豌豆實驗背后的孟德爾

克隆技術(shù)、人類基因組計劃、基因重組與治療已經(jīng)成為現(xiàn)代生命科學最為引人注目的領(lǐng)域，遺傳學則是這座生命科學大廈中最為堅實和突出的部分。而為遺傳學奠定第一塊基石的，卻是奧地利修道院里的一位修道士——孟德爾。他本人常常被視為一個默默無聞的、孤獨的科學家。今年恰逢孟德爾誕辰190周年，時間會讓一些事情變得模糊，我們應該重新發(fā)現(xiàn)豌豆實驗背后那個真實的孟德爾。

慧眼識才的修道院長

1822年7月20日，孟德爾出生于奧地利西里西亞的一戶貧苦農(nóng)家。后來迫于生計，孟德爾不幸中途輟學，于1843年進入布隆修道院，成為了一名奧古斯丁教士。

修道院所在地摩拉維亞屬于農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)，許多修道士對科學知識，特別對綿羊育種與植物雜交有著濃厚的興趣，時任修道院院長的納泊也十分支持科學方面的研究，孟德爾遂在這良好的氛圍中開始學習農(nóng)學。當時教士的一個任務便是要經(jīng)常造訪醫(yī)院，給處于痛苦中或瀕臨死亡的人以精神安慰，但孟德爾對此感到強烈不適，并因此而患病。院長便把他調(diào)到一家中學做代課老師，為了成為正式教師，孟德爾參加了國家組織的教師資格考試，但不幸沒有通過。院長力排眾議，不惜經(jīng)費把孟德爾送往維也納大學進修，以便使他能夠順利通過下次考試。

在維也納大學期間，孟德爾如饑似渴地學習各門自然科學知識，還加入了維也納植物學會。更重要的是，在維也納大學所受的學術(shù)訓練為孟德爾以后的科學研究奠定了基礎(chǔ)，如孟德爾在以后的實驗中應用的統(tǒng)計學與數(shù)學方法。孟德爾還做過著名物理學家多普勒的助手，或多或少地受到了多普勒獨特科學方法的影響，這是他獲得突破性成功的重要砝碼之一。多普勒的研究方法與當時所流行的培根方法論相反，他主張首先通過分析問題來提出假設(shè)，而后再用實驗去驗證這個假設(shè)，這也是孟德爾在他的豌豆實驗中所恪守的方法。

豌豆：上帝賜予他的精靈

從維也納大學學成后，不幸再次降臨在這位修道士身上，孟德爾在考取教師資格的考試中再次失敗，只能回到修道院繼續(xù)做代課教師。在代課的閑暇，他便開始著手進行那個著名的豌豆實驗。幸運的是，院長納泊再次堅定地支持孟德爾的選擇，為他提供了實驗田及溫室。孟德爾在這片試驗田里一干就是8年，期間獨立得出了遺傳學上的性狀分離定律與自由組合定律。

從1854年夏天開始，孟德爾開始對34株不同的豌豆展開了實驗，繼而從中選出22株做進一步研究。孟德爾從中確定了7對可明確區(qū)分的性狀作為研究對象，例如高莖與矮莖、紫花與白花、圓形子葉與皺縮子葉等，并發(fā)現(xiàn)了奇怪的3:1比例。以高莖與矮莖豌豆為例，如果用純種高莖豌豆與純種矮莖豌豆雜交后，則第一代子代（后人稱之為F1代）全部為高莖，矮莖性狀似乎被隱藏了起來，再把F1代的高莖豌豆進行互相雜交，則在第二代（F2代）中，上次隱藏的矮莖豌豆又有出現(xiàn)，而且高矮莖的比例恒為3:1。孟德爾繼續(xù)做了更多的實驗，用了更多的樣本，甚至觀測了F5、F6代，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高矮莖總體比例大致還是趨于3:1，孟德爾經(jīng)過思考后給出了解釋。孟德爾認為：每個親本生物的遺傳性狀是由兩個分別來自父本和母本的遺傳因子決定的，他把可表達的稱為顯性因子，如豌豆的高莖性狀，把不表達的稱為隱性因子，如豌豆的矮莖性狀。在雜交中，隱性因子并不會消失，而總是在第二代以3:1的形式出現(xiàn)。

