如虚如实说 - 染色体与基因

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在《细胞与生命之一》中讲到细胞组建了生命。生命也按细胞来分三大域：真核细胞（eukaryotic cell）域、原核细胞域（Prokaryotic cell）与古细菌域（Archaebacteria）。动植物（包括人）都属于真核细胞域。我们来看看真核细胞。

细胞里面有什么？

罗伯特·布朗

1831年，苏格兰科学家罗伯特·布朗（Robert Brown，1773—1858）首先描述了细胞的结构。布朗毕业于爱丁堡大学（University of Edinburgh）的医学院，当过几年的军医。

1798年，他退役后来到伦敦，结识了英国皇家学会会长，并应邀去澳大利亚考察了4年。

1805年，他带回了近4千种不同的生物标本。这些全新的物种标本及研究报告使他一举成名。

1810年，他入选为皇家学院院士。在接下来的数十年间，他深入研究他带回来的标本，建树更多。

1820年，他把他所有的标本和种子都捐赠给了大英帝国博物馆，并建立了著名的邱园（Kew Garden）。这个植物园至今还是世界上最著名的植物园之一。

1828年，他细心地注意到微小的花粉在水中会做不规则的运动，接着他做了一系列实验，证明不管是粉尘这样的无机微粒，还是花粉这样有机微粒都会做这样的随机运动。这种运动被命名为布朗运动，是微观世界的特征之一。

1833年他研究兰花时发现了细胞的结构，每个细胞中间都有一个“核”，他把这个核叫做“细胞核”（nucleus）。

图1，罗伯特·布朗和他绘制的兰花细胞，其中的细胞壁与细胞核清晰可见

鸡蛋中的蛋黄是细胞核吗？

不久，科学家们在动物细胞中也识别出了细胞核（鸡蛋中的蛋黄是细胞核吗？¹）。科学家们渐渐地认识到动物和植物都有细胞（真核细胞）。

今天我们知道细胞是生命的基本单元。人体中的细胞有2百多种，结构各有不同。

图2是一种常见的细胞结构。细胞的最外层是细胞膜。细胞膜包裹着细胞质（cytoplasm）和细胞核。细胞质包括基质和各种细胞器及包含物。

图2，细胞结构图

基质呈液态，是细胞质的基本成分，含有多种酶、糖、无机盐和水等，它为细胞的新陈代谢提供原材料。

细胞器包括：线粒体、内质网、核糖体、溶酶体、高尔基体等。

线粒体（protoplasm）是细胞制造能量的主要场所。

内质网（Endoplasmic reticulum）是蛋白质、脂类和糖类合成的地方。

核糖体（ribosome）通常附着于内质网上，负责完成从细胞核中转录遗传信息，指导蛋白质合成的过程。

溶酶体（lysosome）内含多种酶，可以分解各种外源和内源的蛋白质、核酸、多糖等生物大分子。

高尔基体（Golgi apparatus）的主要功能是将内质网内合成的蛋白质进行加工、分拣与运输，然后分门别类地送到细胞内特定的部位或细胞外。

卡米洛·高尔基

高尔基体得名于意大利生物学家卡米洛·高尔基（Camillo Golgi，1843—1926）。

1873年他在研究视神经时发现了这个特别的细胞器。他研究神经系统的成果很快得到认可，并与西班牙生理学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal，1852—1934）一起获得1906年的诺贝尔生理学与医学奖（图3）。

但他发现的高尔基体一直到1940年代才得到证实。

细胞的中心是细胞核，它包含着携带细胞所有遗传信息的染色体。

图3，卡米洛·高尔基（左）与圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（右）

染色体是什么？

瓦尔瑟·弗莱明

1882年德国科学家瓦尔瑟·弗莱明（Walther Flemming，1843—1905）研发出一种能展示出细胞内部结构的染色方法（这个方法几经改进沿用至今），并籍此观察到了细胞一分为二的全过程（图4）。这个过程叫做细胞分裂过程，其中最关键的是“有丝分裂”。

