关于基因的各种学说

    孟德尔遗传学定律为不连续变异现象提供了绝妙的说明。只要涉及到明确的性状如豌豆中的绿对黄、光滑豆粒对起皱豆粒,这些定律就很容易运用。1900年以后发表了成百上千篇文章论证了在多种动植物中都存在着孟德尔遗传现象从而对任何可以观察到的不连续变异的性状赋予了孟德尔遗传学根据。
然而在一个相当长的时间内不承认孟德尔遗传能普遍适用的反对意见很流行。将这种反对意见完全途之于无知或保守将是错误的,因为这样解释未免过于简单化。实际上反对者都认为他们有完全充分的反对理由。此外,公正地讲他们并不否认某些孟德尔遗传现象,他们所反对的只是将一切遗传现象都归之于孟德尔遗传。由于这些反对者之中有很多是第一流的生物学家,所以分析一下他们所侍的理由就很有必要。
    近代的历史学家往往忘记了在19世纪和20世纪转折之际大多数达尔文主义者动物学家和植物学家之所以关注遗传现象是因为它和物种问题及进化学说有关。因此这些达尔文主义者只阅读对进化问题最感兴趣的两位孟德尔主义者、德弗里和贝特森的著作,他们的观点便促使这些达尔文主义者坚决站在反对立场。德弗里和贝特森都宣扬遗传现象的不连续性论证了进化起源的不连续性。他们两人都是本质论者和骤变论者(见第十二章),都不太相信自然选择。因此他们的观点和达尔文主义者的完全不同,后者在自然界中随处都见到渐进进化演变的证据。由于孟德尔主义者声称遗传变异(即不连续性)的方式和进化方式密切相关,又由于他们自己认为进化不是渐进的,连续的;所以达尔文主义博物学家便被迫必须提出某种非孟德尔式的、连续性遗传的方式来解释渐进进化(Mayr and Provine,1980)。
    就博物学家看来,孟德尔主义的最大弱点是没有解释连续变异。当时几乎每一个人都仍然承认变异的两重性(连续变异与不连续变异),孟德尔主义被认为没有对数量变异(quantitstivevariation)作出解释。我们还记得魏斯曼、德弗里以及1880年代和1890年代的其它学者用两个亲本所提供的(相同的)泛子或生源体的数目不相同来解释数量遗传。德弗里曾经讲过,“泛子的相对数目可能改变,有一些可能增加,有的可能减少或者几乎完全消失……最后单个泛子的集群也可能变化。所有这些过程都足以解释剧烈波动(个体的、连续的)的变异”(1900:74)。当孟德尔学说(对相对性状每个亲本只提供一个因子)被接受后这种解释就落了空。在这种情况下连续变异就没有得到说明。我在德弗里以后的著作中也没有发现代替这一不均等分配学说的其它解释。
     对绝对(唯一只有)孟德尔遗传现象的反对者提出了这样的问题:在真正是数量性状(如个体大小)的情况下后代的中间状态(即后代个体有大有小)岂不是证明了不存在不连续因素?难道不是揭示了有两类遗传现象,即不连续变异的孟德尔遗传和连续变异的其它方式的遗传?解释连续变异遗传岂不更为重要?因为连续变异是达尔文渐进进化学说的基础。由于缺乏一种数量遗传学说因而在进化生物学家中发生分裂,形成了两个对立的学派,一般通称为孟德尔学派和生物统计学派。但是上述这两个名称只限定在1900—1906年这期间适用,而这场争论却是从1894年贝特森的《变异研究的资料》出版后即已开始一直延续到1930年代和1940年代进化综合时期。这场争论在进化生物学中造成了深刻分歧,在本世纪的头三十年中一直没有消除(Mayr and Provine,1980)。这是两种哲学观点的冲突,孟德尔学派崇尚本质论思想和偏重遗传单个单位的行为,而生物统计学派则关注种群现象并热衷于整体论解释。甚至可以说这两个对立面的分歧可以远溯到十八世纪。实际上这些古老问题之一的融合遗传必须先予介绍才能进而分析1900年以后所发生的事态。
   融合遗传
   博物学家和动物育种者早在十八世纪已知道“突变”(不连续变异体)一旦出现可以历经好多世代不变。与此相对映的是当把不同物种或不同的驯化品种、地理品种(地理宗)杂交后,它们就“融合”(blended 原意为混合,掺合,搀杂)了。例如达尔文在使用“融合”这字时几乎毫无例外地总是和物种或品种之间的杂交有关。1859年以后Moritz Wagner和其它博物学家在写到融合时也是如此。“融合”这个词是根据在绝大多数物种间杂交的F2代很少有可察知的孟德尔分离现象的完全正确观察结果而提出的(见第十四章 ,克尔路德)。必须强调的是所有这些学者所考虑的是表现型,而且由于物种间的大多数差异是高度多基因性的,物种和品种间杂交的表现型一般都是中间状态,即它们“融合”了。在起初创用这词时指的是表现型的外观。
这是不是意味着这些学者也相信所观察到的表现型性状的遗传因子也融合了?他们显然是这样,但只是部分相信。例如达尔文曾多次提到父本和母本的微芽在受精时既可能融合也可以只是彼此贴俯在一起以后又行分开。达尔文特别强调回复突变频率完全否定了认为他相信绝对融合的看法。他在《物种起源》(1859)中提到回复突变不下于八次,在《家养条件下动物和植物的变异》(1868)一书中单独辟了一章 (十三章 )来讨论这个问题。在该书的第二版(1893)中他含蓄地提到也许“这样说更恰当,即两个亲种的因子在杂种中以双重状态存在:融合在一起或完全分离”。在其它地方他还提到杂交后代的“纯粹”微茅和“杂种”微芽。达尔文还特别赞赏地提到淳丁的亲代性状在杂种中不融合的观点(见第十四章 )。他在1856年给赫胥黎的信中(M.L.D.11:103)也许比他所发表的所有文章都更好地表明了他深信颗粒遗传:“我近来往往思考(很粗略地和模糊地)真正受精的繁殖将会是两个不同个体(或者不如说是无数个体,因为每个亲本又有它的亲代和祖先)的某种形式的混合而不是真正的融合。我想不出还有别的看法能解释杂交的生物能在如此大的程度上回复到其祖先形态。”
应当承认达尔文在后来的著作中再也没有像在这封信中特别强调遗传的颗粒学说,但是他也决没有像反对者所声称的那样采纳绝对的融合学说。德弗里(1889)曾正确指出达尔文对遗传现象的解释从总体上来看比起融合遗传更符合于颗粒遗传。达尔文虽然是两卷集的变异著作的作者,但他的主要兴趣不在于创立一种遗传学说,因此他更多的是引用回复突变作为共同祖先的证据而不是用来作为遗传学说的证据。他对马和驴的腿部和肩头往往粉现斑马的条纹特别感兴趣就说明他是用之来支持共同祖先学说的。
