第二章 遗传机制19

    存在是永恒的；


    因为有许多法则保存了生命的宝藏，


    而宇宙用这些宝藏装饰了自己。


    ——歌德


    11.经典物理学家的绝非平凡的预期是错误的


    于是我们得出结论，有机体和它所经历的与生物学相关的全部过程，必须有一种极“多原子的”结构，必须防止偶然的“单原子”事件起到太重要的作用。“素朴物理学家”告诉我们这是必不可少的，这样有机体才能拥有足够准确的物理定律，并依照这些定律实现其非常规则和有序的运作。从生物学上说，这些先验得出的（也就是从纯物理的角度得出的）结论如何来符合实际的生物学事实呢？


    初看起来，人们往往认为这些结论很平凡，比如生物学家在30年前也许已经讲过这一点了。虽然一个通俗讲演者强调统计物理学对于有机体和对于其他方面同样重要是很合适的，但这一点其实是人所共知和不言而喻的。因为很自然地，任何高等生物的成年个体，不仅它的身体，而且组成它的每一个细胞都包含着“天文数字”的各种单原子。我们观察到的每一个特定的生理过程，无论在细胞内还是在细胞与周围环境的相互作用中，似乎都——或者30年前看起来是这样——包含了如此众多的单原子和单原子过程，以至于即使按照统计物理学对于“大量数目”的严格要求（我方才用√n律说明了这种要求），也能保证物理学和物理化学所有相关定律的有效性。20


    今天我们知道，这种观点是错误的。我们很快就会看到，有许多小得不可思议的原子团，小到无法显</a>示精确的统计学定律，然而在生命有机体内部，它们对于非常有序和有规律的事件确实起着支配作用。它们控制着有机体在发育过程中获得的可观察的宏观性状，决定着有机体功能的重要特征；在所有这些情况下，都显示了非常明显和严格的生物学定律。


    我必须先来简要概述一下生物学特别是遗传学的状况；换句话说，对于我并不精通的这门学科，我必须对其目前的知识状态作一概述。这是没有办法的事，我要为我的外行话特别对生物学家表示抱歉。另一方面，请允许我带着某种教条性向你们介绍流行的观点。不能指望一个拙劣的理论物理学家能对实验证据做任何出色的考察，这些实验证据一方面来自长期积累的、美妙交织在一起的大量繁育试验，另一方面则来自最精密的现代显微镜技术对活细胞的直接观察。


    12.遗传密码本（染色体）


    我在生物学家所谓“四维模式”的意义上使用有机体的“模式”这个词，它不仅指成年有机体或任何其他阶段有机体的结构和功能，而且指有机体开始繁殖自身时，从受精卵到成年阶段的个体发育全过程。现在我们知道，整个四维模式都是由一个细胞即受精卵的结构决定的。我们还知道，它本质上只是由受精卵的一小部分即细胞核的结构所决定的。在细胞的正常“休止期”内，这个细胞核通常显示为网状染色质， 注7 分散在细胞内。但在极为重要的细胞分裂（有丝分裂和减数分裂，见下文）过程中，可以看到它由一组通常呈纤维状或棒状的被称为染色体的颗粒所组成，其数目是8个或12个，人是48个。 注8 但我其实应该把这些数目写成2×4，2×6，……，2×24，……，并且按照生物学家惯常意义上的表述，把它称为两套染色体。因为虽然单个染色体有时可以从它的形状和大小清楚地加以区分和辨认，但这里的两套染色体几乎完全相同。我们很快就会看到，其中一套来自母体（卵细胞），另一套来自父体（精子）。正是这些染色体，或者我们在显微镜下看到的染色体的一种轴状骨架纤丝，把个体的未来发育及其成年期机能的全部模式都包含在某种密码本中。每一整套染色体都包含有全部密码；因此一般而言，构成未来个体最初阶段的受精卵里包含有密码的两个副本。21


    在把染色体纤丝的结构称为密码本时，我们的意思是说，拉普拉斯曾经设想的那个直接了然所有因果关系、洞悉一切的心智，根据卵的结构就能告诉你，在适当条件下这个卵将发育成一只黑公鸡还是一只芦花母鸡，是长成一只苍蝇还是一棵玉米、一株石南、一只甲虫、一只老鼠或是一个女人。我们还可以再补充一点，那就是卵细胞的外观往往很相似；即使不相似，比如鸟类和爬行动物的卵比较巨大，相关结构上的差别也不像其中营养物质的显而易见的差别那么大。22


    当然，“密码本”一词太狭窄了。因为染色体结构同时也有助于促进它们所预示的卵细胞的发育。它是法典与行政权力的统一，或者用另一个比喻来说，是建筑师的设计与建筑工人的技艺的统一。


