達爾文「晚年錯誤」的遺傳學理論有可能復活嗎？| 學術爭鳴

科技 12-18

達爾文圖片來源：pixabay.com

撰文 | 劉用生

責編 | 程莉

●

達爾文一生創立的重大理論主要有兩個：一是他的進化論，也就是自然選擇理論；另一個是他的遺傳理論，叫做泛生論

（Pangenesis）

。達爾文的進化論是眾所周知的。但他創立的泛生論，雖然試圖從分子的角度解釋很多遺傳現象，但由於其支持拉馬克的「獲得性遺傳」理論，以及當時實驗證據的缺乏，該理論發表後遭到了科學界的一致反對，最終被魏斯曼的種質學說

（Germ-Plasm theory，又稱「魏斯曼屏障」）

打敗。長期以來泛生論被認為是達爾文的晚年錯誤而遭到否認。

2018年是達爾文泛生論誕辰150周年。在今年最後一期的 Nature Reviews Molecular Cell Biology上，發表了我和美國內華達大學的陳琦老師合寫的題目為「150 years of Darwin』s theory of intercellular flow of hereditary information

（達爾文泛生論150周年

）」的評論文章

[1]

。我們在文中討論了達爾文泛生論的提出、沉淪、復活、現存的問題和今後的研究方向，以此紀念這位偉大的生物學家在150年前遠見卓識的推論。

在這篇文章發表之前，陳琦老師已經在獲得性遺傳研究領域發表過多篇重要文章

[2,3,4]

，而我是第一次在Nature子刊上發文章。作為一名普通高校的科技工作者，能夠在高影響因子刊物上發文章，確實不是一件容易的事情。此時此刻，不由得想起許多往事——在二十多年的艱難探索過程中所經歷的風風雨雨和酸甜苦辣，真是別有一番滋味在心頭。

在做「科研乞丐」的日子裡

1989年從西北農業大學

（現在更名為西北農林科技大學）

碩士研究生畢業後，我被分配到一個離縣城不遠的剛由專科升為本科的河南職業技術師範學院

（現在更名為河南科技學院）

任教。剛參加工作，沒有科研項目和經費，而且家在太行山區農村的父母都患了癌症，對於我這個月工資僅121元的新教師來說，是真夠受的。就算經濟困難，我對待工作還是很認真。那時教學任務不重，就想搞點科研，我便利用一些教學設備

（比如一台破舊的超凈工作台和一間簡陋的培養室）

做一些試驗，藥品不全就去別的實驗室討一些，有時不得不從自己的工資里拿出點錢去買些試驗材料，甚至不顧臉面地到街上賣水果的攤位周圍去撿試驗用的桃和杏核。在那段艱苦的歲月里和簡陋的條件下，我還是做了不少的試驗，發表了十幾篇的文章。其中在1994年的《植物生理學通訊》上發表的關於「植物組織培養中活性炭的使用」一文，還被引用了四百多次呢。

錢學森先生倡導的「植物嫁接改造學」

對我的啟發

由於在《植物生理學通訊》上發表了好幾篇文章，所以後來我也就成了這個刊物的熱心讀者和作者。有一天，我在翻閱《植物生理學通訊》時，偶然讀到錢學森先生談農業與植物生理學的一封信。錢老是在讀了華南農業大學周肇基先生關於嫁接起源的論文和另外幾篇有關嫁接的文章後寫這封信的。他說：「嫁接技術在農業、林業中是大有前途的，但似尚缺少植物生理學的理論指導。那麼我們為什麼不去開發一門技術性科學---植物嫁接改造學，它的作用決不亞於基因工程學。」這封信對我有很大的啟發：搞基因工程是很花錢的，而搞嫁接基本上不怎麼花錢。既然植物嫁接改造學的作用不亞於基因工程學，對於我這個沒有科研項目和經費的「青椒」來說，為什麼不去搞嫁接研究呢？

