生命是什麼 · 第三章 突變32

在變幻無常的現象中徘徊的東西，用永恆的思想將其固定。 ——歌德 22.「跳躍式」的突變——自然選擇的工作場地 剛才為論證基因結構的持久性而提出的一般事實，對我們來說也許太過熟悉，以至於不會引起注意或者讓人信服。俗話說，「沒有一個規律沒有例外」，這一次的確如此。如果孩子與父母之間的相似性沒有例外，那麼，我們不僅會失去所有那些揭示出詳細遺傳機制的精彩試驗，而且通過自然選擇和適者生存來形成物種的自然界的規模無比宏大的試驗也不會存在。 我把最後這一重要主題當作展示相關事實的出發點——很抱歉要再聲明一下，我不是生物學家。 今天我們確切地知道，達爾文把即使在最純的種群里也必定會出現的微小的、連續的偶然變異當成了自然選擇的材料，這是錯誤的。因為事實已經證明，這些變異並不是遺傳的。這個事實很重要，值得作簡要說明。如果拿一捆純種大麥，一個麥穗一個麥穗地測量其麥芒的長度，並根據統計結果作圖，那麼你會得到一條鐘形曲線，如圖7所示。該圖顯示了長有明確長度的麥芒的麥穗數與麥芒長度的關係。換句話說，一定的中等長度占優勢，沿兩個方向都會出現一定頻率的偏差。現在挑出一組麥穗（圖中塗黑色的那組），其麥芒長度明顯超過平均長度，但麥穗的數目足以在田裡播種並長出新的作物。倘若對新長出的大麥作同樣的統計，達爾文可能會預期相應的曲線向右移動。換句話說，他會期待通過選擇來增加麥芒的平均長度。但如果使用的是真正純種繁育的大麥品系，就不會是這種情況。從選出來播種的長麥芒麥穗的後代那裡得到的新統計曲線，將與第一條曲線完全相同，如果選擇麥芒特別短的麥穗作種子，情況也是一樣。選擇不會產生影響——因為微小的、連續的變異不被遺傳。這些變異顯然不是以遺傳物質的結構為基礎，而是偶然的。然而在大約40年前，荷蘭人德弗里斯（de Vries）發現，即使在完全純種繁育的原種的後代里，34也有極少數個體（比如幾萬分之二三）出現了微小但卻「跳躍式」的變化。「跳躍式」並不是指這個變化相當大，而是說它不連續，未變與少許改變之間沒有中間形式。德弗里斯稱之為突變。重要的事實是不連續性。這使物理學家想起了量子論——兩個相鄰能級之間沒有中間能量。他會傾向於把德弗里斯的突變論比作生物學的量子論。以後我們會看到，這遠不只是比喻。突變實際上是由基因分子中的量子躍遷所引起的。然而當德弗里斯1902年首次發表他的發現時，量子論才剛剛問世兩年。難怪要由另一代去發現它們之間的密切關聯！33、34 圖7 純種大麥的麥芒長度的統計。塗黑色的那組是選做播種的。 （本圖細節並不是根據實際試驗畫出的，而是僅作說明之用） 23.它們繁育一模一樣的後代即它們被完全遺傳下來 和原始的、未改變的特性一樣，突變也是被完全遺傳下來的。舉例來說，前面講到的大麥的首茬收穫中可能會有少量麥穗的麥芒大大超過圖7顯示的變異範圍，比如完全無芒。它們代表一種德弗里斯突變，將繁育一模一樣的後代，也就是說，它們的所有後代都是無芒的。 因此，突變肯定是遺傳寶庫中的一種變化，不得不用遺傳物質中的某些變化來說明。實際上，為我們揭示遺傳機制的重要繁育試驗，絕大多數都是按照一個預想的計劃，把突變的（或者在許多情況下是多突變的）個體與未突變的或不同突變的個體雜交，然後對後代作仔細分析。另一方面，由於突變會繁育一模一樣的後代，所以突變是達爾文描述的自然選擇的合適材料，自然選擇是通過不適者淘汰、最適者生存而產生物種的。