被豌豆破解的遺傳秘密

在抽象的哲學思辨——想想德謨克利特、希波克拉底和達爾文——之外，世界各地的農牧民們也在自覺不自覺間研究著遺傳的秘密。

當然，這裡頭的緣由是很樸素的。農民和牧民們擔心的問題也許只是，怎樣能培育出更符合人類需要的動物或植物？如果發現了有益於人類的生物性狀，怎樣保證這樣的性狀能穩定存在下去為我們所用？一個很經典的例子是達爾文曾經在自己的《物種起源》中討論過的「安康羊」（見圖1-5）。1791 年，美國馬塞諸塞州的一位牧民偶然在自家的羊圈裡發現了一隻腿短、跳躍能力極差的小羊。這隻小羊立刻被用來繁育更多的後代，因為它的後代根本無法翻過低矮的羊圈，這使得羊群管理變得方便了許多。

圖1-5 安康羊

這種短腿的變種在野外將毫無生存能力，但是它能夠極大地方便牧民圈養，因此被牧民細心挑選並推廣開來。很明顯，安康羊是一次偶然的遺傳變異的結果，因為其父母的腿都是正常的。

當然了，農牧民們還有一些在技術層面上更複雜的目標，例如怎樣把不同的優良性狀整合起來（當然，這裡的「優良」一詞仍然僅對人類適用，對於動植物而言就不一定是什麼好事了，比如短腿的安康羊和麥穗不會自動脫落的小麥）。以另一種重要的馴化動物家豬為例，脂肪含量比野豬高、體型比野豬小、圈養在一起也從不打架鬥毆的家豬是遠古農民們夢寐以求之物。而繁育出這樣的豬並不容易。農民們經常會發現，試圖把幾種優良性狀集中起來的嘗試往往以失敗告終，而成功一般只會在漫長的等待和無數次的失敗中偶然且隨機地出現（見圖1-6）。

圖1-6 兩種家豬雜交的假想結果

將分別攜帶兩種優良性狀的豬（「肉」和「乖」）雜交，後代的性狀可能有數種完全不同的組合方式。

打個比方吧。假設農民手中現在有了兩種還算差強人意的家豬：一種肥肉較多，但脾氣暴躁，不易於集中飼養，我們叫它「肉豬」；一種脾氣倒是不錯，可惜骨瘦如柴，我們叫它「乖豬」。當然，又肉又乖的豬是最完美的啦。一個簡單的思路就是，選一頭公肉豬，一頭母乖豬（當然也可以選公乖豬和母肉豬），讓它們交配產仔。按照泛生子融合理論，後代豈不是應該同時具備來自父母的兩種優良屬性？

然而現實往往是，生出來的小豬有很大概率不會是又肉又乖，反而連原本的「肉/ 乖」屬性也會減弱。更可氣的是，可能還會有一些小豬居然整合了兩種較差的性狀，變得又瘦又暴躁。往往需要反覆多次的交配繁殖，農民們才能得到真正整合了兩種優良性狀的小豬；而往往他們還需要同樣長的時間，才能找到把這兩種生物性狀穩定遺傳下去的小豬，真正開始他們繁育「肉+ 乖」豬的偉大事業。為什麼有的性狀能夠穩定遺傳，而有的出現了一次就消失不見了呢？為什麼有的性狀看起來黑白分明，有的就會出現各種複雜的數量變化？為了搞清楚遺傳的秘密，1854 年，一位瘦削的中年神父在奧匈帝國邊陲的聖托馬斯修道院的後院種下了一批豌豆。他的名字叫格里高利·孟德爾（Gregor Johann Mendel）。

