孟德爾遺傳學

孟德爾遺傳學的重大發現，拉開了二十世紀人類解開遺傳之謎的序幕。在二十世紀，遺傳學的發展經歷了三個階段：首先，是摩爾根小組代表的經典遺傳學階段，此時主要以動植物為研究對象，從細胞的角度來探索生物遺傳的規律，解釋遺傳的本質；然後是以噬菌體小組等為代表的過渡階段，主要以微生物為研究對象，從生物化學的角度探討遺傳的機理，引入了遺傳信息的概念；最後一個階段以雙螺旋的發現為代表，深入到了分子的層面，發現了遺傳信息傳遞的機理。

19世紀50－60年代，奧地利牧師、業餘科學家孟德爾在捷克的一所修道院裏，對於豌豆觀察研究了8年，從而發現了生物遺傳的規律。後來，人們尊稱他為“遺傳學之父”。但是，他的這一發現並不能被當時的人所理解，直到20世紀，人們才能理解他的發現的意義。根據豌豆各種各樣的生長變化，孟德爾向人們展示了什麼是遺傳的顯性定律、分離定律和獨立分配定律。

孟德爾遺傳定律的重新發現者，荷蘭的德弗里斯(H. De Vries )、德國的科倫斯(C. Correns)和奧地利的契馬克(E. Seysenegg-Tschermak)。

達爾文的《家養條件下動物和植物的變異》（1868），德弗裏的《細胞內泛生論》（1889），以及魏斯曼的《種質論》（1892）促進了人們對遺傳問題的關注。德弗裏和柯侖斯於1892年開展了系統性的雜交試驗，1899年兩人都發表了他們的異粉性（胚乳由花粉核形成，見Dunn，1966）試驗的重要結果。不久後於1900年春發生了一件生物學史上罕見的事，這似乎非常突然但實際上卻是事態長期發展的一個高潮。有三位植物學家，德弗裏、柯侖斯、丘歇馬克，在短短几個月內先後發表文章聲稱他們分別獨立地發現了重要的遺傳定律，卻不料在核查文獻時才知道孟德爾已領先他們35年在19世紀60年代已經發現了這一定律。自此以後不斷有人懷疑這三位植物學家的説法是否真實。這個問題看來至關重要，值得比較仔細地加以分析。

遺傳學的早期歷史可以分為兩個階段，頭一階段從1900年到1909年左右，第二個階段始於1910年。頭一個階段往往稱為孟德爾主義時期，主要精力集中在有關進化問題的爭議上以及孟德爾遺傳是否普遍有效的問題。這一時期（階段）的主要代表人物是德弗裏，貝特森和約翰遜，常常被稱為“早期的孟德爾主義者。”不同的人對“孟德爾主義”這詞有不同的理解，根據他要強調的是孟德爾主義的哪個方面而定。對建立遺傳學的學者而言，它指的是顆粒遺傳確鑿無疑已成定案，並側重硬式遺傳的時期。對於進化主義者來説，“孟德爾主義”指的是這樣一個時期，在這一協期中某些著名的遺傳學家傳播着關於進化問題和物種形成的完全錯誤的觀點，在這一時期中突變壓力被認為遠比自然選擇重要，而這些觀點對博物學家正是格格不入的。因此，“孟德爾主義”這同一個詞有時被用來表示讚許或支持，有時卻具有貶義。

第二個階段從1910年開始，主要代表是摩根學派；主要側重於純粹遺傳學問題的研究，諸如基因的本質、基因在染色體上的一排列等等。由貝特森於1906年建議的“遺傳學”（genetics）這個詞後來被普遍接受並作為研究遺傳現象這門科學的廣義概念。

孟德爾所發表的文章雖然經過了34年才重新發現，但一旦重新發現之後卻以前所未有的速度廣泛傳播。柯侖斯和丘歇馬克都是在1900年4 月未見到德弗裏的文章。並分別在5月和6月發表了自己的有關文章。貝特森於5月8日在英國皇家園藝學會的會議上通報了孟德爾的試驗，在法國Cuenot也很快就介紹了孟德爾的工作。

