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中國生物技術(shù)網(wǎng)2022-07-23 08:36北京中國科學(xué)院微生物研究所關(guān)注1822年7月20日，“現(xiàn)代遺傳之父”孟德爾出生于奧地利帝國一個(gè)貧窮的農(nóng)民家庭，2022年7月20日，是他誕辰200周年。孟德爾是憑一己之力奠定遺傳性基礎(chǔ)的天才，而他的天才超越了時(shí)代，帶給他更多的是孤獨(dú)與蔑視。他的研究成果生前默默無聞，在他去世后16年才為人所知。在他奠定遺傳學(xué)基礎(chǔ)的豌豆實(shí)驗(yàn)過程中，孟德爾以耐心而全面的數(shù)據(jù)收集方法為后是科學(xué)家樹立了榜樣。在當(dāng)今科學(xué)競爭激烈的時(shí)代，我們值得為他停留片刻，學(xué)習(xí)他的仔細(xì)觀察、嚴(yán)謹(jǐn)分析和對結(jié)果的謹(jǐn)慎解釋。除了發(fā)現(xiàn)遺傳學(xué)第一定律（基因分離定律）和第二定律（基因自由組合定律），孟德爾耐心、謹(jǐn)慎的科學(xué)態(tài)度，用數(shù)據(jù)解釋科學(xué)發(fā)現(xiàn)的做法，讓他的研究經(jīng)得起時(shí)間的考研，也是他留給我們的最大科學(xué)遺產(chǎn)。孟德爾（Gregor Johann Mendel，1822-1884），遺傳學(xué)的奠基人，被譽(yù)為“現(xiàn)代遺傳學(xué)之父”。孟德爾為自然科學(xué)奉獻(xiàn)了一生，但這一生卻充斥著孤獨(dú)與蔑視，他一生辛苦所取得的研究成果卻無人問津甚至被埋沒。他的理論發(fā)表35年后，才開始得到認(rèn)可和承認(rèn)，而此時(shí)孟德爾已經(jīng)去世16年了。孟德爾的求學(xué)生涯1822年7月20日，孟德爾出生在奧地利一個(gè)貧窮的農(nóng)民家庭。孟德爾的父親曾參加過幾次對抗拿破侖的戰(zhàn)役，戰(zhàn)事結(jié)束后回到故鄉(xiāng)務(wù)農(nóng)，經(jīng)營果園。孟德爾常在園中幫忙父親，培養(yǎng)了對植物的興趣和后來探索遺傳法則的動(dòng)機(jī)。孟德爾在父親的鼓勵(lì)下，從小就表現(xiàn)出過人的資質(zhì)，成績也一直名列前茅。因?yàn)榧揖池毟F，孟德爾的求學(xué)生涯并不順利，學(xué)費(fèi)一直都是東拼西湊。孟德爾上中學(xué)時(shí)，校長看到他是可造就的人才，便說服了孟德爾父母，讓他轉(zhuǎn)到較大的萊普尼克中學(xué)。高中畢業(yè)后，孟德爾再度以優(yōu)異的成績進(jìn)入奧爾米茨哲學(xué)院學(xué)習(xí)。1843年因?yàn)榧邑殠缀跻z學(xué)，后得一位教授推薦進(jìn)入一座圣奧古斯丁派的修道院，隨多位杰出老師學(xué)習(xí)。后排右二為孟德爾1849年孟德爾獲得一個(gè)在中學(xué)任教的機(jī)會(huì)。他教學(xué)很認(rèn)真，深受學(xué)生歡迎。學(xué)校派他參加正式的教員資格考試，因?yàn)閷χ参飳W(xué)教授的觀點(diǎn)有不同看法導(dǎo)致爭執(zhí)，最終他沒有通過考試。1851年孟德爾所屬的修道院派他到維也納大學(xué)繼續(xù)進(jìn)修，在那里學(xué)習(xí)自然學(xué)科和數(shù)學(xué)，獲得許多優(yōu)秀教授的指導(dǎo)，奠定了研究的基礎(chǔ)。1853年他從維也納大學(xué)畢業(yè)回修道院。1854年被委派到布呂恩技術(shù)學(xué)校任物理學(xué)和植物學(xué)的代課教師，一直到1868年。