他在基辅大学（University of Kyiv）的同事、好友威廉·瓦尔代尔—哈斯（Wilhelm von Waldeyer-Hartz，1836—1921）把有丝分裂过程中细胞核内所见的这些丝状结构命名为“染色体”（chromosome）。

尽管弗莱明和瓦尔代尔都知道染色体是细胞最重要的部分，但当时还不清楚染色体究竟是什么。

另外值得一提的是基辅大学建立于1789年，在19世纪末的时候曾经是世界著名的大学之一。

图4，瓦尔瑟·弗莱明和他绘制的细胞分裂过程图

图4是瓦尔瑟·弗莱明和他绘制的细胞分裂过程图。首先细胞核体积增大（Fig 42），接着核膜破裂，染色体分散到细胞质中，每条染色体分开成为两条姐妹染色单体（Fig 43），分开的染色单体向两极移动（Fig 44），染色单体到达两极，形成子核（Fig 45），最后，细胞质一分为二，细胞器进入两个子细胞，有丝分裂完成，形成两个新生子细胞（Fig 46）。

染色体里面有什么？

威廉·贝特森

1905年，英国科学家威廉·贝特森（William Bateson，1861—1926）提出了“基因学”（genetics）这个词。这个词来自希腊文，意为“诞生”。

贝特森是剑桥大学的研究员，他发现了孟德尔（Gregor Mendel，1822—1884）湮没多年的文章，并努力把达尔文（Charles Darwin，1809—1882）的进化论与孟德尔的遗传理论联系起来。

托马斯·摩根

同在1905年，美国科学家托马斯·摩根（Thomas Hunt Morgan，1866—1945）发现了染色体中的性别基因（图5）。

摩根出生望族，他的叔叔在美国南北战争时曾任南方的将军。他与他4位杰出学生（图6）的研究工作把染色体与基因联系了起来，揭示了基因的秘密。

图5，托马斯·摩根

纳蒂·史蒂文森

1886年摩根在霍普金斯大学（John Hopkins University）获得博士学位后去了一个女子学校（Bryn Mawr College）任教。

他的第一个研究生是纳蒂·史蒂文森（Nettie Maria Stevens, 1861—1912）。史蒂文森比摩根年长几岁，早年坎坷，35岁才到斯坦福大学读书，1900年获得硕士学位。接着她开始攻读博士学位，摩根是她的导师。

纳蒂研究面包虫（yellow mealworm）的虫卵，首先发现了染色体中的性别基因（图6（a））。接着，摩根研究果蝇的虫卵，也发现了染色体中的性别基因。史蒂文森不幸过早病逝，未能与摩根一起分享1933年的诺贝尔生理与医学奖。

（a）纳蒂·史蒂文森

（b）卡尔文·布里吉斯

（c）赫尔曼·穆勒

（d）阿尔法特·斯特蒂文特 图6，摩根的4位著名学生

1905年，摩根到了哥伦比亚大学（University of Columbia）任教，并建立了他那个著名的果蝇研究室。实验室只有20平方米大小（图7），设备不过是有几台显微镜和一堆养果蝇的牛奶瓶，空气中弥漫着烂香蕉和果蝇排泄物的臭味。

果蝇的生命周期只有不到2周，而且每次产卵甚多，为研究提供了极大的方便。摩根原来并不大相信孟德尔的理论，但他的实验结果不但证明而且丰富了孟德尔的理论。

1909年，他开始采用“基因”（gene）这个词。这个词是丹麦科学家威廉·约翰森（Wilhelm Johannsen 1857—1927）最先提出的。摩根与他的学生们做了无数次实验，寻找果蝇变异的表型（英文叫做“phenotype”，例如红眼睛、多翅膀等）与基因型（英文叫做“genotype”）的关系。