在達爾文的理論中，只需用「突變」來代替他所說的「微小的偶然變異」（正如量子論用「量子躍遷」來代替「能量的連續轉移」）。如果我正確闡釋了大多數生物學家所持的觀點，那麼，達爾文理論的所有其他方面是不需要作什麼修改的。 注13 35 24.定位。隱性和顯性 現在，我們必須再次對突變的其他一些基本事實和概念做出略為教條的評論，而不是直接說明它們如何一個接一個地來源於實驗證據。 可以預期，某個觀察到的突變是由一條染色體在某個確定區域內的一個變化所引起的。的確如此。重要的是，我們確切地知道，它只是一條染色體中的一個變化，同源染色體的對應「位點」上並沒有發生變化。圖8給出了示意圖，×表示突變的位點。當突變個體（往往被稱為「突變體」）與一個非突變個體雜交時，事實表明只有一條染色體受到影響。因為後代中正好有一半顯現出突變體的性狀，另一半則是正常的。可以預期，這是突變體減數分裂時兩條染色體分離的結果，圖9是示意圖。這是一個「譜系」，（三個連續世代的）每一個個體只用相關的一對染色體來表示。要知道，如果突變體的兩條染色體都受到影響，那麼它的所有子女都會得到相同的（混合的）遺傳性，既不同於其父本，也不同於其母本。36 圖8 雜合的突變體。X標明突變的基因。 圖9 突變的遺傳。交叉的直線表示染色體的傳遞，雙線表示突變染色體的傳遞。第三代的未作說明的染色體來自圖中未包括的第二代的配偶。假定這些配偶不是親戚，也沒有突變。 然而，在這個領域進行實驗可不像我們剛才說的那麼簡單。第二個重要事實，即突變往往是潛在的，使之變得複雜了。這是什麼意思呢？ 在突變體中，兩份「遺傳密碼本的副本」不再一樣了；無論如何，在突變的地方是兩個不同的「讀本」或「版本」了。也許應該立即指出，把原始版本看成「正統」，而把突變體版本看成「異端」，這是完全錯誤的，儘管這種看法很有吸引力。從原則上講，我們必須認為它們是同權的——因為正常的性狀也是起源於突變。37 一般而言，實際情況是，個體的「模式」要麼仿效這個版本，要麼仿效另一個版本，這些版本可以是正常的，也可以是突變的。被仿效的版本被稱為顯性，另一個版本則被稱為隱性；換句話說，根據突變是否直接影響到模式的改變，稱之為顯性突變或隱性突變。 隱性突變甚至比顯性突變更為頻繁，而且非常重要，儘管起初它一點也不表現出來。要想影響到模式，兩條染色體上必須都出現隱性突變（見圖10）。當兩個等同的隱性突變體碰巧相互雜交，或者當一個突變體自交時，就能產生這樣的個體；這在雌雄同株的植物里是可能的，甚至會自發產生。稍作考慮即可看到，在這些情況下，後代中約有1/4屬於這種類型，從而明顯表現出突變模式。38 圖10 純合突變體，是從雜合突變體（見圖8）自體受精，或兩個雜合突變體雜交產生的後代中1/4的個體中獲得的。 25.介紹一些術語 為了講清楚問題，這裡需要解釋一些術語。對於我所謂的「密碼本的版本」（無論是原始版本還是突變體的版本），人們已經採用了「等位基因」這一術語。如圖8所示，如果版本不同，我們就說相對於該位點這個個體是雜合的。如果相同，比如非突變個體或者圖10中的情形，就把它稱為純合的。於是，只有是純合的時候，一個隱性的等位基因才會影響到模式。而顯性的等位基因，不論它是純合的還是僅僅是雜合的，都產生相同的模式。 有色對於無色（或白色）來講往往是顯性。例如，只有當豌豆的兩個相關染色體裡存在著「負責白色的隱性等位基因」，即「對白色純合」的時候，豌豆才會開白花；它將繁育同樣的後代，其所有後代都會開白花。