從某種意義上來說，孟德爾是幸運的，他幸運地選擇了豌豆作為實驗對象。豌豆具有清楚的7對特殊的性狀，都屬于不連續(xù)變異，沒有中間等級，把不同性狀的植株區(qū)分開來十分容易。而且后來的研究證明，決定豌豆每一性狀的基因都是位于不同的染色體上，因此孟德爾的研究并沒有被基因的伴性遺傳、連鎖關(guān)系搞得復雜化。

不被理解的豌豆實驗

在1865年布隆自然史學會會議上，孟德爾分兩次報告了自己的研究結(jié)果，其論文《植物雜交實驗》在次年的學會會刊上發(fā)表，會刊被送往全世界100多家圖書館及科研機構(gòu)，包括大名鼎鼎的英國皇家學會。但出乎意料的是，孟德爾沒有得到什么有價值的討論和反饋。

出席會議的人員和會刊的讀者對孟德爾的豌豆實驗都不感興趣，他們當時正被達爾文的進化論所震撼，從而喜歡討論恢弘的理論，而孟德爾的實驗在他們眼中只是事實的堆砌，根本就不能稱之為理論框架。加上當時的生物學家大多屬于博物學家，很少有人懂得數(shù)學與統(tǒng)計學，所以對孟德爾的論文也不一定讀得懂。他們也不屑于讀，認為孟德爾的論文是純數(shù)字神秘主義的東西。而且當時受進化論的影響，科學家往往關(guān)心能夠帶來實用利益的遺傳性狀，如控制奶牛產(chǎn)奶多少、綿羊出毛率大小的因子，對孟德爾的實驗中所表現(xiàn)的“沒有價值”的性狀如豌豆是紫花還是白花、高莖或者矮莖不屑一顧。

為了讓更多的人理解自己的成果，孟德爾索要了40本他的論文的單行本，發(fā)給了許多科學家，其中就包括知名植物學家耐格里和馮·馬利勞。但是耐格里卻迷信當時流行的融合遺傳的理論，對孟德爾的論文毫無興趣，他向孟德爾索取豌豆種子并答應進行實驗，但是估計他一直沒有進行此方面的實驗。同時，他建議孟德爾用山柳菊來進行更多的實驗，孟德爾花了5年時間，試圖雜交山柳菊，但是山柳菊卻與豌豆不同，實驗結(jié)果不符合分離定律與自由組合定律。后來，科學界才認識到山柳菊之所以不符合孟德爾定律，是因為它較奇特的孤雌生殖方式。

被重新發(fā)現(xiàn)的“遺傳學之父”

在逝世前，盡管因為山柳菊實驗的失敗也帶來些許沮喪，但孟德爾還是堅信他的研究成果會被人們記住，他對一位朋友說：我的一生充滿辛酸，但也有過美好的時光，因而我得感恩，畢竟我可以盡情地完成自然科學的研究。也許沒多久，世人就會承認這項研究成果吧。

19世紀末期，細胞學得到了進一步的發(fā)展，魏斯曼對細胞分裂過程的染色體減數(shù)分裂做了合理的預言，此預言在1892年被顯微鏡觀察所證實，同時對亞細胞行為的研究也得到進一步發(fā)展，這些都為學界接受孟德爾的理論鋪墊了道路。在1900年，孟德爾遺傳理論同時被3名科學家德弗里斯、柯靈斯與丘謝馬克重新發(fā)現(xiàn)。起先他們都認為自己才是遺傳定律的發(fā)現(xiàn)者，但是讀到孟德爾的著作后，他們才明白這名修道士在30多年前就完美地解決了此問題，方法和嚴謹性絲毫不亞于他們，不禁大驚失色。孟德爾才作為遺傳學創(chuàng)始人而名滿天下。

不久之后，遺傳學的發(fā)展一日千里。1903年，薩頓推測：染色體的減數(shù)分離，將構(gòu)成孟德爾定律的物質(zhì)基礎(chǔ)；摩爾根的工作證明基因位于染色體上，并以特定的線性方式排列；赫爾希與蔡斯的實驗又證明了DNA是遺傳物質(zhì)；沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋模型，從此使生物學走上了分子生物學的道路。如今，人類基因組序列草圖早已完成，人類已經(jīng)步入了后基因組時代，而這一切的一切，都是來源于布隆修道院里那幸運而又不幸的數(shù)豌豆的修道士——孟德爾。

【責任編輯】張小萌