    13.身体通过细胞分裂（有丝分裂）而生长


    在个体发育 注9 中，染色体是如何行为的呢？


    有机体的生长是由连续的细胞分裂所引起的。这样的细胞分裂被称为有丝分裂。考虑到我们的身体是由大量细胞组成的，所以在一个细胞的生命中，有丝分裂并不像有人想象的那样是经常发生的事件。开始时生长是很快的。卵细胞分裂成两个“子细胞”（daughter cells），下一步产生4个细胞，然后是8，16，32，64，……等等。正在生长的身体的各个部分中，分裂频率并非完全相同，那会破坏这些数目的规则性。我们通过简单的计算便可推出，平均只需50或60次的连续分裂，便足以产生一个成人的细胞数——如果把一生中细胞的更替也考虑进去，那么就是这个数目的10倍。 注10 所以平均说来，我的一个体细胞仅仅是我所是的那个卵细胞的第50代或第60代“后代”。


    14.在有丝分裂中每一个染色体都被复制


    在有丝分裂中，染色体是如何行为的呢？它们被复制了——两套染色体和两个密码副本都被复制了。人们已经在显微镜下对这个非常有趣的过程做了认真研究，但它过于复杂，这里无法详细描述。要点是，两个“子细胞”中的每一个都得到了与亲细胞完全相似的另外两套完整的染色体。因此，所有体细胞都有完全一样的染色体。 注11 23


    无论我们对这种机制了解多么少，我们也不能不认为，它一定通过某种方式与有机体的机能密切相关，因为每一个单细胞，甚至是不太重要的单细胞，都拥有密码本的全套（两份）副本。不久前，我们在报上看到，蒙哥马利将军在非洲战役中要求把他的全部作战计划详细告知他麾下的每一位士兵。假如事实真是如此（考虑到他的部队智能化水平高而且可以信赖，可以设想这是真的），这就为我们的例子提供了一个绝妙的类比，在这个类比中，每一位士兵就相当于一个细胞。最令人惊异的事实是，在整个有丝分裂中，两套染色体始终保持着。这是遗传机制的突出特征，对这一规则的唯一偏离最清楚地揭示了这一点。我们现在就来讨论这种偏离。


    15.减数分裂和受精（配子配合）


    个体开始发育之后不久，有一些细胞保留着，以便在发育后期产生出成年个体繁殖所需的所谓配子，至于是精细胞还是卵细胞，则要视情况而定。“保留”是指它们在这一时期不用于其他目的，也只发生很少几次有丝分裂。还有一种例外的分裂方式被称为减数分裂，就是在成年阶段，这些保留细胞通过减数分裂最后产生了配子，一般只是在配子配合发生以前的很短时间内才有这种分裂。在减数分裂中，亲细胞的两套染色体径直分成两组，每一组染色体进入一个子细胞，就是进入了配子。换句话说，像有丝分裂那样染色体数目的加倍并不发生于减数分裂，染色体的数目是保持不变的，因此每一个配子只收到一半，也就是说，密码的完整副本只有一个而不是两个，例如人只有24个，而不是2×24＝48个。24


    只有一组染色体的细胞被称为“单倍体”（haploid，源自希腊词 ，意为“单一”）。因此，配子是单倍体，通常的体细胞是“二倍体”（diploid，源自希腊词διπmbda;ο??，意为“二倍”），有三组、四组……或多组染色体的体细胞的个体则被称为三倍体、四倍体……、多倍体。


    在配子配合中，雄配子（精子）和雌配子（卵子）都是单倍体，因此它们结合形成的受精卵细胞是二倍体。它的染色体组一个来自母体，一个来自父体。


    16.单倍体个体25


    还有一点需要纠正。虽然这一点对于我们的目的来说并非必不可少，但它的确很有意思，因为它表明，“模式”的相当完备的密码本被包含在染色体的每一个单组中。


    还有一些例子说明减数分裂后并不立即受精，其间单倍体细胞（“配子”）经历了多次有丝分裂，结果产生了全是单倍体的个体。雄蜂就是这样，它是孤雌生殖产生的，也就是说，是从没有受精的卵、因而是从蜂后的单倍体的卵产生的。雄蜂是没有父亲的！它的所有体细胞都是单倍体。如果愿意，你可以称它为一个极度扩大了的精子；事实上，人人都知道，这正好就是雄蜂一生中唯一的职能。然而，这也许是一种荒谬的看法。因为这个例子并不是独一无二的。许多植物通过减数分裂产生单倍体配子，即所谓的孢子，孢子落在地上，像一粒种子一样发育成真正的单倍体植物，其大小可与二倍体相比。图5是我们森林中很常见的一种苔藓植物的草图。长有叶片的底部是单倍体植物，叫配子体，因为在其顶端发育了性器官和配子，配子通过相互受精以通常方式产生了二倍体植物，裸露的茎的顶部生有孢子囊。这个二倍体植物被称为孢子体，因为通过减数分裂，它在顶部的孢子囊中产生了孢子。孢子囊张开时，孢子落到地上，发育成长为有叶片的茎，如此继续下去。这一事件过程被恰当地称为世代交替。如果愿意，你可以认为人和动物也是如此。不过，“配子体”一般而言是寿命极短的单细胞一代，至于是精子还是卵子要视情况而定。我们的身体相当于孢子体。我们的“孢子”是保留的细胞，这些细胞通过减数分裂产生出单细胞的一代。


