现代遗传学发展历程的简要回顾(1)

冯永康（四川特级教师）

孟德尔之遗传学

    遗传学是在孟德尔遗传定律的基础上逐步成长并建立起来的。孟德尔的卓越发现来自他高度创造性的豌豆杂交实验。然而，孟德尔并不是第一个进行杂交实验的科学家，在他之前，已有不少的科学家相继进行了不同植物的杂交实验。

1. 孟德尔之前的杂交实验

    18～19世纪期间，为了对植物进行品种改良以获得新的植物类型，并探讨杂种形成的理论，在欧洲一些皇家科学院公开悬赏科学论文的激励下，科尔罗伊德（Joseph Gottlieb Köelreuter, 1733～1806）等大批科学家开始进行一系列的植物杂交实验。他们的研究工作为孟德尔遗传定律建立了一个广泛的基础。科尔罗伊德被誉为「近代植物杂交实验之父」。他先后用138种植物进行了500多个不同的杂交实验，第一次证明了两个亲本的遗传贡献是相等的。他在某些实验中已发现，后代可出现类似亲本的性状，并描述了后代发生明显的性状分离现象。但是，他没有进行有关支配个体单一性状遗传定律的研究。

    奈特（Thomas Andrew Knight, 1759～1838）于1799～1833年用豌豆进行了杂交实验。他在实验中，仔细地给花朵摘去雄蕊后再授粉，并以去雄后未授粉的花作对照组，发现了豌豆种子的灰色对白色为显性。他用白色种子的亲本和杂种回交，得到的下代种子有白色和灰色两种类型，但他没有去计数过杂种后代的性状分离比例。萨格莱特（Augustin Sageret, 1763～1851）在1826年进行的甜瓜杂交实验中，把两个亲本的性状排成一组组相对性状，不仅证实了显性现象，也发现了不同性状的独立分离。

    盖特纳（Carl Friedrich Von Gärtnor, 1722～1850）是孟德尔之前最博学、最勤奋、最有成就的科学家。较之前人，他在实验方法和对杂种的比较描述上，都有了很大的进展，先后分析了近一万个杂交实验。在玉米杂交实验中，他观察到黄色籽粒与其它颜色籽粒的分离比例为3.18:1，然而他无法对此作出任何解释。他于1837年发表的获奖论文《植物杂种形成的实验和观察》被孟德尔十分认真地研究过，称之为「里面记载了很多有价值的观察」。

    诺丁（Charles Naudin, 1815～1899）在其10年的植物杂交实验研究中，也看到了杂种的性状分离，提出了「杂种后代分别保留着双亲性质」的重要假设。但他也没有去分析杂种的分离比，更未注意到这种分离的重要性。

    可见，到孟德尔进行研究之前，这些先驱们在实验方法和思维上都存在着很大的缺陷。他们都过于满足简单地描述实验的结果，没有一个人对实验结果进行分类分析。他们谁也没有把杂种后代的性状分离看成是最关键的变化，当然也就谈不上应用数学分析的方法，从可变化的群体角度去解释所看到的遗传现象。

    但是不管怎样，到了19世纪50年代，经过大量的植物杂交实验，先驱们已经清楚地证实了遗传定律中的许多事实。需要新的方法来解决遗传问题，并引进合适的概念阐述遗传理论的时机已经成熟了，而发现遗传定律的历史重任便落到了孟德尔身上。

2. 孟德尔的豌豆杂交实验

    德尔是遗传学史上第一个对遗传现象作出系统实验研究的科学家。他的认真求实、坚韧不拔的实验态度，严谨有序、富有创新的科学方法成为科学研究的典范。

    孟德尔认为：「如果人们不想一开始就使成功的可能性陷入危险的境地，那么就要尽可能地仔细选择做这种实验的植物」。

    在研究了盖特纳等人的杂交实验后，他选用豌豆作为实验材料。豌豆具有稳定、易识别的性状，又是严格的自花传粉植物，便于进行杂交。他从搜集到的34个豌豆品种中挑选出22个品种，经过纯系培育，从中确定了7对相对性状，分别进行杂交实验。这样,孟德尔的研究工作，便限定于彼此间差别十分明显的单一性状之遗传过程，从而简化了实验的条件。

    孟德尔将具有一对相对性状的植株为一组进行杂交，如种子圆粒×种子皱粒、高茎×矮茎等。在所有7组实验中，他观察到无论是正交还是反交，F₁都只表现双亲一方的性状，即显性性状。而对应的隐性性状则消失不见。在F₁自交产生的F₂子代中，除了有显性性状外，还出现了F₁未呈现的隐性性状。