那個時候，我們故事的第一位主角達爾文早就結束了貝格爾號上的環球旅行（見圖1-7）。他從非洲、美洲和太平洋小島上採集的無數珍奇標本早已讓他作為博物學家享譽天下。而旅途中，達爾文曾在厄瓜多以西的加拉帕戈斯群島短暫停留了一個月。在那裡，達爾文看到了許多讓他困惑不已的現象。一些體型不大、毛色暗淡的小鳥（這些鳥後來以「達爾文地雀」為名名垂史冊）吸引了他的注意。這些地雀分屬十幾個物種，嘴巴形態不一，有的更圓鈍，有的較尖銳，而其他性狀都非常接近，這暗示它們有著很近的親緣關係。所以，達爾文自然而然地設想，這些鳥兒應該有著共同的祖先，在漫長的世代繁衍中逐漸出現了各種遺傳變異，影響了鳥嘴的形狀，進而進化出了不同的物種。這個現象對於篤信《聖經》教義的達爾文來說是個重大危機，因為按照《聖經》所言，地球上所有物種都是上帝在創世紀的幾天里創造的，是一成不變的。《聖經》並沒有給地球生物的任何細微變化留出空間，更不要說全新物種的出現了！可能也正是基於這樣的觀察和思考，讓達爾文在結束旅行後的20 年裡離群索居，直到1859年出版了那本註定要震驚世界的《物種起源》。

圖1-7 達爾文隨貝格爾號的旅行(1831—1836)

達爾文把這次航程稱為「第一次真正的訓練或教育」。也正是在環球航行的5 年間，達爾文通過觀察生物物種的變化，形成了物種進化的觀念。在這次旅行中，位於東南太平洋上的加拉帕戈斯群島具有特別的意義，直到今天仍然是不少進化生物學家開展研究的聖地。

而作為我們故事的第二位主角，孟德爾神父的目標遠沒有達爾文那麼宏大。和我們剛剛提及的農牧民一樣，他大概僅僅希望從自己的豌豆田裡，看看能否發現遺傳的秘密——就像我們剛剛說過的，生物的性狀究竟是按照什麼樣的規律遺傳下去的，為什麼有時穩定，有時不見蹤影，有時黑白分明，有時又呈現出黑白之間的各種灰色地帶呢？

而這時候，我們馬上可以看到孟德爾和達爾文的不同，可能也正是這種不同確保了前者的成功。

孟德爾並沒有像達爾文那樣，從古希臘哲學中借鑒來「泛生子」的概念，並試圖拓展這個概念，用來解釋遺傳的所有秘密——我們已經知道，這樣的做法固然可以自圓其說，但並不能為解釋遺傳現象提供任何新的線索。畢竟，談論了上千年之久，達爾文仍然不知道這種肉眼不可見的「泛生子」到底是個什麼東西，又有著怎樣的特性。

孟德爾的做法幾乎完全相反，他拋開了一切預設的學說和假定，單純從豌豆雜交的現象出發，試圖發現隱藏的遺傳規律。

孟德爾神父首先選擇了一些看起來涇渭分明、非常容易確認和定量統計的性狀，例如豌豆種子的表皮是光滑的還是褶皺的，種子表皮是黃色還是綠色，豌豆花（見圖1-9）的顏色是白色還是紫色，等等。然後選出性狀截然不同的一對「父親」和「母親」豌豆，把「父親」花朵的花粉小心翼翼地收集起來，輕輕播撒在「母親」花朵的雌蕊上，開始了他的雜交試驗。

圖1-9 豌豆花

豌豆開著像蝴蝶翅膀一樣的花朵。豌豆是一種典型的自花授粉植物，花瓣密閉，在自然狀態下只有自身的雄蕊可以為雌蕊授粉。這可能也是孟德爾挑中豌豆的原因之一。這樣一來他可以完全控制授粉過程，不需要擔心隨風飄散的花粉的干擾。