這14年是孟德爾一生最重要的黃金歲月，著名的孟德爾遺傳定律，就是在這時(shí)候發(fā)展出來的。布爾諾奧古斯丁修道院，孟德爾創(chuàng)立現(xiàn)代遺傳學(xué)的地方孟德爾的遺傳學(xué)研究在孟德爾的時(shí)代，人們對遺傳現(xiàn)象已有研究，并進(jìn)行過雜交試驗(yàn)，但當(dāng)時(shí)科學(xué)界的主流是“混合遺傳”學(xué)說。這種傳統(tǒng)學(xué)說認(rèn)為生物的遺傳像調(diào)色一樣簡單粗暴，白色綿羊和黑色綿羊交配生下的就是灰色綿羊。孟德爾認(rèn)為后代若只是簡單綜合父母代的性狀，重復(fù)下去所有生物的性狀都趨于相同，明顯和絢爛多彩的大自然不相符。于是，他摒棄了權(quán)威看法，幾乎從零開始做起了研究。起初，他先選擇了幾種植物嘗試去做實(shí)驗(yàn)，但屢屢失敗了。隨后，他意識(shí)到實(shí)驗(yàn)材料的選擇是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，要用的植物一定是性狀明顯、穩(wěn)定，并且能在雜交時(shí)不受外界的影響的。按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，他開始從20多種植物中尋找，最終他找到了符合這些條件的豌豆。孟德爾非常幸運(yùn)的找到了豌豆作為研究對象，豌豆自花授粉，雜交時(shí)不受外界影響，性狀明顯又穩(wěn)定。修道院的后院中有一塊長35公尺，寬7公尺的空地，孟德爾就在這塊空地上種了許多豌豆，這一種就是兩年，他用了兩年的時(shí)間，從34種不同類型的豌豆中找到了14種明顯的性狀，組成了7對參照物進(jìn)行進(jìn)一步研究。分別是豆粒飽滿和褶皺、豆粒黃色和綠色、花瓣白色和紫色、豆莢飽滿和褶皺、豆莢黃色和綠色、花開的高與低、植株的高與低這七對不同的性狀。孟德爾進(jìn)行豌豆實(shí)驗(yàn)的地方他對這7種類型的豌豆進(jìn)行分別雜交實(shí)驗(yàn)，當(dāng)紅花和白花（豌豆）進(jìn)行雜交時(shí)，第一代的植株全都開紅花，子代的性狀并非綜合了兩個(gè)親本的，而是表現(xiàn)出親本的其中一種。但到自花授粉的第二代，卻又出現(xiàn)了開白花的植株。順著這個(gè)現(xiàn)象，他擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)規(guī)模，仔細(xì)把雜種后代進(jìn)行分類，并用數(shù)學(xué)方法加以統(tǒng)計(jì)分析。他記錄的子二代中紅花豌豆705株，白花豌豆224株，兩者之比接近3：1。同時(shí)，當(dāng)進(jìn)行兩對相對性狀雜交時(shí)，子二代中4種類型的比例數(shù)是9：3：3：1，恰好是3：1的平方。8年時(shí)間里，孟德爾在前前后后測試了20000多株豌豆后，孟德爾終于總結(jié)出雜交性狀在后代系列的分離比是3：1。概況起來就是高中生物課本所學(xué)的遺傳學(xué)兩大定律，一是基因分離定律：決定同一性狀的成對遺傳因子彼此分離，獨(dú)立地遺傳給后代；二是基因自由組合定律：決定不同遺傳性狀的遺傳因子間可以自由組合。被埋沒的偉大發(fā)現(xiàn)1865年孟德爾滿懷期待的在當(dāng)?shù)氐淖匀豢茖W(xué)學(xué)會(huì)上宣讀自己的論文——“植物雜交試驗(yàn)”。但結(jié)果卻讓他大失所望，所有人都覺得他說得好像有點(diǎn)道理，但是又覺得不明所以。他的研究成功沒有掀起一絲波瀾。孟德爾不愿放棄自己8年來的艱辛，論文發(fā)表后，他立刻把40份抽印本寄給各地著名的科學(xué)家。但他寄出去的論文要么沒有回音，要么只有質(zhì)疑和諷刺。沒有人相信一個(gè)普通牧師的研究成果。