孟德尔为什么要选择豌豆(孟德尔对豌豆都做了些什么)
孟德尔为什么要选择豌豆(孟德尔对豌豆都做了些什么) 孟德尔只好改做植物的研究,开始在花园里种植豌豆。 他让野生的褐色小鼠和白色小鼠杂交,再观察后代皮毛色的变化。这事情让当地的主教知道了,主教觉得禁欲的修道士怎么可以从事这种玩弄交配的实验,就出手阻止。 格雷戈尔·孟德尔(Gregor Johann Mendel,1822年7月20日-1884年1月6日),奥地利生物学家。在Brunn(今捷克的布尔诺)的修道院担任神父,是遗传学的奠基人。他通过豌豆实验,发现了遗传学三大基本规律中的两个,分别为分离规律及自由组合规律。布尔诺奥古斯丁修道院,孟德尔创立现代遗传学的地方 起初,孟德尔本来选来做遗传研究的不是豌豆,而是小鼠。
孟德尔被称为遗传学之父,他通过豌豆实验,揭示了大自然的遗传法则,他用行动去追寻着生命的真相。
在一百多年前,人们还对上帝充满了信任,认为是神创造了整个世界,孟德尔作为一个神职人员,是如何走上这条反叛之路的呢?
如果豌豆可以靠自己的遗传因子就复制下去,那神的意志如何体现呢?
想来真是有意思,也许这是另一种神谕,是另一种命定,是另一种科学无法给出解释的偶然。
格雷戈尔·孟德尔(Gregor Johann Mendel,1822年7月20日-1884年1月6日),奥地利生物学家。在Brunn(今捷克的布尔诺)的修道院担任神父,是遗传学的奠基人。他通过豌豆实验,发现了遗传学三大基本规律中的两个,分别为分离规律及自由组合规律。
布尔诺奥古斯丁修道院,孟德尔创立现代遗传学的地方
起初,孟德尔本来选来做遗传研究的不是豌豆,而是小鼠。
他让野生的褐色小鼠和白色小鼠杂交,再观察后代皮毛色的变化。这事情让当地的主教知道了,主教觉得禁欲的修道士怎么可以从事这种玩弄交配的实验,就出手阻止。
孟德尔只好改做植物的研究,开始在花园里种植豌豆。
对此,孟德尔曾经如此说:“虽然我不得不吧研究对象有动物改成植物,但是有一件事主教大概不知道,植物也是经由交配产生下一代!”
大约这种反叛精神,深植于孟德尔的大脑中,他想要真相,才不在乎什么主教的忠告。
他是抱着怎么样的信念?我们从他发表的论文中的论述可以看出来,他说:“花卉的人工育种交配中,杂种颜色出现的显著规律性,其中应该隐藏着大自然的法则。”
所以,孟德尔是抱持着寻找大自然法则的信念出发。
和其他做相同尝试的科学家(例如达尔文)比较,他使用的是前所未有的研究策略。他把定量或然率的分析方法带入遗传学的研究,分析各种特征出现在子代中的数目和频率,完全不理会这些特征是如何产生。
也就是说,他完全不在乎豌豆花是白色还是紫色;他只在乎白花的子代有多少,紫花的子代有多少。
花色生理学这个黑盒子,他完全跳过去不理会。
不过豌豆的实验杂务还是不能避免。豌豆是一年生的植物,一个生长周期是一年,所以他做实验很花时间。此外,豌豆是雌雄同花,会自花授粉。也就是说同一朵花的雄蕊会用花粉让雌蕊内的卵受精。
孟德尔要进行杂交实验,就要避免自花授粉。
他必须把花朵中未成熟的雄蕊预先切除,避免授粉;然后再从其他植株花朵中的成熟雄蕊取下花粉,进行授粉。
这样子一朵一朵花地进行杂交工作。
八年来,他总共进行了大约两万八千株豌豆的杂交。
孟德尔从种子商人取得34个不同品种的「纯种」豌豆,具有各种不同的性状特征,有的是植株高矮不同,有的是花朵颜色不同,有的是豆子形状不同等。最重要的是这些品种都是纯种的,也就说紫花的品种自我授粉之后得到的后代也都是紫花,不会变;白花品种自交的后代也都是白花,不会变。
孟德尔花了两年的时间证实这些品种都是纯种。
纯种的豌豆才适合拿来进行杂交实验。
他的研究策略相当简单,就是先杂交两株特征不同的纯种豌豆,观察子代的特征,统计不同特征的后代的数目,然后尝试在这些数据中寻找出一个规律来。
这是一种纯数学的分析,但相当有效。
孟德尔首先交配圆豆子的纯种和皱豆子的纯种。这样的交配后得到的第一代子代(称为F1)都是圆豆,没有皱豆,也没有半圆半皱的。这个现象,不管哪个品种是父系,哪个品种是母系,结果都一样。
孟德尔测试了其他六组特征,也都得到同样的结果,就是F1都只出现一个亲代的特征,另外一个亲代的特征都不见了。
这个现象,已故的著名植物学家格特纳(Karlvon Grtner)就发现过。格特纳是植物杂交研究的先驱,曾做个七百多种植物的杂交研究。孟德尔熟读他的著作,在日后自己的论文中也提到他高达17次之多。达尔文在《物种起源》中也提到他32次。
这些F1的结果是孟德尔所预期的。当他让F1豌豆互相交配得到第二代子代(称为F2),他发现那些消失的亲代特征又出现了。
这个特纳也发现过,所以孟德尔并不讶异。
显然这些特征不是真的消失,而是隐藏在F1中,到了F2才重新出现。孟德尔称这些重现的特征为「隐性」,另一个出现在F1的特征為「显性」。他说,当二者同时存在一个个体(譬如F1)的时候,显性的特征比较强势,会盖过隐性的特征。隐性的特征并没有消失,它只是被遮盖住,它还是会出现在后代(F2)。