從那以後，我對植物嫁接，尤其對嫁接雜交產生了濃厚的興趣。嫁接雜交是通過嫁接技術來誘發幼齡植物產生遺傳性變異，進而培育新品種的一種方法。1868年，達爾文首次提出嫁接雜交的概念。在20世紀30-60年代，嫁接雜交曾是遺傳學中孟德爾摩爾根學派和米丘林李森科學派爭論的焦點。通過查閱文獻資料，結合自己的親自試驗，我確證嫁接雜交的事實是存在的，問題的關鍵是如何解釋嫁接雜交的機理。

達爾文的遺傳理論：相約1998

在探討嫁接雜交機理的過程中，我進行了廣泛的閱讀。當我從武漢大學汪向明先生所著的《廣義遺傳學的探索》中知道達爾文有個可以解釋嫁接雜交的遺傳理論時，感到很驚訝。因為我在上大學的時候學過兩門遺傳學：孟德爾遺傳學和米丘林遺傳學，我知道孟德爾遺傳規律和摩爾根的基因論，也知道達爾文有個自然選擇的進化論，卻從來沒有聽說過達爾文還有個叫做泛生論的遺傳理論！1998年12月，我利用去北京出差的機會，到海淀圖書城購買了一套達爾文的《動物和植物在家養下的變異》中譯本

（科學出版社，1996）

。

《動物和植物在家養下的變異》

（第一版）

是達爾文在1868年出版的

[5]

，與《物種起源》互為姐妹篇。《物種起源》一書眾所周知，但它是以摘要形式發表的，達爾文在書中並沒有多談遺傳和變異的原理。在《動物和植物在家養下的變異》兩卷巨著中，達爾文明確指出遺傳與變異規律的研究是生物進化論的基礎。他調查整理了動植物遺傳育種的大量資料，把人工選擇和自然選擇對比起來研究，並把遺傳、變異和發育密切聯繫起來，提出了第一個全面的遺傳理論，試圖對所有的遺傳變異現象做出統一的解釋。他的泛生論實際上是對當時的細胞理論的修改和補充。他認為細胞除了擁有自我分裂的生長力以外，還能夠釋放出很多微小的、可自我複製的、可在細胞之間移動的、可整合進入其它細胞

（包括生殖細胞）

的、可被環境的變化所修飾的遺傳顆粒或者分子——微芽

（gemmule）

。根據這個理論，達爾文不僅解釋了性狀的優勢遺傳現象

（後來被稱為顯性遺傳或孟德爾式遺傳）

，還解釋了獲得性遺傳

（拉馬克式遺傳）

、嫁接雜交

（即後來米丘林所謂的無性雜交）

、返祖遺傳、先父遺傳、花粉直感、器官轉位、再生、發育和遺傳病等。

達爾文的遺傳理論

為什麼被認為是錯誤的？

達爾文的遺傳理論發表以後，受到了許多學者的嚴厲批評，有些人非常刻薄地譏笑它。究其原因，一是高爾頓的驗證試驗獲得了負面的試驗結果；二是泛生論所解釋的眾多現象中的一些現象

（諸如嫁接雜交，獲得性遺傳和先父遺傳等）

的真實性一直被懷疑；三是沒有辦法證明達爾文所假定的「微芽」真實存在。

當時高爾頓意識到，既然達爾文說微芽可以散佈於整個系統，可以在生物體內循環，他就聯想到血液里可能含有微芽。他設想通過輸血的方法把具有不同性狀的兩個動物的血液混合，如果血液里的微芽真的和遺傳有關，那麼接受輸血的個體的後代就應該表現出血液供體動物的性狀。他把白兔的血液注入灰兔體內，期望來自白兔血液里的微芽可以輸送並聚集到灰兔的生殖細胞內，使灰兔的後代表現出白兔的性狀。令人失望的是，在灰兔後代中沒有表現出任何雜種性狀。高爾頓認為他得到的結果毫無疑問地同達爾文的泛生論相反，預先沒有徵求達爾文的意見，就把這個負面的試驗結果發表在《皇家學會會報》上。達爾文在得知高爾頓的負面試驗結果發表後很生氣，隨即在Nature上發表了一個短篇通訊，來為他的遺傳理論辯護。

