發(fā)現(xiàn)神奇比例——孟德爾

在歐洲的許多建筑里，為了紀(jì)念有特殊貢獻(xiàn)的人，常用這些人的名字命名：如法蘭克福的歌德廣場，薩爾斯堡的莫扎特廣場等。同樣，在原捷克斯洛伐克的中部摩拉維亞首府布爾諾有一個孟德爾廣場。這個廣場既是遺傳學(xué)的發(fā)祥地，也是現(xiàn)代生物科學(xué)的發(fā)祥地。孟德爾就是眾所周知的遺傳學(xué)創(chuàng)始人。

他正是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了遺傳中的神奇比例而成為流傳千古的著名科學(xué)家。

艱難的求學(xué)之路

1822年7月22日，伴隨著一陣嬰兒的啼哭聲，又一個男孩降生在欣溪澈村一個普通的農(nóng)戶家中，懷著無比高興的心情，父母為他起名叫孟德爾。

孟德爾小的時候就聰明可愛，特別好動。他不愿總是呆在家中，經(jīng)常讓父母帶他到農(nóng)田中。趁父母在田中干活，他自己認(rèn)真數(shù)著一棵棵小麥的葉子數(shù)，或是在田埂上采摘著不同的小野花，聞聞它們的不同香味，然后興高采烈地向父母匯報(bào)一番，在得到表揚(yáng)后就高興地眨眨眼睛開心地仰起笑臉。

欣溪澈村有一所與眾不同的小學(xué)校，除上課識字外，教師還要在農(nóng)田里教學(xué)生果樹栽培和飼養(yǎng)蜜蜂，到了上學(xué)年齡的孟德爾就在這所學(xué)校就讀。初嘗讀書樂趣的孟德爾對課本特別鐘愛，不僅學(xué)到了許多書本知識，而且因在同齡人中出類拔萃深受老師的喜愛。在老師的指導(dǎo)下他學(xué)到了不少動植物方面的知識?？是笾R的孟德爾，轉(zhuǎn)眼已到了結(jié)業(yè)的時候了，可雙親還沒有告訴送他到高一級學(xué)校讀書的事，孟德爾心中著急，常常晚上睡不好覺。有一天晚上，剛剛想睡覺的孟德爾被父母親的講話聲所驚醒。

母親羅辛娜對父親安托說：“眼看小孟德爾就已經(jīng)八歲了，我們應(yīng)該考慮讓他更換學(xué)校了。”

“應(yīng)該是應(yīng)該，可是……”父親安托憂慮地說。

“可如果不讓小孟德爾繼續(xù)上學(xué)，那只能讓他和我們一樣當(dāng)一輩子農(nóng)民，受一輩子窮；而且他自己是那么渴望繼續(xù)上學(xué)，看到如今他那失去笑容的小臉，我心中很難過。”母親辛酸地對父親說，聲音有些哽咽。

“那讓我再考慮考慮，你應(yīng)該休息了。”父親一邊安慰母親，也一邊思考著。他想到了家里的實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況和小孟德爾艱辛求學(xué)的身影，考慮到自己耕田的后繼者，他沒有輕易同意這種想法。

后來，觀察到少年孟德爾非凡才能的班主任老師馬基塔三番兩次地勸說孟德爾的父親，建議務(wù)必讓孟德爾到高一級的學(xué)校去學(xué)習(xí)，父親安托為了讓兒子脫離開艱苦的農(nóng)民生活，為了孟德爾的將來，終于下決心讓孟德爾繼續(xù)上學(xué)。

在1833年，11歲的孟德爾終于如愿以償?shù)剡M(jìn)入了皮亞里斯特爾學(xué)校的三年級學(xué)習(xí)；一年后孟德爾以班級最高的成績和“優(yōu)秀”、“超群”等評語轉(zhuǎn)入特羅保的高等中學(xué)去求學(xué)。

