◆　　　　　　　　　追踪遗传的载体：另一条道路 　　　　　　　　　　　　　　·方舟子· 　　当孟德尔自称与世隔绝地做着豌豆杂交试验的时候，有一批人正沿着另一条 道路逼近遗传的本质。他们不再试图通过研究遗传与变异现象归纳、推理遗传的 一般规律，觉得这种办法过于空幻，此路不通。他们采取了更为实在的态度，力 图一步一步地挖掘出遗传物质（不管是希波克拉底所说的种子还是达尔文所说的 微芽）的藏身之处，进而破解遗传的机制。 　　 　　既然人人都假定遗传物质如果存在的话，必定是极其细小，非肉眼所能见， 那么显然只有在显微镜发明之后，才能开始寻找。而既然遗传物质必定存在于生 殖物质之中，寻找就应该从生殖物质开始。荷兰科学家列文虎克是精子的首位描 述者，但是根据他在１６７７年向伦敦王家学会提交的报道，精子是由一位“汉 姆先生”发现的。在那一年的早秋，汉姆给列文虎克带来了一小瓶一位淋病患者 的精液，告诉列文虎克他在显微镜下看到了精液中有在游泳的带尾巴的小生物， 他相信是由于腐烂而生的。列文虎克在确认了汉姆的发现后，也从健康人的新鲜 精液（“不是从病人，不是保存了长时间而腐败了的，也不是经过几分钟的延迟 而液化了的；而是在射精之后的、脉搏还没跳到６下就立即检验”）中看到了精 子。列文虎克深信精子就是男性繁殖下一代的“种子”。次年，在列文虎克的发 现开始传播之前，哈佐尔克（Nicolaus Hartsoeker）也在人的精液中独立发现 了精子，而且把精子描绘成了一个弓身抱膝、大头而无脸的小人，只有在子宫中， 这个小人才能长大出世。也就是说，女性不过是提供了个生长场所，而精子决定 了遗传的一切。这种精子主义很使当时的一些“思想家”担忧。有人设想精子中 的小人也有精子，其精子中还有小人……往回推，则亚当的精子中已包括了以后 的所有人，而一旦这些小人全部用完，世界末日也就到了。也有人设想，每一次 射精，在无数小人中，最多只有一、两个小人发育成人，岂不都等于一场大屠杀？ 　　 　　但是也有许多专家不接受精子主义。他们怀疑所谓精子不过是寄生在精液中 的微生物，而卵才是真正的遗传种子。１６６４年，在列文虎克发现精子的十几 年前，另一位荷兰科学家格拉夫（Regnier de Graaf）在解剖兔子的卵巢时，声 称发现了哺乳动物的卵子。他发现的其实是卵泡，但在当时被视为是与鸟卵同等 的东西。稍后，意大利科学家、胚胎学的鼻祖马尔比基（Marcello Malpighi） 不仅证实了格拉夫的发现，而且在显微镜下看到了受精卵的发育，使他相信下一 代已预先存在于卵子中，精液不过是起到了刺激其长大的作用。精子主义与卵子 主义之争一直持续到了１９世纪，精子主义者渐渐失势，终于在１８２７年受到 了致命的一击。这一年德国胚胎学家冯贝尔在解剖一头怀孕的母狗时，发现了真 正的卵子，随后他也证明其他哺乳动物包括人都从卵子诞生。冯贝尔是个极端的 卵子主义者，就象他一百多年前的前辈，仍然认为精子是精液中的寄生虫，虽然 早在１８２４年已有两位瑞士生理学家通过一系列实验证明精子是使蛙卵授精的 要素，精液不过是精子的载体。要证明精子不仅仅在生殖中起作用，而且在遗传 上与卵子等价，并非容易。在１８４１年，柯利克（Rudolf Kolliker）发现睾 丸中的某些细胞变成了精子，也就是说，精子不过是变形的细胞。随后卵子也被 证明是一个单细胞。在授精过程中，精子也被发现进入了卵细胞中。对植物的研 究也得出了类似的结论。在孟德尔开始做杂交试验之前，他已经知道精子和卵子 都是生殖细胞。但是他认为精子和卵子对遗传有同等贡献，授精就是父母双方的 遗传物质的融合的观点，在当时却并不是学术界的共识。虽然植物杂交试验已表 明雌雄的遗传贡献大致相同（在杂交时，选择何种为父本何种为母本，对结果没 有影响），然而直到１９世纪末，仍有许多生物学家认为所谓授精，不过是精子 在“激发”卵子。 　　 　　为什么卵子主义的寿命如此之长？这其实并不怎么令人奇怪。蚜虫的孤雌生 殖现象早在１７４０年就已被发现，使人们知道在生殖过程中雄性并不总是必需 的，以后假授精现象（用机械作用刺激未授精的卵子分裂、发育）的发现更加深 了人们这种信念，并有了精子也只是起刺激作用的印象。