達爾文的遺傳理論所解釋的許多遺傳現象一直是爭論非常激烈的生物學問題。比如，許多人認為獲得性遺傳學說是錯誤的，正如著名遺傳學家摩爾根所說：「泛生論主要是說明獲得性如何傳遞。親本上的特種變化如果傳遞到後代，就會需要這一類理論；身體上的變化如果不傳遞，也就用不著這類理論了。」此外，嫁接雜交和先父遺傳更是倍受質疑。這樣，能夠解釋這些現象的泛生論自然也就被摒棄了。另外，達爾文假設的遺傳分子微芽，誰也看不見摸不著，自然無法使人們相信。

為達爾文的遺傳理論尋求證據

通過廣泛閱讀，我注意到在科學文獻中有大量的關於輸血引起動物遺傳變異的可靠證據。高爾頓可能沒有料到，在他輸血試驗失敗80多年以後，前蘇聯的索皮柯夫卻通過輸血的方法成功地使家禽動物的後代產生了可遺傳的變異，並且培養出了新品種的雞

（稱為動物無性雜交）

。索皮柯夫的試驗結果不僅被許多前蘇聯的動物遺傳育種工作者所證實，而且被瑞士和法國的研究者所證實。在50篇的輸血研究報告中，有45篇報道通過輸血確實能誘發可遺傳的變異，只有5篇報道了負面的試驗結果。說明高爾頓否定達爾文遺傳理論的試驗是有局限性的，因為動物種類、輸血方法和輸血量等因素都會影響試驗的結果。

我還發現在科學文獻中有大量關於嫁接雜交的可靠證據

（我們研究組也用試驗證明了嫁接雜種的存在）

。關於獲得性遺傳的證據，可參閱陳琦、閆威和段恩奎老師2016年在Nature Reviews Genetics上發表的綜述「Epigenetic inheritance of acquired traits through sperm RNAs and sperm RNA modifications

（精子RNA及其RNA修飾介導的獲得性表觀遺傳）

」

[3]

。這篇文章對RNA介導的獲得性性狀的跨代遺傳現象進行了系統的總結。他們列舉了大量新的和非常有趣的研究結果，並對未來尚需解決的關鍵科學和技術問題進行了展望。此外，文章還討論了拉馬克的進化觀點和達爾文的遺傳理論等。我以前也寫過相關的文章，但由於我的知識積累和水平有限，寫得比較粗淺，不如這篇寫得深刻全面。我覺得他們的這篇文章是我讀過的關於獲得性遺傳研究的最好的文章之一，特推薦給大家閱讀。

另外，今年第12期的Nature Reviews Molecular Cell Biology上也刊登了一篇最新的關於獲得性遺傳的綜述，建議感興趣的讀者閱讀

[6]

。

2000年，我給《遺傳》雜誌寫了篇稿子，試圖用現代生物學知識去解釋范盛堯先生通過多年試驗所獲得的杏-郁李嫁接雜種。在稿子退修時，《遺傳》雜誌當時的主編朱立煌先生寄給了我一篇1999年發表在Science雜誌上的論文複印件，那篇論文通過黃瓜和西葫蘆嫁接試驗，證明特定的mRNA分子可以通過韌皮部在植物體內長距離運輸

[7]

。讀了這篇文章後，我突然把mRNA和達爾文在他的遺傳理論中所假定的遺傳分子聯繫了起來。後來從科學文獻中得知，早在1948年，也就是達爾文遺傳理論發表八十年後，法國學者Mandel和Metais首次在血液中檢測到循環核酸