離開父母的孟德爾，小小年紀(jì)就已經(jīng)開始嘗試獨(dú)立生活的滋味。他在離學(xué)校不遠(yuǎn)的地方租了一間最便宜房間，每天認(rèn)真地學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、拉丁語、地理、歷史、希臘語、宗教等各門課程，而且經(jīng)常晚上借著微弱的燭光如饑似渴地讀著從學(xué)校圖書館借來的自然科學(xué)書籍。因家境貧窮，孟德爾總是把生活費(fèi)省了又省，吃著父親隔幾天從村子里送來的面包和少量奶油。有一次早上正在上數(shù)學(xué)課，同學(xué)們都在認(rèn)真聽講，兩天才吃了一個面包的孟德爾，對平時一聽就懂的數(shù)學(xué)怎么也難以集中精力，只覺得老師的身影在講臺上搖啊搖，忽然眼前金星亂晃，身子往旁邊一歪就倒在了地上。老師和同學(xué)趕緊把他送到醫(yī)院，經(jīng)檢查才知道是饑餓所至。就是在這樣艱苦的條件之下，孟德爾抱著對知識的渴望，對學(xué)習(xí)從來沒有懈怠過，終于以優(yōu)異的成績完成了六年的中學(xué)學(xué)習(xí)。

孟德爾

中學(xué)畢業(yè)后的孟德爾被推薦到阿羅本茨大學(xué)的哲學(xué)院去學(xué)習(xí)哲學(xué)、物理學(xué)、博物學(xué)等。阿羅本茨的生活使孟德爾更體會到了人生的艱難。他必須自己籌措學(xué)費(fèi)，于是他找到了一個家庭教師的工作，但是過度勞累、饑餓和營養(yǎng)不足，使他終于病倒了，這時他不得不輟學(xué)一個學(xué)期，返回故鄉(xiāng)的小村莊去休養(yǎng)。到了秋天才又回到阿羅本茨去上學(xué)。

大學(xué)畢業(yè)后，孟德爾經(jīng)導(dǎo)師推薦到布爾諾修道院成了一名從事自然科學(xué)的修道士，在院長納普的幫助下，孟德爾又先后到布爾諾哲學(xué)院去進(jìn)修了農(nóng)學(xué)課程，去維也納大學(xué)留學(xué)學(xué)習(xí)了動物分類學(xué)、植物形態(tài)學(xué)、植物分類學(xué)、高等數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等課程；這使他意識到植物學(xué)對闡明遺傳法則有著極其重要的作用，學(xué)到了物理學(xué)嚴(yán)密的思維方式，掌握了當(dāng)時一些先進(jìn)科研方法。正是這些為他發(fā)現(xiàn)神奇的比例奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

神奇比例的發(fā)現(xiàn)

為什么“種瓜得瓜、種豆得豆”？為什么“一母生九子，九子又各不同”？為什么每種植物都有區(qū)別于別種植物的獨(dú)特特征，它們是否由某種法則決定著，那個法則又是什么呢？從維也納大學(xué)留學(xué)歸來的孟德爾時常被這些問題困擾著。

孟德爾有一個習(xí)慣，每天晚飯后就穿著神父的便服，在自己心愛的小植物園里一邊散步，一邊思考問題，每當(dāng)這時，這個小小的植物園便把孟德爾帶入了對往事的回憶中。

早在1840年，致力于生物學(xué)研究和發(fā)展農(nóng)業(yè)的納普院長在同年召開的全德農(nóng)業(yè)學(xué)會上當(dāng)選為主席，面對著來自全歐洲300多名學(xué)者，納普說：“形成雜種并改良品種的方法需要很長的年月，這是因?yàn)椴涣私馍锏倪z傳法則，所以我們無論如何有必要闡明遺傳的法則?！庇谑撬谛薜涝汉竺娼ǔ闪诉@個小植物園，并指定植物學(xué)家克拉謝爾修道士主持這項(xiàng)研究工作。后來孟德爾一到修道院就參與了這項(xiàng)研究，并不斷地接受克拉謝爾的啟蒙，認(rèn)真地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)所需的植物專門知識。克拉謝爾廣博的知識，不僅在生物學(xué)，還在巖石礦物、力學(xué)、社會學(xué)、哲學(xué)等方面的知識也給了孟德爾很大的影響。但剛剛與孟德爾相處一年的克拉謝爾因投身于民族獨(dú)立的愛國運(yùn)動而不得不終止這項(xiàng)研究，并建議納普院長讓孟德爾接管這個小園子，繼續(xù)從事研究。臨別之時，克拉謝爾勉勵他，“你一定會成功！”這句話時時回響在孟德爾的耳邊，成為他不斷奮斗的動力，也鞭策著他向前人未知的領(lǐng)域邁進(jìn)。