即使在精子和卵子都被 证明是单一的细胞之后，也很难让人就相信精子和卵子的遗传贡献相当，因为做 为单细胞，它们的体积是如此的悬殊。只有在人们认识到并不是整个细胞都携带 遗传物质，遗传物质只存在于细胞里的某一结构的时候，才能消除这种偏见。这 个认识的获得也相当漫长。虽然早在１６６３年，英国科学家胡克（Robert Hooke）就已在伦敦王家学会的会议上，让同行们用显微镜观看软木从而证明了 细胞的存在，以后他们也在其他植物看到了类似的结构，但他们看到的，实际上 只是细胞壁。在以后的１５０年间，人们对细胞的研究并没有什么进展，只有到 了１９世纪二、三十年代，显微镜技术的改进才改变了人们对细胞的看法。这时 候，人们不仅发现动物也细胞组成，从而提出了细胞是生命的基本单位的细胞学 说，而且也开始注意到细胞中的物质，发现细胞并不是空的，还有别的东西，特 别是充满了看来很粘稠的液体，被称之为原生质，一度被认为是特殊的生命物质 （电子显微镜出现以后才发现原生质并不存在，而是细胞液和细胞器及其他细微 结构的混合物。原生质一词现已废弃不用）。 　　细胞中最显著的结构是细胞核。早在１８３３年细胞核就已被布朗（Robert Brown）发现，在１８３９年施旺（Theodor Schwann）把细胞核当作细胞的特征， 他提出动植物都由细胞组成的主要理由就是因为它们都有细胞核，但是，对细胞 核的功能却长期不明。虽然德国生物学家海格尔（Ernst Haeckel）早在１８６ ６年就提出遗传物质就在细胞核中，却不过是没有根据的猜测，当时许多细胞学 家认为细胞核并非细胞的重要部分，甚至可有可无——的确，在细胞分裂时，核 看来消失了。因此有人设想细胞核在细胞分裂过程中溶解，新的核从细胞质中产 生。 　　要明了细胞核的命运，显然离不开对细胞分裂的仔细观察。德国细胞学家弗 莱明（Walther Flemming）并不是第一位观察到细胞有丝分裂的人，但却是１９ 世纪最为详尽地描述了有丝分裂，并确立了有丝分裂在细胞研究中的重要地位的 人。他在１８８２年发表的有丝分裂的绘图，已包含了光学显微镜下所能观察到 的有丝分裂的全过程，在他之后，只增添了一些细节。 　　弗莱明的成果，得益于当时的两大工业发展。一个是德国的染料业。细胞学 家们尝试了种种染料，试图使细胞的不同结构能不同程度地被染色，以便能在显 微镜下区分开来。在１８５８年，被广泛用于染布的洋红被发现稀释后滴到细胞 上，能使细胞核着色比细胞质更深。１８６５年，又发现了一种用于染细胞核的 重要染料苏木精。染色最深的“染色体”因此被发现。染色体这个名称表明它们 可能只是人为的假象。要证明染色体的真实存在，还需要另一个工业成果：德国 的光学工业在当时正迅猛地发展。在１８７８年，弗莱明成了首批使用油浸透镜 显微镜的人，放大倍数达到１０００倍。８年后，他又能使用消多色差透镜，放 大倍数达到了光学显微镜的极限２５００倍。 　　正是借助于高超的显微镜技术，使人们观察到在细胞分裂即将开始时，包裹 细胞核的膜虽然消失了，细胞核里面的物质却没有溶解。核内的物质也并非以前 有人设想的那样是颗粒状物质，而是由细丝构成的网络（染色质）。在核膜消失 的同时，染色质凝缩成一些染色更深的带状物，即染色体。每一个物种的细胞中 都有固定数目的染色体（人体有４６条），有规律地排列在细胞中间的赤道平面 上。之后，每条染色体都分成两半，彼此分开并移向细胞的两极。在那里形成新 的核膜包裹染色体，染色体则又回复成丝状的染色质。 　　 　　以上对有丝分裂的描述是大大简化了的，甚至连有丝分裂的名字由来都未提 及（在分裂过程中出现由许多纺锤丝构成的纺锤体）。在这里没有必要涉及这个 过程的细节，这个过程实在是太过复杂。为什么细胞核的分裂要这么复杂？为什 么不能象细胞质的分裂那样简单地在中间分成两半？在物理学家看来，这种关于 过程的意义的“为什么”的问题也许是无意义的不可能有解的问题，但生物学家 却不然。