（circulating nucleic acids）

，一種存在於動植物和人體中的細胞外遊離狀態的核酸。但這一重要發現當時不僅沒有引起人們的重視，反而被懷疑為由污染造成的贗象，直到20世紀60年代才逐漸引起一些學者的關注。

通過分析比較，我注意到達爾文的微芽與循環核酸

（也包括small RNAs）

、朊病毒

（朊蛋白，Prion）

和胞外囊泡

(extracellular vesicles )

有著驚人的相似之處。

達爾文的遺傳理論在沉寂了一個半世紀之後，也許可以用現代的遺傳學知識去重新審視它。

不斷糾正人們對達爾文遺傳理論的

忽視和誤解

2005年，Nature上發表了一篇與返祖遺傳有關的文章，被作為新發現的遺傳現象來報道。隨後我在Trends in Plant Science上發表了一個題目是「Reversion: going back to Darwin』s works」

（返祖遺傳：重溫達爾文的著作）

的短篇通訊，指出這個現象達爾文早已經描述過。

同樣，在2009年，一篇發表在Science上的與嫁接雜交有關的文章，也忽視了達爾文的開創性工作，我們就在英國的Heredity上發表了一篇題目是「New insights into plant graft hybridization」

（植物嫁接雜交的新見解）

的文章予以補充和糾正。

另外，許多人片面地認為達爾文的進化理論就是自然選擇，拉馬克的進化理論就是獲得性遺傳，給人的感覺是達爾文的進化理論與拉馬克的進化理論是水火不相容的。其實不然，達爾文也是主張獲得性遺傳的。為了糾正這個片面的認識，我在International Journal of Epidemiology

（國際流行病學雜誌）

上發表了一篇題目是「Darwinian evolution includes Lamarckian inheritance of acquired characters」

（達爾文的進化包括拉馬克的獲得性遺傳）

的短篇文章予以澄清。

許多人認為孟德爾是遺傳學的創始人，而忽視了達爾文對遺傳學的重大貢獻。實際上，在1859年出版的《物種起源》裡面，達爾文已經描述了優勢遺傳現象

（類似於後來孟德爾所謂的顯性遺傳）

，他經常使用的element一詞也被孟德爾採用

（在2016年的Genetics上，發表了一篇關於達爾文對孟德爾的影響的文章）

。更為重要的是，達爾文描述了許多重要的遺傳變異現象，並創立了第一個全面的遺傳理論進行解釋。就連遺傳學中最常用的「基因」一詞也來自於達爾文的遺傳理論。許多人以為基因這個詞最初來源於孟德爾，其實不然。Johannsen創造的「基因

（gene）

」一詞來源於de Vries的「泛生子

（pangen或者 pangene）

」，而「泛生子」一詞又取自於達爾文的「泛生論

（Pangenesis）

」。

發表「先父遺傳」的文章後

受到嘲笑和謾罵

在生物學史上有許多爭論性很大的問題。有些問題

（比如獲得性遺傳和嫁接雜交）

的爭論主要限於學術界，在民間無大的反響。但也有一些問題

（比如先父遺傳）

不僅在學術界爭論很大

（比如達爾文與摩爾根的見解完全不同）

，在民間也爭吵得沸沸揚揚。

我知道先父遺傳是達爾文遺傳理論的重要依據之一，但一直沒敢寫這方面的文章。一是覺得自己是搞植物遺傳育種的，先父遺傳屬於動物遺傳育種工作者的事，隔行如隔山；二是這方面爭議太大。但在2009年，為了紀念達爾文誕辰200周年，我和幾位同事在波蘭的一個應用遺傳學雜誌上發表了一篇關於達爾文對遺傳學的貢獻的文章。為了全面介紹達爾文的工作，文章也提到了先父遺傳。讓我吃驚的是，我們重點討論的部分