孟德尔发现了这七对呈现显隐性关系的特征:
1.圆豆是显性,皱豆是隐性。
2.黄色的豆仁是显性,绿色的豆仁是隐性。
3.灰色的豆皮是显性,白色的豆皮是隐性。
4.饱满的豆荚是显性,不饱满的豆荚是隐性。
5.未成熟豆荚绿色的是显性,黄色的是隐性。
6.花朵腋生(长在侧边)是显性,花朵顶生(长在顶上)是隐性。
7.高茎是显性,矮茎是隐性。
孟德尔更进一步注意到具有显性特征的F2,占所有F2子代大新3/4:具有隐性的特征的F2佔大约1/4。
显性是隐性的三倍。
这个有趣的比例,在这七对特征的杂交实验都出现。
七个实验得到的倍数分别是2.96、3.01、3.15、2.95、2.82、3.14、2.84,平均值2.98。
他认为这些都代表3:1的比例。
他对这个比例很有信心,因为这些数据都是根据几百到几千个F2子代计算的。当时现代统计学还没有出现,孟德尔就注意到,如果样本的数目很小(只有几十个)的话,计算出来的比例就波动很大,从1.9到4.9。这是不可避免的统计学误差,所以他都以几百到几千个样本做计算。
这3:1是暗示什麼意思呢?那表现隐性特征的1/4,显然它们是只携带隐性特征的纯种,没有问题。那表现显性特征的3/4,有的可能是纯种(只携带显性的特征),有的可能是杂种(同时携带显性和隐形的特征)。
为了澄清这个,孟德尔就让它们自交,再观察下一代(F3)。纯种F2自交产生的F3会都像亲代,没有变化;杂种F2自交产生的F3会有变化。
前述圆豆和皱豆株产生的565株圆豆F2自交后,发现有193株是纯种,有373株是杂种。纯种和杂种F2的比例是193:373,接近12。他在其他六组特征的F2中,也都得到相同的结果,就是纯种和杂种 F2的比例都接近12。
根据这些结果,原本的3:1的比例就可以转换为12:1的比例。孟德尔在维也纳皇家帝国大学的数学教育中就遇过这个比例,出现在「二项分布」。所谓「二分」的观念,早在1713年就由瑞士数学家白努利(Jacob Bernoulli)首先提出,是分析机率以及排列组合的利器。孟德尔在维也纳上大学时候的老师物理学家艾丁斯豪森,就以精通排列组合学而闻名于世。最简单的二项分布,即可解释孟德尔观察到的3:1和12:1比例。
(A a)²=(A a)(A a)=A² 2Aa a²
这个方程式代表从A与a两种族群中取样两次,所能够得到的组合的分布。譬如,A代表生男孩,a代表生女孩,这个方程式就表示生两个小孩可能得到的各种组合。AA是生两个都是男孩,aa是生两个都是女孩,Aa表示一男一女。后者有两个可能,先男后女或先女后男,所以是2Aa。这个方程式各项的系数的比例1:2:1,就是生两男:生一男一女:生两女的机率的比例。
孟德尔用二项式来说明他实验观察到的结果。这些结果也可以用方阵图解,就是把A和a当做长度。(A a)就是一个宽和高都是A a的正方形的面积。从图解就可以看到这个面积,可以分解成一个A2、一个a,和两个Aa。日后,英国的遗传学家庞尼特(Reginald Punnett)发明用这样的方格来说明(图1-6)。这个比较容易懂的方式就一直为遗传教科书所使用至今,称为「庞氏方格」。
孟德尔在论文中则用这样的方式解释他的分析:
于是,孟德尔下结论说,从亲代到子代的遗传,特征分配到子代的方式是独立进行,互不相干。豆子顏色特征特徵的分配不会受圆皱特征的干扰,反之亦然。后人称这个理论為「孟德尔的独立分配律」。
就这样,孟德尔完成了豌豆遗传的理论。
他最重要的理论基础有二,其一是性状特征的「显性」和「隐性」的关系,其二是他排列组合的数学分析。植物杂交种出现显隐性现象,早在大约四十年前就有人观察到,也是在豌豆上看到。但是,没有人想到把它与数学分析结合起来,鳌清杂交遗传的原理。
孟德尔的分析中,他所研究的豌豆特征是什么其实不重要。它们从花园中的观察,变成纸上的符号。豌豆为什么是圆的或皱的,为什么是黄色或绿色,也都不重要。在分析中,它们只是不同的数学符号。也就是说,孟德尔完全不理生理学的黑盒子,只在乎数学。从简单的3:1以及9:3:3:1的数学关系,就推演出遗传学的基本原理。这是天才的成就,也是一项空前的创举,为未来的遗传学建立了定量分析的传统。
一百多年过去了,我在一个普通的夏日,在广州市图书馆看到了孟德尔的照片,丰神玉立、让人动容。
孟德尔为自然科学奉献了一生,但这一生却充斥着孤寂与蔑视,他一生辛苦所取得的研究成果却无人问津甚至被埋没。他的理论发表35年后,才开始得到认可和承认,而此时孟德尔已经去世16年了。
许多艺术家生前默默无闻,死后作品却大放异彩甚至被拍出天价,有些科学家也如此,他们都是超越了自己的时代,用精神探索和引领着人类的进步,他们的贡献将永远为历史所铭记。