午间阅读 | 现代遗传学之父孟德尔的遗产

在孟德尔诞辰200周年的2022年7月21日，著名的科学期刊《自然》发表了社论《格雷戈尔·孟德尔真正的遗产：认真，严谨与谦逊的科学》。作者在卷首写道：“这位修士的工作为遗传学奠定了基础——而他被人们低估的工作方法，则充满了启发性。”

作者 |邵鹏

图源 |图虫创意

格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel，1822-1884）是一位在全世界都家喻户晓的科学家，因其对遗传学的贡献，被称为“现代遗传学之父”。他是一位奥匈帝国时期的天主教神职人员，同时也是生物学家、气象学家、数学家。2022年是科学家格雷戈尔·孟德尔诞辰200周年，许多人在纪念他的时候，都在追问，他在极为简陋的实验环境里，花费了巨大精力完成的豌豆实验的传奇故事究竟是怎样的？他又为什么被科学史铭记？他给这个世界留下了什么样的遗产？

达尔文的困惑

伟大的生物学家、地质学家和博物学家查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Darwin，1809-1882）在1859年11月24日出版了他的煌煌巨著《物种起源》。这本书第一次印刷的1250本在发行当天就宣告售罄，预示着它巨大的影响力。一般认为，受过教育的民众和科学共同体在这本书出版后不久，就普遍将进化论作为一个事实存在而接纳了。但随着其理论的传播，各种批评的声音也随之而来。当然，与民众嘈杂的批评声浪相比，身为一个大科学家的达尔文更在乎的是自己理论体系自身的完整性。而这种完整性还有一个巨大的空白——遗传学。

我们今天知道，达尔文认为推进进化的关键之处在于生物性状的突变；其次，一旦变异体产生，必须能将相同的性状传递给它的后代，并且在传代的时候维持变异的稳定性。也就是说，遗传机制必须具备恒定性与变化性，稳定性与变异性。

在当时，最广为接受的遗传学理论是18世纪法国生物学家让·巴蒂斯特·拉马克提出的。根据拉马克的观点，遗传性状从亲代传递给子代的方式与消息或者故事传播的方式相同。动物通过强化或者弱化某些特定性状的方式适应周围环境，其影响与作用时间成正比，也就是所谓的“用进废退”。拉马克的理论巧妙之处在于，它可以同时被神创论和总结归纳观察数据的生物学家所接受。世界是神创的不假，但生物也需要在后天通过加强一些性状以更适应环境，增强繁衍后代的能力和成功率。

但达尔文思考的问题是：某种性状最早的出现是如何开始的？比如生物群体中个体的某些性状方面的差异是如何来的？

生物学实验并不是达尔文的专长，他没有通过实验来获得遗传理论。经过近两年的思考，他发展出了所谓的“泛生理论”，以一种并不完美的理论框架暂时解决了自己的困境：生物体细胞会产生名为“泛子”的微粒，其中含有遗传信息。在生殖年龄，动物会将泛子传递到生殖细胞，并继而将其传递给下一代。达尔文把这个理论写进了他的新书《动物和植物在家养下的变异》，感到如释负重。

但好景不长。不久，有一位学者对这个理论的批评戳到了达尔文的痛处——亨利·查尔斯·弗莱明·詹金（Henry Charles FleemingJenkin，1833-1885）。这是一位博学多才的知识分子，他的兴趣横跨电工学、经济学、语言学、艺术等等。他还是我们常见的缆车的发明者。对达尔文提出质疑时，他已经是爱丁堡大学的工程学教授。詹金阅读十分广泛，他细致地阅读了达尔文的《动物和植物在家养下的变异》之后，在杂志《北英评论（North British Review）》上发表了一篇文章，行文中对泛生论提出了质疑。达尔文的遗传假说无法解释这样一个问题：如果遗传性状在代际传递中符合混合理论，那么如何防止变异被杂交迅速稀释？如果这种理论成立，那么由于微粒在代际传播中浓度越来越低，也许这种传递的性状在几代之后就会彻底消失。詹金举了一个带有那个时代的种族主义色彩的例子：如果一位白人由于海难流落到一个只有黑人居住的岛屿上，假设他为了生存，杀死了很多黑人，成为国王，并且妻妾成群，子孙满地。这位国王的白人遗传信息，有1/2会被下一代继承，再下一代只有1/4，以此类推，经过几代之后，白人国王的那些即便是非常“优越”的性状也会损失殆尽。

