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[转载]遗传学发展史

已有 552 次阅读 2019-12-4 21:37 |个人分类:医学史话|系统分类:科研笔记| 遗传学史, 细胞遗传学, 微生物遗传学, 分子遗传学 |文章来源:转载

各种考古学资料表明,人类远古时代就已经知道优良动植物能够产生与之相似的优良后代的现象,并通过选择和培育有用的动植物以用于各种生活目的。公元前8000年到1000年古埃及人就开始通过饲养瞪羚作为食物,以后又用绵羊和山羊代替瞪羚并用来生产羊奶。在古非洲的尼罗河流域,公元前4000年就有记载人类通过选择和饲养蜜蜂来生产蜂蜜的活动。在植物的选育方面,在我国湖北地区新石器时代末期的遗址中还保存有阔卵圆形的粳稻谷壳,说明人类对植物品种的选育具有更悠久历史。公元前4000年左右,古埃及石刻上还记载了人们进行植物杂交授粉的情况。但是,这些都仅仅是史前时期的人类对遗传变异现象的观察,或是在生产实践中利用一些遗传、变异性状对动植物进行选择,或许是一种无意识的行为,并没有对生物遗传和变异的机制进行严肃的研究。

公元前5世纪到4世纪,古希腊医师希波克拉底(Hippocrates)及其追随者在生殖和遗传现象以及人类的起源方面作了大量探索,使古希腊人生命现象的认识逐步从宗教的神秘色彩转向哲学的和原始科学思维方面来。希波克拉底学派认为,雄性精液首先在身体的各个器官中形成,然后再通过血管运输到睾丸中。这种所谓的具有活性的体液(humor)是遗传特征载体,是从身体的各个器官采集而来的。如果体液带有疾病,新生儿就表现出先天性缺陷。这种早期的思想就产生了后来由达尔文(C.Darwin,1809-1882)正式提出的泛生(hypothesis of pangenesis)。
希波克拉底学派的第二种观点认为,双亲的各种生理活动和智理活动都可以传递给子代,使子代具有与亲代相似的能力和特征。体液在亲代体内可以发生变化,所以子代可以遗传其双亲从环境中获得的某些特征。这一观点与19世纪法国学者拉马克(J.B.Larmarck,1744-1829)提出的获得性遗传(inheritance of acquired characteristics)假说的形成很有关。

古希腊哲学家自然科学家亚里士多德(Aristotle,公元前384年-322年)对人类起源和人体遗传作了比希波克拉底学派更广泛的分析,他是泛生说形成的重要人物之一。他认为雄性的精液是从血液形成的,而不是从各个器官形成的。精液含有很高能量,这种能量作用于母体的月经,使其形成子代个体

古希腊的希波克拉底学派和亚里士多德的观点今天看起来似乎很天真、幼稚,但由于在当时并未发现精、卵细胞,直到1827年卵细胞才被发现,因此这种对遗传现象的解释在当时乃至以后几个世纪都产生了重要影响。由于他们都认为遗传是通过双亲进行的,并受到位于不同单位中遗传信息的控制,这些观点在遗传学系统理论的形成和发展过程中占有突出地位。因为任何一个学科的形成都不是偶然的,都离不开前人为这一学科产生所做出的大量先驱性工作。

17世纪开始直到19世纪,人们对生命现象的探索便进入了实验生物学的时代。18世纪瑞典分类学家林奈(C.Linnaeus,1707-1778)建立了动物和植物系统分类学,并创立了双名法,这对于后来进行动、植物育种和杂交试验提供了选择亲本的重要依据,起到了积极作用。但是,他认为物种是神创造的即所谓特创论(special creation),物种是固定不变的(fixity of species)。这对于遗传学的形成和发展又起了消极作用,使一些从事杂交工作的研究者不能正确认识他们的试验结果和从中发现遗传规律