但一個「紅色等位基因」（另一個基因是白色的，個體是「雜合的」）將使它開紅花，兩個紅色等位基因（「純合的」）也是開紅花。後面這兩種情況的區別將只在後代中顯示出來，因為雜合的紅色會產生一些開白花的後代，而純合的紅色將只產生開紅花的後代。 兩個個體可能在外觀上很相似，但遺傳性卻不同，這一事實非常重要，我們不妨作一種嚴格區分。遺傳學家說，它們有相同的表現型，但遺傳型是不同的。於是，前幾段的內容可以簡要而專業地概括如下： 只有當遺傳型是純合的時候，隱性等位基因才會影響表現型。 我們偶爾會使用這些專業表述，必要時會再向讀者說明其含義。 26.近親繁殖的有害效應39 只要隱性突變是雜合的，自然選擇對它們當然就不起作用。如果它們是有害的（突變通常都是有害的），由於它們是潛在的，所以不會被消除。因此，大量的不利突變可以積累起來而不立即造成損害。但它們一定會傳遞給一半後代，這非常適用於人、家畜、家禽或我們直接關心其優良體質的任何其他物種。在圖9中，假定一個男性個體（說具體些，比如我自己）是以雜合的狀態帶有這樣一個隱性有害突變，所以它沒有表現出來。假如我的妻子沒有這種突變，那麼我的半數子女也將帶有這種突變，而且也是雜合的。倘若他們又與非突變的配偶結婚（為避免混淆，圖中沒有畫），那麼在我們的孫兒女中，平均有1/4將以同樣方式受到突變的影響。 除非受到同樣影響的個體彼此雜交，否則危害永遠不會明顯表現出來。只要稍作考慮就會明白，當他們的子女有1/4是純合的時候，危害就表現出來了。僅次於自體受精的（只有雌雄同體的植物才有可能）最大危險是我的兒子同我的女兒結婚。他們中每一個人受或不受潛在影響的機會是相等的，這種亂倫的結合中有1/4是危險的，因為其子女當中有1/4將表現出傷害。因此，對於亂倫所生的一個孩子來說，危險因子是1∶16。 同樣，我的兩個（「純血緣的」）孫兒女即堂、表兄妹結合所生後代的危險因子是1∶64。這種機會看起來並不太大，實際上第二種情況通常會被容許。但不要忘了，我們已經分析過祖代配偶（「我和我的妻子」）的一方帶有一個可能潛在損傷的後果。實際上，他們兩人都很可能藏有不止一個這種潛在缺陷。如果你知道自己藏有某種缺陷，那麼在你的8個堂、表兄妹中間，必定有一個也帶有這種缺陷。動植物實驗似乎表明，除了一些比較罕見的嚴重缺陷外，還有很多較小的缺陷，它們的機會結合在一起會使整個近親繁殖的後代衰退惡化。既然我們不再願意用斯巴達人在泰格托斯（Taygetos）山經常採用的嚴酷方式去消滅失敗者，我們就必須特別嚴肅地看待發生於人類的這些事情，對人類而言，對最適者的自然選擇被大大減少了，事實上是轉向了反面。如果說，更原始條件下的戰爭可能還具有使最適合的部落倖存下去的積極的選擇價值，那麼現代大量屠殺各國健康青年的反選擇效應，連這一點理由也沒有了。40 27.一般的和歷史的評述 隱性等位基因在雜合時完全被顯性等位基因所掩蓋，絲毫產生不出可見的效應，這一事實令人吃驚。至少應當提到，這種情況是有例外的。當純合的白色金魚草與同樣是純合的深紅色金魚草雜交時，所有直接後代的顏色都是中間型的，即粉紅色（不是預期的深紅色）。血型是兩個等位基因同時顯示出影響的更重要的例子，但我們這裡無法討論了。如果最終事實證明，隱性可以分成若干種程度，並且依賴於我們用來考察「表現型」的試驗的靈敏度，我是不會感到驚訝的。 這裡也許應當講一下遺傳學的早期歷史。