لتجربة جريفيث) هو بروتين لا DNA. أي إنزيم يجب أن تستخدمه لاختبار هذا الافتراض، وماذا تتوقع إذا كان افتراضها صحيحًا؟
عرض الإجابة
إنزيم يحلل البروتين؛ إذا توقف عامل التحول عن العمل بعد هذا التحليل، فهذا يدعم افتراضها بأن العامل بروتين؛ إذا استمر عامل التحول في العمل، فهذا يدحض افتراضها.
11. طالب يقرأ عن تجربة أفري ويسأل: “لماذا استخدم أفري ثلاثة إنزيمات مختلفة (لتحليل البروتين، الدهون، وDNA) بدلًا من إنزيم واحد؟” ما الإجابة المنطقية؟
عرض الإجابة
لاستبعاد كل احتمال بديل بشكل منفصل ودقيق (بروتين، دهون)، والتأكد من أن التوقف الفعلي لعامل التحول يحدث فقط مع تحليل DNA تحديدًا، مما يعزل DNA كالمادة المسؤولة بثقة أكبر.
12. باحث يقارن بين تجربتي أفري وهيرشي وتشاس، ويسأل: “ما الفرق الأساسي في أسلوب الإثبات بين التجربتين؟” ما الإجابة الصحيحة؟
عرض الإجابة
أفري استخدم إنزيمات لتحليل مكونات معينة (بروتين، دهون، DNA) بشكل منفصل واختبار تأثير ذلك على فعالية عامل التحول؛ هيرشي وتشاس استخدموا وسم مشع مباشر لتتبع أي مادة (بروتين أم DNA) تدخل البكتيريا فعليًا – أسلوبان مختلفان يؤديان لنفس النتيجة.