這一系列打擊并沒有擊垮孟德爾，他很快就調(diào)整好心態(tài)繼續(xù)論證自己的成果，不只是種植豌豆，還做了紫羅蘭、茯苓、玉米和紫茉莉等植物甚至還做了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)都符合所得出的結(jié)論。1869年他又發(fā)表第二篇論文“動(dòng)植物遺傳之研究”。在兩篇論文中，孟德爾提出了遺傳單元（現(xiàn)稱基因）顯性性狀，隱性性狀等重要概念，闡明其遺傳規(guī)律。1859年，達(dá)爾文發(fā)表《物種起源》，創(chuàng)立進(jìn)化論，為生物科學(xué)的大廈立下了一個(gè)支柱，但是這座大廈仍然搖搖欲墜。達(dá)爾文進(jìn)化論的核心是自然選擇學(xué)說，但是他找不到一個(gè)合理的遺傳機(jī)理來解釋自然選擇，無法說明變異是如何產(chǎn)生，而優(yōu)勢變異又如何能夠保存下去，達(dá)爾文為此苦惱終生。他在1872年如此寫道：遺傳的定律絕大部分依舊未知，沒有人能夠說明在同一物種的不同個(gè)體中的相同特性，或在不同物種中的相同特性，為什么有時(shí)候能夠遺傳，而有時(shí)候不能；為什么孩子能回復(fù)其祖父母甚至更遙遠(yuǎn)的祖先的某項(xiàng)特征。達(dá)爾文不知道的是，這些問題已經(jīng)被奧地利修道院的一個(gè)業(yè)余生物學(xué)家孟德爾通過豌豆雜交試驗(yàn)解決了。據(jù)說孟德爾給達(dá)爾文寄過自己的論文，但是達(dá)爾文并未打開來看。生物科學(xué)大廈的另一個(gè)支柱早就立好，但是孟德爾在1865年發(fā)表的成果被科學(xué)界忽略了。左：達(dá)爾文，右：孟德爾為什么在生物學(xué)界迫切需要遺傳定律之時(shí)，孟德爾如此重要又如此出色的研究卻沒有引起注意？是什么原因讓孟德爾成為科學(xué)史上最孤獨(dú)的天才，超前了整個(gè)時(shí)代35年？達(dá)爾文為進(jìn)化論的進(jìn)一步解釋一籌莫展，也做了大量這方面的實(shí)驗(yàn)。但是達(dá)爾文沒有孟德爾那樣扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底，他是一個(gè)從博物學(xué)家成長起來的生物學(xué)家，一直忽視數(shù)學(xué)的作用。同時(shí)代的其他生物學(xué)家也是如此。在生物學(xué)史上，孟德爾是第一個(gè)運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來研究生物學(xué)問題的人。他在植物雜交研究中采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用概率論來加以說明，在他之前還從未有人作過這樣的嘗試。這種全新的研究方法是超越時(shí)代的， 因而當(dāng)時(shí)有很多生物學(xué)家都感到不可思議，不可理解 。孟德爾正運(yùn)用數(shù)學(xué)這個(gè)重要的工具，深入淺出地看待問題，從自然界的復(fù)雜多樣中抽絲剝繭，得出了偉大的規(guī)律。這也正是孟德爾天才地方。牛頓當(dāng)年也是憑借著出色的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，總結(jié)出了自然哲學(xué)中的數(shù)學(xué)原理。孟德爾始終相信“我的時(shí)代會(huì)到來”。只是他不再試圖去說服那些專家們，甘愿忍受孤獨(dú)。1884年，孟德爾因病去世。孟德爾定律的再發(fā)現(xiàn)在1900年以前孟德爾的豌豆實(shí)驗(yàn)曾被引用過11次， 最早的是霍夫曼，他在1869年的一篇論文中簡單地提及孟德爾的實(shí)驗(yàn)，并將孟德爾的論文列為引。