    与先驱们以往的发现最大不同之处就在于孟德尔分类处理了F₂中被前人认为是无规律的变异,他运用群体分析的方法，统计分析F₂数以万计的种子和植株,确定了各种类型之间的数量关系。他就这样发现F₂中的显性个体数和隐性个体数之比总是接近3:1。将大量的F₂自交产生的F₃中，他又发现凡是F₂表现显性性状的类型中，总有三分之二的个体（即杂种）再度呈现了3:1的性状分离。孟德尔敏锐地觉察到杂种后代表现出的这种3:1的性状分离比必然反映着某种遗传的规律性。

    对于实验中发现的3:1的性状分离现象，孟德尔运用假设──推理的方法进行解释。他推测每个性状都由相同的或不同的两个因子（即后来称为的基因）所代表，并以符号形式表达出来。如果用AA代表显性亲本，aa代表隐性亲本；Aa则代表亲本中表现出A因子代表的显性性状。来自显性亲本的A因子和来自隐性亲本的a因子在F₁中不相混合，各自独立。在F₁产生生殖细胞时，A和a要彼此分离，分别进入不同的生殖细胞中，由此形成比例为1:1的两种生殖细胞，每个生殖细胞中只含有成对因子中的一个。在受精过程中，雌雄生殖细胞随机组合，结果形成的F₂为AA＋2Aa＋aa，其中AA、Aa均表现显性性状，aa表现隐性性状，显隐之比正好是3:1。

    为了证明这种假设，孟德尔进而设计了测交实验（即把F₁与一个隐性类型相交），以检测F₁产生的生殖细胞之类型及其比例。他对测交实验所做的彻底分析表明所有预期将要出现的类型及比例，完全符合他的理论假设。

由于集中在单一性状和它们在后代中行为的研究是运用了假设和实验相互依存的模型，孟德尔总结出了「在杂种体内，来自母方和父方的不同因子从不混合，在生殖细胞形成时，不可避免地要发生分离」的理论，从而根除了人们对融合遗传的相信，揭示出生物遗传的最基本规律──分离定律。此后，孟德尔将他的新见解推广到包括两对以上相对性状的杂交实验的研究，揭示出了自由组合定律。

    1865年2月8日和3月8日，孟德尔在奥国小城布隆（现属捷克）的自然科学协会会议上分两次报告了他的豌豆杂交实验成果。然而，当时与会的40多位学者，仅仅是安静地、很有礼貌地听完他的报告，谁也没有对孟德尔报告中的数学分析方法和科学的论证表现出兴趣，更没有提出任何问题和进行讨论；谁也没有认识到，在孟德尔的报告中，蕴藏着一个划时代的重大科学发现。

    尽管如此,布隆自然科学协会还是要求发表孟德尔的讲演稿。1866年初,孟德尔将他的豌豆杂交实验之结果,经过再次检查各年的实验记录而未发现有什么错误后,以题为《植物杂交的实验》之论文，发表在布隆自然科学协会会刊第4卷上。

    正如他在这篇论文的绪言中所写到的：「在所有已做的大量实验中，没有一个是这样的规模和方法，能确定杂种后代中出现的各种类型的数目；或是很有把握地把每代出现的各种类型进行分类；或是确定这些类型的统计学关系。要从事这么大规模的工作是需要勇气的，但这样的工作，是我们最后解决问题唯一且正确的方法。」

孟德尔正是以极大的勇气，不拘泥于前辈思想的束缚，勇于革新实验方法，在处于孤立、面临种种困难的情况下，进行了长达8年的豌豆杂交实验。他以敏锐的眼光精心选择了实验材料；以深邃的构思合理设计了实验程序；以精确的数学分析方法恰当处理了实验结果。由此，他才能从表面上看来似乎是偶然的现象中，成功地发现人类对自然界之了解中杰出贡献之一的遗传定律，从而奠定了现代遗传学的基础。

【选摘自“孟德尔之遗传学”（《科學月刊》（台灣）1996年第二十七卷第4期336-339頁）】

3. 孟德尔重大发现被埋没原因的探讨

    孟德尔的《植物杂交试验》论文，当时曾分送至国内外120多个科学研究机构和大学的图书馆（包括德国植物学会、英国皇家学会、法国科学院、奥地利维也纳大学和美国哥伦比亚大学等），但是各方面都没有作出任何的反应。在孤独和失望中，孟德尔将他的论文副本寄给了瑞士著名的植物学家耐格里（C.Nageli,1817～1891）和维也纳植物园的主任凯尔纳（A.Kellner,1831～1878），以期望能够得到他们的理解和支持，结果遭到的仍然是怀疑、轻视和冷漠。

