豌豆花盛开前的遗传学

2020-03-09 本文已影响0人小红楼上的树影

位于捷克Brno的孟德尔博物馆

文学、艺术、哲学等方面都有很多经典选集，但科学方面的经典文献选集却比较少。我们知道屈原、杜甫，常常还能吟诵几句，但科学史上的一些经典文献常常存放在时光的尘埃中。依我之前的心态，对过去经典的研究虽有着崇敬之心，但总觉得这些经典的研究大多已是众所周知的结果，在时间、方法、思路上也离我们较远，或许没有太多值得参考学习的，还是把精力放在最新的研究进展上。最近，想起大二在农大图书馆看的北京大学出版社出版的《遗传学经典文选》。当时我只看了导读部分饶毅给孟德尔写的小传，觉得很有意思很感动，但并没有继续读书中收录的孟德尔（Gregor Johann Mendel）、威廉·约翰森（Wilhelm Johannsen）、摩尔根（Thomas Hunt Morgan）、麦克林托克（Barbara McClintock）、克里克（Francis Harry Compton Crick）等人的选文，回想当时一是兴趣不够高，二是没有耐心花时间去琢磨。最近疫情期间在家翻看了达尔文（Charles Robert Darwin）和他的儿子法兰西斯·达尔文（Francis Darwin）合著的《植物的运动本领》（The Power of Movement in Plants），这是达尔文最后一部著作，他们对植物转头运动、植物如何应对光、重力、接触等环境刺激方面设计了许多有趣的实验，甚至对“植物睡眠”（Nyctinasty）进行了详细的观察研究。

昨晚在看《遗传学经典文选》时，书中提到了一篇文献《The ‘‘Useful Questions of Heredity’’ before Mendel》，我觉得很有趣，介绍了一些在孟德尔1866年发表豌豆杂交研究之前的与遗传学发展密切相关的研究。如果说孟德尔是遗传学的敲门人，那么他们或许就是逐步探索、看到“遗传学问题大门”的人。

Figure 1. 文章标题和作者Vítězslav Orel 简介【1】

这篇文章的作者是Vítězslav Orel，是孟德尔博物馆的创建者之一和第一任馆长，发表了200多篇关于孟德尔资料研究的文献和著作，具体介绍可参考https://www.phil.muni.cz/fil/scf/komplet/orel.html【2】。本想简单把 Vítězslav Orel这篇文章中涉及的研究缕一缕，但一查文献，发现遗传学的历史似乎愈迷离有趣了。

Figure 2. Vítězslav Orel【2】

早在2000多年前的古希腊，一些自然哲学家如毕达哥拉斯（Pythagoras）、希波克拉底（Hippocrates）、亚里士多德（Aristotle）、伊壁鸠鲁（Epicurus）等，就开始对生命的来源与“遗传”进行了丰富的讨论【3】。其中，希波克拉底和亚里士多德的观点影响最为深远【3】。希波克拉底认为胎儿是由母体在怀孕期间从身体各个部位转移的物质汇聚而成的，他的观点和达尔文提出的泛生论（Pangenesis）很相像【3,4】。

Figure 3. 达尔文的泛生论【4】

泛生论认为父母身体不同部位会产生“gemmules”，并转移到生殖细胞中，经受精传递给下一代，从而可以解释环境选择的优势性状是如何传递到下一代，值得注意的是泛生论和拉马克学说的观点是很相像的，并非是我从前以为的二人的学说是完全对立的两派【4】。（PS:个人观点：获得性遗传的一些问题还需要进一步研究，或许，DNA也未必是唯一的传递遗传信息的物质。换句话说，DNA是一种稳定的遗传物质。）亚里士多德认为父亲的精液（他认为精液是血液的精华）和母亲的月经血在子宫内混合，进而孕育成新生命【5】。

Figure 4. 亚里士多德的观点模型【5】

此外，伊壁鸠鲁对许多家庭进行观察，认为父母都向子代传递了遗传因子（sperm atoms），他甚至提出了性状的显隐性（“dominant”和“recessive”），还描述了“sperm atoms”的分离并独立分配到下一代的现象，真的令人难以置信【3】！埃斯库罗斯（Aeschylus）的观点就更有意思了，他认为父亲提供了所有的遗传物质，母亲只不过像土壤一样完成了孕育的过程【6】。这些哲学家的观点虽不相同，但总体上是受“获得性遗传”哲学思想的影响。获得性遗传？没错，获得性遗传的哲学思想在Aristotle之前就已经出现，而并非是拉马克首次提出【6,7】。但有些本质主义（Essentialism）哲学家认为物种内在的本质是永恒不变的，遗传的变化仅仅是表象，世世代代个体内在的本质是相同的。这一观点或受到柏拉图哲学的影响【6】。

