◆　　　　　　　　　　　细胞与遗传的统一：传说中的现实 ·方舟子· 遗传学的诞生有一个非常确定又好记的年份：１９００年。这一年的春天， 在两个月内，三个人，在三个国家，先后宣布“重新发现”孟德尔遗传定律。在 科学史上，很难再找到如此巧合的例子。但是如果我们仔细研究这个“重新发现” 的过程，就会发现其实并不怎么巧合。 这三个人是：荷兰的德弗里斯（Hugo de Vries）、德国的柯伦斯（Karl Correns）和奥地利的丘歇马克（Gustav Tschermak）。首先是德弗里斯托人于 ３月２６日在巴黎法国科学院宣读了一篇植物杂交的论文《关于杂种的分离定律》， 稍后发表在法国科学院的院刊上。柯伦斯在４月２１日读到了这篇论文，立即写 了一篇评论，指出它其实是用不同物种重复了孟德尔的工作，却对“３：１”这 个孟德尔比率的由来没有深刻的理解，而且对孟德尔只字不提。德弗里斯获悉了 柯伦斯的反应，在自己论文的德文版出版之前，匆匆忙忙地加注了孟德尔的论文， 但是否认自己只是在重复孟德尔的工作，在注解中辩解说，孟德尔的“重要论文 由于极少被引用，以致我在已经完成了我的实验的大部分工作并从中推导出了本 论文中的结论之后，才第一次获悉它的存在。”我们现在知道，至少在此一年前， 很可能是两三年前，德弗里斯就已经读到了孟德尔的论文。在１８９７年伦敦的 一次会议上，德弗里斯报告他对剪秋罗的杂交结果，声称在子二代两种变异（有 毛和无毛）的比例是２：１，而不是３；１。在１８９９年伦敦的另一次会议上， 他再次报告了对剪秋罗的杂交结果，子二代的情况是９９株有毛，５４株无毛， 这个结果显然仍然接近２：１，然而让听众疑惑不解的是，德弗里斯在会上却坚 持其比例是３：１。我们不能不猜疑，他在这两年间读到了孟德尔的论文，从而 知道３：１才是正确的结果。德弗里斯由于被柯伦斯说破，不得不提及孟德尔， 但以后孟德尔定律引起的轰动使他本人大力倡导的“突变理论”相形见绌，他不 免感到忌妒，以致一再贬低孟德尔定律的重要性。１９０７年他出版《植物杂交》 一书时，竟未提及孟德尔。１９０８年丘歇马克发起呼吁在布隆建立孟德尔纪念 碑，德弗里斯也不予支持。 柯伦斯读到德弗里斯法语论文的六天之后（４月２７日），也向德国植物学 会提交了一篇论文，在标题中大书“孟德尔”－－《关于种间杂种后代行为的Ｇ· 孟德尔定律》。然而，柯伦斯同样在论文中声称自己独立做出了发现，并拉德弗 里斯陪衬：“发生在我身上的事情看来也同样发生在德弗里斯身上，我还以为我 发现了新东西。但是随后就确信布隆的格里戈·孟德尔院长在６０年代不仅通过 持续多年的广泛的豌豆实验得到了与德弗里斯和我一样的结果，而且也给出了完 全一样的解释，而这竟可能发生在１８６６年。”他声称遗传定律是在１８９９ 年１０月的某一天他躺在床上等天亮时突然“像闪电似的”进到他的脑海中的， 几个星期后他才偶然读到了孟德尔的论文。这种说法也很值得怀疑。柯伦斯是耐 格里的学生，而且娶了耐格里的侄女。孟德尔曾与耐格里长期通讯，柯伦斯很可 能早就从耐格里那里知道了孟德尔的工作，而且其试验的植物也是豌豆。以后柯 伦斯在遗传学研究上也没能做出重要贡献。 