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孟德尔的豌豆Comments>>

发表于 2013-02-22 10:04 | Tags 标签:, ,

一粒豌豆能做什么?在不同人的眼中,这个问题自然有不同的答案。阿基米德会思考如何用这粒豌豆做支点来翘起地球;安徒生会把它放在床垫下来寻找真正的公主;英国人会希望第二天醒来可以顺着豌豆的茎爬上天空;而游戏玩家们会把豌豆种在家门口阻挡一大波僵尸的进攻……在大约150多年前,有一名修道士则把豌豆玩出了风格,玩出了水平,一不小心就奠定了现代生物学的三大基石之一。

没错,我说的是孟德尔。

【图1. 孟德尔[1]

孟德尔其人

我们最熟悉的孟德尔的形象或许就是图1这张照片了。图中的孟德尔微锁的眉头和深邃的眼光似乎彰显着他的睿智,紧抿的嘴唇也暗示着他的坚韧。而孟德尔身着的修道服,以及胸口挂着的十字架,则提醒着我们他的修士身份。

其实孟德尔并不是一名纯粹的修士。虽然出身在一个农民家庭,孟德尔仍然受到了较好的教育。18岁那年,他在帕拉茨基大学(University of Olomouc)开始学习哲学和物理学[1]。3年后,孟德尔选择成为一名牧师,并在圣汤玛斯修道院任职。在孟德尔29岁的时候,他又前往维也纳大学进修了两年物理学和植物学,并在学成后返回圣汤玛斯修道院 。在那里,他被免于承担牧师的职务,而得以教授物理学和自然科学[2]。也就是在那段时间,孟德尔做出了对豌豆的研究。由此看来,将他比作是一名主日学校的教师,或许更加合适。

孟德尔与豌豆

有人相信,孟德尔在其长达8年的研究中,总共测试了近30000株豌豆[1]。为了测试豌豆的遗传特性(后文将称之为性状),孟德尔选取了7组共14种对比明显的纯种豌豆作为研究对象。当同一组的两种(我们称之为亲本)进行杂交时,孟德尔发现杂交后长出来的第一代全都显示其中一个亲本的性状(比如纯种的紫花豌豆和纯种的白花豌豆杂交一下,结的豌豆种下去,长出来的新豌豆都开紫花)。而把这些第一代的豌豆作为亲本,长出的第二代又出现了最初亲本的性状(比如将上面提到的紫花豌豆再种下去,长出来的新豌豆有开紫花的,也有开白花的)。

如果你对高中生物还有点印象的话,或许你会记得在第二代中有个3:1的比例。如果你的记忆力比较好,或许你还记得分离定律和自由组合定律。别急,我们马上就讲到了。通过枯燥而又严谨的实验记录,孟德尔把他8年的实验数据整理成了如图2所示的实验结果。

【图2. 孟德尔实验结果的图示[3]】

为了解释他的观察结果,孟德尔做了四个大胆的假设[4][5]

  1. 控制豌豆这些性状的物质是成对存在的。在考虑这些物质对豌豆性状可能的影响时,需要综合在一起看。比如在决定花的颜色时,就有三种可能的组合:紫色物质/紫色物质,白色物质/白色物质,紫色物质/白色物质。
  2.  这些物质有显性和隐性的区别。当两种相互对应但互不相同的物质组合在一起时,隐性物质的作用会被显性物质的作用所掩盖。比如在假设1中提到的紫色物质/白色物质这个组合中,紫色物质是显性的,所以拥有这个组合的豌豆依旧会开紫花(紫花豌豆和白花豌豆杂交后的第一代)。
  3. 这些物质会随着配子(比如精子和卵子)的形成而被拆散到单个配子中。比如含有“紫色物质/白色物质”的豌豆在形成花粉时,有一半的花粉会仅带有紫色物质,而另一半花粉会仅带有白色物质。
  4. 当配子形成合子时(精子使卵子受精成为受精卵),这些已经分离开的物质可以自由地和其他物质重新配对。比如上面花粉中的紫色物质不会因为之前和白色物质配对过而只和白色物质配对,也不会因为自己是紫色物质而只和其他的紫色物质配对。

【图3. 孟德尔解释3:1的来源】

以上四条假设中的后两条,就是高中时提到的孟德尔遗传两大定律——分离律和自由组合律。你记起来了吗?

