生命是什麼 · 第二章 遺傳機制19

存在是永恆的； 因為有許多法則保存了生命的寶藏， 而宇宙用這些寶藏裝飾了自己。 ——歌德 11.經典物理學家的絕非平凡的預期是錯誤的 於是我們得出結論，有機體和它所經歷的與生物學相關的全部過程，必須有一種極「多原子的」結構，必須防止偶然的「單原子」事件起到太重要的作用。「素樸物理學家」告訴我們這是必不可少的，這樣有機體才能擁有足夠準確的物理定律，並依照這些定律實現其非常規則和有序的運作。從生物學上說，這些先驗得出的（也就是從純物理的角度得出的）結論如何來符合實際的生物學事實呢？ 初看起來，人們往往認為這些結論很平凡，比如生物學家在30年前也許已經講過這一點了。雖然一個通俗講演者強調統計物理學對於有機體和對於其他方面同樣重要是很合適的，但這一點其實是人所共知和不言而喻的。因為很自然地，任何高等生物的成年個體，不僅它的身體，而且組成它的每一個細胞都包含著「天文數字」的各種單原子。我們觀察到的每一個特定的生理過程，無論在細胞內還是在細胞與周圍環境的相互作用中，似乎都——或者30年前看起來是這樣——包含了如此眾多的單原子和單原子過程，以至於即使按照統計物理學對於「大量數目」的嚴格要求（我方才用√n律說明了這種要求），也能保證物理學和物理化學所有相關定律的有效性。20 今天我們知道，這種觀點是錯誤的。我們很快就會看到，有許多小得不可思議的原子團，小到無法顯示精確的統計學定律，然而在生命有機體內部，它們對於非常有序和有規律的事件確實起著支配作用。它們控制著有機體在發育過程中獲得的可觀察的宏觀性狀，決定著有機體功能的重要特徵；在所有這些情況下，都顯示了非常明顯和嚴格的生物學定律。 我必須先來簡要概述一下生物學特別是遺傳學的狀況；換句話說，對於我並不精通的這門學科，我必須對其目前的知識狀態作一概述。這是沒有辦法的事，我要為我的外行話特別對生物學家表示抱歉。另一方面，請允許我帶著某種教條性向你們介紹流行的觀點。不能指望一個拙劣的理論物理學家能對實驗證據做任何出色的考察，這些實驗證據一方面來自長期積累的、美妙交織在一起的大量繁育試驗，另一方面則來自最精密的現代顯微鏡技術對活細胞的直接觀察。 12.遺傳密碼本（染色體） 我在生物學家所謂「四維模式」的意義上使用有機體的「模式」這個詞，它不僅指成年有機體或任何其他階段有機體的結構和功能，而且指有機體開始繁殖自身時，從受精卵到成年階段的個體發育全過程。現在我們知道，整個四維模式都是由一個細胞即受精卵的結構決定的。我們還知道，它本質上只是由受精卵的一小部分即細胞核的結構所決定的。在細胞的正常「休止期」內，這個細胞核通常顯示為網狀染色質， 注7 分散在細胞內。但在極為重要的細胞分裂（有絲分裂和減數分裂，見下文）過程中，可以看到它由一組通常呈纖維狀或棒狀的被稱為染色體的顆粒所組成，其數目是8個或12個，人是48個。 注8 但我其實應該把這些數目寫成2×4，2×6，……，2×24，……，並且按照生物學家慣常意義上的表述，把它稱為兩套染色體。因為雖然單個染色體有時可以從它的形狀和大小清楚地加以區分和辨認，但這裡的兩套染色體幾乎完全相同。我們很快就會看到，其中一套來自母體（卵細胞），另一套來自父體（精子）。正是這些染色體，或者我們在顯微鏡下看到的染色體的一種軸狀骨架纖絲，把個體的未來發育及其成年期機能的全部模式都包含在某種密碼本中。