第三位重新发现者是在维尔纳学习的２６岁的研究生丘歇马克，他在１９０ ０年６月份也发表了一篇植物杂交的论文，提及了孟德尔的论文。但是从他的论 文看，他其实并没有真正明白显隐性现象、分离规律和孟德尔比例，也没有试图 从试验数据中推导出一般性结论。虽然后来他一直声称自己是孟德尔定律的重新 发现者之一，人们一般也把他算进去，但严格地说，他并不是。不过他以后在引 导植物学家们注意孟德尔定律方面却起了相当大的作用。 如果没有这三个人发现孟德尔论文，有一个人倒是非常可能在不久独立发现 孟德尔遗传定律，他就是英国生物学家贝特森。在前面我们已经说过，他１８９ ９年在英国王家园艺学会召开的国际学术会议上的报告，几乎可以看做是对孟德 尔工作的总结，做出同样的发现，所需要的只是时间而已。但是他永远地失去了 这个机会。在１９００年５月８日这一天，他乘火车从剑桥到伦敦，准备在王家 园艺学会召开的会议上介绍德弗里斯的工作。在阅读德弗里斯的最新论文时，贝 特森知道了孟德尔的论文。他在火车上读完了孟德尔的论文之后，当即改变了主 意，改在会议上介绍孟德尔的工作。这是孟德尔的工作首次在英语世界被知晓， 随即也在英语世界引起了重大争议。三位著名英国生物学家高尔敦、威尔登和皮 尔森（Karl Pearson）都反对孟德尔定律的有效性。具有讽刺意味的是，这三个 人都是所谓生物统计学家，即用统计方法研究生物问题，而孟德尔的结果恰恰是 依赖于统计方法。就象赫胥黎是达尔文的斗犬，贝特森也成了已无法为自己辩护 的孟德尔的斗犬。贝特森和威尔登原是同事好友，友谊因此而破裂。争论是如此 激烈，以致１９０６年威尔登因操劳过度在剑桥英年早逝时，有谣言说是贝特森 谋杀了他。贝特森做了大量的动植物杂交试验（许多在他知道孟德尔论文之前就 已在做），不仅证明了孟德尔定律的正确性，也发现了它的局限性，包括发现遗 传的半显性（并非总有显性和隐性之分）、多基因（一个性状不总是只由一对基 因控制，而往往是两对甚至许多对基因共同作用的结果），以及连锁（两对性状 不分离）现象等等。他还为遗传学发明了一系列延用至今的术语（包括“等位基 因”、“纯合体”、“杂合体”），以及在１９０５年为遗传学命名。贝特森对 孟德尔遗传学的贡献，远在那三位所谓重新发现者之上，甚至也可说他才是遗传 学的真正创始人。 从１９００年到１９１０年这十年间，贝特森是革命家。然而从那以后他却 成了保守分子。在这十年间，已有了确凿的证据证明染色体是遗传的物质基础， 贝特森却是染色体学说的主要反对者，一直要到１９２１年，他到美国亲访摩尔 根的果蝇室，才被说服接受了染色体学说。染色体学说却并非摩尔根所创。它是 在１９０１－１９０２年间，由蒙哥马利（T.H.Montgomery）、柯伦斯、萨顿 （Walter Stanborough Sutton）、威尔逊（E.B.Wilson）、波弗利等人几乎同 时提出的。从理论阐述来说，威尔逊的贡献最大，但是从实验结果来说，又以萨 顿和波弗利的贡献最大，因此威尔逊将染色体学说称为瑟顿－波弗利染色体遗传 学说。我们前面已经详细地介绍了波弗利是如何用海胆双授精试验巧妙地证明了 这个学说。但是波弗利的试验结果与孟德尔定律无关。