該理論的支柱，即關於親代的不同特性在連續世代中的遺傳規律，尤其是關於顯隱性的重要區別，都應歸功於現在世界聞名的奧古斯丁會修道院院長孟德爾（Gregor Mendel，1822—1884）。孟德爾對突變和染色體一無所知。他在布隆（布爾諾）其修道院花園中用豌豆做試驗。他栽種了不同品種的豌豆，讓它們雜交並觀察它們的第一代、第二代、第三代……等後代。可以說，他是在用他所發現的自然界中現成的突變體做試驗。早在1868年，他就把試驗結果發表在「布隆自然研究者協會」的會報上。當時，似乎沒有人對這個修道士的業餘愛好特別感興趣，當然也沒有人會想到，他的發現在20世紀竟然指引著一個全新的科學分支的方向，它無疑是當今最讓人感興趣的學科。他的論文被遺忘了，直到1900年才由科倫斯（Correns，柏林）、德弗里斯（阿姆斯特丹）和切爾馬克（Tschermak，維也納）各自在同一時間重新發現。41 28.突變作為一種罕有事件的必要性 迄今為止，我們傾向於把注意力集中在有害的突變上，這種突變可能更多一些；但必須明確指出，我們的確也碰到過有利的突變。如果說自發突變是物種發展道路上的一小步，那麼我們就得到了一種印象，即有些變化是冒著可能是有害的因而會被自動消除的風險而偶然做出的「試驗」。由此引出了非常重要的一點。要想成為自然選擇的合適材料，突變必須是罕有事件，就像它實際的那樣。假如突變非常頻繁，以致有很大的機會，比如同一個體內出現了十幾個不同的突變，那麼有害的突變一般會比有利的突變占優勢，物種非但不會通過選擇而得到改良，反而會停滯在沒有改良的狀態，或者消亡。基因的高度持久性導致的相當程度的保守性是至關重要的。我們可以從一個大型製造廠的運作中找到一種類比。為了發展出更好的生產方法，一些革新即使是尚未得到確證，也必須加以試驗。但是，為了確定這些革新究竟會改進生產還是降低生產，有必要在一段時間內只採用一項革新，該廠機制的其餘部分則保持不變。42 29.X射線誘發的突變 現在我們要回顧一系列非常巧妙的遺傳學研究工作，事實將證明，這是與我們的分析最為相關的內容。 用X射線或γ射線照射親代，可使後代中出現突變的百分比，也就是所謂的突變率，比很低的自然突變率增高好幾倍。通過這種方式產生的突變（除數量更多外）與那些自然發生的突變並沒有什麼兩樣，因而人們有這樣的印象，即每一種「自然」突變也可以用X射線誘發。在大量培育的果蠅中間，經常自發產生許多特殊的突變；如第18節所說，它們已在染色體上定位，並且被給予了專門的名稱。甚至還發現了所謂的「復等位基因」，也就是說，在染色體密碼的同一位置，除了一個正常的非突變「讀本」或「版本」以外，還有兩個或兩個以上不同的「版本」或「讀本」；這意味著在那個特殊的「位點」上，不僅有兩種而且有三種或更多種可能選擇，當它們同時出現在兩條同源染色體上的相應位點時，其中任何兩個「版本」之間都有「顯性-隱性」的關係。 X射線產生突變的實驗給人的印象是，每一個特定「轉變」，比如從正常個體變成特殊的突變體，或者從特殊的突變體變成正常個體，都有它自己的「X射線係數」，這個係數表示子代出生以前，用單位劑量的X射線照射親體時，因射線而產生突變的後代的百分數。 30.第一法則。突變是單一事件43 支配誘發突變率的法則是極其簡單和極富啟發的。這裡我依據的是1934年《生物學評論》第9卷上季莫菲耶夫（N.W.Timoféëff）的報告。這篇報告在很大程度上引用了作者本人出色的工作。