    图5 世代交替


    17.减数分裂的显著关联26


    在个体繁殖过程中，真正决定性的重要事件并不是受精，而是减数分裂。一组染色体来自父亲，另一组来自母亲。无论是机遇还是天命都无法干预这一事件。每一个男人 注12 的遗传都是一半来自母亲，一半来自父亲。至于有时是母系占优势，有时是父系占优势，那是由于我后面会讲到的其他一些原因（当然，性别本身是这种优势的最简单例子）。


    然而，当你把你的遗传起源追溯到你的祖父母时，情况就不同了。让我把注意力集中到我父亲的那一套染色体，特别是其中的一条，比如第5号染色体。这条染色体要么是我父亲从他父亲那里得到的第5号染色体的精确复制品，要么是我父亲从他母亲那里得到的第5号染色体的精确复制品。1886年11月在我父亲体内发生了减数分裂，并产生了几天以后对我的出生起作用的精子，究竟是哪一个精确复制品（祖父的还是祖母的）包含在精子里，机会是50∶50。针对我父亲的染色体组中的第1、2、3……、24号染色体，都可重复同样的故事，如作适当变动，它也适用于我母亲的每一条染色体。此外，所有48条染色体都是完全独立的。即使知道我父亲的第5号染色体来自我的祖父约瑟夫·薛定谔，第7号染色体也有相同的概率要么同样来自我的祖父，要么来自我的祖母玛丽（娘家姓博格纳）。


    18.交换。特性的定位


    根据前面的描述，我们已经默认或者明确表明了，一个特定的染色体作为整体，要么来自祖父，要么来自祖母。换句话说，单个染色体是整个传递下去的。然而，后代中却有更多机会出现祖父母遗传性的混合。事实上，染色体并不是或并不总是整个传递下去的。在减数分裂（比如在父体内的一次减数分裂）中，任何两条“同源”染色体在分离以前彼此紧靠在一起，在此期间，它们有时按照图6所示的方式整段交换。通过这种被称为“交换”的过程，分别位于那个染色体不同部位上的两种特性将在孙儿女那一代分离，孙儿女将会一种特性像祖父，另一种特性像祖母。这种既不罕见也不频繁的交换活动已为我们提供了关于特性在染色体上定位的宝贵信息。若要作完整说明，我们就不得不利用直到下一章才引入的概念（如杂合性、显性等）；不过那将超出这本小书的范围，所以我只谈一下要点。27


    图6 交换。左：接触中的两个同源染色体。


    右：交换和分离以后。


    假如没有交换，由同一条染色体负责的两种特性将永远被一起遗传给下一代，任何后代都不可能接受其中一种特性而不同时接受另一种特性；但是由不同染色体负责的两种特性，将要么以50∶50的机会被分开，要么总是被分开。如果两种特性位于同一祖先的同源染色体上，那就是后一种情况，因为这两条染色体永远不会一起传给下一代。


    交换扰乱了这些规则和机会。因此，在为此精心设计的广泛的繁育试验中，只要认真记录后代特性的百分组成，就可以确定交换的概率。作统计分析时，人们接受了所建议的工作假说，即位于同一条染色体上的两种特性之间的“连锁”被交换打断的次数越少，它们彼此靠得就越近。因为这样一来，在它们之间形成交换点的机会就少了，而位于染色体另一端的特性则会被每一次交换所分离（这也适用于位于同一祖先同源染色体上的特性的重新组合）。凭借这种方法，可以期望根据“对连锁的统计”画出每一条染色体内部的“特性图”。28


    这些预期已经完全得到证实。在经过充分试验的一些事例中（主要是但不仅仅是果蝇），被测试的特性实际上按照不同的染色体（果蝇有4条染色体）分成了不同的组，组与组之间没有连锁。每个组内可以画出特性的直线图，此图定量说明了该组任意两个特性之间的连锁程度，所以这些特性无疑是定位的，而且是沿一条直线定位的，就像染色体的棒状所暗示的那样。