达尔文被詹金的讨论折服。此刻的他，比任何时候都更需要一个理论来解答自己的困惑，以及詹金的质疑。而他不知道的是，他所寻求的答案在十年前就被一个人破解，并且发表了。而这篇文章的作者，很有可能曾经将自己的学术论文寄给 了大名鼎鼎的达尔文。

神父孟德尔其人和他的贡献

今天人们都会在生物课本上学习到发生在位于捷克共和国第二大城市布尔诺的圣·托马斯修道院里的豌豆故事。故事的主人公孟德尔在1843年来到这里，几年后成为一位神父。在那个物质匮乏的年代，并非所有皈依宗教的举动都源自虔诚的信仰。孟德尔自称对信仰兴趣寥寥，但非常喜欢修道院可以远离繁重的农业劳动的生活，并且还是非常安静的学习场所。与许多人的想象不同，宗教与科学并不是简单的对立关系，孟德尔所属的奥古斯丁派认为宗教与大多数学科之间并不存在冲突。因此除了神学，孟德尔在修道院里学习了历史和自然科学的课程。

1848年开始，孟德尔开始在当地做教区神父，但是他在这个位置上的表现欠佳。胆怯、语言（其母语为德语，而当地人讲捷克语）以及他自身能力的限制，让他很难调动教民的积极性。他在当年晚些时候，决定去一个高中教授数学、自然科学和希腊语。然而校方告诉他，由于他没有接受过专门训练，必须通过教师资格考试。不幸的是，孟德尔没有通过这次考试。幸好，在开明的院长支持下，修道院决定资助与推荐孟德尔进修。他就此得以走进著名的维也纳大学，开始攻读自然科学学位。他系统地学习了生物学知识，并且在物理课上结识了发现“多普勒效应”的著名数学家、物理学家克里斯蒂安·多普勒（1803-1853）。孟德尔在日后分析他十分庞杂的实验数据的时候，或许从多普勒那里学习来的科学分析方法和应用数学的思想帮了他的忙。

孟德尔在1850年左右，开始了他的豌豆实验。其实他最早也曾经使用老鼠进行遗传学实验，但是一向对他的研究和学习非常宽容的修道院院长认为，作为一个神职人员，在修道院里研究动物交配和生殖，实在是有伤风化，于是他只好把植物作为实验对象。孟德尔首先从附近的农场搜集了尽可能多的豌豆进行培育，以选出“纯种”的植株作为基础的、“干净”的实验材料——标准是每一棵豌豆都能产生与母本相同的性状：花的颜色和种子的质地没有任何差异。孟德尔找出了七种性状进行研究：包括种子的形状（褶皱和饱满）、颜色（白色和紫色），豌豆花的颜色（绿色和黄色）、位置（茎顶和叶腋），豆荚的颜色和形状，以及植株的高度（高茎及矮茎）。

每一种特征都至少有两种变异体，也可以是很多种——例如花的颜色可以是很多种。孟德尔选取了两种进行研究，这样就便于清晰明了地了解两种性状遗传情况。下一步实验是培育杂合体——不同性状豌豆之间杂交之后的结果：如果将高、矮植株的豌豆进行杂交，那么子代中是否会出现两种母本中和的结果——中等高度的植株，还是什么别的结果？两种性状是否会融合？

豌豆是自花传粉植物，花药中的花粉直接散播在自身的雌蕊柱头上，就完成了传粉。为了构建杂交的子代，孟德尔需要首先摘除豌豆花的雄蕊，然后把花粉人工传授给其他的目标花朵。这是一件细致、繁琐、花费时间的工作。孟德尔将豌豆花的颜色仔细记录在案。此后，他又把杂合体相互杂交，构建出杂合体的杂合体。

