生命编码背后的故事(之三)

遗传之谜

1816年5月中,英国浪漫诗人雪莱(Percy Shelley)和拜伦(Lord Byron)在他们各自的情人玛丽(Mary Godwin)和克莱尔(Claire Clairmont)姐妹1的撮合下在瑞士风景如画的日内瓦湖边会面,一起在湖上逍遥、写作。四位年轻人都处于20岁上下的青春年华,却无法感受蓬勃的朝气。

因为1816年没有夏天。

一年前,法国皇帝拿破仑(Napoleon Bonaparte)在滑铁卢战败,终于结束欧洲大陆近十年的鏖战。几乎同时,地球另一边位于今天印度尼西亚群岛的坦博拉(Mount Tambora)火山爆发。它喷射出的灰尘遮天蔽日经年不散,全球气温随之骤降,农业大规模减产。饱受战争蹂躏的欧洲首当其冲,1816年夏天的气温创下有史以来最低值,饥荒席卷整个大陆。那正是一场马尔萨斯意图避免的人口灾难。

被连绵阴雨约束在室内的青年诗人们只好以讲述鬼故事消遣时日,相约创作恐怖小说。被惊吓得夜不能寐的玛丽在一个凌晨文思泉涌,构想出一个离奇的故事:年轻医生弗兰肯斯坦(Frankenstein)终于找到了生命的奥秘,可以通过他发明的仪器让一般物体活起来。因为技术所限,他组装的人体身高八英尺(2米40),面目狰狞。尽管原本心地善良,这个“人”成活后因可怖的容貌不能被人们接受而转变为恶魔,满世界追杀他的制造者弗兰肯斯坦。

玛丽在那年年底成为雪莱夫人。她的《弗兰肯斯坦》两年后在英国匿名出版时大受欢迎,开创以“弗兰肯斯坦”为代名词的“科学狂人”幻想小说题材,延续至今不衰。2由丈夫雪莱代写的前言解释小说中虚构情节的根据主要来自“达尔文医生”。

1816年时,达尔文还只是七岁的孩子。雪莱夫妇“致谢”的达尔文医生是他的祖父。

达尔文出生时爷爷已经去世。他只能从爷爷留下的日记中领略长辈的风采。他爷爷不仅是伦敦著名的医生,也是一位喜爱舞文弄墨的诗人。他在诗作里表达了很多对生命现象的各种猜测和幻想,神奇地激发了玛丽的灵感。


直到《物种起源》在1861年出第三版时,达尔文才亡羊补牢地添加了一个前言式的简要历史回顾,解释物种演化的概念并非自己首创。在他之前几十年里,至少十多位学者曾以不同角度提出过物种不是一成不变的看法,包括他自己的祖父。最为显著的是法国的拉马克(Jean-Baptiste Lamarck)。在达尔文尚嗷嗷待哺的年月,拉马克已经开始发表系统的物种演化理论。

拉马克是在对动物行为的观察中放弃了他原有的物种恒定信念。他认为物种来自上帝,但在被创造后还是会自行演变,以适应生存环境的变化。比如鹿在吃完了低处的树叶后不得不伸长脖子去啃食高处的树叶。这样的努力会促使鹿脖子的肌肉增长、脖颈拉长。代代相传之后,一部分鹿就成为长颈鹿。这个由一般的鹿演变而成的新物种能够更好地适应树叶长得比较高的环境。那正是它们一代代前辈竭力伸脖子的功绩。

类比人身上的肌肉,拉马克认定动物的器官会因为它们的使用程度变化。经常使用着的器官会强化,而用不着的器官就逐渐退化以致消失。拉马克将这个演化机制叫做“用进废退”3。这样的“用”使得动物不断发展、强化自身,它们的器官数量会逐渐增长,也变得越来越精巧实用。它们便会从简单的低等动物过渡为复杂的高等动物,直至最高等的人类。因此,物种的演化有着明确的方向性,即是从低级到高级,以更适应环境为目标的“进化”。

当然,无论一只鹿如何努力,它也不可能将自己的脖子拉得多长。长颈鹿的出现有赖于用进废退在一代又一代鹿身上的积累。上一代努力的成果必须传递给下一代作为新的基础。拉马克因而提出,每个动物在生存竞争中获取的经验教训会在生育时传递给它们的后代。这个“获得性遗传”4保证用进废退的延续和进化的发生。

虽然头头是道,拉马克却无法为他提出的这些规律提供任何确切的依据。


龙生龙,凤生凤。这是一个不言自明的朴素常识。5生命就是这样地延续、繁衍,每一代在生育时将自己的相貌、行为、性格等特征以及缺陷传递给下一代。这个遗传过程既显而易见又神秘莫测,也正是赫歇尔笔下的谜中之谜。