首次证明遗传性状与染色 体都存在分离和自由组合现象，即遵循同一规律，从而将遗传学和细胞学统一起 来的，是威尔逊的学生萨顿。 萨顿的工作，是建立在蒙哥马利的工作的基础之上的。蒙哥马利对多种半翅 目昆虫（蝽象）的精子形成和卵子形成过程做了仔细的研究。蝽象的染色体数目 不多，而且每个染色体形状差别明显，容易区分。更重要的是，它们的睾丸中不 同阶段的精原或精子细胞恰好按顺序分布，不成熟的细胞在一头，经过不同的形 成阶段，已成熟的精子在另一头，便于追踪精子形成过程中染色体的变化。蒙哥 马利的研究显示，染色体是细胞中的永久性结构，在体细胞中它们成双成对（同 源染色体），一条来自父方，一条来自母方。在减数分裂时，两条同源染色体联 会之后，每个精子细胞分得其中一条。蒙哥马利还发现了不能配对的“副染色体”， 即性染色体。蒙哥马利在１９０１年发表了他的研究结果。第二年，萨顿也发表 了一篇论文，以蝗虫为材料得到了与蒙哥马利相同的结果。蝗虫的精原细胞有２ ３条染色体，萨顿对其形状进行了仔细测量，发现可以分成１１对常染色体，再 加上一条副染色体，经过减数分裂后，精子将含有１１条常染色体。萨顿也发现 雌性细胞含有２２条染色体，可分成１１对，形状与雄性的相同，因此看来雄性 双倍体含有１１对常染色体加１条副染色体，而雌性双倍体只含有１１对常染色 体。在一年前，麦克隆（C.E.McClung）已提出这条副染色体（因其功能不明， 也叫做Ｘ染色体）可能决定了雄性的性别。萨顿认为，经过减数分裂后将产生两 种精子，一种只含有１１条常染色体，一种除了含有１１条常染色体外，还含有 １条副染色体。与卵子结合的结果将产生两种后代，那些含有２３条染色体的将 发育成雄性，那些含有２２条染色体的发育成雌性（实际上雌性还含有１对副染 色体，而未被萨顿发现）。在１９０３年一篇题为《遗传中的染色体》的论文中， 萨顿总结了这些发现： （一）双倍体的染色体都由两套形状相似（后来称为同源染色体）组成，其 中一套来自父方，一套来自母方。（二）在减数分裂过程中所观察到的联会现象， 就是同源染色体的配对。（三）减数分裂的结果，使得配子（性细胞）只得到同 源染色体中的一套。（四）在有丝分裂和减数分裂过程中，尽管染色体的形状发 生了变化，但其个体性不变。（五）在减数分裂时，每一对同源染色体的分配， 是独立于其他对同源染色体的，每个配子得到每对同源染色体中的一条，得到哪 一条是随机的。 萨顿指出，如果孟德尔的遗传因子是染色体的一部分，且一对因子Ａａ各位 于一对同源染色体上，那么减数分裂将使Ａａ细胞形成各含Ａ和ａ的配子，且两 种配子的频率相等，这就解释了孟德尔的分离规律。而且，如果Ａ和ａ是一对同 源染色体的一部分，而Ｂ和ｂ是另一对同源染色体的一部分，那么含ＡＢ，Ａｂ， ａＢ和ａｂ的配子的频率将会相等，这就解释了孟德尔的独立组合规律。萨顿并 进而推论说，由于染色体数目很少，而遗传因子很多，必然会有许多遗传因子位 于同一条染色体上，做为一个单位一起遗传下去，而不会发生自由组合，也就是 说，孟德尔的自由组合规律只是当遗传因子位于不同染色体上时才发生的。这种 连锁现象，由贝特森首次发现。 