生物学界的梵高

虽然孟德尔将他的研究成果整理成了论文并顺利地发表,但他的理论在当时并没有受到重视。和他同时代的科学家仅仅认为孟德尔的假说成功地解释了他所观察到的结果,却没有意识到这些假说其实反映的是普遍的遗传学现象。此外,在当时新兴的演化论的刺激下,学界主流的观点认为父母的性状在子女的身上会兼而有之。比如紫花豌豆和白花豌豆杂交的结果,应该会产生一株长有淡紫色花朵的豌豆才对。而这是与孟德尔的观察结果相悖的[6]。虽然不能算作是民科,但孟德尔的理论在当时显然不是那么地受欢迎。

孟德尔在1884年因为肾脏疾病去世。而在这之前的5年,染色质才刚刚被发现。二十世纪初,细胞科学家们通过观察细胞分裂,意识到染色质可能是一种遗传物质。当他们寻找前人的相关工作时,意外地发现早在近40年前,孟德尔就通过他的假设预言了染色质的存在——即便当时他并不知道什么是染色质。而孟德尔被公认为遗传学之父,更是他去世好几十年后的事情了。

前段时间看到一个段子用科学的方式重述了一遍《创世纪》——“神说,要有光,就有了光。他看光是好的,就把光速设定为299,792,458m/s,并让之永远不变,不因参照系的改变而改变。”如果让孟德尔将神创造植物的片段略加填充,大概他会说“神说,要有豌豆,就有了豌豆。他让豌豆有一对可以遗传的物质,并让其符合分离律和自由组合律。神觉得这是好的”吧。

参考资料

[1] 维基条目: http://en.wikipedia.org/wiki/Gregor_Mendel

[2] Concepts of Genetics, ninth edition, Klug, Cummings, Spencer, Palladino, P43

[3] 修改自http://unamusementpark.com/2011/04/hatred-iii-the-hispanic-panic/

[4] Concepts of Genetics, ninth edition, Klug, Cummings, Spencer, Palladino, P45

[5] Concepts of Genetics, ninth edition, Klug, Cummings, Spencer, Palladino, P49

[6] Concepts of Genetics, ninth edition, Klug, Cummings, Spencer, Palladino, P52

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17 Responses to “孟德尔的豌豆”

  1. yy玉说道:

    人类遗传学的前身,遗传学中就有显性基因,隐性基因,杂合子(Aa)纯合子(AA)等,也用于遗传病学。

  2. 兔子说道:

    领先于时代,必不为时代所接受。正是一个一个孤独的伟人引领着时代在前进。

    • DS说道:

      请注意,你所谓不接受他的时代,也承认了“孟德尔的假说成功地解释了他所观察到的结果”。既然当时还是假说,那么必须要经过重复验证和不断丰富,才能把假说发展成理论,听到一个貌似合理的假说,就立即宣布这是真理的,也就是一群人云亦云的庸人罢了。

  3. cyler123说道:

    有兄弟如是说,孟德尔的成功有“运气”的一面,他选择了好的研究样本,如果换成其它植物,就会发现一些用孟德尔的理论无法解释的问题(当然,这在后世发现并作出了解释),比如基因连锁的问题。

    • 山要说道:

      孟德尔在躲避连锁问题上的运气已经好到不能用运气来解释了,我个人更相信他具有前瞻性地挑选了数据

      • cyler123说道:

        挑选数据。。。就有点造假的嫌疑了

  4. 池塘王子说道:

    其实孟德尔是忘了种向日葵,被僵尸食脑而死。

  5. jhj123说道:

    他的定律在几十年后才被发现,真理永远是真理

  6. 周明玮说道:

    他怎么知道参加实验的豌豆都是纯种的?是怎么排除各种干扰因素的?

    • 月之苍说道:

      豌豆是闭花授粉。所以自然界存在的豌豆都是纯种的。所以孟德尔作为遗传学之父也有一部分运气的成分。

      • xfree说道:

        孟德尔清楚地知道自然状态下豌豆是纯种,详见孟德尔的论文《植物杂交的试验》第二部分——试验植物的选择。

  7. lollipop227说道:

    孟德尔是农民的儿子,他应该知道自然界的豌豆是自花授粉的。
    所以选择豌豆应该不是偶然

    在他之前索然没有出现系统的遗传学,但是也是有一些遗传学研究的猜想雏形的。

  8. 漫画说道:

    哎!都不知道孟德尔吃了多少顿的豌豆!

  9. 郑之用说道:

    现在社会上大肆宣传“酵素”,其健身防治病功能神乎其神,哪位能从科学角度阐述一下?万分感谢!

  10. 小猪说道:

    英国人会希望第二天醒来可以顺着豌豆的茎爬上天空——什么意思?有典故吗

    • 千越说道:

      JEAK AND BEAN ,杰克种下豌豆爬到天空,童话故事