我们大致可以将对第一代杂合体的观察划归孟德尔豌豆实验的第一阶段。在这代子代中，单个可以遗传的性状并没有发生融合，比如高茎和矮茎的植株杂交的结果其实是高茎；饱满种子与褶皱种子的杂交结果产生的是圆粒的种子。孟德尔将具有压倒性优势的性状称为“显性性状（其英文dominant其实是占优的意思）”，而消失的那种性状孟德尔称其为“隐性（recessive）”性状。如果孟德尔此刻结束实验，其观察的结果已是具有极大的科学意义——他观察和记录的结果，已经与当时流行的学术观点截然不同。

但是隐形的性状去哪里了？是否就此消失了？这就是第二阶段的实验。他将子代杂合体（例如高茎和矮茎的杂合体，结果全部为高茎）进行杂交，构建出二代杂合体。奇妙的事情发生了，二代杂合体的结果中，出现了矮茎的植株——隐性的性状又出现了。孟德尔由此推断，杂交的子代是等位基因的复合物，其中蕴含了可以表现显性性状的基因，以及隐藏起来的隐性基因。这种现象在其他的性状中也被重复观察到。

这样繁复的试验工作一直持续到1864年。截至这时，孟德尔一共经手的实验材料包括40万颗种子、4万朵鲜花、2.8万株植物。这是一种超长时间、超大体力劳动的巨型实验。当然，他在记录中使用的词汇和今天不同——比如性状，基因都是后来出现的名字。至此，他发现了基因最基本的特征，生物体遗传最为基本的自然规律。

四十年的沉寂

孟德尔的论文《植物杂交实验（Experimentson plant hybrids）》分别在1865年2月8日和3月8日在布尔诺自然历史学会宣读，并于同年发表在《布尔诺自然历史学会会刊》上。孟德尔宣读论文的会议平淡无奇，历史上对于该事件的记录更是难觅踪迹。据说他发表演讲的房间很小，只能容纳四十人左右，听众则是农民和生物学家等。孟德尔在会议上所展示的表格和定量分析，对于他的听众来说，应该十分晦涩难懂。当时的生物学家做学问的方式是研究生物体的形态、分类等。利用数学工具试图解密自然界的密码，即便不是旁门左道，也是曲高和寡地另辟蹊径。

孟德尔的论文发表之后，是可怕的、长达近四十年的沉寂。而事实上，他的那篇四十四页长的论文在发表之后就被寄送给数十个研究机构，包括英格兰皇家学会、林奈学会以及美国的史密森尼学会等。孟德尔又自己印制了四十份单行本，寄给了许多科学家，这很可能包括前面提到的达尔文——他在自己的《物种起源》出版之后，获得了很大的名声。但这些，都没有掀起科学共同体中哪怕是一点点涟漪。

论文发表后的当年年底，孟德尔致信慕尼黑的瑞士植物生理学家卡尔·冯·内格里（Carlvon Nageli，1817-1891），附上了有关自己研究的实验介绍。内格里曾担任苏黎世大学、德国费莱堡大学和慕尼黑大学的教授，并担任慕尼黑大学的植物学系主任。植物学中的“分生组织”这个概念，是由他提出的。也许孟德尔是本着学术交流的态度想要得到内格里对于自己研究工作的看法，也许他想得到学术权威的肯定，也许两者都有。但内格里的表现非常令人失望，他评价孟德尔的工作“只是经验之谈……无法证明其合理性”。

今天看来，这非常有趣，因为后来主流科学界都把孟德尔的工作视作具有里程碑意义。而且，其漂亮的数学归纳结果因为“太过完美”而被一些专家质疑（这在科学史上被成为“孟德尔悖论（Mendelian Paradox）”）的论文，没有“合理性”。现代统计学的奠基人之一——英国人罗纳尔德·费舍尔（Ronald Fisher，1890-1962）重新检验了孟德尔的实验数据，认为他得到的显性、隐性性状比例过于完美地逼近实验的期望结果，因此认为孟德尔在数据处理中造了假。这一指控成为一段公案，直到二十一世纪，两位主流生物学家、哈佛大学的丹尼尔·哈特尔（Deniel Hartl，1943-）和杨百翰大学的丹尼尔·费尔班克斯（Daniel J.Fairebanks，1956-）教授共同著文，澄清了他们对于实验的分析，这个争议才算是有了一段了结。很显然，太过完美的数据也没有说服内格里教授，也许他从未理解，或者认真读懂过孟德尔的工作。

