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遗传定律的发现史

2015-08-01 16:19阅读：

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遗传定律的发现史
摩尔根的果蝇实验
遗传的基本规律是高中生物教材的重点内容之一，教材对这部分内容的编写简洁慎密，不仅贯穿着严谨的知识体系，而且蕴含着深刻的科学思想和丰富的研究方法，透射着科学智慧和科学精神的光芒。然而这部分内容是对学生进行知识、能力、情感教育的好材料，却成了学生学习的难点与障碍。究其原因，需要对遗传规律的发现史进行了解，甚至还需要适当拓展摩尔根的连锁和互换定律，才能理解遗传的精髓，才能对遗传知识融会贯通。
一、前期研究过程
欧洲从18世纪以来就大量开展了植物杂交的实验。
德国植物学家J.G.克尔罗伊特在18世纪60年代首先从事各种烟草的杂交试验，发展了人工杂交技术。他发现无论是正交还是反交
，杂种的外表都难以区分，由此他指出在决定杂种性质时，两个亲本起着同等的作用。他通过与亲种反复回交的方法，把亲种的性质逐步转移给了杂种。但由于当时受物种不变信念的影响，他的试验结果未得到重视。
19世纪40年代德国植物学家C.F.格特纳在实验方法和对杂种及其亲种的比较描述方面，较之前人又有了很大的进展。他细致分析了9000多个实验的结果，发现纯种之间杂交总是产生相同形态的杂种；认为杂种形成不象一种化学过程，而类似于动物的生殖过程。他早在20年代就统计出玉米杂交第二代的性状分离比率为3.18:1，但无法给予解释。C.R.达尔文曾高度评价C.F.格特纳的工作，认为他的研究价值超过了所有其他学者的总和。
以后，法国植物学家C.诺丹在60年代发现杂种第一代表现一致，而第二代则出现杂乱的变异，各种类型的数目，完全由机遇决定。认为“配子的纯度”和各种杂交类型的产生都服从于概率定律。
此外，还有一批植物育种工作者长期从事品种间杂交。他们经常研究植物的个别性状，并在许多世代中追踪其结果。其中法国农学家A.萨热雷于1826年就两个甜瓜品种5组相对性状做了杂交试验，根据杂交结果，他指出性状的自由组合，并引进了“显性”的概念。另外，这期间欧洲有些育种学家已发现豌豆作为杂交育种实验材料的优越性。以上的大量工作，均为以后发现遗传规律奠定了基础。
二、基因分离定律和自由组合定律的发现
1．孟德尔的研究发现
奥地利布隆（Brunn）[今捷克和斯洛伐克布尔诺（Brno）]修道院修道士G.J.孟德尔对植物杂交和遗传现象很感兴趣，仔细阅读过前人的工作，包括C.F.格特纳的著作。他于1856年开始从事豌豆杂交试验，由于受F.翁格尔关于研究变种是解决物种起源的关键这一思想的影响，他采用了种群分析法，而不是研究单个个体。他选择了豌豆品种这一理想材料作为研究对象，又把工作限于彼此间差异十分明显的单个性状的遗传过程，而使实验结果大大便于统计分析。经过 8年研究，孟德尔于1865年2月8日和3月8日两次在布隆自然科学协会上报告了他的实验研究结果。反映实验结果的论文《植物杂交的试验》发表在1866年《布隆自然科学协会会刊》第4卷上。
他的主要结果可概括为：①分离规律。杂交第一代通过自花授粉所产生的杂种第二代中，表现显性性状与表现隐性性状个体的比例约为 3:1；②自由组合规律。形成有两对以上相对性状的杂种时，各相对性状之间发生自由组合。孟德尔为解释这些结果，提出一些假设。如遗传性状由遗传因子所决定；每一植株含有许多成对的遗传因子;每对遗传因子中,一个来自父本雄性生殖细胞，一个来自母体雌性生殖细胞；当形成生殖细胞时，每对遗传因子互相分开，分别进入一个生殖细胞等等。他的实验结果及其假设表明遗传决不是融合式的，而是“颗粒式的”，亦即决定某一相对性状的成对遗传因子在个体内各自独立存在，互不沾染，不相融合。刊载孟德尔这一突破性的重大研究成果的布隆自然科学协会会刊曾被分送到 120个单位，在欧洲很多图书馆内都可找到这篇论文。他本人还把论文寄给当时植物学界的权威人士内格利。但他的成就对他同时代的生物学家和有关遗传的研究没有产生影响，被埋没了35年之后，直到1900年才被重新发现。