    1867年4月18日，孟德尔在写给耐格里的第二封信中，用他自己的实验结果，答复了耐格里的两点质疑；重申了支配单个性状遗传的规律；强调了在遗传研究中,运用数学方法研究的重要性，认为这是“最后解决问题的唯一正确的方法”。孟德尔在致耐格里的信中写道：“我知道,我取得的结果很难同我们当代的科学知识相容,在这种情况下发表一项如此孤立的试验,对试验者以及主张进行这项试验的动机都是危险的”。这样,被后人视为科学实验和资料丰富透彻的重要典范的孟德尔论文,便在布满灰尘的图书馆的书架上默默无闻地沉睡了30多年。

孟德尔的重大发现被埋没，根据世界各国（包括中国）许多学者的研究，原因是多方面的。首先，孟德尔的研究方法和论文表述方式是全新的。他冲击了以往生物学界一直因循的活力论和目的论，敢于借鉴物理学中的粒子运动（即粒子的随机结合和分离）作为实验设计和分析的观点。特别是他开创性地引用数学统计的方法来对实验进行的定量分析，与当时生物学研究中盛行的观察和描述方法大相径庭；对于当时的生物学家来说，是完全陌生的、不可思议的，被认为是科学上的越轨行动。再加上受当时科学发展水平的限制，人们对“细胞分裂”、“受精过程”等生物学问题的认识，都是很不清楚的，甚至根本还不知道“染色体及其在遗传上的重要作用”。因此，孟德尔所假定的“遗传因子”，便不可能通过其它生物学实验得到确切地证明。在这种情况下，人们当然也就不可能理解孟德尔论文中所包含的创造性的见解。

    其次，孟德尔的发现,是在当时正引起人们极大兴趣和关注的达尔文（C.Darwin, 1809～1882）所创立的进化论之后作出的。孟德尔所阐述的“遗传因子是相对稳定传递的”、“杂交可导致遗传因子的重新组合，由此产生的变异是生物进化的原因。这个问题的重要性对生物的进化历史是难以估量的。”等新的见解，被相信达尔文进化论的一些学者认为是与达尔文的进化观点是背道而驰的。因此，在达尔文进化学说广为传播的大潮中，被淹没而遭到冷遇。直到20世纪30年代，以杜布赞斯基（T.Dozhansky，1900～1975）为代表的群体遗传学家们，从群体水平上进一步研究生物的进化，才充分证明了孟德尔当时提出的上述新见解，恰巧是他对生物进化问题的研究所作出的一个重大贡献。孟德尔遗传学也由此成为现代进化论的重要理论来源。

    再就是,孟德尔在发表论文时,他的身份仅仅是一个鲜为人知的天主教神甫兼中学代课教师。职业的偏见和狭隘的思想,使当时学术界的权威们很难相信，最多只能算作一个业余的杂交工作者的小人物，“仅靠数一数豌豆”，能有什么重大的发现。可见,这种学术界中传统的、保守的习惯势力，导致了一个天才发现的埋没。

    据迄今为止所能知道的，当时熟悉孟德尔工作的至少有耐格里、凯尔纳、德国的霍夫曼(H.Hoffman)、福克(W.O.Focke)以及俄国的施马尔豪森(I.F.Schmalhausen,1849～1894)等植物学家，只有施马尔豪森能够真正理解到孟德尔工作的重要性。施马尔豪森在他1874年的硕士学位论文《论植物杂种──圣彼得堡植物区系的观察》附注中写道：“孟德尔用数学的精确性，揭示出杂交实验中观察到的数量关系，并证明了那些性状在‘杂种里并没有混合’的结论”。令人遗憾的是，施马尔豪森对孟德尔论文的意见，在当时的俄国也没有引起人们的注意。

在这些学者中，特别是耐格里，他是最熟悉孟德尔的工作的。他不仅直接看过孟德尔的论文，还与孟德尔进行了长达8年、多达10次的通信。作为当时国际上著名植物学家的耐格里，应该说是最有可能使孟德尔的发现得到学术界承认的。但是，他在没有详细了解孟德尔的实验，对孟德尔论文的重要意义也并没有真正认识的情况下，便带着轻蔑的口吻对孟德尔实验做出了一些猜测性的评论，提出了很不公正的批评，并且武断地得出“孟德尔一定是错误的”结论。