孟德尔谦逊地继续写信向内格里教授请教，而内格里一直表现出傲慢和轻蔑的态度。他建议孟德尔使用他正在研究的一种植物——原产于欧洲的橙黄山柳菊作为实验对象，重复杂交实验的结果。孟德尔因此花了数年的时间，在花园里辟出一块地，种植了上千棵山柳菊，进行试验。孟德尔没再能得到之前那样漂亮的实验结果，在给内格里后续的书信中他表示出与日俱增的无奈和遗憾。内格里教授则在极少数的回复中，继续延续着他的轻慢——这不出人意料，或许他觉得自己终于证明了，孟德尔这个身为神职人员的业余科学爱好者的研究成果不值一提。内格里教授对于自己的无知，肯定是一无所知的——山柳菊这种植物是无性繁殖植物，没有花粉和卵细胞，与豌豆完全不同，根本无法产生杂合体。

1873年，孟德尔在给内格里的最后一封信中，用自责的语气表示自己无法再继续实验的想法。一方面，实验结果不尽人意；另一方面，升任修道院院长的他，时间都被行政事务所占据。从1850年代开始，到此时，孟德尔已经在花园里，默默地工作了20多年。我们今天很难想象一个哪怕是职业化的科学工作者，可以在没有肯定和激励的情况下，沿着一个探索方向，努力细致地工作二十年的时间。

1884年的1月，61岁的孟德尔因肾衰竭在布尔诺与世长辞。当地报纸刊登了一则只字未提其科学贡献的讣告。当时的政府和修道院有税务方面的纠纷，为了减少麻烦，继任的修道院院长烧掉了孟德尔留下的所有手稿和遗物。历史的细节总是非常有趣。讽刺的是，今天的读者如果在互联网上查阅内格里教授的资料，会看到他声称自己最大的学术贡献，首次观察到细胞分裂的工作，其原创性仍然受到质疑，而让他最为后世所知的却是他阻止孟德尔继续遗传学研究的做法和对孟德尔研究工作的否定。这大概是一位职业科学家最不愿意把自己的名字留在科学史上的方式了。

与大众头脑中，发明创造和科学发现通常都是某一个聪明人“个人英雄主义”一般的单打独斗不同，某个科学问题通常会有众多科学家一起努力攻克。其实在孟德尔的同时代，有不少科学家研究遗传学。其中就有一位最终得到了与孟德尔相同的结论，但晚了约三十年。这个人叫雨果·德·弗里斯（Hugode Vries，1848-1935）。他在荷兰阿姆斯特丹的乡村地区搜集和整理各种植物的变异体。当他把有特殊性状的植物进行繁育之后，发现了与孟德尔相同的结果——性状不会融合，而是以一种离散的形式通过代际传递下去。1897年，弗里斯完成了一篇题为《遗传性畸变》的论文，对数据进行了系统分析之后，推断每种独立的性状由单一的信息微粒决定。每个杂合体从父本和母本中分别继承一个这样的微粒，然后继续传下去，不会丢失，也不会融合。1900年，德·弗里斯读到了朋友寄来的孟德尔的论文。为了维护自己工作的原创性，弗里斯在发布后续的工作时，对孟德尔只字不提。而有趣的是，弗里斯恰恰是内格里教授的学生。所幸在同行的指责下，弗里斯承认自己只是“扩展”的孟德尔的工作，并对孟德尔大加赞赏。弗里斯也有自己的学术贡献，比如我们所知的“突变（mutation）”的概念，就是弗里斯提出的。

