实验背景

20世纪中叶，自然科学界尚未发现DNA是遗传物质，对可遗传突变是由环境引起还是自发产生的争论十分激烈。其中最主流也是最对立的两种观点是达尔文的自然选择学说和拉马克的获得性遗传学说。在这一背景下，S．Luria和M．Delbrück于1943年用定量化的方法在细菌群落中进行了这一实验。1

实验原理

将细菌培养一段时间后暴露在噬菌体下，可模拟环境的改变。两种观点的主要分歧在于环境变化是否诱导突变。拉马克假设（下简称为H1）认为，如果环境不发生变化，同一个体产生的种群后代的每个个体应该相同。当环境发生变化，所有个体均有均等的概率发生突变而存活下来，另外的个体会死去。达尔文假设（下简称为H2）则认为，所有的突变都是随机的而非响应环境变化而发生的。一旦种群中某个个体发生能适应环境变化的突变，这种性状就会被遗传下来，使得之后的所有子代都能适应环境变化而存活。1

如果H1成立，则每个个体均以恒定概率ξ发生突变，从而在不同种群（个体总数相同）中，暴露于噬菌体后存活下来的个体数量应当服从泊松分布。如果H2成立，种群繁衍过程中的每一代的每个个体都有恒定概率ξ发生突变。从而，决定最终存活个体数的应当是发生突变的时间，时间越早存活个体越多。这一分布无法给出解析解。在Luria和Delbrück首次进行这次实验的1943年，他们是通过计数到存活数量较多的一侧频数比泊松分布反常地高，即整体分布的方差比泊松分布拟合的结果相差极大，来得出结论的。利用现代手段进行该实验时，可利用计算机模拟的手段可以得出其分布曲线，进一步发现H2提供的模型是可信的。1

实验操作

如对大肠杆菌的抗噬菌体的实验，先把对噬菌体敏感的大肠杆菌配制成约含有103/毫升细胞的稀悬浮液，取10毫升注入一只大试管，然后分别取0.2或0.5毫升分装于20支小试管内，全部试管在同样条件下培养24—36小时，再把大试管区（a组）和小试管区（b组）的大肠杆菌各在20只加有噬菌体的琼脂培养基的培养皿中培养，根据所形成的抗噬菌体的菌落数目，计算a、b二组的平均数和方差（variance）。如果a、b两组的方差服从于泊松分布，则可以认为因选择因子的作用使细菌产生抗噬菌体的突变，当b组的方差大，而a组的方差小时，则可把细菌的抗噬菌体看做是由于自发突变的结果。因为接种量极少，最初接种到试管内的细胞偶然混杂中，原来就存在的抗噬菌体的大肠杆菌的机会是非常小的，以此为前提，在b组的各支试管内的培养物中，因突变而出现抗噬菌体的大肠杆菌的时期和数目是随机的，相反而a组可认为只是表现于取样误差（sampling error），所以可作出如上述的结论。对营养缺陷型等突变来说，也可用同样的试验来加以验证。

实验结果与意义

实验结果表明，存活的细菌数量与泊松分布的相关性不好，而与Luria和Delbrück提出的模型更为吻合。因此，从该实验中可以得到结论，即大肠杆菌对噬菌体的抵抗性来源于自发性变异而不是环境变化本身。这一机理存在于其它很多进化过程中，如HIV在同一病人体内的进化。1

该工作同时为低变异概率遗传现象的定量化提供了研究范式。相比于检验种群所有的个体，Luria和Delbrück采用的实验方法用另一种方式达到了检验目的，即进行概率预测，将遗传过程与多次试验相类比，并探究结果的统计分布。用统计手段对结果进行拟合是有助于估计突变率以达到正确结果的。1

实验结果

参考资料