远古之时,每个孩子的诞生都是一个无法理解的奇迹。人类因而对创造生命的女性生殖器顶礼膜拜。后来,他们可能是在驯化野生动物的实践中认识到两性交配与生殖之间的因果关系,父亲的作用才开始凸显。再往后,随着生产的发展和父系社会的到来,人们的性崇拜转向男根。相应地,他们的生育观也转了一个180度的大弯。

古希腊的圣贤们可以仰望星空,构造出复杂但具体的宇宙模型;也会俯察人世,对各种物理、化学现象头头是道。但他们在面对生命时却茫然无措,只能漫无边际地牵强附会。

植物的种子在土壤中发芽是新生命出现最常见、直观的图景。公元前5世纪的毕达哥拉斯(Pythagoras)设想男性的精液就是种子,在女性身体的土壤中发育成孩子。在男性身体内部,精液无时无刻流动循环着,从每个器官汲取信息,比如眼睛的颜色、骨头的长短等等。性交时,这些凝聚着男性全部身体特征和人生经历的精液被注入女体,完成“播种”。

在那个时代,男人或雄性动物产生的精液是性交过程中唯一可见的物质,因而自然地被认作新生命的源泉。中文的“精液”源于“精华”。英文的“精液”(semen)来自拉丁语的“种子”,相应的形容词“有精液的”(seminal)则被赋予“最重要”、“开创性”、“具深远影响”等等含义。

因此,毕达哥拉斯认为孩子所获得的所有遗传信息均来自父亲的精液。母亲的贡献只是像土壤一样提供必要的养分和环境。

即使在古希腊,毕达哥拉斯的信口开河也没能令人信服。很难想象来自男性身体的精液能够带有指导女性后代性器官发育的信息。而且,子女继承母亲或祖母、外祖母相貌和生理表征的现象也不少见。

比毕达哥拉斯稍晚、被誉为医学之父的希波克拉底(Hippocrates)认为女性身体内也有着精液,在性交时与男性的精液混合而成胚胎。其后的亚里士多德认为女性的经血是制作生命的“材料”,所以一旦怀孕便不再有经血流出。男性的精液则是“规范”,像铸模一样将女性提供的材料揉合成胚胎。他们的看法大同小异,都认可孩子的遗传同时来自父母双方的融合。十月怀胎的母亲不仅孕育了后代,也与父亲一样地提供了传宗接代的信息。

希波克拉底和亚里士多德的这个“融合遗传”6描述比毕达哥拉斯的“男性主义”观念更为合情合理。直至今日,我们依然会以血液的融合描述遗传。比如美国前总统奥巴马(Barack Obama)的父亲是黑人,母亲是白人。他因此被称为“混血”,有着黑人、白人各一半的“血统”或“血缘”。在追溯比较复杂的家族之树时,我们也会说某人有着四分之一意大利血统、八分之一德国血统等等。这些比例记录着父母、祖先的贡献,无论那是来自男方还是女方。携带着不同历史文化的血液在后代的身体中融合,塑造出一个崭新的生命。


伽利略在17世纪初对着漫天星星举起自制的望远镜,开创观测认识恢弘的太阳系和宇宙的新纪元。也是在那个年代,同样的玻璃镜片让人类窥视到一个未曾见过的微观世界。

与牛顿同时代的物理学家虎克(Robert Hooke)7在1665年出版《显微图谱》8,细致地描绘自己设计的显微镜和用它们观察到的枝叶、昆虫微小细节。出乎意料地,他看到软木塞的切片内有着排列整齐的格子间,像是修道院里僧侣居住的宿舍。于是,他将这个软木纤维的内在结构命名为“小房间”(cell)。在中文翻译中,这个名称成为更具学究气的“细胞”。

因为需要切得非常薄,虎克在显微镜下只能采用早已干枯的软木塞。他所看到的细胞也只是空空如也的外壳,毫无生命痕迹。但他的发现引起轰动。用望远镜观察遥远的星星和用显微镜寻找细微的生命成为有钱有闲贵族们趋之若鹜的社会时尚。

荷兰的列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)却只是一个出身贫寒的小裁缝。为了能更清晰地察看布匹中的瑕疵,他也热衷于磨制玻璃镜片。虽然没有受过正规教育,心灵手巧的列文虎克却技高一筹。他自己制作的显微镜达到300倍放大能力,超越虎克等专业人士。9在生意之余,他也随大流观察生物现象,取得一系列惊人的发现。

