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纪念遗传学先驱孟德尔诞辰200周年文稿(3)读斯多倍(H.Stubbe)的《遗传学史》有感 ——“孟德尔之遗传学”一文的 精选

已有 4009 次阅读 2022-6-21 16:22 |个人分类:科学史教育|系统分类:科研笔记

纪念遗传学先驱孟德尔诞辰200周年文稿(3

 

读斯多倍(H.Stubbe)的《遗传学史》有感

——“孟德尔之遗传学”一文的发表

 

冯永康(生命科学史研究学者)

 

学研遗传学史的最初动机,来自1990年代初期我在高中生物学孟德尔遗传定律等内容的课堂教学中。因为当时常受到查找有关教学参考资料的局限,我便萌生了结合高中生物学教学,扩大深化遗传学史的学习与研究,提高自身专业理论和教学能力的想法,并开始付诸于具体的行动。

在有限的时间和经济状况下,我利用业余的休息时间,从订阅期刊,邮购科学史读物, 在坚持不懈的阅读中得到启迪,由此确定了研究方向,锁定了重点研究的目标。1980 年代中期,通过新华书店的新书预订,我得到了由德国遗传学家 H.Stubbe 编著,赵寿元翻译的《遗传学史——从史前期到孟德尔定律的重新发现》之重要的遗传学史专著。在研读该书的过程中,我初步确定了从遗传学奠基人孟德尔有关史料的搜集、整理、学研 开始,尝试写作遗传学史的小文。

19953月,我在学校图书馆翻阅学术期刊时,不经意间看到《科学月刊》(台北)上的征稿科学史文章的启事(该刊当时仅向大陆100所老牌中学定时赠刊,为面向高中生和大学生的高级科普读物),我随即按投稿要求,在方格稿签纸上,用手写繁体字誊写孟德尔之遗传学之文稿后,邮寄《科学月刊》。19964月,我收到了《科学月刊》邮寄来的孟德尔之遗传学之处女作发表的通知与赠刊。喜出望外的我,由此大大提升了继续深入学习与研究遗传学史的热情与动力。

值此遗传学奠基人孟德尔诞辰200周年之际,笔者将原载于《科学月刊》1996年第二十七卷第4期的孟德尔之遗传学一文,作了部分插图的增添和个别文字的修改,乐于学界同仁分享交流之。


孟德尔之遗传学

 

摘要十九世纪,各国的科学家都先后进行了大量的植物杂交实验,只有奥国的孟德尔,以其非凡的研究天赋和创新的实验方法,发现了遗传定律。


图1 孟德尔(G. J.Mendel, 1822~1884).jpg

1 孟德尔(Gregor Johann Mendel, 18221884

 

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,他于1866年发表的《植物杂交的试验》之论文,被认为是科学文献中的经典文章。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。

孟德尔之前的杂交实验

1819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(Joseph Gottlieb Köelreuter, 17331806) 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, 17591838)于17991833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,但他没有去计数杂种后代的性状分离比例。

 盖特纳(Carl Friedrich Von Gärtnor, 17221850)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。他先后观察并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他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, 18151899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。需要用新的方法来解决遗传的问题,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,便落到了孟德尔的肩上。

孟德尔的植物杂交实验

孟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。

图5 孟德尔正在进行植物杂交的试验与观察.jpg

2 孟德尔正在进行植物杂交的试验与观察

 

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。

图6 孟德尔的豌豆7组实验之数据统计.gif

3 孟德尔的豌豆7组实验之数据统计

 

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,Aa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F2AA2Aaaa,其中AAAa均表现显性性状,aa表现隐性性状,显隐之比正好是3:1

图7 豌豆花的颜色之实验观察.jpg

7 豌豆花的颜色之实验观察  


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。

 在这之后,孟德尔将他的新见解继续推广到包括两对以上相对性状的杂交实验的研究,又揭示出了自由组合定律。

186528日和38日,孟德尔在奥小学城布隆(现属捷克)的自然科学协会会议上报告他的豌豆杂交实验成果。1866年又以题为《植物杂交的试验》之论文,发表在该协会会刊第4卷上。


8 孟德尔论文“植物杂交的试验”原稿首页

(左上角是《布隆自然科学协会会刊》编辑Nissel写得很潦草的副本40“”字样)

 

孟德尔在《植物杂交的试验》之论文的绪言中写道: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。

 

主要参考文献

1.J.孟德尔(吴仲贤译)《植物杂交实验》北京:科学出版社,1957

2.H.斯多倍(赵寿元译)《遗传学史》上海科学技术出版社,1981

3.E.迈尔(刘珺珺等译)《生物学思想的发展》湖南教育出版社,1990

 

(原载《科学月刊》1996年第二十七卷第4336-339页,本次转载作了部分插图的增添和个别文字的修改。)

 

2022621日)




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