图7，摩根的果蝇实验室

摩根在哥伦比亚大学有三位著名的学生。

第一位学生是卡尔文·布里吉斯（Calvin Bridges 1889—1938）（图6（b））。他潜心工作10年，找出了一种划分基因的方法。此外，他还找到了一个基因突变与死亡的规律，这个规律为后来癌症治疗提供了重要思路。

第二位是赫尔曼·穆勒（Hermann Joseph Muller，1890—1967）（图6（c））。他证明了X射线（参见广东科学中心「院士说」|解密医学影像技术（三））会引起基因突变。

第三位是阿尔法特·斯特蒂文特（Alfred Sturtevant，1891—1970）（图6（d））。他做出了第一张基因图谱（原图较难读懂，图8是现代编辑的果蝇基因图）。他还证明了相邻的基因很少重组在一起，但距离较远的基因则易于重组。

图8，果蝇的染色体及染色体上部分基因的遗传表型注释

阿尔法特·斯特蒂文特

爱德华·路易斯

1928年，摩根转到加州理工学院（Caltech）并主持建立了生物学部，布里吉斯与斯特蒂文特随之前往。布里吉斯不幸过早病逝。

斯特蒂文特后来接任摩根成为生物学部主任，继续基因的研究。他的学生爱德华·路易斯（Edward B. Lewis，1918—2004）首先发现了许多动物有相同的基因片段，因此生物一定是同源的。

另外，他还发现基因的微小差异会产生出完全不同的遗传表型。他一直在加州理工学院工作，1995年获得诺贝尔生理学与医学奖。

赫尔曼·穆勒

特罗菲姆·李森科

穆勒毕业后曾经去了欧洲工作了一段时间。1933年他应邀到了苏联工作。这时他遇到了特罗菲姆·李森科（T. D. Lysenko，1898—1976）。

李森科出生于乌克兰一个农民家庭。他在乌克兰大学毕业后被分配到一个育种站工作。他注意到冬小麦可以转做春小麦以避开春寒，因此提出了转时间种植的理论。他的工作受到重视，并因此入选为乌克兰科学院院士。

接着他尝试把多种不同的农作物在一年中不同的时间在不同的地方种植，却不成功（植物的生物钟很难改变）。

面对失败他转而诉求政治手段，先是做了些虚假报告（例如发明了不用化学品与矿物质的肥料）在报纸上宣传。

接着是找到了斯大林（Joseph Stalin，1878—1953）（图9）。借着斯大林的撑腰，他登上了高位，横行霸道肆意妄为。他反对基因理论，并把它扣上了反马克思主义的帽子。穆勒首当其冲，但侥幸逃出。

不久第二次世界大战爆发，穆勒带着他新婚的犹太裔妻子逃离欧洲，回到美国并在印第安纳大学（University of Indiana）找到教职，这才安定下来。1946年他获得诺贝尔生理学与医学奖。

1953年斯大林逝世。续任的赫鲁晓夫（Nikita Khrushchev，1984—1971，乌克兰人）继续支持李森科。

1964年赫鲁晓夫下台，李森科终于被贬。此时苏联的生物科学已经落后30年。历史的经验教训值得借鉴。

图9，李森科（左起第一人），赫鲁晓夫（左起第二人）与斯大林（右起第一人）

从摩根研究果蝇的基因至今已经一百多年。今天，科学家对生物的基因已经有相当深刻的了解。人类有23对染色体，卷在细胞核中，其直径只有为0.2微米（0.0002毫米）左右大小，但展开来则长达1.83米。

基因型与表型之间的关系也渐渐明了。例如人类脸部的一些表型（如发型、胡须、眼眉、一字眉、白发、发色、及秃顶）与基因型的关系已经清楚（图10）。不过，基因型与表型都是数以万计，而且一个表型通常是由多个基因型共同确定的，互相耦合的关系十分复杂，未解之谜还有很多。

图10，人类脸部表型与基因型的关系

还有一个重要问题：基因是什么组成的？我们将在下一篇文章中介绍。

1.不是，鸡蛋的细胞核是蛋黄上的胚盘。