孟德尔：孤独的天才(上)

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1、 孟德尔：孤独的天才（上） 作者：饶毅博士（ 北京大学终身讲席教授、生命科学学院院长）为坚持智力追求，不惜放弃其天伦之乐；在学术群体外围，做出科学的核心发现； 用数学分析生物，成功地进行学科交叉；十年一系列实验，一篇论文开创新学科。 他孤立于当时的科学界，做出奠基性突破却终生未被学界承认；他的工作几十年后尚不为同一学科第二重要的科学家、诺贝尔奖得主所理解；他发现的貌似简单的理论，即使在今天多数学过的人，都没意识到其智力高度；他不是为利益做研究的纯粹科学家，身后却被疑造假，再遭遇不公。这位孤独的天才，就是自称为“实验物理学教师”的遗传学之父：孟德尔（Johann Gregor Mendel，18

2、22-1884）。我认为，生物学有两座智力高峰：第一次是1854年至1866年孟德尔独自一人；第二次是1951年至1965年克里克(Francis Crick)及其合作者们。两个高峰碰巧相隔一百年。今天重读孟德尔的论文，追寻孟德尔的思路，思考孟德尔的环境，仍然很有意义。孟德尔的论文和思路 由于同时代理解孟德尔科学工作重要性的人极少，他的遗物保留下来的很少。孟德尔最重要的遗物是一篇遗传学论文。与此相关，他还有一篇遗传学论文以及给一位植物学家的10封信。他的主要论文显示了清晰的思路，有助于我们追踪科学是如何在一个头脑中诞生的。 孟德尔的时代，人们对遗传的认识还很粗浅，基本认同“混合遗传”（blen

3、ding inheritance）学说：遗传是“黑+白=灰”，父母的黑和白简单融合得到子代的灰。此学说未被正式提出和论证，是一个普遍接受的、朴素的、以为不证自明的规律。而孟德尔不以为然，他设计实验，通过锲而不舍的研究，发现了与此不同的学说。从1854年开始，孟德尔用豌豆做了一系列遗传学实验，时间长达十年。他于1865年公布所发现的遗传学规律，并于次年以德文在布鲁恩自然史学会杂志发表了论文植物杂交的实验（Versuche ber die Pflanzen-Hybriden）。 从孟德尔的文章，我们可以体会他如何做研究：发现重要问题，提出解决问题的途径，设计实验思路，进行实验研究，得到结果，分析结

4、果，提出前人没有想到的理论，进一步实验，得到更多可以分析的结果， 推广理论， 证明理论。孟德尔的论文由十一部分组成。 在“引言”部分，孟德尔简要回顾以往研究后，立即明确提出问题：无人成功地提出过对杂交体形成和发生普遍适用的规律。他指出前人做过不少杂交实验，但未得到普遍规律是因为所需的工作不仅量大，而且较难。孟德尔认为需要考虑到：规模要相当大；具有不同型的杂交后代要定量分析；在不同代间要准确地知道不同型之间的关系；要确切地分析它们之间的相对数量关系。 他写道：需要勇气花力气做大量实验，但这是唯一正确的道路，才能最终解决重要的问题。本文就是仔细研究的结果，进行了八年的工作，基本方面都有结论。孟德尔

5、说的八年，是他收集论文所用数据的八年。其实，此前，他做了两年实验，选择最佳材料。所以实际上，在发表论文以前进行了十年。十年实验后，又隔两年才发表论文。论文发表后，他还用其他植物做过几年研究。在“实验植物选择”部分，孟德尔指出：“任何实验的价值和用处取决于所用材料是否符合其目的，所以选什么植物和怎么做实验并非不重要必须特别小心地选择植物，从开始就避免获得有疑问的结果。”他选的植物首先具有恒定的分化特征；其次，在进行杂交的时候不会受到外来花粉的污染；另外，每一代杂交后代生殖力不能变。孟德尔所谓“分化特征”现在称为“性状”（如高矮、颜色）；他的“恒定”是指同一性状在不同代之间不变；他注意避免外来花粉

