[唐晓鹏] 发现遗传-第1部分

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2000　第1期　　　…　科学故事
唐晓鹏
　　　　基因现在是个时髦的词汇，意味着大量的金钱和前卫的科学研究。如果回顾历史，我们会发现这种繁荣局面并不是偶然得来的。在追寻生命本质的赛跑中，曾有三个人跑得比谁都快。他们中的一个对种豌豆保持了很多年的兴趣；一个把死去的微生物反复地提纯；第三个则是玉米叶子上的花纹图案的鉴赏专家。他们各自从古怪的角度着手，为世人打开了自然界谜语库中最精致的那个秘密。那么世人对他们怎么看的呢？
　　　　先来讲一讲遗传学的奠基人——孟得尔的故事。
　　　　孟得尔生在1822年，父亲是个喜欢养花的农民。他后来对植物的遗传特性感兴趣，应该受了点儿他父亲的影响。孟得尔的童年是在半饥饿状态中度过的，中学以后他靠着妹妹准备作嫁妆的钱进了大学。他后来成了修道院的修士，应该说这个职业极大地束缚了他的创造力，但他依然显示了自己的才干，到25岁时，他被任命为修道院的院长。
　　　　孟得尔在34岁上开始了他最重要的研究——豌豆杂交实验。开始他并不知道自己会得出什么结论，雄心勃勃地一下子选用了22个品种，其中有黄叶子绿叶子圆叶子甚至皱巴巴的叶子。他把这些看上去不像是一种植物的豌豆分别进行杂交，最后用数学统计对它们的后代进行分析。经过多次没有效果的实验，他渐渐有了一个绝妙的想法。
　　　　首先用高茎秆的豌豆与矮茎秆的杂交，把它们的后代中那些高茎秆的豌豆挑选出来，然后让它们自交（也就是让第二代豌豆自行授粉），新一代豌豆出现了非常有意思的变化：它们之中高茎秆与矮茎轩的比例始终稳定在三比一。
　　　　孟得尔开始了他的天才推论：
　　　　第一代高矮杂交种出来的那些高茎秆，是因为“高个儿”有显性遗传的功能，矮个子的遗传是隐性的，所以，那些高矮杂交的种子最后长高了；它们自交的新一代则应该有四种遗传配方——高高，高矮，矮高和矮矮。只有最后一种才会使矮个子遗传因子变成显性，也就是说，长成矮豌豆。这样一来新一代种子的高矮比例总是三比一。他认为不同遗传因子虽然在细胞里是互相组合的，但并不互相掺混，是各自独立可以互相分离的。后人把这一发现称为分离定律。另一个推论是，植物在杂交中不同遗传因子的组合，遵从排列组合定律，后人把这一规律称为自由组合定律。这两个定律成为遗传学的基础。
　　　　孟得尔用了八年完成实验，写成一篇《植物杂交实验》的论文，然后开始了他很不擅长的推广工作。论文的首次亮相是在布尔诺学会的自然科学研究会上，他当众宣读了，但人们既未提问也没有展开讨论。学会还是很给这个修道院院长面子，1866年，在他们的专业刊物上全文发表了这篇论文。该学会同120多个研究机构有资料交流关系，刊载孟得尔文章的杂志共寄出115本。赫赫有名的英国皇家学会和林耐学会都收到了，孟得尔本人还向外寄出过该论文的油印本。他联系的人中有几个非常内行的大学者，其中也有人对他的工作作出了正确评价，但最终他还是被人们遗忘了。
　　　　为什么呢？因为当时作为科学界重大突破的达尔文的进化论把科学界的注意力都吸引了过去（孟得尔发表论文时，《物种起源》问世刚7年）。而且孟得尔也做得不够，达尔文本人对杂交问题很重视，却没有看到过他的论文。至于其他科学家，像维也纳植物园主任凯尔纳，植物学教授福克都对他的成果不屑一顾。福克说：“孟得尔所作的很多次杂交的结果，十分类似于奈特的结果，但孟得尔自以为发现了各种杂交类型之间稳定的数量关系。”他否定的恰好是孟得尔的成功之处。
