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传承与创新(1)教师节忆大师:拉马克、孟德尔、达尔文、摩尔根

已有 2669 次阅读 2021-9-8 21:30 |系统分类:人物纪事

传承与创新(1)教师节忆大师:拉马克、孟德尔、达尔文、摩尔根

传承不易,创新更难。

孟德尔提出了亲子代间的遗传规律。

结婚生子,把基因传递下去,就是照本宣科,一代一代传递下去,有无偏差?

动物传递方式千变万化,如母的把公的干掉,而公的还愿死勇往,无怨无悔?

孟德尔遗传,一个龙生龙,凤生凤的模式,社会学意义就是家族概念!                 

表观遗传来了,所谓一母生百般,一个指头有长短,也是一个家族的概念!

传承是本能!偏差就是创新!

 

生物学有两座智力高峰:第一次是1854年至1866年孟德尔独自一人完成。

1.  拉马克

2.  达尔文

3.  孟德尔

4.  贝特森

5.  摩尔根

 

1.  拉马克

法国生物学家拉马克(Jean Baptiste Lemarck,1744~1829)继承和发展了前人关于生物是不断进化的思想,大胆鲜明地提出了生物是从低级向高级发展进化的学说。达尔文在《物种起源》中曾多次引用拉马克观点。拉马克作为进化论的先驱者,肯定了环境对物种变化的影响。1801年,拉马克的《无脊椎动物的分类系统》问世,书中第一次提出了生物进化的思想,首创了“脊椎动物”和“无脊椎动物”的概念,并且首次引进了“生物学”(biology)一词。在1809年出版的《动物学哲学》中,拉马克系统地阐述了他的进化学说,提出了两个著名的法则:一个是用进废退,一个是获得性遗传(图1)。

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图1. 拉马克毕生辛勤工作,著述颇丰,但同时也遭遇了种种不幸。其中,拉马克曾举荐的晚辈居维叶,

在其做大之后却恩将仇报,处处打击这位观点与之有异的前辈。

韩愈《师说》:巫医乐师百工之人,不耻相师。士大夫之族,曰师曰弟子云者,则群聚而笑之。

问之,则曰:“彼与彼年相若也,道相似也。位卑则足羞,官盛则近谀。”呜呼!师道之不复

可知矣。巫医乐师百工之人,君子不齿,今其智乃反不能及,其可怪也欤!

拉马克的获得性遗传——认为物种演化是由于父母的行为。虽然整体来看他在演化理论上明显走在了大家前面,可是这一事实却让他不幸成为了坏科学和糟糕演化理论的典型代表。虽然拉马克在达尔文提出自然选择理论之前很久便已去世,他还是不由自主地成为那个时代最伟大科学家的陪衬,拉马克死后好像比死前过得更艰难了。

其实,第一个观察到表观遗传现象的人是瑞典植物学家卡尔•林奈CARL LINNAEUS,1707-1778) (图2),1999年,英国植物学家Enrico Coen,发现被卡尔•林奈称作“怪兽”的这种植物的Lcyc基因中核酸甲基化导致基因完全关闭,扰乱了花的外观。他们还证明这种甲基化能通过种子遗传给后代(图3)。拉马克卡尔•林奈工作的区别(图4)。

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图2. 瑞典植物学家卡尔•林奈的观察

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图3. 英国植物学家Enrico Coen的工作

2013年5月9日,《细胞》以封面文章的形式特别报道,斑马鱼与人类的基因相似度高达85%,研究结果证明,在斑马鱼中除了DNA可以从父母传递到子代外,精子的DNA甲基化图谱也可以被遗传到子代中,并用于指导胚胎早期发育。

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图4 拉马克卡尔•林奈工作的区别

2.  达尔文

经过多年的探索,达尔文(1809.2.12~1882.4.19)逐渐形成了一个系统的进化思想:生物界本来就存在着个体差异,在生存竞争的压力下,适者生存,不适者被淘汰;物种所保留的有利性状在世代传递过程中逐渐变异,经过性状分异和中间类型消失便形成新种。达尔文《物种起源》论证了两个问题:第一,物种是可变的,生物是进化的;第二,自然选择是生物进化的动力。其核心思想是,后代的性状存在可遗传的微小变异,当这些变异对个体的生存有优势时,就会被自然保存下来,那些没有优势的个体就会慢慢被淘汰,简言之就是“物竞天择,优胜劣汰,适者生存”。当这些微小变异积累到一定程度,就会形成新的物种,即进化。但是,这些微小变异是如何发生的?又是如何稳定遗传下去的?也就是说,达尔文进化论的自然选择学说需要理论基础来证实“遗传”和“变异”是如何发生的?(图5)