和許多重要的科學活動相仿，隨後的進展勢頭在不同的國家也各不相同。毫無疑問，在孟德爾遺傳學的進展方面英國是遙遙領先的，但不久即被美國趕上最後超過（美國的代表人物是Castle，East，摩根以及其他學者）。德國的遺傳學仍然繼承了19世紀80年代的傳統，側重發育遺傳學和一些不常見的遺傳現象（真正的或外表上的細胞質遺傳、原生動物遺傳等等）。在法國，Cuenot開了一個好頭之後一直到20世紀30年代並沒有多大作為。在蘇聯，正如Gaissinovich（1971）指出的，“只是到蘇維埃時期遺傳學才發展成為一門科學”。在西北歐則並沒有遺傳科學誕生。遺傳學在什麼地方欣欣向榮和按哪個方向發展，完全取決於這一領域的帶頭人。然而奇怪的是，柯侖斯和德弗裏在隨後的孟德爾遺傳學發展上都沒有發揮重要作用。這一功績，至少在早期，必須歸於貝特森（1861－1926），他對孟德爾遺傳學重要意義的賞識程度遠在所謂的重新發現者之上。

貝特森自從在霍普金斯大學W ．K ．Brooks教授的研究室逗留期間（1883—1884）就對不連續變異（見第二編）饒有興趣並從80年代起就進行育種試驗，但真正集中精力從事這方面的研究還在1897年左右。1899年7 月11日他向皇家園藝學會宣讀了一篇題為“作為一種科學研究方法的雜交和雜交育種”的論文。從這篇論文可以看出當時他還沒有提出遺傳學説，儘管有許多試驗結果按孟德爾觀點很容易解釋。直到1900年5月8日他在從劍橋到倫敦的火車上讀到孟德爾的原作後才深受啓迪。他很快就成為一位熱誠的孟德爾主義者並將孟德的文章翻譯出來加上腳註發表在皇家園藝學會雜誌上（1900年）。貝特森的熱情一部分出自他認為孟德爾分離學説是對他的（錯誤的）論點——“物種形成是不連續變異的結果”——的肯定。德弗裏也提出過類似的進化學説並且也認為孟德爾遺傳因子的不連續性是他的物種驟變形成學説的重要證據。因此，孟德爾學説之所以引起廣泛注意竟然是由於是是而非地表面的（如果不是錯誤的）理解。關於貝特森與德弗裏的論點所引起的非難已在第十二章介紹，我在下面只討論貝特森對傳遞遺傳學作出的貢獻。

遺傳學中的大多數重要術語都是貝特森提出的。他為這門新學科創造了“遺傳學”這個新詞，並於1901年首創了“等位基因”（allele，原為allelomorPh ，後簡化），“純合子”，“雜合子”。有了這些語義明確的術語，大大促進了這段時期的學術交流。當然，貝特森及其同事還對我們瞭解遺傳現象作出了實質性的貢獻。他們首先發現與孟德爾所觀察到的簡單現象不相符的情況（如多基因不完全連鎖）。遺傳學正是通過貝特森才在英國取得了在歐洲其他國家所完全沒有的勢頭或動力。

貝特森是一個很複雜的人物，在辯論中好鬥並近乎粗暴，但同時他又完全獻身於事業。他是兼保守與革命於一身的奇怪混合物。在1900年以後的頭10年中，他是遺傳學的主要活動家，Caslle（1951）的説法實際是很有道理的，他説貝特森“是遺傳學的真正創始人。”然而1910年以後他反對染色體學説以及繼續堅持物種驟然形成的觀點就不再能説是建設性的。作為一個革命者來説他曾經留下了不朽的名言（1908：22）：“請珍惜你所發現的例外情況；如果沒有例外，工作就會變得如此枯燥無味誰也不願意去進一步推動它前進。把這些例外情況永遠暴露在眾目睽睽之下。例外就像修建中的大廈的粗麪石料，它告訴人們怎樣進一步加工並指出下一個部件應當安放在什麼地方。”在他自己的研究工作中，他就非常注意實際上的例外或表面上的例外，他的一些重要發現就是遵循這一箴言的結果。

