北京零氪科技有限公司:丹麦遗传学家约翰逊与基因的故事

在遗传科学研究和遗传学教科书中,引用得最多、出现频率最高的词汇莫过于“基因”、“基因型”、“表现型”了。这些词语的提出与一位丹麦遗传学家有关，他就是维尔赫姆·路德维希·约翰逊（Wilhelm Ludwig Johannsen,1857-1927）。
   约翰逊于1857年2月3日生于丹麦哥本哈根。1872年中学毕业后成为药剂师的学徒，因为他父亲负担不起大学的费用，这使他后来成为一名药剂师。约翰逊先后在丹麦和德国药房的工作中自学化学并同时培养起对植物学的兴趣。1881年他开始在约翰·基耶达（Johan Kjeldahl）的卡尔斯堡实验室化学部任助理，研究植物种子、块茎和芽的休眠，并于1887年发现制止植物芽类冬眠的方法。1892年他成为哥本哈根农学院的讲师，教授植物学和植物生理学。1905年起担任该校教授，全力进行遗传学实验。他的主要研究领域是生物标准性质的遗传量变。在此期间，他读到弗朗西斯·高尔顿1876年出版的《遗传理论》（A Theory of Heredity）一书，对证明“如果用自花授粉的植物后代，选择是无效的”这一理论的实验有深刻的印象，促使他用一种菜豆重复了这项工作，这导致他提出了著名的“纯系学说”。
   约翰逊在1896年发表的《论遗传和变异》（On Heredity and Variation）一文中就阐述了他的遗传学思想，后来他又根据重新发现的孟德尔定律对论文再次进行了修订和补充，并在1905年以《遗传学原理》（Elements of Heredity）为书名重新出版。经大大扩充了的此书的德文版在1909年很流行，这是一本当时欧洲最杰出最有影响的遗传学教科书。在书中，他首次引用“基因”、“基因型”、“ 表现型”、“纯系”等概念，并指出存在两种变异性——可遗传变异性和不可遗传变异性。
   1914年，约翰逊著书谴责了生物学中的神秘主义。1917年他成为哥本哈根大学校长。这位自学成才的科学家达到了他事业的顶峰。在晚年他主要从事遗传科学史的撰写工作。1927年11月11日病逝于哥本哈根。
   在遗传学史上，约翰逊被人们津津乐道的是他提出了几个最为重要的遗传学概念以及他独立进行的一项重要的遗传实验——菜豆的自交试验，后者导致一个重要的遗传理论——纯系学说的建立。
    约翰逊从1898年起开始了菜豆和大麦的纯系研究，不过以菜豆实验最为有名。
   他从市场上买来菜豆（Phaseolus vulgaris）,这些菜豆种子有轻有重，参差不齐，轻的仅15厘克，重的可达90厘克。他从中挑出了轻重不一的19粒菜豆，建立了19个纯系。所谓纯系，就是一粒种子的后代。因为菜豆是自花授粉植物，每粒种子的后代应该都是纯合的，所以约翰逊称单粒种子的自交后代为纯系。不同纯系间的平均种粒重有明显的差异，轻种子产生轻种子后代，重种子产生重种子后代。然而在一个纯系内，豆粒虽也有轻有重，并且成连续分布，但其平均粒重与亲代几乎没有差异。因此，约翰逊认为，一个纯系内的种粒重变异是不遗传的，而不同纯系间的变异至少一部分是遗传的。
   约翰逊的菜豆实验前后进行了6年。在连续6年内，他选出纯系内最大种子和最小种子，将它们分别种下，由大种子和小种子产生的后代种子平均重量始终都一样，看不出有什么区别。例如在第一年，用平均粒重仅30厘克的轻种子种下后得到的子代种子平均重为36厘克，用平均重达40厘克的重种子种下后得到的子代种子平均重35厘克，差异不大。第二年，用25厘克和42厘克的轻、重种子种下后分别产生40厘克和41厘克的种子。如此直到第6年，用24厘克和47厘克的轻、重种子都得到了37厘克的种子。
   约翰逊的菜豆实验清楚地表明，在一个混杂的群体内，粒重性状的连续变异是遗传变异和非遗传变异共同作用的结果；但在一个自花授粉的单粒种子后代即纯系内，基因型是一致的，是高度纯合的，其变异只是环境影响的结果，是不遗传的，所以在纯系内选择也是无效的。
   约翰逊在论述纯系的论文中，表明选择对于异花传粉植物和自花传粉植物之间的效果是有差别的。在异花传粉的植物群体中，选择的效果在于改变不同类型（基因型）的比例，选择是有效的。自花传粉植物产生纯合性或纯系，在长期的自花传粉植物中，遗传基因完全纯合，没有遗传的变异可供选择，选择是无效的。纯系中的变异（菜豆种粒重量的大小）一般只是环境引起的表型变异，而这种变异并不遗传。
   约翰逊在强调纯系内基因型一致、在纯系内选择无效的同时也指出：这决不意味着纯系是绝对稳定的。