第一輪試驗的結果就足夠讓人震驚了：在孟德爾挑選的全部七種性狀方面——不管是種子表皮的顏色、花朵的顏色還是植物的高度，雜交後代都表現出了高度一致的性狀來。比如說，黃豌豆和綠豌豆雜交的後代全部是黃豌豆（見圖1-10），紫花豌豆和白花豌豆的後代全部是紫花豌豆，高豌豆和矮豌豆的後代全部是高豌豆。換句話說，在雜交一次之後，來自「父親」或者「母親」一方的某種性狀就徹底消失了，這似乎已經在挑戰人們習以為常的融合遺傳理念了：難道孩子不是會從父母那裡分別繼承一些性狀才對嗎？難道不是父母的泛生子水乳交融構成了孩子的一切嗎？

圖1-10 孟德爾的第一次雜交試驗

黃豌豆和綠豌豆雜交的結果是，後代結出的是清一色的黃豌豆。

孟德爾的做法仍然是非常實用主義的。看到這樣的結果，他想到的不是去修補看起來出了問題的遺傳融合理論，而是做了一個非常技術性的處理：他把雜交後消失的性狀稱為「隱性」的，而把雜交後仍然頑強顯現出來的性狀稱為「顯性」的。

「你看，」孟德爾解釋說，「性狀只能有一個——種子不可能又黃又綠，而來自父母的遺傳性狀卻有兩個。那麼我們看到的結果就說明，來自父母的遺傳性狀如果互相矛盾，則只有一個會勝出——就像黃色的種子、紫色的花朵，以及高高的莖稈，而另一個就會被『隱藏』起來。很簡單，不是嗎？」嗯，確實挺簡單。不過，你可能會馬上反駁，和泛生子的概念一樣，顯性和隱性的概念也並沒有提供任何新的信息，只不過是把孟德爾看到的現象換了個名詞描述一下而已。他看到黃色種子的雜交後代，於是黃色種子就是顯性的；他沒有看到白色花朵的雜交後代，白色花朵就是隱性的，僅此而已。

但是如果你仔細想想，就會發現顯性、隱性的概念不但能解釋孟德爾已經看到的現象，而且還可以給出某些他尚未觀察到的現象的預測。

比如，按照這套顯/隱性的遺傳邏輯，我們馬上可以想像，在孟德爾收穫的雜交豌豆中，必然同時存在來自父母雙方的兩套遺傳物質，而這兩套遺傳物質並沒有像紅色和藍色墨水一樣均勻混合在一起變出非紅非藍的紫色，而是其中顯性的一套「壓制」了隱性的一套 。那麼問題就來了，如果我們栽培這樣的雜交豌豆，等待它們再次開花，再讓它們繼續雜交一次，會看到什麼現象呢？

簡單起見，我們來考慮一下黃色和綠色豌豆雜交的產物。這些長著黃色種子的第一代雜交豌豆如果自己和自己交配會出現什麼情況呢？第二代雜交豌豆又會是什麼樣子的？它們結出的種子會是黃色還是綠色呢？

孟德爾確實這麼做了。第二年，他細心交配了258株結著黃色種子的第一代雜交豌豆，並在當年收穫了超過8000顆新一代（也就是第二代）的豌豆種子。果然如他的顯/ 隱性假說所料，綠色豌豆又重新出現了！這個發現已經毋庸置疑地證明，綠色豌豆這一性狀並沒有在第一次雜交中被永久性地稀釋和消失。即便在一律呈現黃色的第一代雜交豌豆中，綠色豌豆的遺傳藍圖仍然頑強地存在著。

而且更有意思的是，在第二代雜交豌豆種子中，孟德爾發現了一個相當有趣的比例關係：6022 顆為黃色，2001 顆為綠色，比例為3.01∶1（見圖1-11）。

這個數字是如此接近3∶1 的簡單配比，已經很難用巧合來解釋了。而且這個比例還出現在孟德爾所關注的全部七種豌豆性狀中。不管是豌豆表皮的光滑或褶皺，豌豆花是紫色或白色，豌豆莖稈是高還是矮，每一次試驗中，3∶1 這個比例都在反覆出現。