遗传定律的发现史
孟德尔的杂交实验
2．种质学说的提出及其影响
就在孟德尔定律被埋没之时，细胞学的研究由于显微制片技术的改进而有了重大发展。细胞学家和胚胎学家们关于“细胞分裂”、“染色体行为”和“受精过程”等方面的研究，正从另一角度探讨着生物遗传的原理。与此同时，英国生物学家达尔文（C．Darwin,1809-1882）在他的进化论巨著《物种起源》一书中所提出的“支配遗传的定律，大部分还不明了”的问题，也促使人们把研究生物遗传的兴趣推向高峰。达尔文设想体内的各类细胞中，均具有代表其自身的胚芽。杂种内的镶嵌特征是亲本胚芽混合所致。他认为在生活周期的任何阶段细胞都可放出胚芽，胚芽随血流循环，通过分裂而增殖并发育成同样的细胞。胚芽也可积累在生殖细胞内，并传递给后代。当环境条件发生变化时，胚芽也会发生改变，并将此新的获得特性传给后代，但是达尔文的这一假说很快就被其表弟F.高尔顿的输血实验所推翻。
许多学者设想出各种理论，试图来解释生物遗传和变异的现象。遗传理论的探讨，伴随着不成熟的思辩，极其缓慢地前进着。
德国生物学家魏斯曼（A．Weismann，1834～1914）立足当时生物学的研究成果，主要根据比利时胚胎学家贝内登（E．von Beneden，1846～1910）、德国实验胚胎学家鲍维里（T．Boveri,1862～1915）等人对马蛔虫的研究，从思辩推理出发，于1892年发表了他的代表作“种质：一种遗传理论”。在这个遗传理论中，魏斯曼把生物体明确分为体质和种质，认为“遗传是由具有一定化学性、首先是具有分子结构的物质在世代之间的传递来实现的，这种物质就是‘种质’ （idioplasm）。它具有稳定性和连续性。”魏斯曼还认为，“有性生殖能够增加遗传的变异性。”“遗传的变异是由种质的变异产生的，因而成为生物进化的原因。”“当环境的影响只改变了体质，而并没有引起种质发生相应的变异时，这种体质变异，即后天获得性状是不能遗传的。”它和达尔文提出的“暂定的泛生说”、荷兰植物学家德弗里斯（H．De Vries，1848～1935）提出的“细胞内的泛生论”等,成为众所周知的、被广泛讨论的遗传理论。激烈的论战，以及当时生产实践上急待解决的动植物育种中的遗传问题，促使以德弗里斯、德国植物学家科伦斯（C．Correns，1864～1933）、奥地利植物学家丘歇马克（E．von．S．Tschermak，1872～1962）等纷纷去进行孟德尔早在30多年以前就已经做过的杂交实验，从而为1900年孟德尔遗传规律的重新发现拉开了序幕。
3．孟德尔遗传定律的重新发现
1899年7月11日～12日,以“植物杂交工作国际会议”之名义，在英国伦敦召开的第1届国际遗传学大会上，英国遗传学家贝特森(W．Bateson,1861～1926)宣读了《作为科学研究方法的杂交和杂交育种》的论文，提醒人们注重研究生物单个性状的遗传原理，指出：“如果要使实验结果具有科学价值，那就一定要对这种杂交后产生的子代，从统计学上加以检验。”早在1897年，贝特森便就生物如何进化的问题，开始对家鸡的冠形和羽色等性状进行杂交实验。在实验中，他不仅发现了与孟德尔类似的分离比率，还了解了对杂种后代进行统计学分析的重要性。可见，不论是研究方法，还是实验结果，贝特森都很接近30多年前的孟德尔。这也说明了孟德尔遗传理论，此时被学术界接受的时机已经成熟。
在这次大会召开后的第二年，德弗里斯的《杂种的分离律》、科伦斯的《关于品种间杂种后代行为的孟德尔定律》以及丘歇马克的《豌豆的人工杂交》等三篇论文，相继在《柏林德国植物学会》杂志第18卷上发表（三篇论文收到的时间分别为1900年的3月14日、4月24日和6月2日）。这样，三位不同国度的植物学家通过各自独立的植物杂交实验，并在研究论文发表的前夕查阅有关文献，而几乎同时重新发现了孟德尔早在1866年发表的论文──“植物杂交试验”。科学史上把这一重大事件称为孟德尔定律的重新发现。
三、基因连锁和互换定律的发现