每一整套染色體都包含有全部密碼；因此一般而言，構成未來個體最初階段的受精卵里包含有密碼的兩個副本。21 在把染色體纖絲的結構稱為密碼本時，我們的意思是說，拉普拉斯曾經設想的那個直接瞭然所有因果關係、洞悉一切的心智，根據卵的結構就能告訴你，在適當條件下這個卵將發育成一隻黑公雞還是一隻蘆花母雞，是長成一隻蒼蠅還是一棵玉米、一株石南、一隻甲蟲、一隻老鼠或是一個女人。我們還可以再補充一點，那就是卵細胞的外觀往往很相似；即使不相似，比如鳥類和爬行動物的卵比較巨大，相關結構上的差別也不像其中營養物質的顯而易見的差別那麼大。22 當然，「密碼本」一詞太狹窄了。因為染色體結構同時也有助於促進它們所預示的卵細胞的發育。它是法典與行政權力的統一，或者用另一個比喻來說，是建築師的設計與建築工人的技藝的統一。 13.身體通過細胞分裂（有絲分裂）而生長 在個體發育 注9 中，染色體是如何行為的呢？ 有機體的生長是由連續的細胞分裂所引起的。這樣的細胞分裂被稱為有絲分裂。考慮到我們的身體是由大量細胞組成的，所以在一個細胞的生命中，有絲分裂並不像有人想像的那樣是經常發生的事件。開始時生長是很快的。卵細胞分裂成兩個「子細胞」（daughter cells），下一步產生4個細胞，然後是8，16，32，64，……等等。正在生長的身體的各個部分中，分裂頻率並非完全相同，那會破壞這些數目的規則性。我們通過簡單的計算便可推出，平均只需50或60次的連續分裂，便足以產生一個成人的細胞數——如果把一生中細胞的更替也考慮進去，那麼就是這個數目的10倍。 注10 所以平均說來，我的一個體細胞僅僅是我所是的那個卵細胞的第50代或第60代「後代」。 14.在有絲分裂中每一個染色體都被複製 在有絲分裂中，染色體是如何行為的呢？它們被複製了——兩套染色體和兩個密碼副本都被複製了。人們已經在顯微鏡下對這個非常有趣的過程做了認真研究，但它過於複雜，這裡無法詳細描述。要點是，兩個「子細胞」中的每一個都得到了與親細胞完全相似的另外兩套完整的染色體。因此，所有體細胞都有完全一樣的染色體。 注11 23 無論我們對這種機制了解多麼少，我們也不能不認為，它一定通過某種方式與有機體的機能密切相關，因為每一個單細胞，甚至是不太重要的單細胞，都擁有密碼本的全套（兩份）副本。不久前，我們在報上看到，蒙哥馬利將軍在非洲戰役中要求把他的全部作戰計劃詳細告知他麾下的每一位士兵。假如事實真是如此（考慮到他的部隊智能化水平高而且可以信賴，可以設想這是真的），這就為我們的例子提供了一個絕妙的類比，在這個類比中，每一位士兵就相當於一個細胞。最令人驚異的事實是，在整個有絲分裂中，兩套染色體始終保持著。這是遺傳機制的突出特徵，對這一規則的唯一偏離最清楚地揭示了這一點。我們現在就來討論這種偏離。 15.減數分裂和受精（配子配合） 個體開始發育之後不久，有一些細胞保留著，以便在發育後期產生出成年個體繁殖所需的所謂配子，至於是精細胞還是卵細胞，則要視情況而定。「保留」是指它們在這一時期不用於其他目的，也只發生很少幾次有絲分裂。還有一種例外的分裂方式被稱為減數分裂，就是在成年階段，這些保留細胞通過減數分裂最後產生了配子，一般只是在配子配合發生以前的很短時間內才有這種分裂。在減數分裂中，親細胞的兩套染色體徑直分成兩組，每一組染色體進入一個子細胞，就是進入了配子。