后花園

結(jié)束散步的孟德爾，收起對往事的回憶，回到自己房間的書桌旁，苦苦思考著實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作。因?yàn)樵陂_始進(jìn)行自然研究之際，僅糊里糊涂地做實(shí)驗(yàn)是毫無意義的。首先必須考慮好要解決什么問題，用什么做材料，采用什么樣的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及如何處理其結(jié)果等。這些事都要事先計(jì)劃好并根據(jù)這種方案來開展研究?，F(xiàn)在，自己準(zhǔn)備選擇豌豆作實(shí)驗(yàn)材料對不對呢？兩年多來的往事歷歷在目。

兩年前，年輕的孟德爾剛從維也納大學(xué)歸來，精力旺盛，來不及休整就投入到自己的研究工作中。關(guān)于實(shí)驗(yàn)材料，他考慮了豌豆、菜豆、玉米、紫茉莉、水楊梅、山柳菊、毛蕊花、金魚草、樓斗菜、鼠類、蜜蜂等幾十種，但還是舉棋不定。通過查閱有關(guān)資料，翁格爾的著作給了他極大的啟示。翁格爾確信植物的任何一種特性都保存在細(xì)胞之中，并通過以豌豆為代表的七百種植物進(jìn)行了一萬次的交配實(shí)驗(yàn)，獲得了258個雜交品種，也得到了和父本、母本完全不同的雜交品種。

這樣，孟德爾決定和助手一起選取豌豆為材料。助手不解地問孟德爾：“您為什么要選擇豌豆？”

“實(shí)驗(yàn)植物必須至少具備三個條件：第一，具有不同的穩(wěn)定特征，而豌豆的葉子形狀有圓形和皺形，子葉顏色有黃色和綠色，花的顏色有紅色和白色，這一條符合了?！泵系聽柾ｎD了一下，加重語氣解釋：“第二，在實(shí)驗(yàn)材料的雜交種開花時，要考慮到別的植物花粉不能與之交配或采用人工的方法有效防止交配，這一點(diǎn)特別重要，而豌豆的雌蕊被其花瓣所包圍，即使傳粉時節(jié)不套袋遮蔽，別的植物的花粉也難以從外面進(jìn)入；第三，雜種及其子代在莊稼成熟方面沒有顯著的障礙，這種情況豆科植物因花的結(jié)構(gòu)特殊可以避免。與其他植物相比，豌豆有明顯的優(yōu)勢?！?/p>

通過解釋，孟德爾消除了助手的疑慮。于是，他們從種子商那里買來了34種不同的豌豆種子。經(jīng)過兩年的測試，他們從中選取了22個穩(wěn)定的品種作為實(shí)驗(yàn)材料，這些品種都在它們的自花受粉形成的子代中表現(xiàn)出相同的特征。

四年的辛勤勞動換來的豌豆作材料是否真的合適？孟德爾又查看了英國人奈特，英國人戈斯和格特納的論文，這些以豌豆為實(shí)驗(yàn)材料的論文又一次證明了豌豆是個好材料。老前輩克拉謝爾的“你一定會成功的”話語再次使孟德爾信心倍增?！皩?，就以豌豆為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行研究?！泵系聽枏臅狼凹拥卣酒饋恚麛嗟卮舐曊f。這時已經(jīng)是1856年的一個深夜了。

科學(xué)的實(shí)驗(yàn)來不得半點(diǎn)虛假和懶惰。每年從春天到秋天，他天天全神貫注地監(jiān)視著試驗(yàn)，認(rèn)真記錄著自己觀察到的豌豆的七個相對性狀，并且督促助手也認(rèn)真記錄結(jié)果，自己與他進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)觀察結(jié)果不同，就重新觀察，確保所觀察記錄結(jié)果的準(zhǔn)確性。有一次，生了重病的孟德爾已兩天未吃東西了，虛弱的他連站起來都比較困難，可到了觀察時間，他硬是讓另兩個同事架著他到試驗(yàn)田中觀察記錄，直到昏倒在地上。正是這種堅(jiān)韌不拔的精神使孟德爾積累了大量寶貴的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

面對八年時間積累起來的眾多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具備扎實(shí)數(shù)學(xué)和物理功底的孟德爾沒有被紛繁無序的數(shù)據(jù)所困擾。他不僅吸取了前人妄圖一步登天的失敗教訓(xùn)，而且天才地采取了由簡到繁，循序漸進(jìn)的研究方法，并且精密地采用了統(tǒng)計(jì)方法來分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他決定先從一個性狀著手研究，在弄清一個性狀的規(guī)律后再研究兩三個性狀的規(guī)律。