这一年，来自不同国家的三篇学术论文相继独立问世，其研究结果都与孟德尔的工作吻合。可证伪与可重复性，是科学最为基本的精神。至此，我们可以说其他科学家的工作印证了孟德尔工作结论的正确性——在孟德尔的工作沉寂了近四十年以后。

孟德尔的工作最终为世人承认，得益于一位名叫威廉·贝特森（William Bateson，1861-1926）的英国生物学家。他于1900年在弗里斯的论文中读到了孟德尔的工作，立刻为之折服。从此他把为孟德尔正名作为己任，在出席所有学术活动时都会强调孟德尔的工作，被称为为“孟德尔的斗牛犬”。他十分高产，从1884年到1926年突然去世，一共出版了11本书，为学术刊物和通俗读物撰写的文章难以计数。孟德尔的学术贡献被学术界以及公众所知，贝特森功不可没。我们今天所称的“遗传学（Genetics）”一词就是贝特森特所创制的。

贝特森敏感地意识到，这门新兴的学科将会对人类社会有着广泛的、不可估量的影响。他在1905年颇有先见之明地预言到，人们将会对遗传进行干预，“这可能会在某些准备挣脱历史的枷锁，渴求效率的国家和地区中发生……”“也许不久的将来，遗传学会被用来控制民族的组成……，对人类是福是祸就另当别论了”。贝特森一直反对将尚未完全理解的遗传学理论应用于人类本身。

贝特森曾经供职的约翰·恩斯研究中心（JohnInnes Center）保存了大量贝特森与当时德国遗传学家和植物学家艾尔温·鲍尔（Erwin Bauer，1875-1933）的通信。鲍尔与别人合著的两卷本《人类遗传学》后来被纳粹德国作为人种优化的经典教科书。也有人认为，这是希特勒本人撰写《我的奋斗》一书的灵感来源之一。

在人类历史上，曾经掀起一阵假借物种进化和遗传学的科学之名的“人种优化”运动。它始于科学研究，疯狂于失去理性的反科学精神，为无数人带来了噩梦。与孟德尔的故事相对比，我们可以看到失去理性的“科学”，可以在多么短的时间里走进疯狂。

孟德尔的遗产

在孟德尔诞辰200周年的2022年7月21日，著名的科学期刊《自然》发表了社论《格雷戈尔·孟德尔真正的遗产：认真，严谨与谦逊的科学》。作者在卷首写道：“这位修士的工作为遗传学奠定了基础——而他被人们低估的工作方法，则充满了启发性。”作者仔细分析了孟德尔仅有的那一篇学术论文，认为他的文章语言平实易懂，没有任何晦涩的表达方式，但无论从结构、叙述的严谨性、实验过程的描述，还是数据的分析，都可以被认为是学术发表的典范。

在科学已经高度职业化、规范化的今天，作者写下的文字颇为值得玩味。也许正像作者在题目中提到的，认真、严谨和谦逊的科学，才是孟德尔真正的遗产。就在不久前，2019年诺贝尔生理学或医学奖得主、约翰·霍普金斯大学教授格雷格·塞门扎（Gregg Leonard Semenza，1956-）被人举报之后，宣布撤回四篇已发表的学术论文。而举报者所指的问题论文，还不仅仅是这几篇。赛门扎教授以往也有撤回文章的记录。事情的发展会往哪个方向继续，人们还在关注。而学术诚信和规范，再一次成为人们讨论的话题。

除了对遗传学的贡献之外，孟德尔其实是一位对科学充满了好奇的科学家。他在诸多的领域中都留下了自己的印记。在生物学领域，除了利用植物对遗传学的研究，孟德尔还对产蜜量高的蜜蜂品种选育做出了贡献，并且尝试改进蜂箱的设计。孟德尔还是一位气象学家，他是奥地利气象学会的创始会员之一。他详细记录每日的气象资料，尤其对于1870年在布尔诺地区发生的龙卷风做了详尽的记录。另外，他还对太阳黑子的活动进行跟踪记录，并且研究了太阳黑子与极光的关系，以及对电报通讯的影响。

（作者为工程师，旅美生物医学工程博士。本文在刊发时删去了参考资料链接）

The END

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