生物已经过了长期的进化，历经试－错，那么一个复杂的生理过程，就 并非必然如此，而是有隐含着的生理意义，或者说，有与进化有关的终极意义在 里头。在弗莱明详细描述整个过程后的第二年（１８８３），德国生物学家儒 （Wilhelm Roux）首先问这个问题：“染色体的舞蹈”需要有理论上的解释。仔 细观察弗莱明等细胞学家所绘制的有丝分裂图，可以发现在细胞分裂周期的早期， 染色体似乎变成了双份，每一条染色体的每一点都被复制。因此儒认为染色体上 的每一点颗粒都是遗传所必需的，而且是具有不同的功能的，“染色体的舞蹈” 就是为了保证染色体能够被平等、精确地传递给子细胞，象细胞质分裂那样只做 简单、大略的平分是达不到这个要求的。 　　 　　在儒做出这个推测的前后，已有许多证据表明遗传物质就在细胞核之中。在 １８７６年，赫特维奇（Oskar Hertwig）在研究海胆的授精过程时发现，在授 精后不久的受精卵中出现了两个细胞核。一个细胞核在细胞中间，是卵子原来的 核，另一个细胞核则紧靠在细胞表面之下，赫特维奇正确地推测它是来自精子。 在授精五分钟之后，这第二个核移向了细胞的中心，再过五分钟，两个核排列在 一起，又过五分钟，两个核融合成了一个，以后胚胎细胞的细胞核都是由这个核 分裂而来。也就是说，在受精卵的核和新一代的有机体的全部细胞核之间存在着 不间断的连续性，细胞核从不消失，也不从其他物质凭空产生，细胞核只能来自 细胞核。有一系列的实验也可证明细胞核的重要性。例如，把单细胞的原生生物 分割成两半，一半含细胞核，另一半不含核。含核的那一半将再生出任何丢失的 结构，重新长成为完整的个体，而不含核的另一半只有死亡。在１８８９年，波 弗利（Theodor Boveri）直接证明了细胞核决定生物性状的遗传。他用强烈震动 把海胆卵震碎，发现没有核的卵碎片能够用其它种的海胆的精子授精。这样形成 的单倍体幼体主要具有父本特征。同时用两种不同种的海胆精子授精所形成的幼 体则具有中间形态特征。 　　在１８８３－１８８５年间，四名德国生物学家分别独立地得出了细胞核中 的染色体是遗传的物质载体的结论。他们是魏斯曼（August Weismann）、赫特 维奇、柯利克和斯特劳斯伯格（Edouard Strasburger）。前三位都是细胞学家， 魏斯曼则由于患了严重眼疾不能在显微镜下从事观察，而主要做理论探讨，最早 也最完整地提出了以细胞核物质为遗传基础的学说，即种质连续学说。他的学说 把生物体分成体质和种质两部分，认为种质是亲代传递给后代的遗传物质，存留 在生殖细胞的染色体上，时代相传，绵绵不绝；体质即生物的躯体，是由种质产 生的，随着躯体的死亡而死亡，种质的变化不可能影响到种质。这样，魏斯曼就 在理论上彻底否定了后天获得性遗传的观念，他本人和后来的实验者也做了大量 的实验证明后天获得性不能遗传。 　　 　　如果染色体是遗传的物质基础，就存在着一个问题。染色体的数目在有丝分 裂过程中先复制加倍再传给两个子细胞，以保持子细胞染色体数目与母细胞相同 。如果卵子和精子都是通过有丝分裂生成的，那么当卵子和精子结合成为合子 （受精卵）时，染色体数目就会加倍，这样生物后代的染色体数目就会一代一代 地加倍增多。但是观察表明每一个物种的染色体数目都是恒定的。这样，就必定 存在某种机制，使染色体数目在授精前后减少。这有几种可能性，比如在授精时 卵子和精子的染色体融合，或者有一方的染色体被抛弃。也可能在形成卵子和精 子之前，染色体数目就已先被减少。魏斯曼认为后一种可能性是正确的。这种减 数分裂现象随后也就被观察到了，在性细胞形成过程中，细胞分裂了两次，而染 色体数目只复制了一次，因此性细胞的染色体数目只有体细胞的一半。在雌雄性 细胞结合后，才又恢复到正常的染色体数目。 　　魏斯曼已为遗传学确定了理论基础，在此之后，孟德尔遗传定律被重新发现， 也就是顺理成章的事了。但是这个理论在当时还只是间接推断，缺少实验支持。 染色体是不是遗传的物质基础，每一条染色体是否各不相同且都是遗传所必需的 （即所谓染色体的个体性。