亚里士多德基于获得性遗传的观点逐渐被后人丰富演化为渐成论（Epigenesis），认为父母将身体性状特征传递给胚胎，逐渐发育形成各种组织器官，最终发育为新的个体【6】。与渐成论相对抗的是预成论（Preformationism），最早由古希腊哲学家阿那克萨戈拉（Anaxagoras）提出，认为精子或受精卵里沉睡着一个非常小的、完整的生命个体，在子宫中逐渐长大发育成为新的个体。一直到17世纪预成论被重新提出之前，渐成论是欧洲的主流观点。1651年，William Harvey（哈维）在《On the Generation of Animals》一书中认为新的个体是由受精卵发育而来的。荷兰人列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）利用自制的显微镜对精子进行观察，发现精子内部构造复杂，并且可以像动物一样游动，从而为预成论提供了“有力证据”【8】。从17世纪到19世纪，预成论逐渐成为主流学说，其内部又分为“精源说”和“卵源说”两派。19世纪细胞学建立，证明细胞是生命的基本单元，并非是由精子中的“侏儒小人”发育形成的，从此渐成论再次成为主流学说【6,8】。

Figure 5. 1694年Nicolaas Hartsoeker绘制的“精子里的侏儒小人”【8】

18世纪中叶，西班牙的Merino绵羊被引入英国，极大地促进了英国纺织业的发展。Robert Bakewell（1725~1795）是英国莱斯特郡的一位农学家，最早开始对绵羊、牛、马、猪等家畜进行系统性的选育。他年轻时对欧洲许多地区的农场进行考察，在不同地区收集了大量育种材料，饲养在相同的特定环境下，根据表型记录，有计划化地进行组配，并通过近交固定优良性状，培育成种畜。例如，他选择体重增加多消耗饲料少的绵羊进行繁育。他不仅关注羊毛的改良，还是最早对牲畜的产肉量、肉质进行改良的农学家。虽然他有着丰富的育种经验，但对自己的育种方法守口如瓶，并且没有兴趣进一步在理论研究上有所贡献【1,9】。

Figure 6. Robert Bakewell （1725~1795）【9】

Robert Bakewell 在畜牧育种方面取得的成功，迅速激发了欧洲动物育种热潮。1768~1775年，Habsburg Monarchy（现奥地利等地）从西班牙引进了Merino等绵羊品种，并建立了皇家畜牧种场，作为品种改良和集散的中心。Moravia（现属捷克）有着大量的农场主和育种家，是当时奥地利的Merino绵羊改良中心。Ferdinand Geisslern（1751~1824）是当时Brno（属Moravia，现属捷克，也是之后孟德尔做神父的地方）最著名的绵羊育种家，被称为“Austrian Bakewell”，他利用专门的记录方法、强烈的选择，通过近交培育了一个由400~500只绵羊构成的优良近交群体【1】。

18世纪时，Moravia的首都Brno发展成为羊毛纺织产业的中心。1806年，当时Moravia最著名的自然科学家、经济学家Christian Carl André担任了Moravia农业协会（Moravian Agricultural Society，MAS）秘书，他建议当地的科学家和经济组织建立合作，共同促进农业技术的理论研究和应用研究。1814年，C. C. André担任了由当地育种家创建的绵羊育种家协会（Sheep Breeders Society，SBS）秘书，该协会致力于研究绵羊羊毛改良的选育方法和理论，加速纺织业发展。SBS是世界上第一个动物育种协会，每年举行一次学术年会，还发行了学术周刊Oekonomische Neuigkeiten und Verhandlungen (ONV; Economic News and Announcements)，由C. C. André担任编辑。SBS对Moravia及邻近国家的动物育种技术理论发展起到了巨大的推动作用。C. C. André鼓励人们对人工选择方法和育种实践背后的遗传规律进行探索。他提出了“a physiological natural law”，虽然近交可以保持品种优良的性状，但不合理的近交组配会导致品种衰退【1】（此处引用的为 Vítězslav Orel的文章，但Péter Poczai的文献中认为“a physiological natural law”是 J. M. Ehrenfels提出的【10】）。他还提出了当时50个急需解决的育种方法学问题，例如，近交的准确概念是什么？近交衰退的本质是什么？读到这里，我们似乎已经嗅到现代遗传学的味道，就像C. C. André当时所说的，“We are penetrating here into the most intimate secretes of Nature.’’ 【1,10】

Figure 7. Christian Carl André (1763–1831) 【11】

1820年，C. C. André因持有自由主义观点而被Habsburg Monarchy驱逐出境，移居到德国Stuttgart。在离开之前，C. C. André介绍他的儿子Rudolph去学习绵羊育种。Rudolph（1792~1827）于1819年的SBS育种家年会上介绍了他发明的用于评价羊毛质量的千分尺，标志着开始利用精确测量的表型数据进行育种实践【1】。