     内格里(Nageli)是达尔文以后公然支持绝对融合遗传学说的少数生物学家之一(可能还包括赫特维克),承认融合遗传和以微芽,分子团或其它颗粒作为遗传物质的假说是一致的,只要在受精时父本和母本的颗粒互相融合。所有其它学者不仅认为颗粒是遗传载体(其中有一些在受精时当然可能融合)而且还认为至少还有一些微粒可以完整地从一代传递给下一代(例如Galton,1876;de Vries,1889)。断言达尔文和多数1900年以前的研究变异的学者承认绝对融合遗传(我认为这是菲雪在1930年首先提出的)并没有事实根据(可参考Ghiselin,1969;Vorzimmer,1970)。这一点在当时是很清楚的,这可以从美国胚胎学家E.G.Conklin在1898年所说的一段话看出:“很多其它现象,尤其是颗粒遗传、躯体各部分的独立变异性、以及潜在的和明显的性状的遗传传递,在目前还只能把它们看作是结构的超显微结构单位来解释”(引自Carlson,1966)。考虑到在1900年以前人们普遍接受颗粒遗传学说,即从亲代传递的遗传因子在受精后并不融合而是在全部生活史中保持其完整性的学说,因此有人说1900年重新发现孟德尔定律的最重要结果是用颗粒遗传取代公认的融合遗传这种说法是十分错误的。很多学者(包括达尔文)都同意两者兼而有之。我觉得继续承认融合遗传在1900年以后对孟德尔主义的抵制上只起了很小的作用。菲雪(R.A.Fisher)的解释以及相信这解释的人忘记了在1909年前后遗传型和表现型还没有明确区分,“融合”这词传统上是用于表示表现型的中间状态(尤其是在物种杂交中)。它与遗传物质的行为并不一定必然有关。
因此就必须澄清孟德尔主义以前和早期的另一个模糊不清的。重要问题,表现型和遗传型的区别。
    表现型和遗传型的区别
    关于融合遗传的争论表明区分遗传型(个体的全部遗传组成)与表现型(在发育中由遗传型转变而成的个体性状)是多么重要。
在19世纪的生物学家中几乎只有高尔敦(Gallon)注意到这种区别。他用的新词“stirp”以及重新定义的“heredity”显然指的是遗传型,他的语汇“nature vs.nurture”(本性与教养、或遗传与环境)强调了这种区别。对这个问题一直未予重视,不仅在达尔文的著作中而且在达尔文以后也是如此。1900年当遗传学这门科学诞生时,除了魏斯曼的种质和体质而外无论在名称上还是概念上都没有将两者加以区别。在德弗里看来个体作为一个整体只不过是受精卵(合子)细胞核中原来一套泛子的放大图像。这正是他从不介意他的“突变”这个词指的究竟是表现型还是作为其基础的种质的原因。
     但是动、植物育种者一直知道并没有像德弗里的概念所影射的那种遗传决定论。有很多性状、例如蕃茄果实的大小、既由遗传组成支配,又受环境因素影响。
首先认识到需要在术语上加以区别的是丹麦遗传学家约翰逊(Wilhelm Johannsen,1857—1927)。约翰逊的出身和所受的教育都极不寻常。他主要靠自学,早期大部分时间是在制药和化学实验室受教育。当他最后决定转向研究植物生理学时,他和他所崇拜的高尔敦相仿,特别强调定量方法和统计分析。他还是一位造地的本质论者,他对菜豆经过许多代自花受粉后豆粒大小出现相当大的变异感到很难理解,因为经过多代白花受粉所产生的菜豆按道理应当在遗传上是完全相同的而且大部分是纯合的。为了避开这变异,他将试验样品的统计平均值称为“表现型”:“可以把从统计学上得到的类型……简单地称为表现型……某一特定的表现型可能是某种生物学单一性的表现,但是并不一定就必然如此。通过统计学研究在自然界发现的大多数表现型就不是这样!”约翰逊所用的术语以及他的议论清楚地表明他企图取得“纯粹的本质”,从而探求“纯系”。后来的学者发现这种类型学的定义毫无用处并重新将表现型定义为个体的实际性状。
虽然这名称是约翰逊提出的,然而遗传型和表现型的现代用法实际上更接近于魏斯曼的种质和体质。
     约翰逊在新创了“基因”这个词(见第十七章 )之后又把“(类)型”这个词根与之结合起来组成“基因型”这词,其对应部分称为“表现型”。“基因型”又称“遗传型”,指的是由两个配子结合而成的合子的基因组成:“我们用基因型这个词来称呼这基因组成。这个词完全不依赖任何假说;它是事实,不是下面的一种假说,即由受精作用产生的不同合子可以具有不同的性质,即使在十分相似的生活环境下也能形成在表现型上各式各样的个体”(1909:165-170)。然而从总的来看约翰逊是想把遗传型作为种群或物种的遗传型来考虑(从类型学或模式学的角度考虑)。Woltereck(1909)也大致在同一时间采用了另一个不同的术语来表达同一个遗传型在不同的环境条件下可以产生十分不同的表现型这一重要见解。他认为通过遗传所继承的仅仅是“反应规范”(norm of reaction),即对任何环境条件按特定方式作出反应的素质。
    然而一直到发现(1944—1953)遗传型(基因型)由DNA组成以及躯体由蛋白质(及其它有机分子)构成后才真正了解遗传型和表现型之间的根本区别。遗传学建立后的早期在这个问题上仍然混淆不清,即使约翰逊也不能免。进化生物学历史上的许多重要论战的根本原因就是因为分辨不清遗传型和表现型,例如融合遗传与突变的实质。实际上充分认清遗传素质(遗传型)和可以观察到的外表(表现型)之间的区别是最终否定软式遗传所必需的。约翰逊本人为否定软式遗传所作出的决定性贡献绝非偶然,虽然这种贡献大大得力于他碰巧选择了一种合适的试验生物。
约翰逊选择了一种可以自交的(自交来合性)植物菜豆(Phaseolus vulgaris)。由于这一物种的植物通常都是自交的,所以它们都是高度纯合的。他选用了经过多代自交而产生的19个一植株作为选育的基本母株。在每一个这样的“纯系”中他挑选最大的到最小的菜豆繁育后代。在每个试验组中后代的变异基本相同,和母株菜豆的大小无关。换句话说,在一个纯系中大菜豆和小菜豆的遗传型都相同,而所观察到的差别是对不同环境条件的表现型反应。约翰逊这一试验研究的特点或重要方面是他在测定成千上万个菜豆上的精确性以及对试验结果统计分析的周密性。他的结论是由于栽培条件(肥料,光照、水份等等)不同所引起的菜豆大小不同不能传递给下一代。这一结论是必然的,没有获得性状遗传。因为表现型是遗传型和环境互相作用的结果,所以不能认为它是遗传型的准确象征。
    约翰逊的纯系试验对生物学产生了极其特别的模棱两可的影响。一方面它有助于削弱当时仍占上风和广为流行的软式遗传的影响,然而遗憾的是这试验又被约翰逊本人及其它学者引用来作为自然选择无效的证据(见第十二章 )。18.1 有关遗传的各种互相竞争的学说
在澄清了遗传型与表现型以及融合遗传等问题之后,下面就可以全面地考虑反对孟德尔遗传能普遍适用的各种原因。当时有不少相互竞争的遗传学说在这一片反对声中起了重要作用。在1900年重新发现孟德尔定律时,这些定律还不可能占有空白领域。因为事实上那时已经有一些其它的遗传学说(特别是有三个主要遗传学说)似乎比孟德尔主义能更好地解释达尔文的渐进进化。
高尔敦的祖先遗传(ancestral heredity)学说
    达尔文的表弟高尔敦(Francis Galton)在1875年之后继续在建立他以前的遗传学说体系(见第十六章 )。在早期的遗传学者中实际上只有高尔敦重视种群方面的遗传变异。和育种者及孟德尔主义者不同,他特别注意数量性状,如身高、肤色等。他发现在某一种群中这些性状的平均值从总体上来说各个世代都相同。平均而言,最高的男人的子女身高要矮于这些男人及其配偶身高的平均值。也就是说,他们的后代“回归”到种群平均值。反之,最矮男人的后代则向上回归到种群平均值。高尔敦的这种推理很迎合常识。他认为每个人从其父亲和母亲分别接受一半遗传素质。将这一相同推理运用于祖代,则每个人从其祖父和祖母分别承袭四分之一的遗传素质,从曾祖父母分别得到八分之一,等等。因此,祖先在遗传上所作的贡献每一世代都减少一半。这就是后来所说的高尔敦祖先遗传定律。