換句話說，像有絲分裂那樣染色體數目的加倍並不發生於減數分裂，染色體的數目是保持不變的，因此每一個配子只收到一半，也就是說，密碼的完整副本只有一個而不是兩個，例如人只有24個，而不是2×24＝48個。24 只有一組染色體的細胞被稱為「單倍體」（haploid，源自希臘詞 ，意為「單一」）。因此，配子是單倍體，通常的體細胞是「二倍體」（diploid，源自希臘詞διπλοῦς，意為「二倍」），有三組、四組……或多組染色體的體細胞的個體則被稱為三倍體、四倍體……、多倍體。 在配子配合中，雄配子（精子）和雌配子（卵子）都是單倍體，因此它們結合形成的受精卵細胞是二倍體。它的染色體組一個來自母體，一個來自父體。 16.單倍體個體25 還有一點需要糾正。雖然這一點對於我們的目的來說並非必不可少，但它的確很有意思，因為它表明，「模式」的相當完備的密碼本被包含在染色體的每一個單組中。 還有一些例子說明減數分裂後並不立即受精，其間單倍體細胞（「配子」）經歷了多次有絲分裂，結果產生了全是單倍體的個體。雄蜂就是這樣，它是孤雌生殖產生的，也就是說，是從沒有受精的卵、因而是從蜂后的單倍體的卵產生的。雄蜂是沒有父親的！它的所有體細胞都是單倍體。如果願意，你可以稱它為一個極度擴大了的精子；事實上，人人都知道，這正好就是雄蜂一生中唯一的職能。然而，這也許是一種荒謬的看法。因為這個例子並不是獨一無二的。許多植物通過減數分裂產生單倍體配子，即所謂的孢子，孢子落在地上，像一粒種子一樣發育成真正的單倍體植物，其大小可與二倍體相比。圖5是我們森林中很常見的一種苔蘚植物的草圖。長有葉片的底部是單倍體植物，叫配子體，因為在其頂端發育了性器官和配子，配子通過相互受精以通常方式產生了二倍體植物，裸露的莖的頂部生有孢子囊。這個二倍體植物被稱為孢子體，因為通過減數分裂，它在頂部的孢子囊中產生了孢子。孢子囊張開時，孢子落到地上，發育成長為有葉片的莖，如此繼續下去。這一事件過程被恰當地稱為世代交替。如果願意，你可以認為人和動物也是如此。不過，「配子體」一般而言是壽命極短的單細胞一代，至於是精子還是卵子要視情況而定。我們的身體相當於孢子體。我們的「孢子」是保留的細胞，這些細胞通過減數分裂產生出單細胞的一代。 圖5 世代交替 17.減數分裂的顯著關聯26 在個體繁殖過程中，真正決定性的重要事件並不是受精，而是減數分裂。一組染色體來自父親，另一組來自母親。無論是機遇還是天命都無法干預這一事件。每一個男人 注12 的遺傳都是一半來自母親，一半來自父親。至於有時是母系占優勢，有時是父系占優勢，那是由於我後面會講到的其他一些原因（當然，性別本身是這種優勢的最簡單例子）。 然而，當你把你的遺傳起源追溯到你的祖父母時，情況就不同了。讓我把注意力集中到我父親的那一套染色體，特別是其中的一條，比如第5號染色體。這條染色體要麼是我父親從他父親那裡得到的第5號染色體的精確複製品，要麼是我父親從他母親那裡得到的第5號染色體的精確複製品。1886年11月在我父親體內發生了減數分裂，並產生了幾天以後對我的出生起作用的精子，究竟是哪一個精確複製品（祖父的還是祖母的）包含在精子裡，機會是50∶50。針對我父親的染色體組中的第1、2、3……、24號染色體，都可重複同樣的故事，如作適當變動，它也適用於我母親的每一條染色體。此外，所有48條染色體都是完全獨立的。即使知道我父親的第5號染色體來自我的祖父約瑟夫·薛定諤，第7號染色體也有相同的機率要麼同樣來自我的祖父，要麼來自我的祖母瑪麗（娘家姓博格納）。 