（達爾文在遺傳學許多方面的重要貢獻以及他創立的遺傳理論）

沒有怎麼引起人們的注意，倒是僅用了三分之一頁篇幅

（約200多字）

簡單介紹先父遺傳的那一段被人們在網上瘋傳。

為了全面探討達爾文的遺傳理論，我寫了一篇專門討論先父遺傳的稿件，在經歷了許多次退稿後，終於在一個動物學刊物上發表了。然而，文章發表後卻招來了許多嘲笑和漫罵。讓我感到欣慰的是，2014年，澳大利亞學者為先父遺傳現象提供了新的證據

[8]

，今年又有一篇相關文章發表

[9]

。

艱難的投稿

由於我探討的與達爾文遺傳理論相關的幾個學術問題都爭議很大，所以投稿異常艱難。比如，關於先父遺傳那篇稿件，先後投了21個刊物，最後才被接受發表。施普林格?自然集團有很完善的投稿記錄，從2003年到2018年的15年間，我共投稿119篇，其中116篇被拒稿，只有3篇被接受。這使我想起了在我屢遭拒稿後寫的一首詩，不妨重新回味一下：

投稿有感（七律新韻）

學海茫茫業未成，只知靜夜筆勤耕。

文章查閱三千卷，退稿堆積兩百封。

但願舊題終有解，不愁新作悄無聲。

常思古代愚公事，莫畏艱難探險峰。

有感於Anne McLaren，饒毅和陳琦

老師等人的熱情鼓勵和幫助

在周肇基先生的鼓勵和指導下，從1998到2001年, 我們研究組進行了紫葉李和普通李的嫁接雜交試驗，並獲得了嫁接雜種。隨後把試驗結果整理成一篇研究簡報，從2002到2003年，投稿了很多次，都沒有被接受。在投稿無門的情況下，我冒昧地給原英國皇家學會副會長、劍橋大學著名的遺傳學家和胚胎生物學家Anne McLaren寫了一封電子郵件。讓我高興的是，很快就收到了她的回復。她在郵件中肯定了嫁接雜交研究的意義，並建議我寫一篇綜述文章。在寫作過程中，她給了我許多的指導和幫助。每次修改後，都用傳真給我發回去。這篇文章最終得以在美國的Advances in Genetics上發表。此外，她還幫我把幾篇俄文資料翻譯成英文。這些資料後來都作為我2008年在Biological Reviews發表的關於達爾文的泛生論那篇文章

[10]

的重要參考資料。遺憾的是，由於車禍，她不幸在2007年去世。她幫助我修改稿件的故事，請參見我的博客文章「薄薄廿頁紙，厚厚一份情」

（http://blog.sciencenet.cn/blog-537167-454333.html）

。

2010年12月的一天，我在科學網上讀到饒毅老師寫的一篇博客文章「偉大科學家的重要錯誤：達爾文的遺傳學」。雖然饒老師是研究神經科學的，但他對遺傳學史也很熟悉。我感覺饒老師寫得客觀公正，文筆流暢，通俗易懂，我很愛讀！就冒昧地給他寫了一封郵件，請他有空瀏覽一下我在2008年發表的一篇關於討論達爾文的遺傳理論的文章。

說實在的，當時發郵件我只是抱著試試看的想法，覺得他是個大忙人，不一定有時間看，就是看了也不一定回信。出乎我意料的是，我很快就收到了他的回信。他還在2010年12月29日專門寫了篇短文來介紹這篇文章

（http://blog.

sciencenet.cn/blog-2237-398723.html）

。這篇短文反映了饒老師博大的胸懷和重視小人物的新觀點等可貴的品格

（另請參考「一個草根學者眼裡的饒毅：

http://blog.sciencenet.cn/blog-537167-480649.html

）

。

我和陳琦老師是通過文獻和電子郵件認識的。他在2016年把我介紹給他在中科院的導師段恩奎研究員，並在中科院動物所做了一個「重新發現達爾文的遺傳理論」的學術報告。之後我和陳琦老師在一次會議上見面，一起聊共同感興趣的學術問題，非常開心。2016聖誕節前他贈送了我一本de Vries 在1889年出版的