這個(gè)引文引起了德國著名植物學(xué)家福克的注意，他在1881年出版的《植物雜種》這一名著中簡短地評價(jià)了孟德爾的工作，但語氣頗為不屑：“孟德爾所做的許多雜交的結(jié)果與奈特的十分類似，但孟德爾卻自以為發(fā)現(xiàn)了各種雜種類型之間穩(wěn)定的數(shù)量關(guān)系”。福克雖然貶低孟德爾的貢獻(xiàn)，但提及孟德爾卻無意中做了一件大好事，因?yàn)樗倪@本書后來成為從事植物雜交工作者必備的參考書。孟德爾的工作才因此得以記載。并最終在1900年被三位查閱這本書的生物學(xué)家同時(shí)發(fā)現(xiàn)。孟德爾的時(shí)代終于來臨。1900年，三位植物學(xué)家（荷蘭的德弗里斯，德國的科倫斯，和奧地利的切爾馬克）通過各自的工作，在《德國柏林植物學(xué)會(huì)》雜志發(fā)表3篇植物雜交論文，在論文發(fā)表前夕查閱文獻(xiàn)，三人幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了孟德爾1866年發(fā)表的論文——《植物雜交實(shí)驗(yàn)》。這不得不說是一個(gè)奇跡，1900年也成為了遺傳學(xué)史乃至生物科學(xué)史上劃時(shí)代的一年。在科倫斯和切爾馬克的建議下，學(xué)術(shù)界使用“孟德爾定律”為這一理論命名。孟德爾定律被重新發(fā)現(xiàn)的最初的時(shí)間里，科學(xué)界并沒有多大的震動(dòng)。孟德爾論文收到科學(xué)界的重視主要?dú)w功于貝特森的積極宣傳。1900年，貝特森了解到孟德爾的工作和發(fā)現(xiàn)，深刻地認(rèn)識(shí)到孟德爾工作的重要意義 ，并通過演講積極介紹孟德爾的發(fā)現(xiàn)。1901年 ， 貝特森率先把孟德爾的論文《植物雜交實(shí)驗(yàn)》由德文譯成英文并加以評注，發(fā)表在英國皇家園藝學(xué)會(huì)雜志上，正是這篇譯文，讓孟德爾遺傳定律首先引起了英語國家的注意， 進(jìn)而在世界各地產(chǎn)生了巨大的反響。為了使人們易于理解和接受孟德爾的遺傳理論，貝特森和他的學(xué)生龐尼特將孟德爾原始論文所使用的文字和數(shù)學(xué)公式加以圖式化，并給予了固定符號(hào)，將遺傳圖用簡明的棋盤式圖解表示。孟德爾的研究被重新發(fā)現(xiàn)，正式宣告了遺傳學(xué)的誕生。此時(shí)孟德爾已經(jīng)去世16年，孟德爾定律的再發(fā)現(xiàn)卻足以照亮新的世紀(jì)。他不再是當(dāng)初默默無聞的神父，而成為了“超越時(shí)代的天才”。孟德爾和重新發(fā)現(xiàn)孟德爾研究的三位生物學(xué)家對孟德爾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的爭議孟德爾論文被重新發(fā)現(xiàn)之后，有像貝特森這樣的支持者，就也有質(zhì)疑者，著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家和遺傳學(xué)家費(fèi)舍爾就是質(zhì)疑者之一。1936年，他對孟德爾的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，認(rèn)為孟德爾的數(shù)據(jù)過于接近理想數(shù)據(jù)。費(fèi)舍爾雖然質(zhì)疑孟德爾的數(shù)據(jù)，但他對孟德爾的方法和結(jié)論都及其贊賞：“從他們的結(jié)果來看實(shí)驗(yàn)性研究確鑿無疑，在表達(dá)上毫無缺陷，并且對不止對一個(gè)、而是對當(dāng)前感興趣的許多問題的理解至關(guān)重要?！?div style="height:15px;">