6、污染，怕不确切知道父本，研究结果无从分析；他还注意代间生殖力无变化，减少在性状数量分析时的干扰。后人认为，为了选择到合适的实验材料，孟德尔有可能考虑过二十多种植物。孟德尔说他因为花形状的奇异而试了豆科（Leguminosae），后决定用豌豆（Pisum）。对所用豌豆的确切生物学分类，孟德尔并不是很确定，说“专家意见”说大多数是Pisum sativum，还有几种，不过他明确指出分类对其研究并不重要。用豌豆还有论文中没说明的、实验操作的优点：既能自花授粉，又能异花授粉，较易人为控制。1854年和1855年，孟德尔试过34种不同的豌豆。在孟德尔为数不多的遗物中，有一张1856年购买豌豆的订单。 在

7、“实验分工和安排”中，孟德尔对所研究的性状进行了选择：他选择成对的性状，研究他们在代间的传递规律。这些性状可以在代间稳定遗传，且易于识别和区分。他选了7对性状：种子形状（平滑或皱褶）、种子颜色（黄或绿）、豆荚颜色（黄或绿）、豆荚形状（鼓或狭）、花色（紫或白）、花的位置（顶或侧）、茎的高度（长或短）。其中孟德尔描述花色是“灰、灰褐、皮革褐，和天鹅绒-红”， 后人简称紫和白。对应于7对性状，孟德尔安排了7个实验。实验一用15株植物做了60次授粉；实验二用10株植物做了58次授粉；实验三用10株植物做了35次授粉；实验四用10株植物做了40次授粉；实验五用5株植物做了23次授粉；实验六用10株植物做

8、了34次授粉；实验七用10株植物做了37次授粉。 所有实验，孟德尔都进行了双向杂交：一对性状中，如种子颜色的黄和绿，既做过父本黄、母本绿，也做过父本绿、母本黄，他发现亲本来源不影响这些性状的传代。 在“杂交体的外形”部分，他进一步说明了对性状的选用。他专门选择子代性状一定相同于父本或母本的性状，而不是介于父母之间、或其他变异。孟德尔知道豌豆有些性状居于父母母本之间，而不等同于父本、或母本，例如，在论文第八部分，他发现杂交体的开花时间介于父母本之间。孟德尔决定不研究它们。他研究的7对性状，每对中必定有一种传到下代，而一对性状的两种在后代不会变化，也不会永远消失。孟德尔明确这样选择的重要性。 孟德

9、尔的选择简化了分析从而可以得出有意义的结论。比如我们近年知道，有几十个基因决定人的高矮，子代高矮是父母几十个基因及其含有的更多多态性综合结果，另外还有环境因素（如食物）等，如果谁在一百年前研究人身高的遗传，就很难得出简单的规律，这并非人类高矮不符合孟德尔遗传规律，而是很难进行分析。 他认识到性状有显隐之分，发明了“显性”（dominant）和“隐性”（recessive）两个词。当父本母本分别是不同性状（如黄和绿），而他们杂交子代只显现一种性状（黄）时，孟德尔称显现的一种（黄）为显性、没有显现的（绿）为隐性。他指出，隐性在杂交体一代看不见，但在杂交体后代可以完全不变地重新显现。进一步的实验表明

10、：显性隐性与父本母本来源也无关。 他确定了7对性状的显隐性：种子形状平滑为显而皱褶为隐、种子颜色黄为显而绿为隐、豆荚颜色黄为显而绿为隐、豆荚形状鼓为显而狭为隐、花色紫为显而白为隐、花的位置顶为显而侧为隐、茎的高度长为显而短为隐。 我们现在知道，其实在两年的预实验中，孟德尔实际上得到了纯合子。虽然当时并无纯合子和杂合子的概念，他本人也未明确这样说，但如果不以纯合子开始实验，分析结果也会复杂化。一个半世纪前的实验结果 在孟德尔所谓“杂交体来的第一代”实验结果部分，我们稍需改变他的称呼，以方便叙述。他开始用的一代，我们现在称为F0代。他所谓“杂交体”，我们现在称F1代。他称“杂交体来的第一代”，现称

11、F2代。 我们可以看到，他用不同表型的两种F0代亲本间授粉得到的F1代均表现显性的性状，比如，豌豆种子分别为平滑和皱褶的F0代父母本授粉得到的F1代的豌豆种子都是平滑的，没有皱褶的。接着，他让F1代自花授粉，得到F2代，发现隐性（如皱褶）没有因为在F1代不表现而永远消失，它重新出现在F2代。进一步数量分析表明，在F2代，显性对隐性呈3:1的比例。孟德尔强调，3:1比例毫无例外地适用于所有（7对）性状。“任何实验中都没有过渡型式”。其中，实验一发现：从253株F1代杂交体得到7324颗F2代种子，其中5474颗平滑，1850颗皱褶，比例为2.96:1。实验二发现：258株F1代植物产生了8023