　　　　到了晚年，倔强的老院长为了一笔不公平的税金与政府对峙多年，加上被人忘却的痛苦，终于在62岁上健康崩溃，早早离开了人世。
　　　　艾佛里的故事发生在二十世纪四十年代。
　　　　在这之前，美国科学家格里菲斯发现，细菌被加热致死后，其残留的某种物质依然具有携带遗传信息的能力，并在新一代的细菌性状中表现出来。但他无法确定那究竟是一种什么样的物质。艾佛里在他的基础上前进。他开始对细菌的无细胞提取物进行分馏、纯化工作，采用了一系列非常有思想的实验方法。他先是推断蛋白质是遗传物质，却发现把蛋白质、类脂、多糖和核糖核酸一一从提取物中去掉，剩余物质仍然保持着遗传能力。他迷惑了，突发奇想把提取物彻底纯化到无活性的程度，注入非常小剂量的原细胞DNA，那种遗传又发生了。他们断定，所谓遗传物质就是脱氧核糖核酸！1944年，《实验医学杂志》发表了这一研究成果。艾佛里的实验和结论是DNA认识史上的一次重大突破，彻底改变了“脱氧核糖核酸在生物体内无足轻重”的传统观念。但他得到的不是鲜花，而是众多科学家极大的惊讶和怀疑。主要有两种反对意见，一种是碰巧DNA的化学特性造成似乎是遗传的结果，其实它只是跟某个具体的变化相关联，这种变化并不是遗传而来的；另一种认为无论如何提纯，艾佛里的实验材料都含有蛋白质的杂质，而那就可能是遗传发生的原因。
　　　　与孟得尔不同的是，艾佛里并非孤军奋战，他和他的同盟军H·泰勒、哈赤基斯和麦卡蒂展开了历时数年的反攻。泰勒和哈赤基斯发明了新的实验，绕过给反对者以口实的实验方法，取得与艾佛里一致的结果；艾佛里本人则在1946年着手证明DNA对遗传功能的惟一性。他使用反证法，用各种有分解功效的酶破坏所有被怀疑是遗传物质的有机化合物。结果，蛋白水解酶没有使提取物丧失遗传性能；核糖核酸酶也没有；而一旦使用DNA酶，遗传作用立刻就消失了。他无可辩驳地证明了DNA就是遗传信息的载体。
　　　　然后就轮到艾佛里走背运了。
　　　　无论他们的实验多有说服力，科学界就是不能正确评价这个突破。他获得了诺贝尔奖提名也迟迟不能通过，而以他们的成就来说，这个奖项是非常恰当的报偿。年迈而谦和的艾佛里最后带着无尽的遗憾去世，几年以后则轮到诺贝尔评选委员会承受愧疚和责难。翻开当年的史料，我们会发现那是一系列的举措失误和思想混乱造成的结果。
　　　　首先，艾佛里以他老科学家的固有修养，在某些向题上显得太谨慎。在最初的论文中他这样写道：“当然可能，被描述的物质的生物学活性不是核酸的内在特性，而是由于吸收在核酸的少量其它物质，或者是与核酸紧密结合着、以至无法检测到的物质。”对这种谨慎，科学史家称之为“几乎神经过敏地回避了DNA是基因，基因也只不过是DNA”这个主张。
　　　　传统的观念也起了很大的作用。在艾佛里之前，人们普遍相信核糖核酸是像淀粉一样单调均匀的大分子。甚至别人的错误也对他们有不利影响。20年前一个诺贝尔奖获得者后来被发现他的实验是不准确的，这使人们对评奖有种矫枉过正的心理，委员会的态度是：“最好等到脱氧核糖核酸的转化机理更多地被人们所了解的时候再说。”而在迟疑中，基因的研究至少被推迟了10年之久。
　　　　艾佛里虽然不走运，但毕竟他的研究有人理睬和争论。麦克林托克则是连争论都没有怎样挑起，她发现了基因中的转座因子（也就是控制因子），同时也发现了科学界令人难以置信的迟钝和冷漠。