高尔敦对遗传现象的解释初一看似乎在连续变异上远比孟德尔分离定律更圆满。赞同达尔文渐进进化概念的达尔文主义者如Weldon,Pearson等被迫在不连续遗传和连续遗传两者之间作出抉择时便支持高尔敦(虽然高尔敦本人却相信骤变进化;见第十二章)。高尔敦的祖先遗传学说虽然经过Pearson修正仍然有很多缺点,其中之一是它完全是描述性的,并没有实际提供任何说明原因的解释,另一个缺点是它不容任何预测。然而高尔敦最糟糕的错误是他在统计上把遗传型作为一个整体的正确结论搬到个别性状的遗传模式上。虽然高尔敦承认颗粒是遗传现象的物质基础(见第十六章 ),但在他的推理中却把这些颗粒当作好像是融合的。从杂合的双亲(它们又是来自杂合的祖代)产生纯合隐性按高尔敦定律完全无法解释从而使这定律(或学说)遭到一致的断然反对。高尔敦定律对个体和其祖先有可能相似的说法是对的,但不能将之应用于个别遗传因子。但是充分认识这一点却需要相当长的时间,只有在高尔敦定律被所有支持者放弃以后孟德尔主义才有希望被普遍接受。
即使Weldon在1906年去世以及Pearson和高尔敦转到其它研究领域之后,连续变异的遗传问题仍然有争议。实际上在英国数学家Yule(1902:234—235)的一篇预见性文章中就曾经提出过连续变异可能是由于多个遗传因子共同作用引起的,但是这一见解完全没有被他的同时代人所重视(见下文)。
污染学说
    试图按非孟德尔方式来解释连续变异花费了更长时间。遗传学早期最有才华的实验研究家之一的凯塞尔(W.E.Castle)发现白豚鼠与祖代黑豚鼠杂交后所产生的白豚鼠比从纯系白豚鼠所得到的白豚鼠在四肢处(有时也在其它部位)的黑色较深较重。周此他根据这些发现提出了所谓的污染学说,即在减数分裂时杂合子的白色遗传因子被黑色遗传因子“污染”(反之亦然),所似其后代显示轻微程度的中间性状。这是由一位知名的遗传学家所提出的最后一个“软式遗传”学说。非此即彼二择一性状的这种互相影响当然在一定程度上有助于说明连续变异,因而这一学说深受达尔文主义者欢迎。凯塞尔的污染学说引起了他和摩根及其学生、尤其是穆勒之间的一场学术论战。
    在一次决定性的回交试验中无法证实他在1919年的预测,凯塞尔便放弃了他的污染学说。他的想法是依据早期孟德尔主义者(尤其是贝特森)的单位性状概念、即每一个性状由单个特殊的遗传因子控制。如果性状改变(如在凯塞尔的杂交试验中),这必定是由于遗传因子发生了改变的结果。多因子学说(见下文)指陈几个基因(如果不是许多基因)可以影响(修饰)一个单独的性状,从而使人们放弃了单位性状学说。
细胞质遗传学说
    凯塞尔的污染学说被否定后还剩下最后一个试图按非孟德尔方式解释连续变异的学说。依照这种学说,连续变异是由特殊的“物种物质”(species substance)所引起,这物质可能存在于细胞质中,与不连续的孟德尔式基因无关。
不变的物种物质逐代相传的观念经过相当长的时间才缓慢地被遗传是由位于染色体上的基因控制的学说所代替。从1880年代到1920年代的许多观察研究似乎表明这些观察研究结果能更好地被这样一种设想来说明、即有一类相当稳定不变的、能扩散的物种特异性遗传物质,它们可能存在于细胞质中并和染色体的基因共同存在。按照这一设想,染色体是不连续性状的载体(德弗里和摩根的突变就是例证)而连续变异以及与物种的“真正实质”有关的变异则由细胞质承载。这种观点在胚胎学家中很流行。观察与实验曾一再表明成熟卵的细胞质具有复杂的组织结构并且似乎是早期发育的主要控制中心。近年来的研究也充分证实了这一点。这一事实和茹(Roux)从均等分裂转向接性质分裂有关。只是最近才发现细胞质的这种组织结构是卵还在卵巢中形成时由基因控制的。不管怎样说,自从西斯(His,1874)到1916年Jacques Loeb,许多生物学家对细胞核究竟在早期发育或物种的实质上是否起作用公开表示怀疑。波弗利本人虽然在细胞核防重要作用方面提供了决定性的证据(见第十七章 ),但对这个问题也继续持保守态度(1903,Roux's Archiv,16)。他认为物种性状可以区分成能由染色体遗传加以解释的,但是将物种分派到高级分类单位的那些性状的遗传却是无法解释的问题。在1930年代以前许多生物学家将遗传现象分成由细胞核或细胞质分别控制的两类。甚至在欧洲大陆的遗传学家中最正统的达尔文主义者E.Baur也对是否能按解释物种性状的同样方式来说明高级分类单位的性状提出疑问。这些性状的变异看来似乎与孟德尔遗传无关。
    细胞质遗传的支持者拥有某些似乎言之成理的理由。研究高度不等卵裂现象的某些学者(如Conklin及Guyer)特别提到胚胎发生早期卵细胞质的明显效应。博物学家注意到摩根所研究的那一类突变,如白眼、黄体色、刚毛脱落、残缺翅等等不仅在普通果蝇(Drosophila melanogaster)中出现,在其它种类的果蝇中也是如此,因而他们声称并没有证据指陈这些区分物种的细微性状属于染色体遗传。绝对染色体遗传的反对者无法理解这么多的可遗传性状怎么可能都存在于这样小的染色体上。Winkler(1924)对支持细胞质遗传的论点曾作过很好的总结性评述。
    特别是植物学家发现了很多现象似乎要求有细胞质遗传才能加以说明。Wettstein(1926)建议将位于细胞质中的遗传物质称为“细胞质基因”(Plasmon)以与细胞核中的“基因(组)”(genom)相区别。有不少植物学家(尤其是德国植物学家)发现了细胞质的遗传效应,如柯仑斯(紫茉莉及其它属)、Michaelis(柳叶菜属)、Schwemmle(月见草)、Oehlker(苣苔属)、Wettstein(藓类),等等。在这种背景下Goldschmidt也将他在毒蛾属中的某些发现用细胞质遗传来解释。德国学者之所以强调细胞质显然是1880年代和1890年代德国遗传学研究着重发育现象的延续。现在回过头来看这些细胞质现象的研究未免为时过早、时机还不成熟,因而德国的遗传学研究虽然有不少学者参与,但它对传递遗传学所作的贡献还不加贝特森、Cuenot、凯塞尔或摩根学派,他们有意回避了细胞质遗传问题。
细胞质对遗传现象具有广泛的重要独立作用的观点最后以多种不同的方式被否定(Wilson,1925)。首先是从理论角度考虑:
(1)控制细胞核染色物质分裂的极端精确性是细胞质分裂时所无法比拟的。
(2)父本和母本对后代遗传组成所作的贡献基本相同,这一点已被正反交杂交试验证实,虽然在不少物种中雌配子和雄配子的细胞质含量极不相等。波弗利(1889)也非常出色地证明了这一点,他将某个属的海胆大卵的(除)去(细胞)核断片用另一个属海胆精于授精后所形成的胚胎完全显示父本性状,而真正的杂种胚胎却恰好呈现这两个属之间的中间性状。