    当然，这里描绘的遗传机制的图式仍然相当空洞和平淡，甚至有些天真。因为我们并没有讲，我们所说的特性到底指什么。把本质上是统一“整体”的有机体模式分割成互不相关的“特性”，这似乎既不恰当，也不可能。对于任何具体事例，我们实际说的是，如果一对祖先在某个明确的方面存在着差别（比如一个是蓝眼，另一个是褐眼），那么在这方面，他们的后代不是继承这一个就是继承另一个。我们在染色体上定位的就是这种差别的位置（专业术语称之为“位点”，如果考虑到其背后假设性的物质结构，可称之为“基因”）。我认为，真正的基本概念是特性的差别，而不是特性本身，尽管这种说法在语言和逻辑上有明显的矛盾。特性的差别实际上是不连续的，我们下一章谈突变时会看到这一点。我希望，迄今所呈现的平淡枯燥的图式那时会显得更为生动和富有色彩。29


    19.基因的最大尺寸


    我们刚才引入了“基因”一词作为某种遗传特征假设性的物质载体。现在要强调两点，这与我们的研究密切相关。第一点是这种载体的尺寸，或者更确切地说，它的最大尺寸；换句话说，我们对它的定位可以达到多小的体积？第二点是从遗传模式的持久性推出的基因的持久性。


    关于尺寸，有两种完全独立的估计，一种是基于遗传学的证据（繁育试验），另一种是基于细胞学的证据（直接的显微镜观察）。第一种估计从原理上讲是非常简单的。就是用上述方法把某一条特定染色体的大量不同（宏观）性状（以果蝇为例）在染色体上定位以后，测量那条染色体的长度并除以性状的数目，再乘以染色体的横截面，就得到了所需的尺寸估计。当然，由于我们只把被交换偶然分离的那些性状看成不同的，所以它们不可能源于同样的（微观的或分子的）结构。另一方面，我们的估计显然只能给出最大尺寸，因为随着工作的进行，通过遗传学分析而分离出来的性状数目一直在不断增加。


    另一种估计，尽管是基于显微镜的观察，其实也远不是直接的估计。果蝇的某些细胞（即它的唾腺细胞）由于某种原因被极度增大了，它们的染色体也是如此。在这些染色体上，你可以分辨出纤丝上深色横纹的密集图案。达林顿（C.D.Darlington）曾指出，这些横纹的数目（在他研究的事例中是2000）虽然要大得多，但与繁育试验得出的位于那条染色体上的基因数约为同一数量级。他倾向于认为，这些横纹带标明了实际的基因（或基因的分离）。在一个正常尺寸的细胞里测得的染色体长度，把它除以横纹的数目（2000），他发现一个基因的体积等于边长为300埃的一个立方体。鉴于这些估计比较粗糙，可以认为这与通过第一种方法获得的尺寸是差不多的。30


    20.小数目


    下面要仔细讨论统计物理学与我所回顾的所有这些事实的关系（或者应该说，是这些事实与把统计物理学应用于活细胞的关系）。不过请注意一个事实，即在液体或固体中，300埃大约只有100个或150个原子距离，所以一个基因所包含的原子肯定不会超过一百万或几百万个。要遗传一种遵循统计物理学（这意味着遵循物理学）的有秩序、有规律的行为，这个数目太小了（从√n的观点来看）。即使所有这些原子都起相同的作用，就像它们在气体或液滴中那样，这个数目也还是太小。基因肯定不是一个同质的液滴，它也许是一个大的蛋白质分子，分子中每一个原子、每一个自由基、每一个杂合环都起着各自的作用，与其他任何一个类似的原子、自由基或环所起的作用多少有些不同。总之，这就是霍尔丹（J.B.S.Haldane）和达林顿等主要遗传学家的意见，我们很快就会谈到非常接近于证明这种意见的遗传学试验。


    21.持久性31


    现在让我们转到第二个密切相关的问题：遗传特性的持久程度有多大，携带它们的物质结构必须因此而具有什么性质呢？


    其实，无须专门研究便可回答这个问题。我们谈到了遗传特性，单凭这个事实就已经表明，我们承认持久性几乎是绝对的。我们不要忘了，父母传给孩子的并不只是某个特别的特征，如鹰钩鼻，短手指，易患风湿症、血友病、二色视等等。我们也许可以方便地选取这些特征来研究遗传规律。然而，遗传下来的实际上是“表现型”的整个（四维）模式，是个体的可见的、明显的本性，它们被复制了好几代而没有什么明显改变，在数个世纪里持久恒定（虽然不能说是数万年不变），在每一次传递中，负载它们的是结合生成受精卵的两个细胞的物质结构。这真是个奇迹。只有一个奇迹比它更伟大，不过是不同层面上的奇迹，如果与我们所说的奇迹密切相关的话。我指的是这样一个事实：虽然我们的全部存在都完全依赖于这种奇迹奇妙的相互作用，但却有能力获得关于这一奇迹的许多认识。把这种认识推进到几乎能完全理解第一个奇迹，我想这是可能的。第二个奇迹则可能超出了人类的理解力。