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图5 达尔文一生感谢和尊重两位导师,一个是汉斯罗,一个是赖尔。大学期间的老师是葛兰特

(Robert Edmund Grant),一位拉马克主义的拥护者。由于达尔文的父亲认为他“不务正业”,

一怒之下于1828年送他到剑桥大学改学神学,希望他将来成为一个“尊贵的牧师”。

荀子劝学:青,取之于蓝,而青于蓝。冰,水为之,而寒于水。

拉马克用进废退指经常使用的器官就发达,不用会退化,比如长颈鹿的长脖子就是它经常吃高处的树叶的结果。获得性遗传指后天获得的新性状有可能遗传下去,如脖子长的长颈鹿,其后代的脖子一般也长(图6)。

拉马克的获得性遗传理论曾得到广泛质疑,特别是“中心法则”的提出被认为是对获得性遗传的彻底否认,也同时从根本上否定了适应的遗传与进化意义。有人甚至用中国人小脚女人出生的孩子,也没有生出小脚女人来否认拉马克的获得性遗传理论。直到表观遗传学研究的兴起,人们才重新审视拉马克的进化理论,包括“用进废退”和“获得性遗传”(图3)。

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图6  两种世界观的对话

达尔文与拉马克两种世界观的对话,如果不了解这个争论背后的历史,你可能不会理解为什么表观遗传会遇见如此多的阻力——并不止来自对实验结果的怀疑,还有径直针对该领域研究的抗拒——这些抗拒背后也许既有真心不相信,也有职业的神经敏感。

 3.  孟德尔

达尔文进化论着力说明了个体变异的来源,例如,他举例说白色父亲和黑色母亲的孩子是灰色的。但他不知道这些变异特征是如何稳定遗传下去的?

孟德尔之前,许多植物学家也想知道个体性状遗传的规律,包括达尔文,但都陷于困境中。孟德尔先后进行了8年的豌豆实验,并且结果可以重复。孟德尔从豌豆的杂交实验中得出了“颗粒”(当是还没有基因这个概念)遗传的正确结论。他证明遗传物质不融合,在繁殖传代的过程中,可以发生分离和重新组合(图7)。

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图7  孟德尔的论文

孟德尔的工作得益于在维也纳大学深造受到相当系统和严格的科学教育和训练,也受到杰出科学家们的影响,如多普勒(物理学家),依汀豪生(数学家和物理学家),恩格尔(细胞学家)。特别是依汀豪生,从他那里学到了组合数学,因而使孟德尔成为用数学研究生物的先驱,也是交叉学科应用成功的典范(图8)。

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图8 修道院纳泊(František Cyril Napp,1792-1867)院长,长期无私的支持孟德尔,才使孟德尔在正确但孤独的道路上用数学分析生物,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。 如果说有一个人是孟德尔伯乐的话,无疑就是纳泊。

荀子劝学:学莫便乎近其人(学习的途径没有比亲近良师更便捷的了)。学之经莫速乎好其人(崇敬良师是最便捷的学习途径)

韩愈《师说》:圣人无常师。孔子师郯子、苌弘、师襄、老聃。郯子之徒,其贤不及孔子。孔子曰:三人行,则必有我师。是故弟子不必不如师,师不必贤于弟子,闻道有先后,术业有专攻,如是而已。

韩愈《马说》:世有伯乐,然后有千里马。千里马常有,而伯乐不常有。

孟德尔发现了生物遗传的基本规律(分离定律和自由组合定律)之后,摩尔根(现代实验生物学奠基人)等人进而提出连锁和交换定律,全面揭示了遗传的基本规律。

孟德尔和摩尔根(T.H.Morgan)的工作为达尔文进化论的自然选择学说提供了理论基础和实验依据(图9)。

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图9   孟德尔遗传学和达尔文进化论的结合

拉马克生前学生后辈恩将仇报,死后也是处处受到打击。相反,孟德尔生前有一个伯乐---修道院纳泊院长,死后也有一个伯乐,遗传学开拓者──贝特森(W.Bateson,1861-1926),他让孟德尔扬名于世(图10)。1900年,荷兰植物学家德弗里斯 (H.de Vries) 、德国植物学家科伦斯 (C.Correns) 以及奥地利植物学家丘歇马克 (E.von.S.Tschermak) 透过各自独立的杂交实验,终于揭开孟德尔遗传定律重新发现的帷幕(图11)