1900年以後遺傳學的新發現出現的速度在科學史上幾乎是沒有先例的。無論是查閲Lock編寫的遺傳學教科書（1906，尤其是其中的163 －275 頁）或是貝特森的教科書（1909），我們就會為1900年後不久人們對孟德爾遺傳學理解的成熟程度而感到驚訝。進步如此迅速的原因是什麼？原因之一當然是這新學説本身的美滿和簡單足以吸引任何人去進行遺傳試驗來驗證它是否普遍有效。由於這是一片新開拓的領域，幾乎任何人都有取得新發現的機會。孟德爾定律可以對遺傳方式作出預測並對這些預測立即加以檢驗。另一個原因則還沒有定論，即認為1900年以前細胞學研究在35年中所取得的輝煌成就奠定了牢固基礎應當能夠按細胞學、特別是從染色體的角度來説明幾乎一切純理論性的遺傳學發現。染色體細胞學已成為通向生物學其他領域的橋樑，這座橋樑是在能夠使用之前就已建成。然而奇怪的是，即使它在能使用之後也幾乎被遺傳學家、如在摩根之前的貝特森、凱塞爾，East等完全忽略了。

遺傳現象有關機制的知識被應用於生物學的各個不同領域，如進化生物學，發育生理學。

在孟德爾所分析的七對性狀中，他對每一對性狀只分辨出兩個變異體，即顯性的和隱性的變異體。但是正如孟德爾本人所發現的那樣，並不是所有的性狀對（成對性狀）都是如此。他曾經談到花期就“幾乎恰好處於親本植株之間。”柯侖斯（1900）也同樣發現某些因子並不是完全顯性而是“半顯性”，因而產生的F1表現型多少介於雙親之間。兩年之後貝特森在用白家雞和黑家雞雜交時發現了民是藍色的安道路西亞（西班牙）家雞這樣的半顯性。

這不僅證實了半顯性是存在的而且還表明孟德爾定律對動物和植物都適用。大致在同一時期Cuenot根據對家鼠毛皮顏色基因的研究也論證了這一點。鑑於動物和植物的細胞及細胞核顯示完全相同的現象這一事實，這一發現可能並非完全出乎意料。然而孟德爾的遺傳定律同樣適用於動物界和植物界的這一發現進一步摧毀了存在於動物學和植物學之間的古老界限。

在1909年以前，對作為可見性狀基礎的遺傳因子還沒有一個公認的術語。斯賓塞、海克爾、達爾文、德弗裏、魏斯曼以及其他考慮遺傳現象的學者都假定存在着某種具有不同性質的顆粒物質，但是他們所使用的名稱並未被廣泛採用。

孟德爾在他的研究工作中將對遺傳物質本質的推論嚴格限制在最低限度，鑑於1865年當時對細胞核和染色體的瞭解還極其有限，他的這種作法是非常明智的。他在試驗中所指的特徵（“MerKmale”）和性狀（“Charaktere”）基本上限於表現型層次，雖然他所用的符號A 、Aa、a 被普遍認為是指遺傳型的結構。他在論文的結論中（1866：41—42）曾經使用“因子”（Elemente）這詞達10次之多，其中有幾次和我們使用的“基因”這詞的涵義十分相似，但他對遺傳物質並沒有清晰的概念。不管孟德爾真正是怎樣想的，就早期的孟德爾主義者看來他所闡述的就是我們所説的孟德爾遺傳。

雖然魏斯曼曾經暗示了種質與體質之間的區別，但是直到1900年還沒有“表現型”和“遺傳型”這兩個學術名詞。就德弗裏看來遺傳物質和軀體（表現型）並沒有實質上的差異，因為他所設想的泛子可以自由地從細胞核移往細胞質。他認為泛子就是單位性狀或基本性狀。他主張對每一個獨立遺傳的性狀就有一個單獨的遺傳基礎。德弗裏有時也把遺傳要素（genetic elements）稱作“因子”（factors ），貝特森和摩根學派起初也採用了這一名稱。

和德弗裏相仿，貝特森也分不清作為基礎的遺傳因子與作為外表的表現型性狀之間的區別。他將“單位性狀”看作是“配子結構中二者擇一非此即彼的（性狀）”（1902）。為了能夠指明這樣的二者擇一情況，例如豌豆中的圓豆或皺豆，貝特森引用了（希臘文中表示彼此互相的字並加以轉化）“相對形質”（all －elomorph，後簡化為allele；現譯為等位基因）。然而他又不能區分軀體（體質）性狀和它在配子中的定子（基因）。由於種種原因在1910年之前幾乎普遍地達成了一種默契，即在遺傳因子（基因）與性狀之間存在着1 ：1 的關係。因此當提到某個單位性狀時究竟是指遺傳基礎還是其表現型表現都無關緊要。正是由於這種自動的默契促使凱塞爾提出了他的“污染學説”（contsminationtheory）。