在列文虎克的显微镜下,各种各样的植物、动物切片都呈现出细胞,证实那是生物体的基本组成结构。而且,他看到的细胞内部水灵灵,富有生命活力。他还在血液中观察到红血球细胞,在牙垢里发现众多的细小活物。列文虎克把后者称为“微小动物”(animalcule)。那是后来所称的“细菌”(bacteria),生物在植物和动物两大传统分类之外的另一个存在:“微生物”(microorganism)。

作为最早发现者,列文虎克也被公认为“微生物之父”。

1677年,列文虎克在他人的提示下用显微镜观察他自己以及其它动物的精液,赫然发现那里面也有着数不胜数的“微小动物”。它们在形状上类似水中常见的蝌蚪,有着一个大大的脑袋和长长的尾巴,可以自主地快速游动。这一发现复活了毕达哥拉斯的原始生殖理论。精液中能游动的“微小动物”显然属于生命体,应该就是毕达哥拉斯想象的种子。因此,这个新发现后来被以希腊文命名为“精子”(spermatozoon ),即“活着的种子”。人们想象精子的“脑袋”里有着一个微小但完整的人。它完全来自父亲,依靠母亲子宫提供的养分发育长大成为婴儿。

但毕达哥拉斯的观点在那时已经失去权威性。受很多动物通过雌性的下蛋、孵蛋诞生下一代启示,很多生物学家认为所有雌性动物都会像鸡、鸭、蛇等一样地产蛋,包括人类的女性。在他们心目中,母亲才是遗传的主力,小小的精子可以忽略不计。只是他们的不懈努力屡遭失败,一直没能在哺乳动物身体内找到那样的蛋。

直到发现精子150年后的1827年,这样的“蛋”——“卵子”(ovum)——才被实际发现。随后的实验清晰地表明卵子自身并无法发育成为胚胎,需要精子的参与。至此,来自父亲的精子与来自母亲的卵子精诚合作,共同缔造下一代的生育理论才成为确立的事实。与之相应,融合遗传也成为被广泛接受的共识。

于是,当作为工程师的詹金在1867年阅读达尔文的《物种起源》,思考其中个体的优势变异会随着代代相传而进化成新物种时,他立刻有了疑惑。因为融合遗传,任何变异的个体——或荒岛土著中出现的单个白人——在无计其数的群体中只是杯水车薪。其带有的适应性优势会在一代代的融合中被稀释而消失,不可能导致适者生存。


达尔文看到詹金的书评时已经完成了他的下一部书稿。如他所言,《物种起源》只是一份匆忙推出的“摘要”,没能包括他20年间详尽的研究、实验和思考。即将出版的《动物和植物在家养下的变异》10意在为《物种起源》提供后续的补充,尤其是那令他头疼的遗传问题。

拉马克的“用进废退”和“获得性遗传”相当直截了当。鹿经常伸脖子将脖子拉长;加拉帕戈斯某个岛上的雀也会因为啃食坚果将鸟嘴磨练得更为坚硬。它们这些在生存竞争中“获得”的优势在生育时会随同其它遗传信息一起传给下一代,实现进化过程。拉马克没有,也不需要在具体的遗传机制上多费心思,将之视为理所当然。

达尔文的新理论与拉马克有很多相似之处。比如物种演化有着确定的方向,是由简单到复杂、越来越适应生存环境的进化。但在进化的起因上,达尔文却与拉马克有着本质性的区别。在达尔文的进化论中,鹿不可能自己拉长脖子,雀也没法将自己的嘴磨硬。这些生存优势并非后天的“用进”,而是先天的变异:出生时脖子稍长的鹿和嘴巴稍硬的雀在特定环境中具备生存优势,它们淘汰另外的同胞,代代繁衍而成为新物种。

这个新思想对遗传提出了更高的要求:在“龙生龙,凤生凤”的遗传过程中,物种个体之间要能够出现微小、随机的变异。而这些变异又必须忠实地传递给下一代,以保证适者的生存。这两个条件似乎自相矛盾,要求遗传过程既忠实可靠又随机变异。达尔文意识到这是一个难题,也是他的进化论中最大漏洞所在。

虽然曾有过毕达哥拉斯、希波克拉底和亚里士多德等先哲的思考,有过虎克、列文虎克等人的微观发现,遗传仍然是一个说不清摸不透的奇怪现象。

我们总会兴致勃勃地议论初生的孩子是像爸爸还是像妈妈,却不可能得出确定的结论。有的孩子会明显像爸爸,有的明显像妈妈,有的则是双亲的自然综合。在美国,奥巴马被普遍认为是第一个“黑人总统”而不是“混血总统”,因为他的相貌和举止都如同黑人,虽然他是黑白混血并完全由他身为白人的母亲和外祖母抚养成人。在融合遗传中,每个表征是否能在下代如实再现似乎完全靠运气,没有规律可循。如何才能保证某个(有利的)变异能够在遗传中长期地保留下来?