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图10  孟德尔遗传定律的重新发现,在当时的科学界似乎并未引起多大的回响。孟德尔学说的迅速传播,以及遗传学的真正崛起,

归功于第一代遗传学家,英国的胚胎学家贝特森  。他透过动植物的杂交实验,肯定了孟德尔遗传定律,还发现不同于孟德尔遗传

定律的一些“例外”现象。他创立了许多重要的遗传学概念,使孟德尔真正扬名于世。因此,贝特森被称为遗传学的早期倡导者和奠基人。

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图11  1900年的春天,遗传学史上发生了一件引人注目的重大事件,被埋没长达35年的孟德尔论文终于重见天日。

孟德尔遗传定律的重新发现,意味着遗传学作为独立科学分支的诞生。

 4.  贝特森

作为一个长期致力于进化、变异和遗传研究的科学家,贝特森比前三位再发现者,更加深刻地认识到孟德尔工作的重要意义。通过他的观察和实验表明,透过杂交可以出现多种不连续变异的组合,为生物进化提供了变异来源。因此,在不同场合的演讲中,出席会议的学者们才了解孟德尔豌豆杂交实验所揭示的遗传规律。1901年,贝特森率先把孟德尔的论文《植物杂交试验》由德文译成英文,并加以评注发表在英国皇家园艺学会的杂志上。也正是这篇译文,使孟德尔的发现首先引起了英语系国家的注意,进而在世界各地产生了巨大的回响。然而,以韦尔登为代表的学术界权威们,激烈反对贝特森的演讲,并著文贬低、鄙视孟德尔。包括 Nature 在内,几乎所有杂志都不刊载孟德尔观点的文章。贝特森被迫以私人出版物的形式,于1902年发表了《捍卫孟德尔遗传原理》的檄文。他竭尽全力支援孟德尔的遗传理论,坚持不连续变异在进化过程中具有重要作用。

包括德弗里斯、科伦斯、丘歇马克、贝特森、赫斯特 (C.Hurst) 、罗克 (R.H.Lock) 、达比肖 (Darbishire) 等在内的各国生物学家相继进行大量动植物的杂交实验,大多都得到了与孟德尔实验相似的结果,从而证实了孟德尔遗传定律的普遍意义,孟德尔学说才被越来越多的人所认识。因此,发生在20世纪初期遗传学史上,贝特森与韦尔登所进行的争辩,最终以贝特森胜利而宣告结束。1909年,贝特森出版了《孟德尔的遗传原理》。书中详细地记载了他的关于单个性状的遗传实验,并全文转载了孟德尔的经典文献《植物杂交试验》。该书的出版,对遗传学的发展起了促进作用。

贝特森为传播孟德尔遗传理论所做出的贡献,完全可以称得上是孟德尔遗传规律的第四位发现者。正是贝特森透过坚持不懈的努力,才使孟德尔从默默无闻的神父成为众所周知的遗传学奠基人(图10,11)。

1906年,贝特森在用香豌豆进行的杂交实验中发现,紫花和红花、长形花粉和圆形花粉这两对相对性状,其比例却不符合孟德尔的9:3:3:1,这个重要的“例外”现象,在第一次发现时,本想发表发现新遗传规律,由于种种原因,没能去探究新发现的例外。也没有考虑到性状的连锁遗传中可能有互换现象的发生,仅试图从狭隘的传统中去寻找答案。这样,做出了不朽评论“珍惜你的例外吧!”的贝特森,最后终于被自己所发现的例外现象所迷惑。结果并没有给予理论上的任何解释。

虽然新的遗传定律的发现与贝特森等人失之交臂,但是这个明显不同于孟德尔自由组合规律的“例外”,却被后来的遗传学家深入研究,并提供了重要的启示。

 5.  摩尔根

1912年,美国遗传学家摩尔根解开了贝特森的迷惑。摩尔根和他的学生在果蝇的白眼和红眼、黄体和褐体这两对相对性状的遗传实验研究中,发现了与当年贝特森在香豌豆杂交实验中同样的遗传现象。摩尔根牢牢地抓住了这个例外,并通过一系列精密设计的杂交实验,运用染色体理论,成功解释这种“例外”的原因,从而揭示出第三个遗传规律──连锁互换律,并奠定了细胞遗传学的基础(图12)。

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图12 发现遗传学第三定律 :“连锁与互换定律”,即遗传的染色体理论

摩尔根的伟大之处在于力排众议,把遗传学三大定律命名为孟德尔遗传,并书写《孟德尔遗传学原理》专著。这种在思想上的继承、发扬和创新令人敬佩(图13)!