(3)成熟中的雌配子(卵细胞)的减数分裂只影响染色物质,对细胞质并不产生影响。与此成对照的是,发育中的精子细胞质极少,结果父本与母本的细胞质含量相差悬殊,但父本与母本的遗传物质却完全相同。
比这些理论上的考虑更重要的是找到了能说明这类看来是例外现象的解释。“延迟孟德尔遗传”(delayed Mendelian inheritance)就是这类例外现象之一。
    当有大量的卵细胞质时,发育的第一步往往是由卵细胞质中的一些因子控制的,而这些因子当然是母本个体的产物。例如蜗牛外壳纹理的旋转方向是右旋(顺时针方向)还是左旋(逆时针方向)是在第一次卵裂时由卵细胞质决定的。但是后来证明这旋转方向实际上是在受精之前由一个基因作用于卵巢卵来控制,而且至少就对这一问题的经典性研究(Boycott and Diver,1923)所采用的试验材料椎实螺(Limnaea Peregra)来说右旋占优势。左旋的母螺被右旋雄螺授精后将产生左旋后代,但是后者继之又产生右旋后代,这是由于显性右族父本基因在卵细胞质形成时的影响所致。遗传学教科书中载有这种延迟孟德尔遗传现象的许多事例,有时可以延续好几代,乍一看似乎是细胞质遗传。
    被引用来作为细胞质遗传证据的第二类现象是植物细胞中的内含物(如叶绿体以及其它的所谓质体与细胞器)都或多或少不依赖细胞核而传递它们的特征。实际上它们之中有一些有它们本身的遗传物质(DNA),这似乎是和它们的进化起源一道形成的。在某些种类的植物中叶片的花班也是母本遗传的质体特征。动物细胞中的细胞器,例如线粒体,同样也具有本身的DNA。但是这些现象在根本上和遗传的染色体学说并不矛盾。Sonneborn(1979)所发现的原生动物(纤毛虫)某些细胞质结构的大量自主性也是如此。
    一度被认为是细胞质遗传证据的第三类现象是某些组织被微生物感染后在配子形成时又传给配子,Ephrussi(1953)在酵母中发现的“小菌落”(petite colonie)现象,Sonneborn在草履虫中发现的“卡巴因子”(Pteer et al,1974)、果蝇中的性比因子、家蚁的不育因子等等都属于这一类现象。
    因此起初被看作是表明细胞质遗传存在的一个又一个现象最终都有了基因-染色体解释。当细胞质通过电子显微镜和相应的化学研究能够被分解成各个组成部分时才最后澄清了细胞质遗传的各种可能性。但是这并不意味着细胞质遗传学现在已到了该结束的时候,细胞质在发育上和在调节基因的活性上都具有重要作用。事实上已有迹象表明细胞质的精细结构比我们现在所知道的具有更大作用。也有可能(如果不是有充分理由相信)这种结构具有物种特异性并和细胞的许多过程有关,Sonneborn的研究确实支持了这种观点。因此过去认为细胞质在遗传上很重要的观点并不是完全错误而被废弃,然而这观点已被大大修正。18.2 孟德尔主义对连续变异的解释
由于对连续变异的非孟德尔主义的解释一个又一个地被证明都无效后,必然的结论就是连续变异只能按孟德尔的不连续基因来说明。当认识到表现型的某一单个方面可能被位于几个不同座位的基因控制时这种解释才成为可能。事实上这早已被孟德尔在解释他的某些物种杂交试验(例如矮小菜真与多花菜豆杂交)的结果以及伽登勒的物种杂交时详细说明过。甚至贝特森也意识到这可能是解决矛盾的办法:“如果只有很少,例如四或五对等位基因,则各种各样的纳合和杂合的组合按次序排列可能得到一条非常接近连续的曲线,其各个组成部分的纯度(即不连续性)将是肯定无疑的,而这些组成部分实际上是不可能察知的”(1906),因为单个性状(如身长)是受二、三个或多个基因影响。他的结论是,“不连续变异必然在不知不觉中合并到连续变异中去,这是因为所研究的大多数性状具有复合性质。”然而将连续变异的遗传按同一个不连续孟德尔因子作为不连续变异来解释的结论过了很久才被反对孟德尔主义的学者承认。
    首先用实验论证(1908-1911)由连续变异产生的数量性状能书真正的孟德尔方式遗传的是瑞典植物育种学家尼尔森-厄尔。在分别具有红色和白色种子的两个小麦品种的杂交试验中他发现在F1和F2中具有红色种子植株。当F2植株自花受粉后在F3中出现了一种非常特殊的分离现象(详细情况可参考遗传学教科书)。他的发现和种子颜色是由独自遗传的三个单独基因控制的假说相符。后来才知道小麦是六倍体,尼尔森一厄尔碰巧选用了它来作为研究材料,因为六倍体含有三组染色体,每组染色体有一个控制红颜色的基因。后来他还发现了一些非多倍体的例子,即一个单独性状由两个或三个单独基因控制。East(191o)在研究玉米时,Davenport(1910)在研究人类的皮肤颜色时都分别独立地对连续变异作出了同样的解释。现在已经知道能控制单一性状的单独基因的数目可以很多。另外,研究老鼠的遗传学家认为老鼠皮肤颜色的基因同时对老鼠大小也有影响。
    多因子遗传的突出效应是它能使遗传型的不连续变异转变成表现型的连续变异。例如在尼尔森-厄尔所研究的小麦中,红色显性基因的数量越多红色也越深。在小麦种群中不同的个体可以从所有的红色基因都是纯合隐性(因而完全没有红色)一直到所有的三个基因都是纯合显性,因而红色由浅到深呈连续变化。当把非基因性的表现型变异部分重叠于其上时就形成一条平滑的连续变异曲线,尽管这种(连续)变异是由个别的、即不连续的孟德尔因子形成。这样一来,连续变异的遗传基础这个谜最后终于解开。
    几乎任何基因(尤其是具有数量效应的基因)的表达都可以被其它基因修饰(改变)。凯塞尔老鼠试验中修饰毛色深浅的基因就是典型例子。修饰基因在进化演变中特别重要因为它们容易对自然选择作出反应而且为种群提供必要的灵活性以便应付环境。的突然变化。多因子(多基因)遗传的实质是表现型的单个组分(单个性状)可以被几个独立基因(座)控制。多因子遗传的例子在遗传学历史上很早就已发现,始于孟德尔的菜豆杂交试验。有名的例子是鸡的胡桃冠,贝特森和彭乃特(Punnett)于1905年证明胡桃冠的出现是由于豆形冠基因和玫瑰冠基因互相作用的结果;他们在香豌豆中也发现了多基因现象。但是在进化主义者中对接受连续变异的多因子假说却遇到了相当大的阻力。就他们看来这似乎是一种相当主观的特殊假说用以掩饰孟德尔学说的缺点。
    虽然多因子遗传现象自1905年以来一再被发现,但我认为应当归功于摩根学派利用它来否定孟德尔主义早期的一个基因一个性状(即单位性状)学说。否定了这个学说才有可能将传递遗传学与生理遗传学更明确地区分开。它排除了早期孟德尔学说中某些先成论影响从而事实上完全用不着修正就能够用分子遗传学的术语(“遗传程序”)来说明。
