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「生物论文」他一生只发表三篇生物论文,却作出了重要贡献

​美国生物学家、医生萨顿对现代生物学有重要贡献,他与德国生物学家鲍威尔各自独立发现染色体是遗传物质的载体,为解释孟德尔遗传定律以及为后来摩尔根创立染色体遗传理论提

​美国生物学家、医生萨顿对现代生物学有重要贡献,他与德国生物学家鲍威尔各自独立发现染色体是遗传物质的载体,为解释孟德尔遗传定律以及为后来摩尔根创立染色体遗传理论提供了坚实的基础,他们的发现现在被称为“Sutton-Boveri Theory”理论。然而,他一生只发表了三篇生物学论文,如今人们对萨顿的工作鲜有提及。他是如何发现染色体的作用,为什么后来从生物学界销声匿迹了?本文这些故事,将告诉你一个不为人知的萨顿。

撰文 | 李峰

在20世纪初的几十年,摩尔根(Thomas Hunt Morgan)从一个坚定的反孟德尔、反染色体学说、反自然选择的胚胎学家,变成为伟大的遗传学家,统一了染色体学说和遗传学,把遗传学,甚至生物学建立在了坚实的物质基础上。(详见《“错误”观念也有用:摩尔根和现代遗传学的起源》)这一转变的关键在于染色体学说的逐步建立,来自一位著名却也知之甚少的学者的贡献——萨顿(Walter Stanborough Sutton,1877-1916)。

消失的染色体理论奠基人

摩尔根因遗传学的杰出贡献获得了1933年诺贝尔医学或生理学奖,这也是诺奖第一次颁给遗传学——那时候还显得没什么用处的研究领域。摩尔根的伟大之处,不仅在于做出了某种科学发现而获得诺奖(诺奖获得者中的历史贡献也差别巨大),更是在于建立了新的研究范式,也就是他自己所希望的“新生物学”。在众多的前范式阶段的遗传理论中,摩尔根把孟德尔-染色体学说建立为整个遗传、发育、演化的基础,从观念到研究方法开创了新范式,引发了真正的科学革命。但是,摩尔根并不是最先复兴、再发现孟德尔定律的人,同样也不是染色体学说的提出者;相反,他是这些理论的反对者,这是科学史上非常有意思的故事。

现代遗传学的建立,其核心的证据来自于染色体学说的相关研究。没有染色体的细胞学证据,遗传学理论、孟德尔因子将永远停留在假想、臆断的层面。相比摩尔根,染色体学说的提出者显得不那么有名气,多限于细胞学圈子内部,大多数人不怎么了解。为了更好地理解染色体学说这一关键发现,需要重新介绍一下这些了不起的科学家。

染色体遗传理论(The chromosome theory of inheritance)又叫“Sutton-Boveri Theory”(萨顿-鲍威尔理论),这两个人分别是美国生物学家萨顿(Walter Sutton)和德国细胞学家鲍威尔(Theodor Boveri)。鲍威尔生前作为细胞学家一直活跃在学术领域,而萨顿则销声匿迹了。萨顿是少有的只发表了少数论文,却产生了重要影响的生物学家。实际上,他在生物学领域发表的论文一共只有三篇。

1903-1904年,两个人独立提出了染色体是遗传因子实体的想法。鲍威尔是圈内有名的大人物,而萨顿只是刚毕业的一个研究生,学术地位差异巨大。萨顿作为一颗冉冉升起的新星,年纪轻轻就发表了有重要影响的论文,可在逐渐成为生物学前沿的遗传学领域里,他之后再也没有建树。为什么他就销声匿迹了,以至于我们现代的生物学教学中,提到染色体学说,只能说一句“萨顿提出了染色体学说”,就再也无话可说了。萨顿去哪了?事实上,他度过了不凡的一生。

从工程到生物,蝗虫的意外发现

1877年,萨顿出生于纽约州乌蒂卡的一个农民家庭,他在七个孩子中排行第五。1886年全家搬到了堪萨斯州的罗塞尔。萨顿从小心灵手巧,擅长修理,发明创造,照相机都是自己做的,这一特征贯穿萨顿一生。1897年,他们全家移居堪萨斯城,萨顿随后进入到堪萨斯大学,学习工程学,在这里充分施展了他在机械工程上的天赋。大学期间萨顿还参加了堪萨斯大学的篮球队,教练是发明篮球运动的詹姆斯·奈史密斯(James Naismith)。

