孟德尔的花园：遗传因子决定生物性状

孩子与自己的父母不仅相貌相似，而且往往行为相仿，这一点数千年来都没有改变，而确切的解释也一直不得而知。为什么有的孩子更像他们的母亲，有的却更像他们的父亲？为什么有的孩子既不像母亲也不像父亲？关于孩子到底像谁的问题从人类出现伊始就困扰着所有人，而与他们的职业是否为科学家不沾边。

亚里士多德通过长期观察提出了一种遗传理论：孩子们经常同时具有母亲和父亲的特征，只是程度各有不同，这暗示父母双方在生育过程中可能都为遗传贡献了某种物质。在今天看来，亚里士多德的理论略显粗糙和表浅，但在当时可以说是石破天惊：18世纪前的主流观点认为，男人才是繁衍后代的唯一源头，而女人不过是在这个过程中充当孵化器而已。此外，亚里士多德还注意到，一些后天获得的性状——士兵在战斗中失去的手臂，不会遗传给后代。通过上述种种观察和总结，亚里士多德提出了他的遗传理论，他认为从父母到孩子的遗传过程有赖于某种非物质性的信息传递。随着古罗马帝国的倾颓，科学发展急转直下，亚里士多德的学术影响力日渐式微。不过好在，虽然他的学术理论不再为人熟知，也不再受到追捧，但他的著述依然被当作古代先贤的最高成就得以保全和传承。

虽然17世纪和18世纪涌现出许多与遗传学有关的重要研究成果，不过我们还是要把时间直接跳转到19世纪，概述格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）和他的研究工作。孟德尔在当时是一名生活在奥地利布隆城（现名布尔诺，位于捷克境内）的修道士，他是第一个用定量的方法研究遗传学的人，也由此彻底改变了这门学科本身。“定量”也可以说是“计数”（counting），正是这个看起来微不足道的新元素，令抽象的遗传学化腐朽为神奇。亚里士多德曾经总结说，父母双方对孩子的遗传都有贡献，这个结论来自他的定性观察，因为他看到孩子们有的更像母亲，有的更像父亲。和亚里士多德不同，孟德尔的研究对象是豌豆而不是人类，他可以逐个计数有多少株豌豆植株开白花，又有多少株开紫花。精确的数字给了孟德尔一把打开遗传密码的钥匙。

孟德尔的实验过程充分体现了他的聪明、勤勉和严谨，他决定以豌豆为实验对象就是他所做的众多明智的选择之一。有许多原因让豌豆成为遗传学研究的理想对象。优势之一是豌豆具有许多肉眼可见而又区分度明显的性状。例如，植株之间有明显的开白花和开紫花之别，豌豆种子的外皮有明显的光滑和皱褶之分，仅就这两点，足以让孟德尔在开展研究的时候找到区分依据。

另外，不同性状的豌豆植株都是纯种的，纯种的意思是指不管经历多少代繁殖，豌豆的性状都保持不变。这就意味着，如果孟德尔种下一片开紫花的豌豆，任由它们生长繁衍，由于豌豆是严格的自花授粉植物(1)，所有这片地上的豌豆后代都会一直开紫花。打破自花授粉循环的方法是对豌豆进行人工授粉。对于自然条件下严格自花授粉的豌豆而言，人工授粉成了孟德尔实验的关键步骤。纯种的紫花植株与纯种的白花植株通过人工授粉完成杂交，孟德尔要做的就是记录杂交后代的性状和数量。

为了便于理解孟德尔的实验及它的关键点，我们把情景简化到探讨一株紫花豌豆和一株白花豌豆杂交的情况。按照当时的主流观点，即“融合遗传理论”，杂交后代开花的颜色应当介于紫色和白色之间。但孟德尔发现，两种花色植株杂交的后代开的花全部都是紫色（见图2-1）。不仅是花色，孟德尔在许多其他的实验中也得出了同样的结果：比如在种子颜色的实验中发现，黄色豌豆和绿色豌豆杂交获得的后代所结的豌豆颜色都是黄色。

图2-1　白花豌豆与紫花豌豆的杂交结果

当时的主流观点认为，所有的豌豆后代都应当获得介于双亲之间的遗传性状，但孟德尔观察到杂交后代开的都是紫花，并认为紫色是两种花色中的显性性状。

杂交获得的第一代豌豆与主流观点产生了严重的偏差（孟德尔把杂交后代中一种性状盖过另一种性状的现象形容为“显性”）。虽然这已经是惊人的突破了，但孟德尔没有在完成第一代的实验之后就停手，他让杂交的第一代后代自交后继续观察第二代豌豆的性状。在研究花色的实验里，孟德尔发现，当杂交获得的第一代紫花植株自交后，第二代豌豆大部分开出了紫花，但是有一小部分植株却开出了白花。也就是说，第一代杂交的紫花豌豆其实并不是纯种的。其他的性状，如黄色表皮和绿色表皮，还有圆滑表皮和皱褶表皮，也都表现出同样的遗传特征。第一代杂交豌豆中只有亲本性状中的显性性状，而孟德尔在第二代植株中却再次观察到了亲本双方的性状。只不过相对而言，显性性状比另一种孟德尔称之为“隐性”的性状在数量上要多得多。从这里开始，孟德尔量化研究的真正价值才得以体现。换作别的科学家，即使看到了同样的结果也未必会有什么惊人的发现，而孟德尔通过计数发现了一个规律：他经手的每一个实验，显性性状和隐性性状的数量比例都大致接近3:1。