多因子遗传、又称为多基因遗传,并不是不相同基因互相作用的唯一例子。事实上基因相互作用的可能种类与程度以及正如目前所了解的不同种类的DNA之间的相互作用已经越来越明显。这种重要性已经被某些早期的孟德尔主义者认识到,尤其是贝特森很重视不同基因之间的“上位”(贝特森的用语)相互作用。举一个简单例子,一个白色基因能抑制几个颜色基因产生色素。苏联遗传学家切特维尼可夫(Chetverikov,1926)首先明确提出所有的基因为其它基因提供遗传背景或条件。这一观点在生理遗传学和进化遗传学上都很重要。
有一种特殊的基因相互作用就是基因多效性(pleiotropy):某个基因能影响几个性状(即表现型的不同组成部分)的现象。了解基因多效性对确定有关基因的选择值(selective value)特别重要。前面所介绍的一切进展。包括多基因和多效性的发现,使人们对一切遗传现象都能用细胞核独立的基因来说明的观点更加明确。
自此以后遗传学便着手分析生物统计学派的连续变异并证明它和孟德尔学说是一致的。这最初是由菲雪(Fisher,1918)的独创性分析开始,随后Mather(1949)和一些动物育种学家(Lerner,1958)也进行了分析。数量遗传学自从1940年代以来取得了长足进展(Falconer,1960;Thompson and Thoday,1979;另见第二编)。
软式遗传的没落
    20世纪的20到30年代,摩根及其它遗传学家所说的基因明确表示了硬式遗传。基因能够改变的唯一方式是突变,即原来固定不变的基因通过一个单独步骤转变成另一个基因。人们可能会以为突变这一事实的证实将宣告软式遗传的一切学说的衰亡,然而实际情况并非如此。事实上软式遗传却不易根绝。这有很多原因。其中之一是首先拥护硬式遗传的早期孟德尔主义者(德弗里、贝特森、约翰逊)具有不能被接受的进化观点。他们的反对者错误地以为要接受硬式遗传就必须承认明显无效的孟德尔主义者的进化学说。另外,遗传定律是借助于异常(如果不是明显病态的)性状(白化现象、多趾现象、结构缺陷等等)的研究而提出的。博物学家认为仍然需要软式遗传来解释进化上很重要的性状的逐渐变化(来反对孟德尔主义的突变论)和说明适应性地理变异(气候规律等等)。有利于硬式遗传的证据越充分,新拉马克主义者就愈加努力寻求能证明获得性状遗传的证据。
    到了1930年代和1940年代支持硬式遗传的证据积累得越来越多而且非常具有说服力,甚至遗传学家中最后坚持某种形式非孟德尔遗传的人或者转变了态度或者保持缄默。又过了三十年在非遗传学家中还偶尔会发现坚信软式遗传的人(Mayr and Provine,1980),但作为一种有价值的科学学说它已经寿终正寝。
    或许可以将软式遗传的没落归之于三个原因。首先是探寻软式遗传存在的实验证据的一切努力皆告失败(见上)。其次是对基因的一切研究都表明基因是完全稳定不变的(除偶尔发生突变而外)。最后是看来需要用软式遗传来说明的一切现象、如连续变异及气候规律,最终都能按孟德尔遗传因子(基因)和自然选择加以解释。虽然在当时已不再需要它,但是软式遗传的丧钟却是分子遗传学家在1950年代论证了从核酸到蛋白质是单向途径之后才敲响的。
遗传学在重新发现孟德尔学说之后的50年间取得了飞速发展。在这段时间内传递遗传学几乎各个方面的问题都得到解决。我在这里将1950年左右的发现作一简单总结以便有助于跟踪随后的遗传学进展。
(1)遗传物质是微粒性(颗粒性)的,由称为基因的单位组成,它们具有长期稳定性(“硬式遗传”)。
(2)特定的性状是位于染色体的一定座位(位点)上的定子(基因)的产物。
(3)基因是按一定线性顺序“连锁”在染色体上,但是这种连锁可以通过交换将之切断;染色体上基因座位相距愈远,交换频率愈高(除被双交换所逆转或回复外)。
(4)在有性繁殖物种的个体中,每个基因通常表示二倍,两个同源单位之一来自父本,另一个来自母本(称为二倍性原理)。
(5)突变是基因的不连续变化。
(6)必须严格分辨遗传型(遗传物质)与表现型。
(7)几个基因可能表现一个单独“性状”,即表现型的组成部分(多基因性),一个单独基因可能影响几个性状(多效性)。
基因本质的不确定性
    到了1920年前后孟德尔遗传的基本要点已经大致了解清楚,遗传学开始专门化。种群遗传学在1920年代兴起,特别在30年代到50年代取得长足进展(见第十三章 )。生理学家和胚胎学家也开始认识到他们所研究的现象最终必然会追溯到基因,从而对基因功能的研究便成为遗传学的一门更加重要的分支。但在传递遗传学中仍然有不少还未充分了解的问题,例如:基因的本质是什么?基因有多少“形态”?它是哪一类的分子或分子集团?基因有多大?不同的基因在化学上有哪些差异?是不是所有的基因都基本相同,或者有不同种类的基因?关于遗传物质真正本质的许多类似问题还没有得到解答,不少学派的注意力都集中在这些问题上试图求得答案。
叙述1920到1960年的传递遗传学历史非常困难,因为在这一段时间内所研究的问题(如花斑)技术性很强而且其中有些问题直到现在还没有弄清楚。实际上这些问题只有等到能说明真核生物染色体的结构与功能之后才能得到解答。在这一时期中为了阐明基因的实质曾作了极大努力,但在1953年发现了DNA分子的结构时这些努力就显得无足轻重或文不对题。这段时期在建立新概念上也没有取得重要进展。实际上当时提出的大多数新概念、例如基因粒(genomere)假说以及Goldschmidt的基因场论(field theoryof the sene),至少按其原来提出的形式都必须抛弃。这段时期还缺乏根据分子遗传学研究成果能调合当时的发现与争议的具有批判性的历史史籍。例如穆勒和史塔德勒(L.J.Stadler)在解释他们的辐射实验结果时往往得出不同的结论。他们的某些发现之间表面上的矛盾能不能按照染色体精微结构以及构成酶和调节基因的现代知识加以解决?历史性分析还有大量工作要做,下面我的阐述只是尝试性的,可能还必须作相当大的修正。
     为了有助于了解1920-1960年这四十年中的争论和疑问,我在这里首先极其简略地介绍一下经典的基因-染色体学说。染色体好比是一串小珠,每个小珠代表不同的基因。每个基因被认为是单个颗粒,世代相传永不改变(除了极为罕见的突变而外),与相邻基因各自独立,对之也不产生影响(除少有的位置效应而外)。据认为基因具有三种能力:(1)每个基因控制(或影响)一个性状(基因作为功能单位),(2)每个基因独立突变,与其它基因无关(基因是突变单位),(3)每个基因通过交换过程能够与染色体上的最近邻分离(基因被看成是重组单位)。突变被认为是基因分子发生细微变化,产生新等位基因。认为交换纯粹是珠串的机械性断裂,然后又将同源染色体相应的“珠串片段”重新熔接(融合)。
     基因独立于其邻近基因的概念以及基因在染色体上的位置纯粹是偶然机遇的观点似乎得到摩根学派研究发现的大力支持。在果蝇染色体上邻近的基因往往控制完全无关的性状,而且影响单一性状(例如眼睛)的基因往往广泛地分布在所有染色体上。基因之间距离很近的情况普遍认为只不过是原先染色体断裂的历史产物。有多少染色体就有多少连锁群的这一事实也和这学说相符。