   首先，经过无数世代对彷徨变异（Fluctuation）的选择，有可能最终使一个系的基因型发生变迁。其次，我们必须考虑杂交育种，在发生杂交育种的情况下，纯系必定丧失掉它们纯的状态！（注意：这里约翰逊所说的“杂交育种”主是指“天然杂交”）第三是突变，即基因型不规律变异的可能性。这最后一点尤其重要。尽管当时德弗里斯己提出了“突变论”（1901～1903），但对突变的本质了解得还不多。约翰逊自己也说“要在最大程度上规定突变还不成熟，首先必须证实在更多的有机体中存在突变”，但是他同时也强调：“据我所见，突变的确存在，这一点毋庸怀疑。”
   约翰逊认为，他这项工作的总的结果会对贝特森和德弗里斯关于非连续性变异或突变在进化理论方面的巨大意义赋予重要的支持。从纯系研究得到的知识，与杂交方面的知识的结合，可作为群体遗传研究的一个起点。约翰逊在《群体遗体与纯系》一文的最后甚至说：“把纯系原理作为一个绝对需要的原理，而带入遗传学研究的真正深入的探索中必将取得成功，然后将达到它的最高目标。”
    在遗传学史上，英国遗传学家贝特森于1905年最先命名了“遗传学”（Genetics）,并提出“杂合子”、“纯合子”等概念。1909年，约翰逊创立了遗传学中另外几个至关重要的词：“基因”、“基因型”、“表现型”等。
   约翰逊由于认识到孟德尔因子的行为和德弗里斯的泛生子的行为是如此相似，于是在1909年，采纳了一个缩短了的泛生子（Pangen）一词的衍生字——基因（gene）来描述遗传性状的物质基础。但是，他当时并没有提出基因的定义，他仅仅认为“基因将被用着为一种计算或统计单位”。他甚至反对“基因是物质的，它是具有形态特征的结构”，认为“这种概念对于遗传学的顺利发展十分危险；我们必须迅速起来反对这个概念。”
   尽管约翰逊不承认基因是物质的，但“基因”一词还是很快就被采纳了，因为这个词满足了表明遗传单位技术术语的需要。不过，由于基因定义的缺乏，成为导致后来某些争议的部分原因。从把基因定义成是不可见的遗传的亚显微单位到完全了解它的本质，这中间走过的路是漫长而又曲折的。实际上，一部遗传学史就是人们对于基因本质不断的认识和再认识的历史。
   在遗传研究中，区分基因型（个体的遗传成分）和表现型（在发育中伴随基因型传递的外部性状）是非常重要的。19世纪的学者中，高尔顿己注意到这个差别。他的一个新术语“血统”（stirps）和重新定义的术语“遗传”（heredity）显然是指基因型，而他的另外两个术语“本性”与“教养”（nature vs. nurture）则强调基因型和表现型或者说遗传和环境的这一差别。但在1900年遗传科学诞生时，不论在术语上还是概念上都没有将这一区别搞清楚。魏思曼的种质和体质己接近于对基因型和表现型认识的核心。第一个认识到有必要在术语上进行区分的人仍然是约翰逊。他在创立“基因”一词之后，将基因（gene）与词根“类型”（type）连接在一起，组成了“基因型”（genetype）这个词，与“表现型”（phenotype）相对应。“基因型”指的是由两个配子结合成的合子中遗传的组成。约翰逊认为：“这种组成我们定义为基因型，这个词完全独立于其他假说；甚至在十分类似的生活条件下，受精产生不同的合子可能具有不同的质量，表现型上各式各样的个体可能发展下去，这是事实，不是假说。”
    不能区分基因型和表现型是进化生物学史上许多重要争论的根源。而清楚地理解遗传组成（基因型）与可见外型（表现型）之间的差异，对于最终抛弃软遗传（即获得性遗传）是必不可少的。约翰逊本人对于彻底抛弃软遗传做出了根本性的贡献。
   约翰逊的菜豆试验和纯系学说的提出，以及关于遗传的几个重要概念的建立奠定了他在遗传科学发展史上的重要地位。

   参 考 文献（References）：
   [1]Johannsen W. 1903. Uber Erblichkeit in Populationen und in Reinen Linien. Jena:Gustav Fischer.中译：群体遗传与纯系，W.Johannsen(1903年).见《遗传学经典论文选集》.孟德尔等著，梁宏，王斌译.北京：科学出版社，1984.32-36.
   [2]Johannsen W. Elemente der Exakten Erblichkeitslehre. Jena: Gustav Fischer. 英译：Elements of Heredity. 1909.
   [3] [美]厄恩斯特·迈尔著，刘 君 君等译.生物学思想的发展——多样性、进化与遗传.长沙：湖南教育出版社，1990.
   [4] [美]丹弟斯等著，刘劲生等译.科学家传记百科全书.成都：四川辞书出版社.502~503.
   [5]刘祖洞著.遗传学（上册）.北京：高等教育出版社，1990. P.262-264.
   [6]罗鹏等编著.国外遗传学著名论文评介，贵州人民出版社，1989. P.30-34.