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你和爸媽像嗎?遺傳學的誕生!來自一個曾沒人理的研究

2021/11/30  
  

文 /《生命之鑰:諾貝爾獎得主親撰 一場對生命奧祕的美麗探索》 保羅.納斯爵士(Sir Paul Nurse)

 

編按:筆者是知名遺傳學家和細胞生物學家,致力於控制細胞複製的研究工作,也就是所有生物生長和發展的基礎。於2001年獲頒諾貝爾生理學/醫學獎(Nobel Prize in Physiology or Medicine),同時也是阿爾伯特.愛因斯坦世界科學獎、拉斯克獎與皇家學會科普利獎章的獲獎者。

 

在本書中,保羅.納斯用優美、詼諧的語調幫讀者上了一堂生物學簡史,引領我們思考科學家長久以來追尋的生命之謎,讓讀者彷彿身歷其境、穿梭在各個時代的實驗室裡,感受那些科學發現過程的挫敗和欣喜。並除了學術理解,更希望帶給讀者哲學性的思考能力。

 

我有兩個女兒和四個孫子,他們所有人都極為與眾不同。比方說,我其中一個女兒莎拉是一名電視製作人,另一個女兒艾蜜莉是物理學教授。但她們有些特徵還是會和彼此、和她們的孩子或我與妻子相同。家人之間的相似度可能很高或只有部分相似,相似的地方包括身高、眼珠顏色、嘴巴或鼻子曲線,甚至一些特別的習性或臉部表情等。家人之間也會有很多差異,但無法否認的是,每代之間都有延續性。

 

所有生物的父母和子女間,一定會有某種程度的相似,那是亞里斯多德和其他古典時期思想家很久之前就認證的理論,但生物遺傳的基礎一直是個難解之謎。多年來出現過各種解釋,但有些解釋在今日看來有些古怪。比方說亞里斯多德就認為母親對孩子的影響只有在腹中的成長,就像某種土壤品質對植物的影響,只有從種子到發芽的階段而已。有些思想家則是認為遺傳基礎是來自「血液的混合」,也就是說孩子是從雙親那邊獲得平均的特徵。

 

直到發現基因後,我們才更加了解遺傳的運作方式。基因不只幫助我們理解家人間複雜的相似性和獨特性,也是生命用來建造、維持和繁殖細胞的關鍵訊息來源。更進一步說,基因也是細胞製造的有機體的關鍵訊息來源。來自現位於捷克布爾諾修道院的孟德爾(Gregor Mendel),是第一位解開遺傳學神祕面紗的人。但他的研究標的並不是人類費解的遺傳型態,而是用豌豆這種植物進行謹慎的實驗,而他所研究出來的概念,最終引導我們發現目前稱之為基因的遺傳單位。

 

孟德爾不是第一個用科學實驗來探究遺傳學的人,甚至不是第一個用植物來尋找答案的人,有些更早期的植物育種家描述了植物的某些特徵如何以不如我們預期的方式代代相傳。兩種不同的親株植物混種後的下一代,有時候看起來會像兩種的混合。比方說,將紫色花和白色花混合後可能會產生粉紅色的花;但有些特徵則會在某個世代中扮演主宰角色,比方說紫色花和白色花的下一代是開出紫色的花。早期的研究先驅集合了許多有趣線索,但當中沒有人能完全解釋基因如何在植物中發揮遺傳效用,更別說如何在所有生物,包括人類上,發揮效用了,而那正是孟德爾在豌豆實驗中所開始揭露的事情。

 

1981 年冷戰中期,我進行了一場自己的朝聖之旅,前往位於布爾諾的奧古斯丁教派修道院,看看孟德爾曾經工作的地方,那是當地成為如今的觀光勝地前很久的事。當時野草叢生的花園大得驚人,我能輕易想像孟德爾曾經在那裡種植著一排排豌豆的情景。他曾經在維也納大學攻讀自然科學,雖沒有成為合格教師,但他並沒有遺忘自己在物理學方面所受的訓練。他明白自己需要很多資料,因為龐大的樣本更有可能發現重要的模式。他有些實驗包含了一萬多種不同的豌豆植物,在他之前未曾有植物育種家採行過如此縝密和大量的方式來進行研究。

 

為了降低實驗的複雜度,孟德爾只專注在有顯示明確差異的特徵上。他多年來小心記錄他所設計的混種結果,並發現了其他人沒注意到的模式。更重要的是,他觀察到在這些豌豆中會有特定比例出現某些特徵,特定比例缺少某些特徵,像是特定花色或種子形狀等。關鍵之一就是孟德爾用了數學級數的方式來描述這些比例,這讓他可以主張豌豆花內的雄性花粉和雌性胚珠含有他稱為「元素」的事物,這些元素就和親株的不同特徵有關聯。當這些元素透過受精結合,就會影響下一代植物的特徵。但孟德爾當時並不知道這些元素是什麼,或者會怎麼運作。

 

當時有個有趣的巧合,另一位知名的生物學家達爾文(Charles Darwin)大約在同一時間也在研究金魚草這種植物的混種,他觀察到類似的比例,但並沒有試著解釋那些數值可能代表的意義。總之,孟德爾的研究幾乎被當代完全忽視,直到一整個世代後,才有人認真看待他的研究。

 

接著,在約莫 1900 年時,有一些獨立研究的生物學家重複了孟德爾的研究,將這些研究進一步發展,並開始對於遺傳如何運作這件事做出更明確的預測,進而促進為了紀念孟德爾而命名的「孟德爾定律」和遺傳學的誕生,世界開始注意到這個議題。

 

 

──本文摘自三采文化《生命之鑰:諾貝爾獎得主親撰 一場對生命奧祕的美麗探索》 / 保羅.納斯爵士