另外,如果基因是明确的颗粒,那么借助于各种技术手段就应该可以计算出它们的大致大小从而能估计细胞核染色丝上所能容纳的基因数目。穆勒是(有人会说“当然是”)首先(1922)进行这种计算的学者,他后来(1929)又将之加以修订。他根据许多指标(包括突变频率和交换的某些数据)计算出普通果蝇的基因总数在1400—1800之间。后来其它学者采用辐射方法单就X染色体计算就含有1300-1800个基因,因而果蝇的所有染色体共含有14000个以上的基因。
细胞学研究似乎也支持染色体是一串小珠的观点,甚至可以对小珠进行计数。细胞核物质在减数分裂的细线期确实往往呈现成串小珠形状,这些小珠被细胞学家称为染色粒。某些细胞学家认为每个染色粒就是不同的基因。Belling(1931)在百合属(Lilium)细胞核中曾数出2500对左右的染色粒。其它细胞学家证明某些染色粒含有几个基因。
细胞学中曾经轰动一时的进展似乎也证实了这一染色粒学说。1933年Heitz和Baner重新发现了果蝇唾液腺中的巨型带状(横纹)染色体,Painter与Koltsov认为这些带相当于这多线染色体(Polytene chromosomes)中的一系列染色粒,带的顺序相当于基因顺序。布里奇斯(Bridges,1938)在普通果蝇唾液腺的X柒色体上至低限度数出了1024条带并认为有相同数目的基因。通过测定染色体的容积就可以估计基因的大小。然而这类估计的数值往往相差一、二个数量级,后来对微生物基因的研究表明基因没有固定的大小;同一个体不同基因的大小可能相差一、二个数量级。
唾液腺染色体的发现在遗传学的其它问题上远比测定基因数目和大小更为重要。唾液腺染色体的显微镜下检查往往直接就可以确定遗传型而用不着经过复杂细致的繁殖或培育检验。它也可以显示由遗传分析所推论的染色体突变(重排)是否存在。现在很容易研究双翅目昆虫的倒位、缺失、重复、易位等现象。同时,带型的复杂性为真核生物染色体的复杂性以及染色物质的异质性第一次提供了可靠的证据。
位置效应
起初所有的遗传事实似乎都和基因及染色体的成串小珠模型相符,然而后来却发现了不一致和相矛盾的现象。
    第一个严重矛盾是由于斯特体范特(1925)发现了位置效应而产生的。普通果蝇X染色体上有一个叫作“棒眼”的显性基因,它能使果蝇眼睛变为狭窄的棒形而不是圆形。这基因能突变成更加狭窄(超棒眼)或回复呈圆形。进一步分析显示这一情况有两个值得注意的方面。首先是棒眼表现型并不是单纯由于基因突变而是由于染色体的结构发生了变化。正常果蝇唾液腺染色体在这个座位段上有六条带(S),但在棒眼果蝇中这六条带发生重复(SS)即十二条带,超棒眼果蝇在同一段是三重复(SSS)即十八条带。由棒眼突变产生的正常圆眼果蝇只有六条带。这种结构变化只能用不均等交换来解释,斯特体施特对突变了的基因在棒眼座位两侧的行为研究论证了这种不均等交换。对果蝇的其它基因和其它生物的详细分析最后表明不均等交换绝非罕见,换句话说重组的单位并不一定是基因。这是基因具有三重能力学说的第一个缺口。
或许更值得注意的是棒眼基因的第二个方面。在同一个染色体上的两个棒眼基因彼此相邻时和这两个基因在两个同源染色体上彼此相对时它们对果蝇眼中的小眼(复眼)的数目的影响并不相同,斯特体范特将之称为位置效应。因此棒眼基因的情况证明基因的功能以及它对生物表现型的影响可以仅仅由于遗传物质在染色体上的排列变动而发生变化,用不着突变,也用不着改变遗传物质的含量。
拟等位基因
    传统的基因概念由于拟等位基因现象的发现而更趋复杂。摩根学派在其早期的发现中特别使他们感到奇怪的是相邻的基因一般似乎在功能上彼此无关,各行其是。影响眼睛颜色、翅脉形成、刚毛形成、体免等等的基因都可能彼此相邻而处。具有非常相似效应的“基因”一般都仅仅不过是单个基因的等位基因。如果基因是交换单位,那就绝不会发生等位基因之间的重组现象。事实上摩根的学生在早期(1913;1916)试图在白眼基因座位发现等位基因的交换之所以都告失败,后来才知道主要是由于试验样品少。然而自从斯特体范特(1925)提出棒眼基因重复的不均等交换学说以及布里奇斯(1936)根据唾液腺染色体所提供的证据支持这学说之尼,试图再一次在仿佛是等位基因之间进行重组的时机已经成熟。Oliver(1940)首先取得成功,在普通果蝇的菱形基因座位上发现了等位基因不均等交换的证据。两个不同等位基因(Izg/Izp)被标志基因拚合在一起的杂合子以0.2%左右的频率回复到野生型。标志基因的重组证明发生了“等位基因”之间的交换。
    非常靠近的基因之间的交换只能在极其大量的试验样品中才能观察到,由于它们的正常行为好像是等位基因,因此称为拟等位基因(Lewis,967)。它们不仅在功能上和真正的等位基因很相似,而且在转位(transposition)后能产生突变体表现型。它们不仅存在于果蝇中,而且在玉米中也已发现,特别在某些微生物中发现的频率相当高。分子遗传学对这个问题曾有很多解释,然而由于目前对真核生物的基因调节还知之不多,所以还无法充分了解。
位置效应的发现产生了深刻影响。杜布赞斯基在一篇评论性文章中曾对此作出下面的结论;“一个染色体不单是基因的机械性聚合体,而且是更高结构层次的单位……染色体的性质由作为其结构单位的基因的性质来决定;然而染色体是一个合谐的系统,它不仅反映了生物的历史,它本身也是这历史的一个决定因素”(Dobzhaansky,1936:382)。
有些人并不满足于这种对基因的“串珠概念”的温和修正。自从孟德尔主义兴起之初就有一些生物学家(例如Riddle和Chiid)援引了看来是足够份量的证据反对基因的颗粒学说。位置效应正好对他们有利。Goldschmidt(1938;1955)这时变成了他们的最雄辩的代言人。他提出一个“现代的基因学说”(1955:186)来代替(基因的)颗粒学说。按照他的这一新学说并没有定位的基因而只有“在染色体的一定片段上的一定分子模式,这模式的任何变化(最广义的位置效应)就改变了染色体组成部分的作用从而表现为突变体。”染色体作为一个整体是一个分子“场”,习惯上所谓的基因是这个场的分立的或甚至是重叠的区域;突变是染色体场的重新组合。这种场论和遗传学的大量事实相矛盾因而未被承认,但是像Goldschmidt这样一位经验丰富的知名遗传学家竟然如此严肃地提出这个理论这件事实就表明基因学说还是多么不巩固。从193o年代到1950年代所发表的许多理论性文章也反映了这一点(Demerec,1938,1955;Muller,1945;Stadler,1954)。
不稳定基因