孟德尔进一步推进他的研究，希望弄清第二代植株性状遗传的规律。他发现第二代中的隐性性状（如白色）是能够稳定遗传的纯种性状，而紫色花色则显得没有那么稳定。有些紫花植株是纯种的，而另一些紫花植株的后代里既有开白花的植株，也有开紫花的植株。经过细致的统计和计算，孟德尔确定他在第二代豌豆中观察到的比例3:1，其实际的比例应当是1:2:1。换句话说就是，花色杂交的第二代豌豆中，25%的植株是纯种紫花，50%的植株是非纯种紫花，还有剩下的25%则开的是纯种的白花。

基于这些发现，孟德尔提出了遗传的理论模型，现代遗传学也不过是以他的理论为基础发展而来的。孟德尔认为亲本并非将生理性状直接传递给后代，代际之间传递的实际上是编码性状的非连续性信息。孟德尔把这种信息命名为“遗传因子”（factors），他认为每个生物个体的某个性状由一对遗传因子决定，分别来自父母双方。当两个遗传因子不同时，只有显性的那个会被表现出来，而隐性性状会被掩盖。孟德尔认为遗传因子的显隐性与来自父亲还是母亲没有关系，因为同一个遗传因子在父亲和母亲体内完全相同，功能也一样。遗传因子不会被“污染”，即使某个隐性遗传因子在生物体内连续几代都没有表现出来，它也不会发生改变。只要时机合适，它依旧会在之后的某一代生物体中表现出来。孟德尔还从他完成的另一项更复杂的实验里得出了进一步的结论：控制不同性状的遗传因子是相互独立的。也就是说，控制豌豆花色的遗传因子在遗传时，与控制种子形状和植株高度的遗传因子不会相互影响。

孟德尔的研究和结论都算得上遗传学的开天辟地之作，然而如此重要的研究成果却发表在了一本名不见经传的杂志上，在长达35年的时间内蒙尘。1900年，孟德尔的工作被重新发掘，迅速传遍了整个遗传学界。孟德尔对细胞内部的运作没有概念，对他自己提出的遗传因子究竟为何物也一无所知，能在这种情况下提出遗传理论实在是难能可贵。

今天，科学家把控制性状遗传的这些遗传因子称为基因。我们已经知道基因是一段控制特定蛋白质合成的DNA片段。我们还知道，基因存在于染色体上，而染色体位于卵子和精子细胞内，在生殖过程中由它们将父母的遗传信息传递给下一代，而当年修道院里的孟德尔对这一切都丝毫未有过耳闻。

孟德尔的模型对理解遗传十分有用，不过也有某些人类的性状受到多对基因的协同控制，这类性状的遗传方式比单对基因控制的性状更复杂一些。举例来说，人类的身高和智力并不是由一对，而是由成百上千对基因控制的。尽管如此，简单的孟德尔遗传模型在对许多情形的解释中依旧游刃有余，例如囊性纤维化（cystic fibrosis），这种由隐性基因导致的遗传病在高加索人的新生儿中发病率大概为1/3 000~1/2 000。美国人口中囊性纤维化基因的携带人数大约在800万，根据孟德尔的遗传理论，当夫妻双方同为携带者时，他们所生的孩子有1/4的概率罹患囊性纤维化。亨廷顿舞蹈病（Huntington's disease）是另一种符合孟德尔遗传理论的遗传病，但是与囊性纤维化不同，控制亨廷顿舞蹈病的是一个显性基因，因此，无论父母双方谁带有致病基因，只要传给后代就会让后代患上亨廷顿舞蹈病（就像孟德尔花园里的紫花豌豆那样）。亨廷顿舞蹈病患者的后代中大概有一半的人携带致病基因并最终发病，这与孟德尔的理论相符。

孟德尔的遗传理论，尤其是对于在代际之间携带遗传信息的遗传因子的假设，激发了人们搜寻这种因子的热情，而这份热情与克隆技术的最终诞生密切相关。沿着克隆技术发展的脚步，下一步我们将跳跃到DNA，这种孟德尔坚称存在的遗传物质，直至他本人去世都没有掀开自己神秘的面纱。