1824年，J. K. Nestler 教授(1783–1841)将动植物育种纳入自己的教学内容，尤其关注于绵羊育种，提出父母本均向子代提供遗传物质。 J. M. Ehrenfels是一位受J. K. Nestler影响的育种家，他提出遗传、气候、营养是影响畜牧育种的三大因素，同时遗传是最重要的因素。到了1830年代中期，人们积累了大量的动植物育种知识经验，并认识到不同的畜牧生产性状均可遗传到子代，可通过杂交、选择进行改良【1,10】。

Figure 8. Imre Festetics（1764~1847）【10】

Imre Festetics（1764~1847）是匈牙利皇室成员，他还是一位动物育种家，也是Brno SBS会员。Festetics家族拥有大量藏书，其中包括许多农业理论书籍。他的哥哥György Festetics（1755–1819）于1797年创办了欧洲第一所农业大学Georgikon University，并延续至今，现为University of Pannonia的一个学院。Imre Festetics于1803年开始在匈牙利进行绵羊育种研究，主要对绵羊羊毛进行改良。他受Robert Bakewell的影响，利用严格的近交策略，花费十多年时间育成了最优良的绵羊品系。在育种实践过程中，他总结认为性状的遗传严格受到生物内在因子的调控，利用近交育种可以保留增强优良的性状，使目标性状的变化得以预测。1819年，他基于15年的绵羊育种经验，在孟德尔之前创造性地提出了多条遗传学规律 “Genetic laws of nature” ，并在他给 Alan Sedgwick的私人信件中首次使用了“genetic”一词，比贝特森（William Bateson）早了80年。他的“Genetic laws of nature”遗传理论主要包括以下四点：
1）Healthy and robust animals are able to propagate and pass on their specific characteristics.
2）Traits of grandparents that are different from those of the immediate progeny may reappear in later generations.
3）Animals possessing desirable traits that have been inherited over many generations can sometimes have offspring with divergent traits. Such progeny are variants or freaks of nature, and are unsuitable for further propagation if the aim is the heredity of specific traits.
4）A precondition for successful application of inbreeding is scrupulous selection of stock animals. (In my opinion this is the main point). [Footnote inserted by C.C. André].
仔细品味可以发现，第二点与孟德尔的分离定律非常相像，第三点初步提出了变异的概念。Imre Festetics是最早观察总结到性状会在杂交第二代发生分离，还将亲本的健康程度、活力纳入影响遗传的因素，强调了遗传优势固定、变异、发育在育种中发挥的综合作用。但Imre Festetics的观点是他从多年的育种经验中积累总结出来的，且羊毛品质是数量性状，缺乏准确的科学实验数据，比较难以分析，或导致Imre Festetics没有将他的理论进一步发展完善。在1819年Rudolph发明测量羊毛品质的千分尺后，Imre Festetics在一篇文章中特别强调了数学测量在动物育种中的重要性。Imre Festetics的动物育种技术、理论研究在Brno地区具有一定的影响力，目前虽然没有证据证明孟德尔直接读过或参考过Imre Festetics的研究，但他们二人均在Brno的学术圈活动，且有一定的时间重叠，可以推测Imre Festetics的研究或许对孟德尔有一定启发【10,12】。

Figure 9. Cyrill Franz Napp（1792~1867）【13】

J. K. Nestler的一位朋友Cyrill Franz Napp神父（1792~1867）对遗传改良背后的原理十分感兴趣，并希望能够解释其中的奥秘。1824年，C. F. Napp被任命为Brno圣·托马斯修道院院长，修道院的主要收入来源就是绵羊育种。他是MAS和SBS会员，在1836年的SBS年会上，他创造性地提出“遗传与生物体内部结构如何决定外部形态有关”（“heredity relates to how the inner organization of animals determines the outer forms.”）。在1837年的SBS年会上，他提出了遗传学史上的重要问题 “What is inherited and how？” 。之后，J. K. Nestler受此启发，希望有人能够设计一系列的杂交实验来回答这一重要问题【1】。虽然C. F. Napp和J. K. Nestler都没能够回答，但他们是最早清晰认识、塑造“遗传”这一命题的重要人物【10】。

Figure 10. Gregor Mendel（1822~1884）【14】

1843年，C. F. Napp接收孟德尔进入的圣·托马斯修道院，并在生活、精神、学习、科研上为孟德尔提供了巨大支持【15】。C. F. Napp或许没有想到，在他提出问题29年后的1866年，孟德尔终于敲开了困扰人们几千年的遗传学大门。自此，开启了现代遗传学的研究。

孟德尔发现遗传学两大定律不仅与他将数学统计与生物学观察相结合、善用演绎归纳的研究方法有关，或许更与Moravia地区众多优秀的动植物育种家长期积累的研究，当地活跃、开放、广泛交流合作的学术气氛，以及恩师C. F. Napp的全力支持密切相关。

这几天查阅文献，初步地了解了一些遗传学发展历史，还获得了许多有趣的哲学思想和尚存疑的科学问题。

经典还是要读的。想着，等我当老师了，能给学生出本经典文献选集，还挺有意思的。

豌豆花盛开前的遗传学

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