美国哥伦比亚大学Edmund Beecher Wilson（1856-1939）实验室的研究生Walter Sutton（1877-1916）、德国乌兹伯格大学的Theodor Boveri（1862-1915）和其他几位科学家在观察和分析了染色体的行为后，提出染色体可能携带孟德尔的遗传因子。Sutton（1902）观察蚂蚱染色体的文章结束时指出：“我提请注意这样的可能性，父本和母本染色体成对地相关以及它们其后在减数分裂过程的分离…可能是孟德尔遗传律的物质基础”，他在1903年进一步阐述这一想法。
1901年，美国堪萨斯大学的McClung曾提出马的附着染色体（后称X染色体）决定雄性，这是第一次提出染色体与生物性状的关系，不过具体说X与雄性相关是错的。曾名义上是摩尔根研究生的女科学家Nettie Stevens（1861-1912）于1905年提出甲壳虫的Y染色体与雄性有关，第一次正确提出染色体与具体性状的关系，雄性是XY、雌性是XX。Wilson（1905）很快验证了Stevens的结论。如果基因与染色体有关，而染色体数目少于生物性状，那么染色体上就需要含多个基因，也就应该有基因连锁。实际上，德国的Carl Correns（1900）已经观察到基因连锁。所以，在摩尔根的果蝇研究以前，染色体与遗传的关系已被提出，而后人称为摩尔根发现的遗传学第三定律（基因连锁和交换律）的一半内容（连锁）也已存在。
在此基础上，摩尔根和他的三个学生系统地研究了染色体与遗传的关系，对遗传的染色体学说有重要贡献。
1905年，摩尔根开始研究遗传学，起初用老鼠，在他经常去做研究的Woods Hole抓到过突变的老鼠，1911年发表过老鼠毛色遗传与环境的影响。
1909年摩尔根用果蝇做实验的最初目的是研究演化。
遗传定律的发现史
摩尔根实验室
起初，摩尔根的运气不好，找不到突变的果蝇。1910年的一天（月份有争议），在众多常规的（“野生型”）红眼果蝇中，他发现一只白眼果蝇，他很快把注意力转移到遗传。他把这个雄性的白眼果蝇与野生型处女雌蝇交配，获得的F1后代有1237个是红眼（还有3个白眼，摩尔根在文章中显示了数据，但提出这三个例外进一步发生了突变，不在该文继续讨论），将这些果蝇雌雄交配后获得的F2代中：2459红眼雌蝇，1011红眼雄蝇，782白眼雄蝇。他观察到白眼全部是雄性，也就是白眼性状与性别有连锁。为了看是否白眼只能是雄性，他将第一只白眼雄蝇与F1雌蝇交配，发现后代中雌雄都有红眼和白眼，比例接近（Morgan，1910）。
在事实面前，摩尔根很快采用了孟德尔的推理以及实验设计，用了他自己一年前嘲笑的“因子”、用了Sutton、Stevens和Wilson等对性染色体的理解、也马上用了“对孟德尔主义的现代理解”者们所提倡的“杂合体”等名词和概念。
摩尔根提出假设：白眼雄蝇的精子中含决定白眼的因子。他1910年第一篇遗传学论文大体是对的，但细节有问题，他把白眼因子（W）和红眼因子(R)放在性染色体之外与它们相关（他知道白眼雄蝇果蝇确定性别的X只有一个，而他当时认为导致白眼的突变为W/W），而不是立即提出：确定红眼的因子是在X染色体上、而Y染色体上没有，在X染色体上的红眼因子突变后，携带突变的X和正常Y的雄蝇呈现白眼。他的文章读起来也就比较拗口，不如1866年孟德尔的文章，孟德尔理解很到位，无需现代翻译，主要表述都很容易读。
摩尔根确定了一个具体性状（眼睛颜色）的基因存在于特定染色体上。1910年后，摩尔根有一系列发现。不久他发现更多个性连锁的突变“残翅”（rudimentary）、“黄体”（yellow），其中黄体与白眼两个突变紧密连锁。摩尔根提出它们在同一染色体较近的位置。他于1911年发表了一篇少有的纯理论文章，没有实验数据，提出基因连锁，认为同一个染色体上的基因在遗传上会相连，而在不同染色体上的基因传代时分离（Morgan，1911）。他发现染色体交换（cross over），两条同源染色体之间出现交换，这是遗传重组的一个重要基础。他还发现多个突变，包括其他影响眼睛颜色的突变，以及影响其他性状的突变。
遗传定律的发现史
连锁和互换

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