魏斯曼在这个问题上，错误地主张每条染色体都包含 了一切遗传物质），甚至在进入２０世纪、孟德尔遗传定律被重新发现之后，对 这些问题都还有争议。只有实验能够解决这些争议。但是当时并无条件去除某条 染色体看是不是就破坏了生物的遗传。在１９０２年，波弗利以海胆做实验，巧 妙地解决了这个难题。 　　 　　海胆体细胞有１８对（３６条）染色体，而性细胞则有１８条染色体。在授 精时，精子一旦进入卵子，卵子细胞膜就发生变化阻止其他精子的进入，所以在 正常情况下，一个卵子只能被一个精子授精，来自精子的１８条染色体和卵子原 有的１８条染色体配对，又恢复到１８对染色体，这３６条染色体在细胞分裂时 再复制成７２条，平分到两个子细胞。但是在精子浓度非常高的情况下，在卵子 细胞膜发生变化之前，可能有第二个精子已进入卵子，从而出现了两个精子同时 使卵子授精的异常情形。在双精子授精的情况下，来自精子的染色体总共有两组 ２ｘ１８条，而卵子的染色体只有一组１８条，无法一一配对。一般情况下，这 种受精卵会出现四个分裂中心（纺锤体），染色体被分散到四极，分裂成四个子 细胞。但是如果摇晃受精卵，其中的一个纺锤体可能消失，细胞中只出现了三个 纺锤体，染色体被复制后分散到三极，最终会分裂成三个子细胞。如果染色体的 个体性是正确的，即每条染色体都是遗传所必需的，这些受精卵的命运如何呢？ 　　 　　让我们来看看三极（即会分裂成三个子细胞）的情况。所有三组（３ｘ１８） 染色体的某一条染色体可能位于一个纺锤体，复制后分散到两个子细胞，而第三 个子细胞没有该条染色体，其概率为１ｘ１／３ｘ１／３＝１／９，那么，三个 子细胞中至少有一条该条染色体的概率为１－１／９＝８／９。因此，三个子细 胞都分得１８条染色体的概率为（８／９）^１８＝０．１２。只有这种受精卵 才能正常发育。波弗利发现，在７１９个三极双精受精卵中，有５８个能正常发 育，占０．０８，接近理论预测。 　　再看看四极（即会分裂成四个子细胞）的情况。只有在这两种情形下，才能 保证四个子细胞都分得某条染色体： 　　（一）三组染色体的某一条染色体分别位于三个纺锤体，这又有两种可能： 　　一、第一组到四个纺锤体之一，第二组到相邻的两个纺锤体之一，第三组到 仍空缺的两个纺锤体之一，概率为１ｘ２／４ｘ２／４＝４／１６； 　　二、第一组到四个纺锤体之一，第二组到与之相对的纺锤体，第三组到仍空 缺的两个纺锤体之一，概率为１ｘ１／４ｘ２／４＝２／１６。 　　（二）两组染色体的某一条染色体位于同一个纺锤体，另一组的该条染色体 在与之相对的纺锤体。这也有两种可能： 　　一、第一组到四个纺锤体之一，第二组加入它，第三组到相对的纺锤体，概 率为１ｘ１／４ｘ１／４＝１／１６； 　　二、第一组到四个纺锤体之一，第二组到与之相对的纺锤体，第三组或者加 入第一组，或者加入第二组，概率为１ｘ１／４ｘ２／４＝２／１６。 　　合计４／１６＋２／１６＋１／１６＋２／１６＝９／１６。四个子细胞都 分到１８条染色体的概率为（９／１６）^１８＝０．００００３２。 　　波弗利发现，在近１２００个四极双精受精卵中，没有一个能正常发育，也 符合理论预测。 　　１９１８年，美国最负盛名的细胞学家Ｅ·Ｂ·威尔逊（E.B.Wilson）写道： 　　“像笔者一样对海胆的双授精卵之谜疑惑不解的人，在读到波弗利完整而美 丽的解答的时候，不能不感到激动；在现代生物学文献中，是否还能找到压缩在 如此短小的篇幅内——一篇由２０页纸组成、没有插图的关于多极有丝分裂的论 文——，比它更好的实验、分析和建设性工作，是值得怀疑的。”的确，在生物 学史上，很难见到如此简明、漂亮、富有说服力的定量化预测、实验和分析，就 象是一项最好的物理实验。“激动”绝非是夸大其词的形容。在波弗利的实验之 后，细胞学家中已很少有人还对染色体在遗传上的地位有所怀疑（但其他领域的 生物学家直到２０年代仍有很多人怀疑）。在今天，我们已把染色体是遗传的载 体视为再自然不过的事，生物学教科书上对这个事实的确认过程往往一笔带过， 以致很少有生物学的学生知道，曾经有过如此激动人心的经典实验。 ２００１·４·６· （寄自美国）