18世纪的德国植物育种学柯尔络特(J.G.Kolreuter,1733-1806)就是受林奈思想影响很深的人之一。柯尔络特被认为世界上第一个通过杂交育种、成功地培育出植物品种的人。他首先将两组不同烟草植株杂交,然后再将杂交种反复与其亲本之一进行回交,培育出新的烟草品种。在另一组石竹属植物的育种试验中,他清楚地观察到了性状的分离现象,但由于他相信特创论和物种不变论的思想,致使对自己的研究结果产生了矛盾心理,而不能正确认识其在科学上的重要意义。

法国学者拉马克总结了古希腊哲学家的思想,在1809年发表的《动物的哲学》(Philosophie Zoologique)一书中提出了与林奈物种不变论相反的观点,认为动物器官的进化取决于用与不用即用进废退理论(doctrine of use and disuse)。拉马克还认为每一世代中由于用和不用而加强或削弱的性状是可以遗传的即获得性遗传。如鼹鼠没有视力是由于其祖先长期生活在黑暗洞穴,无须使用眼睛。这样,它们的眼睛逐代退化并遗传下去,最后鼹鼠就完全丧失了视力。

英国生物学家达尔文曾随“贝格尔”号战舰进行了5年的环球旅行和生物学考查,广泛研究了生物遗传、变异和进化的关系,于1859年发表了《物种起源(The Origin of Species)的著作,提出了生物通过生存斗争(struggle for existence)以及自然选择的进化理论。他认为生物在长时间内累积微小的有利变异,当发生生殖隔离后,就形成了一个新物种,然后新物种又继续发生进化变异。达尔文的进化论19世纪自然科学中最伟大的成就之一,它不仅否定了物种不变的谬论,而且有力地论证了生物由简单到复杂、由低级到高级的进化过程。

达尔文的进化理论没有对生物遗传和变异的遗传学基础进行论述,他在1868年发表的第二部著作《在驯养下动物和植物的变异》(Variations of Animals and Plants under Domestication)中试图对这一不足作出明确解释,但他重提了“泛生说”和“获得性遗传”的观点。达尔文认为在动物的每一个器官里都存在称为胚芽(gemule)的单位,它们通过血液循环或体液流动聚集到生殖细胞中。当受精卵发育成为成体时,胚芽又进入各器官发生作用,因而表现出遗传现象。胚芽还可对环境条件作出反应而发生变异,表现出获得性遗传。达尔文的这些观点也完全是一些没有事实依据假设

德国生物学家魏斯曼(A.Weisman,1834-1914)支持达尔文有关进化的选择论,但反对获得性遗传。他于1892年提出了种质连续论(theory of continuity of germplasm),把生物体分成体质(somatoplasm)和种质(germplasm)。种质是独立的、连续的,能产生后代的种质和体质,而体质则不能产生种质。环境只影响体质,故由环境引起的变异是不遗传的即获得性不能遗传。遗传的是种质而不是体质。种质论在生物科学中产生了广泛影响,直到今天的遗传学研究和动、植物育种仍沿用了种质论的某些观点。但是,魏斯曼将生物体绝对地划分为种质和体质是片面的,而且今天的大量遗传学研究和分子生物学研究证明,某些获得性也是可以遗传的。

真正科学地、有分析地研究遗传与变异是从孟德尔(G.J.Mendel,1822-1884)开始的。孟德尔是奥地利布隆(Brünn)的一位天主教修道士,同时也是一所中学的代课教师。他于1856-1864年在他所在修道院的小花园内对豌豆(Pisum sativum)进行了杂交实验,于1865年在当地召开的自然科学学会上宣读了试验结果。他认为生物性状的遗传是受遗传因子控制的,并提出了遗传因子分离和自由组合的基本遗传规律。他从试验中得到的结论是形成今天科学遗传学的基石,所以他被公认为是遗传学的创始人。