在笔记本上画出生命之树后的20来年里,达尔文曾费尽心思寻找遗传的规律。他精心地观察自己养育的兰花、鸽子、兔子等等,分析研究从全国各地配种专家那里收集到的数据,最终还是一无所获。在《物种起源》中,他无可奈何地抱怨:“我们对遗传的规律几乎一无所知。11

不得已,他只好也空想式地提出自己的遗传理论,在《动物和植物在家养下的变异》书中发表。在他的想象中,生物体内各处的细胞会释放一种嫩芽般的“泛子”(gemmule)。这些泛子在身体中自在地循环,最后集聚在雄性的精子或雌性的卵子之中。精子与卵子结合时,分别来自父母的泛子捉对合并生成新的细胞。如果父亲眼睛细胞的泛子强于母亲眼睛细胞的泛子,孩子的眼睛就会更像父亲。反之亦然。这样,下一代的表征可能会像父亲也可能会像母亲,或者是对等的综合。这都取决于各自泛子的相对强度。

显然,达尔文这个“泛生假说”12是毕达哥拉斯、希波克拉底的现代翻版:既然已经知道精液不会主动地在身体中游荡收集遗传信息,那就让这些信息从身体各处以泛子方式传送给精子、卵子。泛子在被产生之时既蕴含生物体先天的变异也会带有其后天的经验教训,故而也能实现拉马克的获得性遗传。父母双方的泛子结合,更又是融合遗传的体现。

因为没有任何实际根据也近乎天方夜谭,达尔文的泛生假说遭到学界几乎一致的反对。但他坚定不移,相信这一定会被证明为正确的理论。

倒是他的表弟高尔顿(Francis Galton)13兴致勃勃。比达尔文小13岁的高尔顿一直以这位学识渊博的表哥为偶像,曾跟着一起做过配种实验。这时,高尔顿准备实际地验证表哥的新理论。他别出心裁地将白兔子的血液输入其它颜色的兔子体内,期望白兔子血液中的泛子会让那些兔子也生出白色的崽子。但事与愿违,他不得不在王家学会会议上报告他的失败结果:达尔文的泛生假说完全不正确。

达尔文却不买这个账。他给《自然》(Nature)杂志投信申辩自己从来没有说过泛子是在血液中循环流动。他的理论同样适用于没有血液的植物或微生物。高尔顿的实验因而与他的理论毫无瓜葛。


但在对自己的遗传理论满怀信心的同时,达尔文也知道泛生假说其实还是过于泛泛,无法正面应对来自詹金的挑战。泛子的结合仍然是融合遗传,个体的变异无法摆脱在大样本统计中消失的命运。其实,达尔文也早已对融合遗传疑虑重重。孩子的面貌、身高等等表征往往是父母相应表征的综合,但身为男性的父亲与身为女性的母亲生出的要么是男孩要么是女孩,不会是半男半女或以其它比例的“融合”。

显然,融合遗传并非绝对。但达尔文已经竭尽心力,依然无法找出更为严格、合理的遗传规律。他那时压根不知道,在欧洲大陆的一家修道院里,一名默默无闻的僧侣已经获得了他遍寻无着的答案。

(待续)

系列目录

1

她俩因为父母联姻成为继姐妹,并没有血缘关系。

2

《弗兰肯斯坦》也不是那个日内瓦湖聚会的唯一产物。拜伦的私人医生同时创作的《吸血鬼》(The Vampyre)也引领了另一个浪漫恐怖小说的新潮流。

3

use and disuse

4

inheritance of acquired characteristics

5

英语中常见的相应说法是“like begets like”。

6

blending inheritance

7

牛顿那句脍炙人口的“如果我看得更远,是因为我站在巨人的肩膀上”(If I have seen further it is by standing on the shoulders of Giants.)名言便来自他给虎克的信中。后世有人解读那是对虎克驼背的讥讽,但那时他俩尚未交恶。

8

Micrographia

9

虎克的设计有着分开的物镜和目镜,是现代显微镜的雏形。列文虎克只用一个镜片,属于高级的放大镜。在当时的条件下,单个镜片容易聚焦而更为实用。

10

Variation of Plants and Animals Under Domestication

11

The laws governing inheritance are quite unknown.

12

Hypothesis of Pangenesis

13

高尔顿的母亲和达尔文的父亲是同父异母的兄妹。