　　　　巴巴拉·麦克林托克，生于1902年。1947年提出了某些结构基因的调节和控制系统的轮廓。1983年获得诺贝尔医学奖。这位女士生性喜静，特立独行，从一开始就开辟了不同于前人的工作方式。我们知道，研究基因一般都从非常低等的生物，比如细菌开始，她则先从玉米这种高等植物开始。
　　　　1933年，麦克林托克在某些玉米颗粒中发现了玉米色素的隐显存在一种稀奇古怪的模式，有时她预期会出现的花纹和图案却成为完全不可理解的图案，敏感异常的她开始着手解决这个常人看来无足轻重的问题。她用无比的耐心进行观察，最后认识到自然界这种表面上的杂乱无章实际上有它的道理，那些玉米色素基因是在某一个特定后代“接上”和“拉断”的；更为重要的是，同一种“接上”和“拉断”经常是在其后的某一代上出现在同一染色体的各部分，甚至在所有的染色体上突然出现。麦克林托克认为，这是基因的“控制因子”在起作用。与艾佛里一样，她是相当慎重的人，到1951年，她才在冷泉的生物学专题讨论会上递交了自己的学术论文。
　　　　这是一次正式的报告，她提出遗传基因可以转移，能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至从一条染色体跳到另一条染色体上。她给这种能自发转移的遗传基因起了个名字叫“转座因子”　　（TRANSPOSITl0NELEMENTS）。
　　　　她举了很多例子。比如，一个紫色基因恰好被一种转座因子以一定的速率控制着，就始终不起作用，玉米长成单调的黄色。如果这种转座因子被干扰，就跳动得特别迅速，使得受它们控制的颜色基因时关时开，于是玉米颗粒便出现了斑斑点点。她还提出这种现象在植物的早期出现得特别频繁，这时候，单一类型的细胞令人不可思议地生成所有不同的细胞，形成整个组织或整个这种推测与客观事实惊人地符合。现在我们知道，人类全身细胞就是在各种控制基因的作用下，由一个受精卵发育而来的。兴致勃勃的麦克林托克在会上仔细介绍了自己的发现和理论，但听众的反应十分冷淡，甚至有人称她为“怪人，百分之百的疯子”。她的论文被收入冷泉论文集后，科学界也一直加以否定和忽视。麦克林托克被泼了一盆冷水。
　　　　愤怒而沮丧的麦克林托克退守原阵地。她写道：“倘若你认为自己迈开的步伐是正确的，并且已经掌握了专门的知识，那么任何人都阻挠不了你——不必去理会人们的非难和评头论足。”她经受了10年的冷遇，虽然其间，她曾再次提出自己的理论，结果依然没有引起重视。法国的分子生物学家雅各布因发现大肠杆菌中的调节和控制系统而成了科学界的头条新闻。麦克林托克在这些孤寂的岁月里反复检查和提高自己的实验方法，等待着其他生物学家追上她的思想。
　　　　进入七十年代，越来越多的分子生物学家找到了可移动或可转移的遗传因子，给它们取了五花八门的名称，世界作好了接受麦氏理论的准备。八十年代初，人们已经无法忽视她的贡献，1980年，冷泉召开了集中讨论可移动的遗传因子的问题，麦克林托克被人们反复提起。1982年，一个名叫王身立的华人在《自然杂志》撰文，题目就是《麦克林托克应获诺贝尔奖》。经历了整整40年的冷遇，这位伟大的遗传学家终于获得了世人的承认。
　　　　麦氏被冷落有多方面的原因，有她自己的性格因素，她的早期同事就认为，她过于孤军奋战了；也有她令人难以理解的实验技术，当时的人们都用细菌，惟独她喜欢高等植物；但最重要的原因是：她太超前了。人们刚刚接受了艾佛里的遗传理论，正在消化，没有人有这种心理准备，即相信基因是非稳态的，是可以随时发生变动的东西。