    尤其令人感到遗憾的是，耐格里以山柳菊属植物研究的权威自居，在1867年2月25日给孟德尔的回信中提出“如果你能以山柳菊属做杂交受精试验，我认为这是特别有价值的。”孟德尔按照耐格里的要求，在山柳菊的杂交实验中，结果看到的是与豌豆杂交实验完全不相符合的遗传现象。（后来人们才知道山柳菊常常出现无融合生殖，不适宜作杂交实验的材料。）这种实验结果，很显然使孟德尔本人更加大失所望，以至怀疑他自己所提出的理论的普遍意义，由此也动摇了人们对孟德尔遗传理论的信任。尔后的一些学者在评价孟德尔与耐格里的这段学术交往时指出：“对于孟德尔来说，碰上耐格里是莫大的不幸。”

    实际上，孟德尔在1869年用紫罗兰、玉米、紫茉莉等植物继续进行的杂交实验中，已经证实了豌豆杂交实验中的发现。但是，在遭到来自耐格里等大权威们的反对和冷遇之后，加上担任修道院院长职务后被行政事务的麻烦所纠缠，使他没有再向世界公布这些证实，并最终放弃了杂交实验。

此外，孟德尔的论文又是在一个小小的地方学会刊物上发表，不易引起更多人的注意。而孟德尔本人的谦虚、谨慎和内向型的性格，以及对自己实验和理论的重要性缺乏充分的认识，使他在受到挫折、不被人们理解之后，没有再作新的努力与其它的植物学家或杂交学者取得联系；没有再将他的论文投寄给国际或国内的会议以及重要的学术性刊物，以争取得到其它学者的承认和支持。

    还有一个值得进一步探究的重要原因是，孟德尔在遭到冷落之后，为什么没有向他大学时代最为尊崇的老师昂格尔（F.Unger,1800～1870）寻求帮助和支持。昂格尔不仅是当时维也纳大学著名的植物学教授，也是在达尔文时期之前研究生物进化的主要先驱者之一。昂格尔关于“变异在生物界中是普遍存在的”、“研究变异是解决物种起源问题的关键”、“植物通过杂交可能产生新种”等新的观点；鼓励学生积极地进行植物杂交实验，以研究植物杂种的形成和变异本质的一些设想，给孟德尔留下了很深刻的印象。也正是昂格尔关于导致新物种起源的变异根源及其性质的思索，促使孟德尔立足于变异问题的研究着手进行植物杂交的实验，从而形成了他的遗传理论。据笔者初步查证的资料表明，昂格尔由于在晚年时期，学术上很不得志，还差一点被解除了教授的职务。这可能就使孟德尔的工作，失去了被当时的学术界承认的最后一点希望。

【选摘自“遗传学的早期发展之回顾”（《中学生物教学》1998年第3～5期）】

4. 孟德尔时代的来临

    1900年的春天，遗传学史上最非凡的事件出人意料地发生了。荷兰植物学家德弗里斯(H.de Vries,1848～1935)、德国植物学家科伦斯（C.Correns,1864～1933）和奥地利植物学家丘歇马克（E.von S.Tschermak,1872～1962）等，为新世纪带来了最珍贵的礼物——孟德尔遗传定律的重新发现。

    1885年，德国生物学家魏斯曼（A.Weismann,1834～1914）批判性地考察了以前各种遗传理论，发表了《种质连续学说》。在这个遗传理论中，魏斯曼把生物体明确地分为了体质和种质。他认为“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’，它具有稳定性和连续性。”他还认为，“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。” 魏斯曼的这些带有超前性和预见性的见解，引起了人们对遗传和变异现象研究的兴趣。

    1900年，德弗里斯的《杂种的分离律》（《柏林德国植物学会》，3月14日收到）、科伦斯的《关于品种间杂种后代行为的孟德尔定律》（《柏林德国植物学会》第18卷4月24日收到）以及丘歇马克的《豌豆的人工杂交》（《柏林德国植物学会》第18卷，6月2日收到）等三篇论文相继发表。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，在研究论文发表前夕查阅有关文献时，几乎同时重新发现了孟德尔于1866年发表的论文──《植物杂交试验》，使这篇埋没了长达35年之久的经典文献重新公诸于世。

    孟德尔遗传规律的重新发现，标志着遗传学作为独立的科学分支的诞生。孟德尔生前留下的伟大预言“我的时代将会来临”终于实现了。