隨着1900年以後遺傳學活動的迅速增多，就有必要為可以獨立遺傳的性狀的物質基礎制訂一個術語。丹麥遺傳學家約翰遜（W.L.Johannsen ，1857—1927）發現孟德爾的因子在作用上與德弗裏所提出的泛子很相似，因而在1909年建議將泛子（pangen）這個字簡化為gene表示遺傳性狀的物質基礎。約翰遜是一個物理主義者，他最後所想的是要為基因這個詞的定義塗上先成論色彩。他指責“將基因作為物質性的、在形態上表示結構特徵的概念，這概念對遺傳學的穩步發展非常有害必須立即加以提防”（1909:375）。因而他並沒有為基因下定義而只是説“基因可以用來作為計量單位（Rechnungseinheit）。我們無權按達爾文的微芽或魏斯曼的生源體或定子或者其他類似的推論性概念將基因定義為某種形態結構。我們也無權去設想每一個特殊基因相當於特定的表現型性狀或（如形態學者所常説的）發育中生物的特徵”（1909）。

這個定義反映了那個時期貫穿於生物學領域中的意見分歧。物理主義者（也包括約翰遜，由於他所受教育的關係也深受他們的影響）要按力學觀點解釋一切。胚胎學者出於後生論（漸成論）傳統也同樣不願意接受顆粒性基因，因為這使他們想起了先成論。摩根起初不願意承認基因、或者至少是顆粒性基因，也正是由於這樣的考慮。最後，還有本質論的某些影響，本質論是反對將物種的本質加以分割的。1917年Goldschmidt 嚴厲批評了遺傳學家對基因過分謹小慎微的態度：“我們認為對待問題的這種心智態度是由於約翰遜對基因本質採取不可知論的結果，這樣就產生了某種神秘的崇敬心情，對基因的世俗屬性的觀點表示深惡痛絕。”當然，後來到了適當的時候基因被證明恰好具有約翰遜非常仔細地從他的定義中排除的那些（結構）特徵。實際上，從摩根開始經過穆勒到沃森和克里克一直越來越接近基因的結構概念。約翰遜創用的“基因”這個術語很快就被普遍採用，因為它滿足了對錶示遺傳單位的術語的迫切需要。然而由於缺乏嚴格的基因定義，這就成為後來引起某些爭論的部分原因。產生思想混亂的另一個原因是，幾乎學者們對基因的涵義是什麼意見也不一致。例如當談到果蠅的白眼基因時，有的學者認為指的是白眼等位基因，另一些人則認為是指白眼突變發生的基因座（位點），也就是所有白眼等位基因的基因座。

為不可見的，亞顯微結構的遺傳單位創造“基因”這字開始，直到充分了解它的本質，這段道路是漫長的，也是艱苦的。無數的遺傳學家（其中走在最前列的是穆勒——H ．J ．Muller）實際上是把他們的畢生科學事業奉獻在這一探索上。我們行將見到，最後發現（50年代）作為基因發揮作用的高分子確實具有約翰遜所拒絕承認的那種結構上的複雜性和特異性。怎樣去發現基因的秘密開始的確是一個非常折磨人的問題。摩根及其同事十分正確地決定從研究改變了的基因、即“突變”着手，他們認為這可能是一個有希望的嵌入楔子。

孟德爾 (1822-1884)。孟德爾是現代遺傳學之父，是這一門重要生物學科的奠基人。1865年發現遺傳定律。

1822年7月22日，孟德爾出生在奧地利的一個貧寒的農民家庭裏，父親和母親都是園藝家。孟德爾受到父母的薰陶，從小很喜愛植物。

當時，在歐洲，學校都是教會辦的。學校需要教師，當地的教會看到孟德爾勤奮好學，就派他到首都維也納大學去唸書。

大學畢業以後，孟德爾就在當地教會辦的一所中學教書，教的是自然科學。他能專心備課，認真教課，所以很受學生的歡迎。1843年，年方21歲的孟德爾進了修道院以後，曾在附近的高級中學任自然課教師，後來又到維也納大學深造，受到相當系統和嚴格的科學教育和訓練，為後來的科學實踐打下了堅實的基礎。孟德爾經過長期思索認識到，理解那些使遺傳性狀代代恆定的機制更為重要。