萨顿的这个推论，不管多么深刻和富有启发性，也仅仅是推论，要被广泛接 受，仍然需要实验的支持。萨顿在读完研究生后从医，脱离了科学研究，并在３ ９岁时过早地去世，只留下了在２５－２６岁时发表的两篇可与孟德尔的豌豆杂 交论文媲美的经典论文。对染色体遗传学说的验证工作，是在１９１０－１９１ ５年间由纽约哥伦比亚大学的摩尔根实验室用果蝇完成的。摩尔根在１９０９年 开始培养果蝇，因为他没能申请到培养哺乳动物的经费，结果却无意中发现了一 种最好的实验动物。果蝇繁殖周期短，又可用香蕉喂养，费用很低。摩尔根实验 室将果蝇样在牛奶瓶中，据传说，这些牛奶瓶是他们在上班路上从居民的家门口 偷来的。又据传说，最早的一批果蝇是从摩尔根实验室窗口的一个菠萝上采集来 的。摩尔根的实验室－－后来被称为“蝇室”－－是一个极其窄小的房间，在这 里，他和三名学生缪勒（H.J.Muller）、布里吉斯（Calvin Bridges）和斯特提 万特（Alfred H. Sturtevant），以及来自世界各地的访问学者，挤在紧靠墙壁 的桌前，确确实实“肩并肩”地做出了一系列重大发现。 摩尔根培养果蝇的最初目的，并不是为了研究遗传规律，而是为了验证德弗 里斯的突变学说，试图用化学药品、温度处理、镭和Ｘ射线辐射在果蝇中引起突 变，但是都未成功。摩尔根被广泛当做染色体遗传学说的创建者，是一个天大的 误会。事实上，在该学说被波弗利、萨顿等人提出来后，摩尔根一度是最坚定的 反对者，在１９０３－１９１０年间在一些著作和论文中猛烈抨击孟德尔规律的 意义和染色体是遗传物质的载体这些说法，认为它们只是没有实验依据的推论， 算不上科学。在１９１０年８月，《美国博物学家》发表了摩尔根在２月份提交 的一篇批评染色体学说的长达４８页的论文，而在三周前，摩尔根已在《科学》 上发表了一篇关于果蝇的性连锁现象的论文，为染色体学说提供了重要的证据。 摩尔根当时已４８岁，一向以顽固著称，却在一夜之间彻底改变立场，这究竟是 怎么一回事？ 这得归功于果蝇中一个自发突变－－一只白眼雄果蝇（果蝇的眼睛在正常情 况下是红色的）。摩尔根一直把它称做“我发现的那只白眼雄果蝇”，但据传说， 真正的发现者是布里吉斯，他在把一个装有几百只果蝇的牛奶瓶放进消毒炉中销 毁之前，发现其中一只长得与众不同，被保留了下来。布里吉斯虽然是个色盲， 却以眼力敏锐著称，以后还发现了许多果蝇突变。这只白眼雄蝇与红眼（正常） 雌蝇交配，其后代（Ｆ１代）不管雌雄都是红眼（事实上，在１２４０只后代中， 有３只白眼雄蝇，显然是由于新的突变导致，忽略不计）。将这些Ｆ１代红眼雌 雄交配，产生的Ｆ２代中，所有雌蝇都是红眼的，但是雄蝇却大约有一半是红眼 的，一半是白眼的。让最早的那只白眼雄蝇与Ｆ１代的红眼雌蝇交配，得到的Ｆ ２代，雌雄都有红眼和白眼，而且数量大致相等。 如何解释这个现象？当时已经知道果蝇的性别由一对染色体决定，即雄蝇是 ＸＹ，产生Ｘ和Ｙ两种等量的精子，雌蝇是ＸＸ，只产生Ｘ卵子。如果决定白眼 的基因是一个在Ｘ染色体上的隐性基因（ｗ），就可以解释上面的遗传现象。第 一只白眼雄蝇（ｗＹ）和红眼雌蝇（ＷＷ，Ｗ表示决定红眼的显性基因）交配， 产生的女儿是Ｗｗ（红眼），儿子是ＷＹ（也是红眼）。