圖1-11 孟德爾的第二次雜交試驗

黃豌豆和綠豌豆雜交產生的黃豌豆後代，繼雜交一代之後，後代重新出現了綠色豌豆，黃∶綠比例非常接近3∶1。

我相信讀者們可能對中學課本里的孟德爾遺傳定律仍舊記憶猶新，因此完全能夠條件反射般地說出這個3∶1 比例關係背後的原因。但是在這裡，我倒是建議你們乾脆忘記課本上的知識，我們一起來想一想，站在孟德爾神父的立場上，我們該如何試圖去理解3∶1 背後的規律，甚至進一步通過試驗來證明它呢？

首先我們已經知道，綠色豌豆在第二次雜交中重新出現這個事實，已經證明了在豌豆交配和繁殖過程中，來自上一代豌豆的遺傳信息並沒有被稀釋和丟失。記錄著「綠色豌豆」的遺傳信息仍然頑固存在於黃色的第一代雜交豌豆的種子里。而孟德爾對此提供的解釋是他的顯/ 隱性理論：黃色是顯性，綠色是隱性，兩者都存在的時候顯性壓制了隱性。

因此我們馬上可以推出，第一代雜交出現黃色豌豆，必然是黃/綠遺傳信息同時存在；而第二代中出現的佔比1/4 的綠色豌豆，肯定擁有綠/ 綠遺傳信息，因為只有這種組合才會顯現出「隱性」的綠色嘛。

好了，黃/ 綠豌豆和黃/ 綠豌豆雜交，會出現佔比1/4 的綠/ 綠豌豆，以及佔比3/4 的黃色豌豆。當然了，根據孟德爾的假說，我們目前還不知道這些黃色豌豆究竟是黃/ 黃還是黃/ 綠——兩種情形下豌豆表皮都會是「顯性」的黃色。

第一代雜交：黃/ 綠 = 黃/ 綠

第二代雜交：黃/ 綠 × 黃/ 綠 = 3 黃/?∶1 綠/ 綠

或者我們可以借用孟德爾的方法，用大小寫字母代替顯性或隱性的遺傳性狀（見圖1-12）：

第一代雜交：AA （黃色）× aa （綠色）= Aa （黃色）

第二代雜交： Aa（ 黃色）× Aa（ 黃色）= 3A?（ 黃色）∶1aa（ 綠色）

看到這裡，3∶1 比例背後的邏輯已經昭然若揭。要在 Aa 雜交的後代中產生 aa，唯一的可能性，是父母雙方分別給出一個 a 類型的遺傳信息，從而組合出 aa 來。可以想像，如果 Aa 父母能給出 a 類型的遺傳信息，自然也可以給出同等數量的A 類型遺傳信息。因此，後代遺傳信息的組合至少有三種：AA、Aa 和 aa。三者的比例關係很明顯是1∶2∶1。考慮到顯性A 相對隱性 a 的「壓制」，3∶1 的比例關係也就自然而然出現了！

那麼有沒有辦法直接驗證這個推理呢？

圖1-12 兩次豌豆雜交試驗的遺傳學解釋

如果我們用 A 代表黃豌豆性狀，a 代表綠豌豆性狀，那麼孟德爾的雜交試驗就可以被完美解釋。

有，而且並不複雜，把第二次雜交的豌豆繼續做第三次雜交就可以了。如果上面的推理正確，我們馬上可以推算出，所有的綠色豌豆（aa）雜交的產物必然全部是綠色豌豆（aa），而黃色豌豆雜交的結果就會較為複雜：接近1/3的黃色豌豆（AA）雜交將會產生清一色的黃色豌豆後代（AA），而剩下2/3黃色豌豆（Aa）雜交的後代中，將會再一次浮現3∶1這個簡潔的比例關係。