從維也納大學回到布魯恩不久，孟德爾就開始了長達8年的豌豆實驗。孟德爾首先從許多種子商那裏，弄來了34個品種的豌豆，從中挑選出22個品種用於實驗。它們都具有某種可以相互區分的穩定性狀，例如高莖或矮莖、圓料或皺科、灰色種皮或白色種皮等。

孟德爾通過人工培植這些豌豆，對不同代的豌豆的性狀和數目進行細緻入微的觀察、計數和分析。運用這樣的實驗方法需要極大的耐心和嚴謹的態度。他酷愛自己的研究工作，經常向前來參觀的客人指着豌豆十分自豪地説：“這些都是我的兒女！”

8個寒暑的辛勤勞作，孟德爾發現了生物遺傳的基本規律，並得到了相應的數學關係式。人們分別稱他的發現為“孟德爾第一定律”和“孟德爾第二定律”，它們揭示了生物遺傳奧秘的基本規律。

孟德爾開始進行豌豆實驗時，達爾文進化論剛剛問世。他仔細研讀了達爾文的著作，從中吸收豐富的營養。保存至今的孟德爾遺物之中，就有好幾本達爾文的著作，上面還留着孟德爾的手批，足見他對達爾文及其著作的關注。

起初，孟德爾豌豆實驗並不是有意為探索遺傳規律而進行的。他的初衷是希望獲得優良品種，只是在試驗的過程中，逐步把重點轉向了探索遺傳規律。除了豌豆以外，孟德爾還對其他植物作了大量的類似研究，其中包括玉米、紫羅蘭和紫茉莉等，以期證明他發現的遺傳規律對大多數植物都是適用的。

從生物的整體形式和行為中很難觀察並發現遺傳規律，而從個別性狀中卻容易觀察，這也是科學界長期困惑的原因。孟德爾不僅考察生物的整體，更着眼於生物的個別性狀，這是他與前輩生物學家的重要區別之一。孟德爾選擇的實驗材料也是非常科學的。因為豌豆屬於具有穩定品種的自花授粉植物，容易栽種，容易逐一分離計數，這對於他發現遺傳規律提供了有利的條件。

孟德爾清楚自己的發現所具有的劃時代意義，但他還是慎重地重複實驗了多年，以期更加臻於完善、1865年，孟德爾在布魯恩科學協會的會議廳，將自己的研究成果分兩次宣讀。第一次，與會者禮貌而興致勃勃地聽完報告，孟德爾只簡單地介紹了試驗的目的、方法和過程，為時一小時的報告就使聽眾如墜入雲霧中。

第二次，孟德爾着重根據實驗數據進行了深入的理論證明。可是，偉大的孟德爾思維和實驗太超前了。儘管與會者絕大多數是布魯恩自然科學協會的會員，中既有化學家、地質學家和生物學家，也有生物學專業的植物學家、藻類學家。然而，聽眾對連篇累續的數字和繁複枯燥的淪證毫無興趣。他們實在跟不上孟德爾的思維。孟德爾用心血澆灌的豌豆所告訴他的秘密，時人不能與之共識，一直被埋沒了35年之久！

孟德爾晚年曾經充滿信心地對他的好友，布魯恩高等技術學院大地測量學教授尼耶塞爾説：“看吧，我的時代來到了。”這句話成為偉大的預言。直到孟德爾逝世16年後，豌豆實驗論文正式出版後34年，他從事豌豆試驗後43年，預言才變成現實。

隨着20世紀雄雞的第一聲啼鳴，來自三個國家的三位學者同時獨立地“重新發現”孟德爾遺傳定律。1900年，成為遺傳學史乃至生物科學史上劃時代的一年。從此，遺傳學進入了孟德爾時代。

今天，通過摩爾根、艾弗裏、赫爾希和沃森等數代科學家的研究，已經使生物遺傳機制——這個使孟德爾魂牽夢繞的問題建立在遺傳物質DNA的基礎之上。

隨着科學家破譯了遺傳密碼，人們對遺傳機制有了更深刻的認識。人們已經開始向控制遺傳機制、防治遺傳疾病、合成生命等更大的造福於人類的工作方向前進。然而，所有這一切都與聖托馬斯修道院那個獻身於科學的修道士的名字相連。