让他们自交，后代中雌 蝇都是红眼（一半是ＷＷ，一半是Ｗｗ），雄蝇则一半是红眼（ＷＹ），一半是 白眼（ｗＹ）。让第一只白眼雄蝇（ｗＹ）与其女儿（Ｗｗ）交配，则后代种雌 雄各有两种：Ｗｗ（红眼）和ｗｗ（白眼）雌蝇，ＷＹ（红眼）和ｗＹ（白眼） 雄蝇。这是一个很明显的解释的。但是摩尔根一开始还很不情愿承认基因就在染 色体上，在１９１０年首次报告这个发现的论文中，错误地假定白眼基因（ｗ） 是一个独立的但又与Ｘ染色体一起遗传的因子，但是这个假说的预测与进一步的 实验结果不符。在１９１１年的另一篇论文中，摩尔根才承认白眼基因就在Ｘ染 色体上。 在迈出了这一关键的一步之后，进展就是日新月异的了。到１９１５年，摩 尔根实验室已发现了８５种突变基因的遗传，根据在遗传实验中它们是自由组合 还是连锁，可分成四组（连锁群），而细胞学实验发现果蝇恰好有四对染色体 （三对常染色体和一对性染色体）。这个结果说明了基因不仅在染色体上，而且 在同一对染色体上的基因将会一起遗传。但是实验也发现，连锁往往是不完全的。 如果ＡＡＢＢ与ａａＢＢ杂交，其后代（Ｆ１代）为ＡａＢｂ。假定Ａ和Ｂ在同 一条染色体上（相应的，ａ和ｂ在另一条染色体上），只能产生ＡＢ和ａｂ两种 配子，那么让Ｆ１代ＡａＢｂ与ａａｂｂ回交，应有一半是ＡａＢｂ，一半是ａ ａｂｂ。但是实验结果往往是，虽然以这两种为主，却有一小部分出现了重组现 象（ＡＡｂｂ，Ａａｂｂ，ａａＢＢ，ａａＢｂ），似乎基因从一个染色体跑到 了对面的另一条染色体上了。早在１９０９年，细胞学家就已观察到，在减数分 裂过程中，同源染色体之间似乎发生了片段交换，这一现象要到１９３１年才得 到细胞学实验的最终证实。不过，这次摩尔根已不要求有过硬的证据，也开始提 出假说了。他在１９１１年的论文中，提出了两条假说：基因在染色体上有固定 的位置，而且是线性排列的。如果假定交换可以在染色体的任何位置发生，那么 在染色体上的任一片段内部发生交换的几率，将取决于它的长度，或者说，该片 段越长，在它内部发生交换的几率就越高。这样，就可以根据一对基因发生不连 锁的频率，来推算它们之间在染色体上的距离，从而确定它们在染色体上的相对 位置，而在考虑了同一条染色体上的多种基因之后，又可以确定各个基因在染色 体上的绝对位置。在１９１１年下半年，斯特提万特在与摩尔根的一次谈话中， 突然有了这个天才的设想。当时年仅１９岁的斯特提万特后来说，他做为一名本 科生就已对遗传学研究做出了这么重大的贡献，使得他的人生面临着一大难题： 在他成年之后，还如何能做出第二个同样重大的贡献？ 现在连基因在染色体上的位置都可以计算出来了，但是摩尔根实验室仍然继 续寻找基因在染色体上的证据，直到１９１６年布里吉斯发表题为《非分离现象 之为染色体遗传学说的证明》的论文，才被认为是为染色体遗传学说提供了最后 的证明。布里吉斯的证明同样与白眼突变有关。让红眼雄蝇（ＷＹ）和白眼雌蝇 （ｗｗ）交配，Ｆ１代应该产生红眼雌蝇（Ｗｗ）和白眼雄蝇（ｗＹ）。但是偶 尔也会有数量极少的白眼雌蝇和红眼雄蝇出现，这种红眼雄蝇是不育的，但是白 眼雌蝇则可育。