12、颗F2代种子，其中6022颗种子黄色，2001颗绿色，比例为3.01:1。孟德尔还分析每个豆荚内种子形状和颜色是否有关，不同植物是否有关，结果认为都无关。他指出如果算的植物少了，比例漂移很大；如果昆虫损害了种子，也会影响对性状的确定。 从实验三到实验七，他列出了其他5对性状的传代结果，发现7对性状平均显隐比例为2.98:1。他看到了规律：F1代100%为显性；F2代隐性重现，而且有规律，显隐比例3:1。孟德尔知道隐性没有在F1代不表现而消失，所以知道混合学说不对。至此，他已经超出一般人，而他还继续迈出了下一步，探究比例背后的意义，这就远远超过了同时代的伟大科学家。 孟德尔在看到3:1的比例后，

13、他分析在F2代显性的性状可以有两种意义，它可以是F0的“恒定”性状，或F1代的“杂交体”性状。只能用F2代再做一代实验来检验是哪种状况。他预计，如果F2和F0一样，那么其后代性状就应该不变，而如果F2代类似F1杂交体状态，那么其行为与F1相同。 由此，引出孟德尔下一年的实验，即他所谓“杂合体来的第二代”（我们现称F3代）部分结果。他发现，表现隐性性状的F2代，传F3代后其性状不再变化（总是隐性表型）。而表现显性的F2代，其F3代结果表明：2/3的F2代是杂交体（其F3代出现3:1的显性和隐性），而另外1/3的F2代其F3代都是显性表型。例如，实验一：193株F2代只生平滑种子，372株F2代生

14、平滑和皱褶的种子（平:皱为3:1）。也就是说，F2代中杂交体与恒定的比例为1.93:1；实验二：166株F2代只生黄色种子，353株F2代生黄和绿种子（黄:绿为3:1），F2代的杂交体与恒定的比例为2.13:1。从实验三到实验七算其他五种性状时，他没有每次都全部算后代性状，而只分析100株植物的后代，结果有漂移但大体相似。他说计算数量大的实验一和实验二更有意义。实验五漂移最大，他重复了一次，数字更趋接近预计比例。这样，孟德尔将F2的3:1中的3，进一步分成2和1。3:1就被分解成1:2:1（显性恒定:杂交体:隐性恒定)。 在F3代后，他还做了几代“杂交体后几代”，发现结果都符合F3代前所发现的

15、规律，“没有察觉任何偏移”。到发表论文时，实验一和二做了六代，实验三和七做了五代，实验四、五、六做了六代。可以算出，他用豌豆做了17610次授粉。 这时，孟德尔又再迈进了一大步：数学模型。生物学研究用数学的较少。即使是今天，虽然有些生物学家非常需要定量，但绝大多数生物学研究者关心数量只在乎升高、降低和不变。孟德尔以数量分析、定量不同表型的植物，从而发现3:1的规律，继而推出和验证1:2:1的规律，已经使他成为成功运用数学的先驱。在此基础上，孟德尔进一步用了数学模型。这就超出不仅那时、甚至包括今天绝大多数生物学研究者。他提出，用A表示恒定的显性，a表示恒定的隐性，Aa表示杂合体。那么就有：A+2

16、Aa+a。他观察到的F2代1:2:1就符合这个数量关系（杂合性状为2，显性和隐性恒定性状皆为1）。 分别分析单个性状传代情况后，孟德尔研究了不同对的性状间是否有关系。在“几个分化性状相关联杂交体的后代”部分，孟德尔发现7对性状之间完全独立。比如种子是平滑还是皱褶，与种子是黄色还是绿色毫无关联。总结这部分实验结果，孟德尔说：每对不同性状之间的关系独立于亲本其他不同（性状）。 后人好奇，为什么孟德尔做的7对性状都无关？如果有些基因在染色体较近位置的话，会有一定关联。现在知道，他做的7对性状，其基因分别在5条染色体上，而在同一染色体上的两对正好分别在染色体上相距很远的位置。 孟德尔在发现各对性状独立传代后，他在文章中可能