事實上，孟德爾把這樣的雜交試驗一共進行了五六代。在長達8年的時間裡，孟德爾神父照料著上萬株豌豆，在豌豆開花的季節小心收集雄蕊的花粉，撥開緊閉的花瓣進行人工授粉，仔細清點收穫的種子……每一次，豌豆後代的性狀都完美符合這些簡單的數字分配規律。

這就是孟德爾雜交試驗所揭示的遺傳秘密。這秘密並不僅僅關於豌豆，也不僅僅關係到種子表皮的顏色或者褶皺。上述推理的最大價值，在於說明遺傳信息在一代代的傳遞過程中不存在像液體一樣的融合和稀釋，而是以某種堅硬的「顆粒」形態存在。每一次生物交配，都意味著遺傳信息「顆粒」的重新分離和組合。遺傳信息的組合方式可以五花八門，但遺傳信息本身卻始終頑強存在著，並且隨時準備在允許的場合影響生物體的性狀。

一個歷史的遺憾是，儘管達爾文進化論和孟德爾顆粒遺傳理論幾乎出現在同一時代——達爾文的《物種起源》和孟德爾的《植物雜交實驗》發表相距僅有短短6 年，但事實上直到70 多年後的20 世紀30年代兩者才真正被聯繫在一起。然而我們完全不需要替他們兩位感到遺憾。站在科學的高度上，顆粒遺傳理論使得詹金的責難不復存在，不管是多麼微小的遺傳變異，都仍然可以以這種顆粒的形式頑強地存在下去，不被稀釋。從某種意義上說，孟德爾為達爾文的學說提供了堅實的物質基礎，而達爾文則為孟德爾的發現找到了壯麗的用武之地。兩位生活在同時代卻緣慳一面的科學巨人，如果在天堂相見，一定會對此無比欣慰。

作者簡介：

王立銘

l浙江大學生命科學研究院教授、博士生導師，專註於研究機體能量和營養物質代謝的神經生物學原理及相關疾病的發病機制。

l本科畢業於北京大學，在美國加州理工學院獲得博士學位，曾在美國伯克利加州大學和波士頓諮詢公司工作。回國工作以來，已獲得國家青年千人計劃、浙江省千人計劃、自然科學基金委優秀青年基金支持，在業界知名期刊如PNAS, eLIFE, Nature Neuroscience上發表論文。

l先後獲得吳瑞學會頒發的「顧孝誠講座獎」，香港求是基金會頒發的「傑出青年學者獎」等獎勵。

l熱心科學傳播，自稱「科學啟蒙主義者」，利用各新媒體平台發表科普文章、視頻和演講。知乎大V、《知識分子》簽約作家、科學隊長。曾獲果殼「菠蘿化學獎」。

l著有大眾科普暢銷書《吃貨的生物學修養》

新書

簡介

上帝的手術刀

王立銘 著

浙江大學教授、「文津圖書獎」獲得者王立銘最新力作，審視基因編輯的短暫歷史，思索人類未來的終極命運。

雨果獎得主、《北京摺疊》作者郝景芳，清華大學教授顏寧傾情作序！

雨果獎得主、《三體》作者劉慈欣，北京大學教授魏文勝，碳雲智能首席科學家李英睿，《癌症·真相》作者菠蘿聯袂推薦！

這本書從孟德爾神父的「豌豆試驗」入手，用跌宕起伏、起承轉合的文學講述手法，在全書中埋下層層伏筆，抖出了一個又一個的重磅包袱，宛如一位智者在科學之樹下搖著扇子對基因編輯的歷史脈絡娓娓道來。其內容之深入淺出、講述手法之駕輕就熟，令人手不釋卷。

一本細緻講解生物學熱門進展的科普力作，一本解讀人類未來發展趨勢的精妙「小說」。

打開基因科學深奧的硬殼，展現人類探索自身的的歷史進程，從分子層面出發，重新思考人類的過去、現在和未來。

《上帝的手術刀》作者王立銘親筆簽名版購買鏈接：

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！