已如前述,孟德尔并不是第一个从事植物杂交试验的人,但他是第一位从生物体的单个性状出发,分析其试验结果的人。孟德尔采用科学的方法设计实验,对杂交结果进行计数和分类,并采用数学模式对各种比例进行比较分析,然后针对各种差异提出假说。接着,他根据初步试验结果和假设,准确预测有关遗传单位的传递方式,最后再根据后来的杂交结果证明他所作假设的正确性。孟德尔的研究方法和提出的学说是比较先进的和科学的,特别是他的思维方法至今仍然是科学工作者学习的榜样。

但是,孟德尔的理论在当时并未受到重视,直到1900年,他的论文才得到3个不同国家的3位植物学家的注意。他们分别是荷兰的迪·弗里斯(H.de Vries),他研究月见草和玉米;德国的柯伦斯(C.Correns),他研究玉米、豌豆和菜豆;奥地利的切尔马克(E.von S.Tschermak),他研究豌豆等数种植物。他们3人都从自己独立的研究中获得了孟德尔原理证据。当他们在收集资料、引用文献时都发现了孟德尔的论文。从此,孟德尔的成就才得到广泛重视。从这以后,许多学者都按照孟德尔的理论和研究方法对动、植物的遗传现象进行了广泛深入的研究,使遗传学研究得到迅速发展。因此,人们把1900年孟德尔论文被重新发现之时定为遗传学形成和建立的开端

1905年英国人贝特逊(W.Bateson)依据希腊“生殖”(generate)一词给遗传学正式定名(genetics)。贝特逊除了给遗传学进行科学定名外,还将孟德尔最初提出的控制一对相对性状的遗传因子定名为等位基因(allelomorph,后缩写为allele)。1903年萨顿(W.S.Sutton)发现染色体行为与遗传因子的行为一致,于是提出了染色体是遗传因子的载体的观点。1909年丹麦遗传学家约翰逊(W.L.Johannson)提出用基因(gene)一词代替孟德尔的遗传因子。基因一词由达尔文的泛子(pangen)的最后一个音节衍生而来。至今,遗传学中广泛使用等位基因和基因这两个名词。等位基因是指控制一对有相对差异的两种特征的遗传单位,而基因则是指控制某一特征发育的遗传单位。1910年左右,美国遗传学家摩尔根(T.H.Morgan)及其同事根据对普通果蝇的研究,确定了基因是染色体上的分散单位,在染色体上呈直线排列,提出了基因的连锁交换规律,并结合当时的细胞学成就,创立了以染色体遗传为核心的细胞遗传学(cytogenetics)。

就在孟德尔规律被重新发现的1900年,英国医生生物化学家加罗德(A.E.Garrod)根据对人体的一种先天性代谢疾病尿黑酸症(alkaptonuria)的研究,认为这种疾病是由于单个基因发生突变后,产生一种不具功能的产物,从而导致代谢障碍。加罗德的这种一个突变基因决定一种代谢障碍的观点在当时也并未受到广泛注意,直到1941年,比德尔(G.W.Beadle)和他的老师泰特姆(E.L.Tatum)对红色面包霉(Neurospora)的生化突变型进行研究时,才发现了加罗德的工作,明确提出了“一个基因一种酶”(one gene-one enzyme)的理论。后来“一个基因一种酶”又被修改成较准确的概念即“一个基因一种多肽(one gene-one polypeptide)。

基因究竟是由什么物质组成的呢?这是自孟德尔规律被发现以来人们一直探索的问题。早在1869年,一位瑞士医生米切尔(F.Miescher)就宣称自己从脓细胞中分离到了核酸。时隔30多年以后,美国的细胞生物学家威尔逊(E.B.Wilson)又发现了核酸,证明它是染色体的重要组成成分,并指出它可能是遗传物质1944年,埃弗里(O.T.Avery)等从肺炎双球菌(Diplococcuspneumoniae)的转化试验中又直接证明了脱氧核糖核酸(DNA)是遗传物质。直到1953年,沃森(J.D.Watson)和克里克(F.H.C.Crick)提出了DNA的双螺旋结构模型,这一成就才为进一步阐明DNA的结构、复制和遗传物质如何保持世代连续的问题奠定了基础。埃弗里及沃森等人的研究开创了分子遗传学这一新的学科领域,不仅使遗传学,而且使整个生物学跨入了一个新纪元