Intracellular Pangenesis

的重印本，這啟發我去寫一本關於Pangenesis專著的想法。現在，Darwin』s Pangenesis and Its Rediscovery

(達爾文的泛生論及其重新發現)

分A和B兩卷分別作為Advances in Genetics的第101和102捲髮表

[11，12]

。這次我和陳琦老師發表在Nature Reviews Molecular Cell Biology上的那篇文章

[1]

，包含了我們真摯的友誼和一起傾注的大量心血，以及熬的不少夜。歡迎有興趣的讀者閱讀全文。

感謝河南科技學院的領導和同事們，他們給我提供了進行自由探索的寬鬆環境，允許我「離經叛道」地去探討爭議很大的學術問題，關心和支持我的研究工作。也感謝我愛人李秀菊，多年來她與我在工作和生活上密切配合，互相幫助，我的研究工作中也有她付出的辛勤汗水和心血。

結束語

請允許我解讀俄國作家克雷洛夫的一段話作為結束語：

有科研項目和經費的人是有福的，他們可以毫無後顧之憂地去做他們喜歡的研究，從頭到尾幹得挺有勁兒。然而，這樣的人也不能被鄙視：他默默無聞地躲在暗地裡，在漫長的日子裡和艱苦的條件下，堅持去探討一些他感興趣的和科學上尚未解決的問題。或許由於研究的問題不是熱門或者有爭議的，他往往得不到資助，甚至會受到嘲笑。只有一種思想鼓舞著他的勤勞，那就是他的工作對科學的發展是有益的。

參考文獻

1. Liu,Y-S.,Chen, Q. 150 years of Darwin』s theory of intercellularflow of hereditary information. NatRev Mol Cell Biol 19, 749–750 (2018)

2. Chen, Q. et al. Sperm tsRNAs contribute tointergenerational inheritance of an acquired metabolic disorder. Science 351, 397-400 （2016）.

3. Chen, Q., Yan, W. & Duan, E. Epigenetic inheritance ofacquired traits

through sperm RNAs and sperm RNA modifications. Nat. Rev.Genet. 17, 733–743 (2016).

4. Zhang, Y. et al. Dnmt2mediates intergenerational transmission of

paternally acquired metabolic disorders through sperm small non-codingRNAs. Nat. Cell Biol. 20, 535–540 (2018).

5. Darwin, C. TheVariation of Animals and Plants under Domestication. John

Murray (1868).

6. Skvortsova, K., Iovino, N. & Bogdanovic, O. Functions and mechanismsof

epigenetic inheritance in animals. Nat. Rev. Mol.Cell. Biol. 19,774-790 (2018).

7. Xoconostle-Cazarers, B.et al. Plant paralog to viral movementprotein that potentiates transport of mRNA into the phloem. Science 283, 94-98 (1999).

8. Crean, A.J.,Kopps,A. M.& Bonduriansky, R. Revisiting telegony: Offspring inherit an acquiredcharacteristics of their mother』s previous mate. Ecology Letter 17, 1545-1552 (2014)

9. Pascoal,S., Jarrett,B.J.M., Evans, E. & Kilner, R.M. Superior stimulation of female fecundityby subordinate males provides a mechanism for telegony. Evolution Letter 2, 114-125 (2018)

10.Liu, Y.-S. A new perspective on Darwin』s Pangenesis. Biological Reviews of the CambridgePhilosophical Society 83, 141-149 (2008).

11.Liu, Y-S. Darwin』s Pangenesis and Its Rediscovery Part A. Advances inGenetics, 101,1-144 (2018)

12.Liu, Y-S. Darwin』s Pangenesis and Its Rediscovery Part B. Advances inGenetics, 102,1-142 (2018)

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皮皮魚

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