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图13   摩尔根的成就,完全可以和达尔文、孟德尔媲美

摩尔根认为自己的成功来自四个条件:运气好,实验材料选用得当,怀疑一切,勤学苦干。事实上,摩尔根不但自己是一位伟大的遗传学家,他还是一位极其出色的老师。在他的周围聚合了一群才华出众的学生。同达尔文和孟德尔相比,摩尔根在培养人才上遥遥领先:他的学生中有两人获得诺贝尔奖(Hermann Joseph Muller,George Wells Beadle)。他们聪明能干,既善于独立开展工作,又有集体主义精神。他总是能把握好一个原则:指出好的方向,吸引优秀的人才,然后培养出更优秀的人才(图14)

摩尔根善于发现人才,不计较别人的背景和学历。在实验室里,他营造出一种平等的氛围,鼓励学生自由探索。他慷慨地向其他科研人员免费寄送果蝇品种,因此今天研究果蝇的科研人员都愿意和同行免费分享果蝇、自制抗体等试剂。

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图14 摩尔根起初倾向于物种不变的观点,在对原始社会进行了长期、深入的研究之后,改变了原来的看法。

1871年他与达尔文会面后,彻底地接受了进化论,并进一步提出了人类社会进化的学说。

韩愈《师说》:生乎吾前,其闻道也固先乎吾,吾从而师之;生乎吾后,其闻道也亦先乎吾,吾从而师之。吾师道也,

夫庸知其年之先后生于吾乎?是故无贵无贱,无长无少,道之所存,师之所存也。

摩尔根的一个学生斯特蒂文特曾经这样描述实验室里的情形:“我们是一个集体。每人都有他自己的实验要做,但谁对别人正在做什么都了如指掌,对每一项新的结果都自由讨论。我们不大管谁的实验是优先的课题,我们也不大在乎一种新的想法或新的解释是谁最先想到的。” 《遗传学的先驱——摩尔根评传》记载“欧洲来的第一个博士后研究生O.L.莫尔的妻子托维•莫尔为她看到的第一个场面大为震惊。她走进买验室时,看见斯特蒂文特(摩尔根的学生)这小子斜倚在椅子上,嘴里叼着烟斗,双脚翘在桌子上面,正在大声地同摩尔根争论。”凡是在摩尔根手下工作过的人,谁都不会不提及摩尔根费了多少心血培养年青人以及他对人的平易与友善。

从孟德尔到DNA 发现,到中心法则(第二次生物学智力高峰是1951年至1965年克里克及其合作者们,两个高峰碰巧相隔一百年),到基因组含有两类遗传信息(图15):一类是传统意义上的遗传信息,即DNA序列所提供的遗传信息 ----孟德尔遗传; 一类是表观遗传学信息,它提供了何时,何地,以何种方式去应用遗传信息的指令 ----表观遗传。

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图15 基因组含有两类遗传信息

现在知道表观遗传含有四层含义:

1.可遗传的,即这类改变可通过有丝分裂或减数分裂,能在细胞或个体世代间遗传;

2. 是基因表达的改变,

3. 没有DNA序列的变化或不能用DNA序列变化来解释,

4. 与DNA改变所不同的是,许多表观遗传的改变是可逆的,这就为疾病的治疗提供了乐观的前景对基因组而言不 仅仅是基因序列包含遗传信息,而且其修饰也可以记载遗传 信息,这种在 基因组水平上研究表观遗传修饰的 领域称为表观基因组学(epigenomics)。


荀子劝学:积土成山,风雨兴焉;积水成渊,蛟龙生焉;积善成德,而神明自得,圣心备焉。故不积跬步,无以至千里;不积小流,无以成江海。骐骥一跃,不能十步;驽马十驾,功在不舍。锲而舍之,朽木不折;锲而不舍,金石可镂。蚓无爪牙之利,筋骨之强,上食埃土,下饮黄泉,用心一也。

 

主要参考文献



https://wap.sciencenet.cn/blog-526326-1303406.html

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2 李宏翰 郑永军

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