今天,遗传学已是一门成熟的、非常有活力的学科,被认为是现代生物学的核心。它是自孟德尔奠基以来,人类对生命本质认识的集体智慧结晶,世界上许多科学家都对遗传学的发展做出了杰出贡献。现代遗传学的发展非常迅速,特别是在高等真核生物包括人体的发育、细胞分化、记忆、衰老及信号转导等分子机制的研究,以及结构基因组功能基因组研究方面,几乎每年都有突破。

遗传学简史

一、成立基础


孟德尔

人类在新石器时代就已经驯养动物和栽培植物,而后人们逐渐学会了改良动植物品种的方法。西班牙学者科卢梅拉在公元60年左右所写的《论农作物》一书中描述了嫁接技术,还记载了几个小麦品种。533~544年间中国学者贾思勰在所著《齐民要术》一书中论述了各种农作物、蔬菜、果树、竹木的栽培和家畜的饲养,还特别记载了果树的嫁接,树苗的繁殖,家禽、家畜的阉割等技术。改良品种的活动从那时以后从未中断。

许多人在这些活动的基础上力图阐明亲代和杂交子代的性状之间的遗传规律都未获成功。直到1866年奥地利学者孟德尔根据他的豌豆杂交实验结果发表了《植物杂交试验》的论文,揭示了现在称为孟德尔定律的遗传规律,才奠定了遗传学的基础。

孟德尔的工作结果直到20世纪初才受到重视。19世纪末叶在生物学中,关于细胞分裂、染色体行为和受精过程等方面的研究和对于遗传物质的认识,这两个方面的成就促进了遗传学的发展。

1875~1884的几年中德国解剖学家和细胞学家弗莱明在动物中,德国植物学家和细胞学家施特拉斯布格在植物中分别发现了有丝分裂、减数分裂、染色体的纵向分裂以及分裂后的趋向两极的行为比利时动物学家贝内登还观察到马副蛔虫的每一个身体细胞中含有等数的染色体德国动物学家赫特维希在动物中,施特拉斯布格在植物中分别发现受精现象这些发现都为遗传的染色体学说奠定了基础。美国动物学家和细胞学家威尔逊在 1896年发表的《发育和遗传中的细胞》一书总结了这一时期的发现。

关于遗传的物质基础历来有所臆测。例如1864年英国哲学家斯宾塞称之为活粒1868年英国生物学家达尔文称之为微芽1884年瑞士植物学家内格利称之为异胞质1889年荷兰学者德弗里斯称之为泛生子1883年德国动物学家魏斯曼称之为种质实际上魏斯曼所说的种质已经不再是单纯的臆测了,他已经指明生殖细胞的染色体便是种质,并且明确地区分种质和体质,认为种质可以影响体质,而体质不能影响种质,在理论上为遗传学的发展开辟了道路

孟德尔的工作于1900年为德弗里斯、德国植物遗传学家科伦斯和奥地利植物遗传学家切尔马克三位从事植物杂交试验工作的学者所分别发现。1900~1910年除证实了植物中的豌豆、玉米等和动物中的鸡,小鼠、豚鼠等的某些性状的遗传符合孟德尔定律以外,还确立了遗传学的一些基本概念。1909年丹麦植物生理学家和遗传学家约翰森称孟德尔式遗传中的遗传因子为基因,并且明确区别基因型和表型。同年贝特森还创造了等位基因、杂合体、纯合体等术语,并发表了代表性著作《孟德尔的遗传原理》。