對照、比較繁多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，孟德爾看到具有一相對性狀的甲、乙兩個品種進(jìn)行正、反交時，即不論是以甲做父本，還是以乙做母本，它們?nèi)慷急憩F(xiàn)出了同樣的結(jié)果。就拿高莖豌豆與矮莖豌豆間的雜交為例來說，不論是以高莖作母本，矮莖作父本或是以矮莖作母本，高莖作父本，它們雜交后全部的第一代個體，全部表現(xiàn)為高莖。以后子一代自交結(jié)的種子所長出的植株，除了大多數(shù)仍表現(xiàn)高莖外，又重新出現(xiàn)了少數(shù)矮莖。這是矮莖性狀在子一代里仿佛暫時被隱藏了起來，直到子二代，它又重新出現(xiàn)。于是，孟德爾把那些雜交后在子一代中所顯現(xiàn)的性狀，如高莖、紅花、黃色子葉等叫做顯性性狀；把那些在子一代中暫時不出現(xiàn)，到子二代中方才重新出現(xiàn)的性狀，如矮莖、白花、綠色子葉等叫做隱性性狀。這樣孟德爾發(fā)現(xiàn)了性狀的顯與隱，但它們之間是否存在什么內(nèi)在關(guān)系呢？

于是孟德爾采用統(tǒng)計(jì)分析的方法對子二代兩種不同類型的個體數(shù)目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，這時他發(fā)現(xiàn)了一個令人驚異的結(jié)果，那就是這兩種類型的個體數(shù)都毫無例外地呈現(xiàn)出一特有的比例——顯性個體占3/4，隱性個體占1/4。先看種子形狀吧。子二代中顯性性狀圓形的共有5474株，隱性性狀皺形的共有1850株。兩者間的比例為2.96∶1，它十分接近于3∶1。再來看一下子葉的顏色，子二代中顯性性狀黃色的共6022株，隱性性狀綠色的共有2001株。兩者之間的比例為3.01∶1，它也十分接近3∶1。孟德爾驚異之余，接著又一鼓作氣地完成了其他5個性狀的雜交實(shí)驗(yàn)。奇怪的是在這些試驗(yàn)里接二連三地都在子二代中出現(xiàn)了同一個神奇的比例3∶1。孟德爾驚喜地把這個結(jié)果告訴了助手，助手不信，又把子一代、子二代甚至于子三代的數(shù)據(jù)認(rèn)真計(jì)算了一下，結(jié)果是兩種類型個體間無一例外地出現(xiàn)了那個神奇的比例3∶1。

“子一代總是全部出現(xiàn)顯性性狀，而子二代又總是毫無例外地出現(xiàn)顯性性狀與隱性性狀間3∶1的神奇比例，這可能是偶然的巧合吧？”助手仍然用疑問的語氣對孟德爾說。

“不，絕對不可能。”孟德爾堅(jiān)定地說，“我認(rèn)為這種情況的發(fā)生應(yīng)當(dāng)是意味著它本身就是一種遺傳上的普遍規(guī)律性?！?/p>

“然而出現(xiàn)這種神奇比例的原因是什么呢？”助手又一次問道。

“是啊，原因是什么呢？”孟德爾又一次深深陷入了思考之中。

許多天來，孟德爾茶飯不思，夜不能寐，冥思苦想可總是不能找到圓滿的答案。有一天，疲倦的孟德爾索性丟開了生物方面的資料，隨手拿了一本化學(xué)書，忽然道爾頓的原子說吸引了他，原子說的主要見解是：各元素是由各個具有一定性質(zhì)和質(zhì)量的原子所構(gòu)成的，這些原子相結(jié)合而形成化合物，另外化合物被分解時，原子并不失去其原來的性質(zhì)而游離出來，而且在A和B兩種元素相化合形成兩種以上的化合物時，在各個化合物中，對一定量的A元素，B元素的量成簡單的整數(shù)比。舉個簡單的例子來說，氧原子和氫原子化合而成水，可是水分解后所產(chǎn)生的氧原子和從前的氧原子是完全相同的，而且氧氫之比為1∶2。這個學(xué)說一下子扣住了孟德爾的心弦，“如果將原子置換成遺傳因子來看待生物又如何呢？”孟德爾眼前一亮，又重新思考起神奇比例的由來。