第一法則是： （1） 突變的增加與射線劑量嚴格成正比，因此確實可以（像我那樣）談及增加的係數。 我們已經很熟悉簡單的比例關係，以致容易低估這一簡單法則的深遠後果。為了理解這一點，我們也許會想到，比如一種商品的單價與其總金額並不總是成比例的。通常，當你在已經買了半打橘子的情況下決定買下整個一打橘子時，店主也許會感激地以低於半打橘子兩倍的價錢賣給你。而當貨源不足時，情況則可能相反。就目前的例子而言，我們可以斷言，雖然輻射的第一個一半劑量比如說引起了千分之一的後代發生突變，但它對其餘後代是沒有影響的，既不使它們傾向於發生突變，也不使它們免於突變。否則，第二個一半劑量就不會正好再引起千分之一的後代發生突變。因此，突變並不是由連續的小劑量輻射相互增強而產生的一種積累效應。突變必定是輻射期間發生在一條染色體裡的單一事件。那麼，這是什麼樣的事件呢？ 31.第二法則。事件的局域化 第二法則回答了這個問題，那就是： （2） 如果在廣泛的限度內改變射線（波長）的性質，從軟的X射線到比較硬的伽馬射線，那麼只要給予同一劑量，係數就保持不變。 劑量是用所謂的倫琴單位來度量的，也就是說，按照照射期間在親體受到照射的那個地方，在恰當選擇的標準物質的單位體積內產生的離子總數來度量劑量。44 之所以選擇空氣作為標準物質，不僅是為了方便，而且是因為有機組織是由平均原子量等於空氣的元素組成的。只要將空氣中的電離數乘以密度比，即可得出組織內電離作用或類似過程（激發）總數的下限。 注14 因此，引起突變的單一事件正是在生殖細胞的某個「臨界」體積內發生的電離作用（或類似的過程），這是很清楚的，而且已經被更關鍵的研究所證實。這一臨界體積有多大呢？可以根據觀察到的突變率，按照以下考慮對它做出估計：如果每立方厘米產生50 000個離子的劑量，使（處於照射區內的）任何一個配子以那種特定方式發生突變的機會只有1∶1000，那麼可以斷定，那個臨界體積，即電離作用要引起突變所必須「擊中」的「靶」的體積只有1/50 000立方厘米的1/1 000，即5 000萬分之一立方厘米。這些數字並不準確，只是用來說明問題而已。實際估計時，我們依據的是德爾布呂克（M.Delbrück）的工作，這是德爾布呂克、季莫菲耶夫和齊默爾（K.G.Zimmer）合寫的一篇論文， 注15 這篇論文也是接下來兩章所要闡述的理論的主要來源。他得出的體積僅僅是邊長約為10個平均原子距離的一個立方體，因此只包括大約103 =1 000個原子。對於這一結果，最簡單的解釋是，如果在距離染色體上某一特定點不超過「10個原子距離」的範圍內發生了一次電離（或激發），那麼就可能產生一次突變。我們後面會更詳細地討論這一點。 季莫菲耶夫的報告包含著一項有實際意義的暗示，我這裡不能不提，儘管它與我們目前的研究沒有什麼關係。在現代生活中，人們有很多機會遭到X射線的照射。眾所周知，它會直接導致燒傷、X射線癌、絕育等等，現在已經用鉛屏、鉛圍裙等作為防護，特別是配給那些經常接觸射線的護士和醫生們。問題是，即使成功防止了對個人的這些直接危險，也還存在著生殖細胞里產生細微的有害突變的間接危險——這就是我們談到近親繁殖的不良後果時所面對的那種突變。說得極端些，儘管可能有些天真，堂表兄妹結婚的危害很可能因為他們的祖母當過長時間的X射線護士而有所增加。雖然個人不必為此而擔憂，但這種不希望有的潛在突變可能逐漸影響人類，卻是社會應該關注的。 45