    在最早的一些遗传研究中,德弗里于1892年发现金鱼草(Antirrhinum mains)的一个具有红色条纹花的变种的后代出现各式各样的花斑,从小斑点到宽窄不一的条纹直到大的红色扇面。不同的花或同一植株不同分枝上的花在花班的形式上可能各不相同。自从这最初的发现后在许多植物和动物中都发现了这样的不稳定基因并提出过种种解释,例如显性转移、出现“基因粒”(senomeres)或高度复杂的基因的亚基因等等。这一观点由于其极端或绝对的颗粒性和基因场论可以说是正好针锋相对。按照基因粒学说,某些(全部?)基因被认为是由有丝分裂时非均等分配的不同微粒组成(魏斯曼的幽灵!)。柯仑斯、E.G,Anderson、Eyster、Demerec都曾一度支持基因粒假说,但到了19世纪30年代初期由于反面证据日益增多他们便放弃了这一假说(Dererec,1967;Carlson,1966)。Deme6ec最后将这种不稳定性归因于“基因的化学不稳定性”,当然这什么也没有解释只不过是把这一令人恼火的现象从生物学家的领域转移到化学家方面而已。
    经过一段沉寂后,不稳定基因又受到重视,它们的行为被认为是基因或染色体相互作用的结果。我在这里指的是麦克林托克(McClintock,1951)的工作,她指出将一个结构上不稳定的染色体g引入到玉米的某些基因型中能使染色体g上的许多基因发生“突变”并使其它染色体变成不稳定的隐性型。这显然涉及这些基因表达的可逆性抑制。虽然这一“不正常”的发现(当时有人就是这样指出)的真正重要意义直到12年后在微生物遗传学中重新被发现之后才被普遍承认,这明确表明在一个基因座位上的“突变”能够被一个不同基因座位上的调节活动加以模拟。换句话说,基因的表现型表达可能被其它基因改变,而该基因本身却仍然保持完全不变。现在还不清楚这种由于上位的基因相互作用(epistatic gene interactions)所引起的“假突变”(pseudomutations)是否经常发生。在过去50年中很多学者花了大量时间与精力研究不稳定基因,认为这种不稳定性的阐明将会对了解基因的实质作出重要贡献。可惜的是后来发现这种现象并不是由于单个基因的某些性质所引起而是由于整个基因系统运行(相互作用)的结果。
从1930年代到1950年代这期间遗传学者尽了最大的努力积极从事基因本质的研究,在这同一时期也有相当大的挫折。显微镜比单纯的遗传分析并不能提供更清晰的基因画面。这甚至对巨型唾液腺染色体来说也是如此,显微镜所显示的是各式各样令人茫然无所措的带(横纹),这些带和根据推论位于或邻近这些带上的基因的任何功能并非密切相关。由于不能直接观察到基因,所以只能凭推论来了解它们。实际上唯有通过研究基因经由突变所发生的变化取得有关基因的知识。
尽管由突变(特别是微生物中)引起的基因产物在化学方面的变化的研究(由Beadle和Tatum的出色研究为先导)取得了迅速进展,但是由于这些研究有意识地限于研究由基因作用所产生的酶类,所以对了解基因本身的结构并无多大帮助。
实验性突变与基因的实质
    到了192O年就开始显露单靠杂交试验已不可能对基因的实质有更多的了解。必须通过其它的办法以求得完全新的知识。在1944年以前生物化学和生物物理学在概念方面还都不成熟,在实验技术的熟练程度上生物化学也无法解决基因问题。在这种情况下有些学者考虑到通过实验方法引起突变可能是认识基因实质的一种途径。穆勒首先发觉某些学者在研究突变(哪怕是实验性突变)上的随意方式决不可能得到明确结果。因此他认为为了取得明确结论必须满足某些必需条件,特别是:(1)试验材料在遗传上的纯度,(2)实验组和对照组的样品个体数目必须多以便从统计学上检验实验结果的显著度,(3)研究开发新方法,特别是特殊构成的株系或品系(具有合式的致死因子、标志或标记因子、交换抑制因子)以便检验不同的基因结构假说。这类特殊的果蝇原种(Stocks)——在遗传学教科书中都有介绍——使穆勒能够计算新发生的突变的实际频率。这一点特别重要因为很多突变是隐性的,很难确定隐性突变体初次出现的时间。另外,也有许多突变在纯合情况下、也就是当它们发生在两个同源染色体上时是致死的。纯合致死的当然不会在后代中出现。在穆勒的方法中有三个步骤特别重要:在染色体上安放一个标志基因以便准确无误地进行鉴定;在染色体上布置一套交换抑制机制;标志染色体与另一适于显示突变体变化的染色体配对。当穆勒完成了这些准备工作后便将他的果蝇用不同剂量的X射线照射。
他采用雌果蝇的一个原种与X染色体上有致死突变的雄果蝇交配,结果是在F2代中的雄蝇全部死亡。因此,照射后的雄蝇中如果有一个在F2代中只产生雌性子代果蝇,这就表明在这个雄果蝇的K染色体上诱发了致死突变。
    当一个正常的未经照射处理的雄果蝇和这原种雌果蝇交配,大致在一千次交配中只有一次在F2代中全是雌蝇。这就表明在正常X染色体的任何一个座位上自发出现致死突变的机会是千分之一(0.1%)。这就是突变的自然或自发速率。当雄蝇用大约4000伦琴单位的X线照射后,大约在100D次交配中F2代中的雌绳只有100个左右,因此经X射线处理的果蝇的突变速率约比其自然突变速度高100倍。几乎与穆勒同时,植物遗传学家史塔德勒(L.J.Stadler,1896-1954)在大麦和玉米(1928)中也进行了人工突变的研究。
    穆勒的发现,特别是他创导的一套卓越方法开拓了一个完全新的研究领域。它将突变研究置于定量的基础上(例如突变速率和X射线剂量之间的关系)。“突变研究的整个领域都由穆勒的观点和实验所支配。他提供了概念结构,提出了决定性的问题、制订了出色的实验技术,并且在各个阶段将日益增多的实验数据的解释导向一个缜密完备的学说。他所提出的许多观点和意见在当时还没有办法验证,但后来证明都是正确的”(Auerbach,1967)。
后来终于证明不仅是辐射而且很多化学药物也有致突变作用。芥子气就是第一批致突变物质之一。英国外科医生Robson锐敏地发现芥子气灼伤和由x射线引起的灼烧非常相似,因此他向遗传学家Auerbach建议是否可用芥子气引起突变,她通过试验确实证明了Robson在1941年所预料的芥子气致突变效应。Rapoport在苏联也独立发现了甲醛的致突变作用。自从1940年代开始很多化合物的诱变性(诱发突变)都被确认(Auerbach,1976)。每一种诱变剂都能引起范围很广的突变,并不是只对特定的基因具有特殊作用。但是由化学诱变剂引起的某些突变频率往往和由辐射引起的不同。另一个特别值得注意的发现是某些(许多?)诱变剂同时又是致癌物。这一发现促使有人建议采用一种迅速筛选可能致癌化学物质的方法:将细菌暴露于化学物质的影响下检查突变速率的增加情况。
    然而更重要的是穆勒认为人工诱发突变将对基因的实质和结构提供说明。如果基因是具有一定大小的颗粒,则用电离辐射(电子或短波射线)轰击时将击中这些颗粒,所造成的损害就表现为突变。这就是突变的“击中学说”(hit theory)或靶理论,物理学家K.G.Zimmer和遗传学家德尔布吕克以及苏联遗传学家Timofeeff—Ressovsky在1935年联名发表的一篇经典性文章中曾对之作了详尽的阐述。