他一生只发表三篇生物论文,却作出了重要贡献

A:后排左三为萨顿,抱篮球者为教练、篮球之父奈史密斯;B:沃尔特·萨顿

大学第一年的暑假,萨顿家中很多人得了伤寒,他的一个弟弟因病去世,这对萨顿心灵产生了深刻的冲击。回到大学后,萨顿转入了生物系,打算日后从医。堪萨斯大学一位重要的细胞学家麦克朗(Clarence E. McClung)正在等着他。麦克朗研究直翅目昆虫,是这一领域的先驱。几年后萨顿成为了麦克朗的第一个研究生,那时的麦克朗也是青年才俊,只比萨顿大7岁,两人建立了深厚的友谊。

他一生只发表三篇生物论文,却作出了重要贡献

笨蝗;巨大染色体

1899年,萨顿在跟家人田间散步的时候,看见成千上万的蝗虫爬满了麦子,就收集了一些蝗虫。1900年,在麦克朗实验室,萨顿发现了这种直翅目的笨蝗(Brachystola magna,magna有巨大的意思)有着巨大的染色体,用他的话来说“我发现这家伙的细胞是我见过的最大的,这要是真的,我们实验室要出点小名了”。这一年萨顿发表了第一篇硕士研究论文“The spermatogonial divisions of Brachystola magna”。

读研时期,萨顿所在的麦克朗实验室做出了很多重要贡献。比如他第一次确定X染色体,是一条有着固定形态的染色体,而不是核仁结构,并且从雄性蝗虫细胞观察中发现,X染色体与性别决定有关系。这一发现引起了很大的关注,很容易联想到如果性别这个重要的性状可以由染色体决定的话,那么显然其它性状也可以。有意思的是,之所以叫X染色体,就是因为麦克朗习惯这么标记这条染色体。

黄狗为什么是黄色的

然而对于X染色体如何决定性别,麦克朗和萨顿一开始却搞错了。蝗虫的染色体虽然大,但是只有雄性蝗虫的输精管中产生精子的减数分裂过程较易观察,而蝗虫雌性减数分裂研究起来困难重重。因为减数分裂会停滞在第一次分裂前期,直到产卵后迅速完成分裂,而且当时还没有完善的制备雌性蝗虫减数分裂细胞的技术,成熟技术要到很多年后才发展出来。因此这一时期,研究人员很难观察到雌性蝗虫细胞分裂过程。这让萨顿在染色体数量统计上就犯了不小的错误。雌性蝗虫有24条染色体,萨顿数成了22条。这个后果算比较严重的,误导了他的导师麦克朗。因为他们之前已经数清楚了,雄性蝗虫是23条染色体(22+X),没有Y染色体,所以麦克朗推断,X染色体是决定雄性的。推断倒是合理,可惜萨顿的确数错了,对染色体决定性别的关系就彻底搞反了。

不过现在来看,这也没什么大不了的,在1900年代,细胞学的观察与记录手段还非常原始,想研究染色体这样微小、形状又复杂的细胞内形态结构是非常难的。细胞生物学与其说是严谨的科学,不如说是高超的艺术。不仅蝗虫,人的染色体数目就被长期误传,德国细胞学家冯.范尼沃特(H. von Winniwarter)在1907年最早报道了人的全部染色体数目为47条:23对+X染色体。随后又有人数出24对,48条染色体,直到1960年代经典教科书中仍然写着人有48条染色体。所以萨顿数错雌性蝗虫染色体数目其实算是常规操作。染色体与性别的关系,在随后几年由布林马尔女子学院的奈特·史蒂文斯(Nettie M. Stevens)搞清楚了,她研究了大量同类的昆虫,并且确定了果蝇中的Y染色体,这些都对摩尔根统一孟德尔-染色体理论有重要帮助。

根据对蝗虫的观察,萨顿敏锐地指出,染色体数目显然少于生物体性状对应的因子数,所以因子应该存在于染色体之上。并且根据已经形成的染色体学说中的一些基本观点,他认为同源染色体中成对的染色体,一个来自于父方,一个来自于母方。减数分裂中,同源染色体的移动和分布,与纺锤体牵引有关系。当然,萨顿也有猜错的时候,比如他认为减数分裂中,染色体数量减半发生在第二次分裂,第一次分裂是个相等的分裂。

以上这些日后被证实为正确的观点,萨顿都是基于观察、猜测提出的。虽然有些证据就在他本人制备的载玻片上,但是他当时并没有注意到,日后由实验室的另一位学生观察找到了这些证据。像所有的科学研究一样,染色体学说的建立也都是一个不断发展的历程,每一微小的进步是如何取得的,才应该是我们学习关注的重点,而不仅仅是它的最终结论。而且,在科学上没有什么是终极结论。

这些染色体学说理论的早期形态,一方面体现了萨顿了不起的洞察力,一方面又提醒我们反复思考——这种通过臆断,不能被检验的观点,即便幸运地说对了,我们是否就一定要相信呢?这也正是摩尔根当初反对染色体学说的根本原因。(关于摩尔根最终如何接受染色体理论,详见《“错误”观念也有用:摩尔根和现代遗传学的起源》)