1910年到现在遗传学的发展大致可以分为三个时期细胞遗传学时期、微生物遗传学时期和分子遗传学时期。 


孟德尔三大定律

二、细胞遗传

大致是1910~1940年,可从美国遗传学家和发育生物学家摩尔根在1910年发表关于果蝇的性连锁遗传开始,到1941年美国遗传学家比德尔和美国生物化学家塔特姆发表关于链孢霉的营养缺陷型方面的研究结果为止。


遗传学

这一时期通过对遗传学规律和染色体行为的研究确立了遗传的染色体学说。摩尔根在1926年发表的《基因论》和英国细胞遗传学家达林顿在1932年发表的《细胞学的最新成就》两书是这一时期的代表性著作。这一时期中虽然在1927年由美国遗传学家米勒和1928年斯塔德勒分别在动植物中发现了 X射线的诱变作用,可是对于基因突变机制的研究并没有进展。基因作用机制研究的重要成果则几乎只限于动植物色素的遗传研究方面。

三、微生物遗传

大致是1940~1960年,从1941年比德尔和塔特姆发表关于脉孢霉属中的研究结果开始,到1960~1961年法国分子遗传学家雅各布和莫诺发表关于大肠杆菌的操纵子学说为止。


遗传学

在这一时期中,采用微生物作为材料研究基因的原初作用、精细结构、化学本质、突变机制以及细菌的基因重组、基因调控等,取得了已往在高等动植物研究中难以取得的成果,从而丰富了遗传学的基础理论。1900~1910年人们只认识到孟德尔定律广泛适用于高等动植物,微生物遗传学时期的工作成就则使人们认识到遗传学的基本规律适用于包括人和噬菌体在内的一切生物。

四、分子遗传

1953年美国分子生物学家沃森和英国分子生物学家克里克提出DNA的双螺旋模型开始,但是50年代只在DNA分子结构和复制方面取得了一些成就,而遗传密码、mRNA、tRNA、核糖体的功能等则几乎都是60年代才得以初步阐明。 


遗传学

分子遗传学是在微生物遗传学和生物化学的基础上发展起来的。分子遗传学的基础研究工作都以微生物、特别是以大肠杆菌和它的噬菌体作为研究材料完成的它的一些重要概念如基因和蛋白质的线性对应关系、基因调控等也都来自微生物遗传学的研究。分子遗传学在原核生物领域取得上述许多成就后,才逐渐在真核生物方面开展起来。

正像细胞遗传学研究推动了群体遗传学和进化遗传学的发展一样,分子遗传学也推动了其他遗传学分支学科的发展。遗传工程是在细菌质粒和噬苗体以及限制性内切酶研究的基础上发展起来的,它不但可以应用于工、农、医各个方面,而且还进一步推进分子遗传学和其他遗传学分支学科的研究。

免疫学在医学上极为重要,已有相当长的历史。按照一个基因一种酶假设,一个生物为什么能产生无数种类的免疫球蛋白,这本身就是一个分子遗传学问题。自从澳大利亚免疫学家伯内特在 1959年提出了克隆选择学说以后,免疫机制便吸引了许多遗传学家的注意。目前免疫遗传学既是遗传学中比较活跃的领域之一,也是分子遗传学的活跃领域之一。

在分子遗传学时代另外两个迅速发展的遗传学分支是人类遗传学和体细胞遗传学。自从采用了微生物遗传学研究的手段后,遗传学研究可以不通过生殖细胞而通过离体培养的体细胞进行,人类遗传学的研究才得以迅速发展。不论研究的对象是什么,凡是采用组织培养之类方法进行的遗传学研究都属于体细胞遗传学。人类遗传学的研究一方面广泛采用体细胞遗传学方法,另一方面也愈来愈多地应用分子遗传学方法,例如采用遗传工程的方法来建立人的基因文库并从中分离特定基因进行研究等。



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