18.交換。特性的定位 根據前面的描述，我們已經默認或者明確表明了，一個特定的染色體作為整體，要麼來自祖父，要麼來自祖母。換句話說，單個染色體是整個傳遞下去的。然而，後代中卻有更多機會出現祖父母遺傳性的混合。事實上，染色體並不是或並不總是整個傳遞下去的。在減數分裂（比如在父體內的一次減數分裂）中，任何兩條「同源」染色體在分離以前彼此緊靠在一起，在此期間，它們有時按照圖6所示的方式整段交換。通過這種被稱為「交換」的過程，分別位於那個染色體不同部位上的兩種特性將在孫兒女那一代分離，孫兒女將會一種特性像祖父，另一種特性像祖母。這種既不罕見也不頻繁的交換活動已為我們提供了關於特性在染色體上定位的寶貴信息。若要作完整說明，我們就不得不利用直到下一章才引入的概念（如雜合性、顯性等）；不過那將超出這本小書的範圍，所以我只談一下要點。27 圖6 交換。左：接觸中的兩個同源染色體。 右：交換和分離以後。 假如沒有交換，由同一條染色體負責的兩種特性將永遠被一起遺傳給下一代，任何後代都不可能接受其中一種特性而不同時接受另一種特性；但是由不同染色體負責的兩種特性，將要麼以50∶50的機會被分開，要麼總是被分開。如果兩種特性位於同一祖先的同源染色體上，那就是後一種情況，因為這兩條染色體永遠不會一起傳給下一代。 交換擾亂了這些規則和機會。因此，在為此精心設計的廣泛的繁育試驗中，只要認真記錄後代特性的百分組成，就可以確定交換的機率。作統計分析時，人們接受了所建議的工作假說，即位於同一條染色體上的兩種特性之間的「連鎖」被交換打斷的次數越少，它們彼此靠得就越近。因為這樣一來，在它們之間形成交換點的機會就少了，而位於染色體另一端的特性則會被每一次交換所分離（這也適用於位於同一祖先同源染色體上的特性的重新組合）。憑藉這種方法，可以期望根據「對連鎖的統計」畫出每一條染色體內部的「特性圖」。28 這些預期已經完全得到證實。在經過充分試驗的一些事例中（主要是但不僅僅是果蠅），被測試的特性實際上按照不同的染色體（果蠅有4條染色體）分成了不同的組，組與組之間沒有連鎖。每個組內可以畫出特性的直線圖，此圖定量說明了該組任意兩個特性之間的連鎖程度，所以這些特性無疑是定位的，而且是沿一條直線定位的，就像染色體的棒狀所暗示的那樣。 當然，這裡描繪的遺傳機制的圖式仍然相當空洞和平淡，甚至有些天真。因為我們並沒有講，我們所說的特性到底指什麼。把本質上是統一「整體」的有機體模式分割成互不相關的「特性」，這似乎既不恰當，也不可能。對於任何具體事例，我們實際說的是，如果一對祖先在某個明確的方面存在著差別（比如一個是藍眼，另一個是褐眼），那麼在這方面，他們的後代不是繼承這一個就是繼承另一個。我們在染色體上定位的就是這種差別的位置（專業術語稱之為「位點」，如果考慮到其背後假設性的物質結構，可稱之為「基因」）。我認為，真正的基本概念是特性的差別，而不是特性本身，儘管這種說法在語言和邏輯上有明顯的矛盾。特性的差別實際上是不連續的，我們下一章談突變時會看到這一點。我希望，迄今所呈現的平淡枯燥的圖式那時會顯得更為生動和富有色彩。29 19.基因的最大尺寸 我們剛才引入了「基因」一詞作為某種遺傳特徵假設性的物質載體。現在要強調兩點，這與我們的研究密切相關。第一點是這種載體的尺寸，或者更確切地說，它的最大尺寸；換句話說，我們對它的定位可以達到多小的體積？