让后者与正常的红眼雄蝇交配，后代中这种特殊的白眼雌蝇和红 眼雄蝇的数目增加，大约占４％，这时候红眼雄蝇是可育的。 布吉里斯是这么解释这个现象的：在第一只白眼雌蝇（ｗｗ）产生卵子时， 有极小一部分卵子得到了两个Ｘ染色体（即“非分离”），相应的另有一部分卵 子没有Ｘ染色体（以Ｏ表示）。这两种卵子与正常红眼雄蝇（ＷＹ）的精子结合 后，有四种结果：Ｗｗｗ，ＷＯ，ｗｗＹ，ＹＯ。其中Ｗｗｗ和ＹＯ不能存活， ｗｗＹ表现为白眼雌性，ＷＯ为红眼雄性，但因没有Ｙ染色体而不育。特殊的白 眼雌蝇（ｗｗＹ）产生的卵子中，有４６％是ｗＹ，４６％是ｗ，４％是ｗｗ， ４％是Ｙ，与正常的雄蝇（ＷＹ）交配，就会有２％是白眼雌蝇（ｗｗＹ），２ ％是红眼雄蝇（ＷＹ），后者染色体正常，所以可育，但是与正常的雄蝇不同， 它从父亲那里得到了Ｘ染色体，而从母亲那里得到了Ｙ染色体。布吉里斯不仅对 这个解释做了遗传学的验证，也做了细胞学的检测。他用显微镜检查果蝇的卵巢 和睾丸切片，发现Ｆ１代从非分离卵子得到的红眼雄蝇的确没有Ｙ染色体，而白 眼雌蝇则多了一条Ｙ染色体。 这样，布吉里斯就从遗传学和细胞学两方面，证明了白眼基因（ｗ）的确是 在Ｘ染色体上。在这个“最后证明”之前，在１９１５年，摩尔根、斯特提范特、 穆勒和布里奇斯合著的《孟德尔遗传学的机理》一书就已收集了详细的资料论证 了染色体遗传学说的正确性，这个“最后证明”其实只是个蛇足。但是奇怪的是， 在当时，除了细胞生物学家，大多数生物学家都不接受染色体遗传学说。在２０ 年代的英国，虽然贝特森在访问了摩尔根实验室以后改变了立场，有一种说法却 是：有七个相信染色体遗传学说的人，就有七百个持反对意见的人。这究竟是怎 么回事？ 如果相信基因是在染色体上，那就要相信是一种化学物质在控制着生物的遗 传。当时的生物学家，则还大都或多或少抱着活力论的观念，相信生命之中有特 殊的活性物质或活力。如果将生命现象还原为化学现象，令人难以接受。对还原 主义的抵制，恐怕是抵制染色体学说的一个重要因素。苏联的米丘林－李森科主 义者虽然是从政治上反对染色体学说，而其借口，也同样是染色体学说的哲学观 是“片面、孤立、静止的”。即使摩尔根本人，在基因究竟是化学物质实体还是 仅仅是理论推导这个问题上，也摇摆不定。正是由于信心不足，使得摩尔根、斯 特提范特和布里奇斯在１９１５年之后还在挖空心思证明染色体学说的正确性， 寻找种种看上去与该学说不符的例外，然后以该学说做出解释。１９１５年之后， 摩尔根实验室只是在研究旧问题，已没有新的突破。只有缪勒充满自信地独辟蹊 径。他在１９１５年以一篇研究多种连锁基因的交换现象的论文获得博士学位后， 离开了摩尔根实验室，独立研究基因的突变问题，并最终于１９２６年在德州大 学奥斯丁分校任教授时，发现了Ｘ射线能诱发基因突变，为遗传学研究开拓了一 个全新的领域。缪勒坚信基因是一种决定遗传的超显微的化学分子。他对基因的 化学本质的探讨对遗传学研究有深远的影响，不仅建造了概念框架，确定了实验 方法，更重要的是提出了新的问题，为未来的研究指明了方向。他的许多猜测， 后来都被分子遗传学的研究证明是正确的。从某种意义上说，他是第一个分子遗 传学家。 ２００１．５．２６． （寄自美国）