1903年萨顿研究生毕业,在麦克朗的建议下,萨顿来到了哥伦比亚大学,师从细胞生物学家艾德蒙德·威尔森(Edmund Beecher Wilson)。一年后,摩尔根也来到了哥伦比亚大学。威尔森很快就发现了萨顿的研究天赋,颇为欣赏。在这里,萨顿发表了他最重要的论文The chromosomes in heredity(1903,Biol. Bull)。另一位德国细胞学家鲍威尔在1904年,也独立提出了染色体遗传理论。巧合的是,鲍威尔的妻子奥格雷迪(Marcella OGrady)是威尔森的学生,算起来萨顿与鲍威尔辈分拉平了,有了另外一层关系。

威尔森日后(1925年)把染色体学说称之为“Sutton-Boveri Theory”。萨顿的染色体遗传文章是非常重要的里程碑式论文,人们称之为解释了“黄狗为什么是黄色的(Why the Yellow Dog is Yellow)”。摩尔根的学生,绘制了第一条染色体遗传图谱的阿尔弗雷德·斯特蒂文特(Alfred H. Sturtevant)说:“萨顿论文一出,这一阶段的历史就算落下帷幕。”

弃研从医,别样人生

1903年的夏天,正在研究事业蒸蒸日上的时候,萨顿去了堪萨斯油田当了一名工头,彼时伟大的遗传学家摩尔根还要在5年之后才开始养果蝇。去当工头的具体原因已无可考,可能是由于经济原因吧。据同实验室的人后来回忆,萨顿当时还在计划新的论文,最终却没能发表,也没有完成博士学位。离开研究领域的萨顿,又发挥了精湛的机械技术和热爱发明的本领,解决了很多油田上的技术难题。据工友回忆,萨顿发明了深井钻探起重装置,改进高压油气技术。人才就是这样走到哪里都能做出与众不同的贡献。

在工地干了两年活之后,萨顿攒了足够的钱,回到了哥伦比亚大学医学院(Columbia College of Physicians and Surgeons),又过了两年,于1907年获得了医学博士学位,此后他成为了一名优秀的外科医生,实现了当年从医的愿望。1909年萨顿回到了家乡堪萨斯城,开设诊所。他心灵手巧,最擅长整形外科,矫正儿童先天畸形,名声卓著。在萨顿当医生的第二年,摩尔根发现了那个著名的白眼果蝇突变体。

他一生只发表三篇生物论文,却作出了重要贡献

一战中,在法国带领医疗队的萨顿。右图右三为萨顿

再后来萨顿加入美国陆军医疗服务预备队(United States Army Medical Reserve Corps)成为一名中尉。1915年,萨顿带领医疗队来到一战中的法国朱利(Juilly),领导战地医院工作。这个离前线几十公里的战地医院是一所16世纪神学院临时改建的,几乎没有任何现代设备,萨顿在这里又发挥了他高超的医术和同样高超的发明创造力,搭建了一个简易的X射线扫描装置,用来定位身体里的子弹和碎片。萨顿领导的医疗队救助了大量前线撤下的伤员,朱利小镇也成了一个救治伤员的中心。

在战地医院期间,萨顿目睹了战争的残酷,送来的伤员往往不是被子弹打伤,而是被炸碎的战友的尖锐骨头碎片所伤。萨顿记录了当时的真实情形,还拍了很多照片。1916年回到美国后,有出版社想出版这些内容,与萨顿签了出版合同,但很遗憾,这一愿望没能实现。在连续进行了几台阑尾炎手术之后,萨顿自己也因为阑尾破裂病倒了,手术后医治无效,于11月6日去世,年仅39岁。伟大的外科医生治病救人无数,却没能救治自己。

他一生只发表三篇生物论文,却作出了重要贡献

一战后回到家乡的萨顿

萨顿一生短暂,却处处精彩,无论研究科学,还是从医从军,甚至油田当工头都做出了杰出的贡献。非常可惜的是,我们没能看到提出染色体学说的萨顿续写细胞学的新篇章。萨顿中断生物学研究,可能是为了赚钱攒够医学院的学费,对于自己的染色体研究工作,萨顿应该是充满了热爱的。从他后来边做外科医生,边做医学院教授期间的一些做法,还能够体会到萨顿对自己曾经研究过的领域依然充满了感情。据萨顿医学院的学生回忆,他始终保留着未能发表的论文,并且一直关注着细胞学领域的进展,收集着世界各地范围内的细胞学研究论文。看到一些新进研究的结果,他还会跟学生讲:看,这些我的论文里都讲过了。

参考文献

Sturtevant, A. H., 1965 A History of Genetics. York.

Wilson, E. B., 1925 The Cell in Development and Heredity, Ed. 3. Macandmillan, New York.

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