第二點是從遺傳模式的持久性推出的基因的持久性。 關於尺寸，有兩種完全獨立的估計，一種是基於遺傳學的證據（繁育試驗），另一種是基於細胞學的證據（直接的顯微鏡觀察）。第一種估計從原理上講是非常簡單的。就是用上述方法把某一條特定染色體的大量不同（宏觀）性狀（以果蠅為例）在染色體上定位以後，測量那條染色體的長度並除以性狀的數目，再乘以染色體的橫截面，就得到了所需的尺寸估計。當然，由於我們只把被交換偶然分離的那些性狀看成不同的，所以它們不可能源於同樣的（微觀的或分子的）結構。另一方面，我們的估計顯然只能給出最大尺寸，因為隨著工作的進行，通過遺傳學分析而分離出來的性狀數目一直在不斷增加。 另一種估計，儘管是基於顯微鏡的觀察，其實也遠不是直接的估計。果蠅的某些細胞（即它的唾腺細胞）由於某種原因被極度增大了，它們的染色體也是如此。在這些染色體上，你可以分辨出纖絲上深色橫紋的密集圖案。達林頓（C.D.Darlington）曾指出，這些橫紋的數目（在他研究的事例中是2000）雖然要大得多，但與繁育試驗得出的位於那條染色體上的基因數約為同一數量級。他傾向於認為，這些橫紋帶標明了實際的基因（或基因的分離）。在一個正常尺寸的細胞里測得的染色體長度，把它除以橫紋的數目（2000），他發現一個基因的體積等於邊長為300埃的一個立方體。鑒於這些估計比較粗糙，可以認為這與通過第一種方法獲得的尺寸是差不多的。30 20.小數目 下面要仔細討論統計物理學與我所回顧的所有這些事實的關係（或者應該說，是這些事實與把統計物理學應用於活細胞的關係）。不過請注意一個事實，即在液體或固體中，300埃大約只有100個或150個原子距離，所以一個基因所包含的原子肯定不會超過一百萬或幾百萬個。要遺傳一種遵循統計物理學（這意味著遵循物理學）的有秩序、有規律的行為，這個數目太小了（從√n的觀點來看）。即使所有這些原子都起相同的作用，就像它們在氣體或液滴中那樣，這個數目也還是太小。基因肯定不是一個同質的液滴，它也許是一個大的蛋白質分子，分子中每一個原子、每一個自由基、每一個雜合環都起著各自的作用，與其他任何一個類似的原子、自由基或環所起的作用多少有些不同。總之，這就是霍爾丹（J.B.S.Haldane）和達林頓等主要遺傳學家的意見，我們很快就會談到非常接近於證明這種意見的遺傳學試驗。 21.持久性31 現在讓我們轉到第二個密切相關的問題：遺傳特性的持久程度有多大，攜帶它們的物質結構必須因此而具有什麼性質呢？ 其實，無須專門研究便可回答這個問題。我們談到了遺傳特性，單憑這個事實就已經表明，我們承認持久性幾乎是絕對的。我們不要忘了，父母傳給孩子的並不只是某個特別的特徵，如鷹鉤鼻，短手指，易患風濕症、血友病、二色視等等。我們也許可以方便地選取這些特徵來研究遺傳規律。然而，遺傳下來的實際上是「表現型」的整個（四維）模式，是個體的可見的、明顯的本性，它們被複製了好幾代而沒有什麼明顯改變，在數個世紀裡持久恆定（雖然不能說是數萬年不變），在每一次傳遞中，負載它們的是結合生成受精卵的兩個細胞的物質結構。這真是個奇蹟。只有一個奇蹟比它更偉大，不過是不同層面上的奇蹟，如果與我們所說的奇蹟密切相關的話。我指的是這樣一個事實：雖然我們的全部存在都完全依賴於這種奇蹟奇妙的相互作用，但卻有能力獲得關於這一奇蹟的許多認識。把這種認識推進到幾乎能完全理解第一個奇蹟，我想這是可能的。第二個奇蹟則可能超出了人類的理解力。