DNA分子雜交示意圖

又經(jīng)過幾天的思考、歸納、整理，孟德爾終于找到了原因，他驚喜地把助手叫來告訴他：“我認(rèn)為，首先生物的每一相對性狀是由一對‘因子’來決定的，相對性狀有顯隱性之分，我把顯性用D表示，隱性用d表示，如果是純親本則為DD或dd，而在雜種子一代Dd中，D和d互不影響地共存。由于雜種子一代Dd在產(chǎn)生生殖細(xì)胞時，D與d只是互相分開，不會丟失，這樣一來，如果有一個生殖細(xì)胞里含有D，那就必定還有一個生殖細(xì)胞里含有d。因而不論是雌性生殖細(xì)胞，還是雄性生殖細(xì)胞，應(yīng)當(dāng)都有含D與d的兩種，而且它們在數(shù)量上應(yīng)當(dāng)相等，各占1/2。以后到受精時，兩種數(shù)目相等的分別含有D與d的精與卵隨機(jī)相遇，這將結(jié)合成為DD，Dd，dD與dd四種合子，它們將各占后代總數(shù)的1/4。DD，Dd，dD都表現(xiàn)為高莖，故占總數(shù)的3/4，而dd表現(xiàn)為矮莖，占總數(shù)的1/4。這就是神奇比例3∶1的由來?！?/p>

后來，根據(jù)這神奇的比例，孟德爾總結(jié)出了帶有根本性的遺傳規(guī)律——分離定律和自由組合定律，這些定律就像一盞明燈一樣，照亮了近代遺傳學(xué)的發(fā)展途徑，也為現(xiàn)代的生物工程奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

是金子總會發(fā)光

1865年，歷經(jīng)8年累積起來的實(shí)驗(yàn)成果公之于世的時刻終于來臨了，2月8日和3月8日孟德爾分兩次在布爾諾自然科學(xué)會的例會上向40多位植物學(xué)家、化學(xué)家、博物學(xué)家們宣讀了他的論文，但人們對于新奇的雜交結(jié)果及其有規(guī)律的神奇比例越聽越難于理解，講演完后誰也沒有對此提問題，也沒有進(jìn)行任何討論，只是默默地向黑夜的街頭散去。但是孟德爾沒有氣餒，他把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容寫成長45頁的論文發(fā)表在第二年的《布隆自然科學(xué)協(xié)會會刊》的第四卷上，并命名論文為《植物雜交的實(shí)驗(yàn)》。

孟德爾的理論超越了當(dāng)時學(xué)者所能接受的水平。當(dāng)時是融合遺傳的觀點(diǎn)占統(tǒng)治地位，認(rèn)為父母雙親的遺傳特性在子代中融合在一起，呈現(xiàn)中間類型，像一杯墨水和一杯清水混合在一起，以后的世代中也不會有明顯的分離現(xiàn)象。而孟德爾的理論認(rèn)為遺傳是由遺傳因子決定的，控制各種性狀的遺傳因子在遺傳中互不沾染，這是完全不同于融合遺傳的一種顆粒性遺傳的觀點(diǎn)。另外，孟德爾用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法來分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也超越了當(dāng)時學(xué)者所能接受的水平。孟德爾本人對這一點(diǎn)也有一定的認(rèn)識，他給他的朋友植物學(xué)家內(nèi)格利寫信時說：“我知道我所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不容易同我們當(dāng)代的科學(xué)知識相容的，既然如此，發(fā)表這樣孤立的試驗(yàn)就是加倍危險(xiǎn)的！”

孟德爾對自己的論文未得到承認(rèn)并不氣餒，仍然一如既往地工作和學(xué)習(xí)，并堅(jiān)信“我的時代，即將到來。”

是金子總會發(fā)光，事隔35年后，即1900年，三位植物學(xué)家各自獨(dú)立地經(jīng)過多年的植物雜交工作，獲得了與孟德爾35年前所發(fā)表的同樣結(jié)果。整個生物界被轟動了，人們奔走相告，被埋沒了35年的論文終于得到了世界的承認(rèn)，孟德爾的名字也突然顯赫于世，從此生命科學(xué)誕生了具有真正意義的遺傳學(xué)科，孟德爾的論文閃爍著無窮的智慧之光。

只有人們的社會實(shí)踐，才是人們對于外界認(rèn)識的真理性的標(biāo)準(zhǔn)。真理的標(biāo)準(zhǔn)只能是社會的實(shí)踐。

——毛澤東