然而靶理论并没有得到前后一致的结果(Carlson,1966:158—165),因而对基因并没有作出更好的解释。另外还发现即使对培养基质进行辐射也能提高突变速率,而且很多化学物质(如芥子气,酚等等)和辐射一样也能诱发突变。凡能干扰基因复制正常过程的任何事物都能引起突变。这就使得某些学者采纳“基因复制的任何失误”作为突变的定义(近年来的研究表明这定义并不能适用于一切突变)。
    然而辐射技术也遇到了更根本的困难。被辐射的并不是孤立的基因而是染色体,即基因和基因包埋于其中的基质。基因和染色体基质两者都容易受到x射线损害,因而对照射后已经发生突变的表现型进行研究很难分清所涉及的究竟是基因突变还是基质(染色体)突变。细胞学研究往往发现染色体上有轻微(往往十分小)的缺陷从而可以明确地看作是染色体突变。X射线突变研究的两位最著名的学者穆勒(对果蝇)和史塔德勒(对玉米)对由X射线处理所产生的真正基因突变的频率持有不同意见。史塔德勒只承认新的突变体经照射后能回复到照射前的性状才算是产生了突变。这种情况至少就玉米来说是极其罕见的。在其它一切情况下史塔德勒对产生不稳定基因以及染色体损伤都持怀疑态度。正像他在他的最后一篇文章(1954)中所说的,“一个突变体可能符合基因突变的各种检验的要求,但是如果它不能回复突变,就有理由怀疑它可能是由于基因丧失(染色体缺失)、可是,如果它能够回复突变,就还有理由怀疑它可能是由于表达效应(不稳定基因)。”并不是每一个人(穆勒尤其不是)对辐射效应都抱有同样的悲观态度。然而,即使从最好的方面着想,由辐射实验所能汲取的信息也有严格限制。
在这段时期中有两件事实是确凿无疑的:第一件是(和起初的印像相反)具有相同功能的基因在染色体上有时是非常相近的(基因综合体;Lewis;1967)。第二件是基因一定具有结构上的复杂性(“形态学”),只有这样才能在功能、突变、重组上具有部分独立性。这种复杂性必须是在高分子水平。对遗传学家来说越来越明显他们面对着一堵墙,用他们的遗传学-细胞学的装备是无法跨越的。
    在辐射实验中的另一项观察令人感到困惑难解。在辐射后突变速率测定得越早,速率越高。这看来似乎受了损伤的染色体具有“愈合”或“修复”能力(至少是部分的)或恢复那被击落掉的片段的能力。后来的研究揭示的确有某种正规的修复机制能修复损伤了的基因和染色体(Hanawalt et al,1978 Generosoet al,1980)。因此所观察到突变可以看作是修复基因的失误。
尽管从1920年代到1940年代由于突变研究工作者的献身精神与大量工作取得了不少成绩,但对我们了解基因的实质却并无多大帮助。正如最积极从事这一研究的遗传学者之一的Demerec(1967)在回顾中所讲的,“在遗传学诞生后的头半个世纪中,我们的基因结构概念始终保持在多少是停滞静止的状态。”只是在采用了新方法和不同的实验材料后才有了实质性的进展。
真核生物染色体是如此之复杂甚至到了今天对其组织结构以及基因在这些染色体中是怎样整合集成的仍然知之甚少(ColdSpring Harbor Symposia,1978)。现在已经很清楚在头半个世纪中要通过真核生物的染色体了解基因是绝对不可能的。一直到将分析研究的对象从老鼠、果蝇、玉米等这样一些真核生物转向细菌(大肠杆菌)和病毒等原核生物之后,局面才有了转变并取得长足进展。因为原核生物没有染色体,它们的遗传物质的组织结构远较简单,可以不受染色体基质的干扰直接了解DNA。
   从研究真核生物染色体中所得到的最重要知识都是否定性的。不均等交换表明功能性基因并不一定是重组单位。突变分析(尤其是在微生物中)已经证明在单个功能性基因中可能有几个不同的突变座位。位置效应(顺式与反式差别)表明基因不一定是功能单位。原来认为基因同时是重组单位、突变单位和功能单位的朴素观点必须放弃。由于这些矛盾,Benzer(1957)提出了一种过激的建议,主张干脆不用“基因”这个词而代之以三个不同的词:“突变子”(muton),作为突变单位,“重组子”(recon),作为重组单位(按交换地点确定),“顺反子”(cistron)、作为基因功能单位(按位置效应的顺式反式差别)。在这三个词中,顺反子最接近传统的基因概念,因为在一般情况下基因的特征是由其效应决定的。但是“基因”这个词最终仍然按Benzer为顺反子下的定义被普遍采用,而“突变子”和“重组子”这两个词则一直未流行。
不同的基因概念
   从1900年到1950年代遗传学家们究竟持有哪些基因概念很难确定。即使我们只着眼于承认颗粒性基因、不考虑相信基因场论和能扩散的连续性遗传物质的学者,情况也是这样。由于还没有任何一位历史学家作过分析,我将试图在这里提供一点初步的说明。因为有一些著名的遗传学家在其一生之中几度改变他们的观点,所以事情就更加复杂化。我在这里介绍的关于基因的四种观.点决不排除还可能有其它的看法。
    可能最古老的观点是将基因本身看作是生物的结构物质。达尔文的微芽学说可能接近这一观点。德弗里(1889)对这学说多少作了一些修正,他认为泛子从细胞的细胞核移向细胞质,而细胞就是生物有机体所含有的组织和器官的结构物质。这一观点有时还默认基因由蛋白质组成。
广泛流行的是第二种观点,即认为基因是酶(或像酶一样起作用),作为体内化学过程的催化剂。这一观点在主要原则方面可以追溯到Haberlandt(1887)和魏斯曼(1892)。因为后来证明酶是蛋白质,所以这将意味着基因也是蛋白质(Fruton,1972)。染色物质是由核蛋白(如果不是完全由核酸组成)构成这一发现对酶学派的这一观点并没有产生什么影响。
    当核酸的重要性开始被人们认识时,基因被看成是能量传递的一种手段。在Avery及其同事论证了DNA是转化因素三年以后,穆勒于1947年提出了核酸的化学功能可能是为基因反应提供能量的观点:“核酸以聚合形式可能将能量导向基因结构的特殊复杂模式中或使基因作用于细胞。”就基因的作用而言,穆勒认为“如果基因的主要产物不像……基因本身……那么基因必然作为酶来生产它们”(1973;另见Carlson,1972)。然而穆勒又认为“断言基因或它的主要产物的确是,或通常是像酶那样起作用还为时过早。”穆勒还提起基因可能“产生和它本身相同的或其一部分的组成相同(或互补)的更多分子,”这些基因产物“实际上将会在它们即将参与的反应中被消耗掉。”穆勒提出的这两种看法都偏重代谢方面。
    最后一种观点是把基因看作是特殊信息的传递者。这一观点以模糊助形式早就四处流传。一般都会认为在1953年以前某些学者必定会谈到它。然而我有意识地查阅文献资料却没有发现这一类的假说。除了其它概念因素而外还需要承认遗传型和表现型是完全分开的。自从发现了DNA的结构及其在合成蛋白质中的作用(转录和转译)之后,基因作为信息单位的概念当然已经成为现代的标准概念。
    在上述的四种基因概念中,各自都就基因的化学组成及其功能作出了某些设想。然而在大约1950年以前,基因的化学在确定基因实质上是特别重要的这一点并没有被人们充分认识。