第三章
突变

变幻往复之物，限制于永恒之思想。

——歌德

1.“跳跃式”变异——自然选择的物质基础

刚才用于论证基因结构的持久性的一般论据，在我们看来或许因为过于一般而缺乏说服力。有句老话“例外为法则提供了证明”在这里再一次得到了验证。如果子女总是和父母具有一样的特点而没有例外的话，那么，不但不存在那些为我们详细展示遗传机制的精彩实验，而且自然界也就不能上演通过自然选择和适者生存的机制造就物种的规模空前的实验。

我将以前面最后提到的重要问题为导引，介绍有关的实验——请原谅，我再次声明我不是生物学家。

达尔文曾经提出自然选择的物质基础是那些偶然发生的、细微而连续的变异，因为即使是最为纯净的族群中也存在这种变异。现在我们已经明确知道这是错误的。后来的事实证明，这些变异并不是遗传造成的。这是一个非常重要的事实，有必要简要提及。

如果我们有一捆纯种大麦，现在逐个测量每个麦穗的麦芒长度，并将获得的统计数据绘制成图表，将得到图7所示的柱状图。图中横轴表示的是麦芒长度，纵轴则表示具有一定长度麦芒的麦穗数量，统计绘制的曲线呈钟状，这说明，一定中等长度的数量占优，而高于或低于这个长度的麦穗的比例都将降低。假设挑出一组麦芒长度超过平均值的麦穗（图7中黑色标记），麦穗数量足以在一块地中播种并培育出一批新大麦，按同样的方法统计这些大麦的麦芒长度。依据达尔文的理论，他会这样预测，新统计曲线中的极大值将出现右移，或者说，通过一定的选择可以期望新麦穗的麦芒长度增加。事实上，如果用来培育的是真正纯种品系的大麦，就不会出现达尔文所预测的结果。采用选出的具有长麦芒的麦穗培育的后代统计出的新曲线和原始曲线完全一致。如若选用麦芒长度特别短的麦穗进行培育，也将得到完全一样的结果。人为的选种没有对麦穗后代的品性造成影响，这是因为细微的连续变异，并不是由遗传引起的。

可见，这样的变异不是基于遗传的物质结构，而是偶然发生的。那么，物种又是如何进化的呢？40多年前，荷兰的德弗里斯（De Vries）注意到一个现象：极少数（约万分之几）的纯系后代中出现了细微的“跳跃式”变异，德弗里斯称这种“跳跃式”变异为突变。突变的“跳跃”并不表现在变异的程度大，而是表现在变异的非连续性，即在发生变异的个体和未发生变异的个体间不存在中间状态。突变中蕴含的不连续性很容易让人联想到物理学中的量子理论，“相邻的两个能级之间不存在其他能态”，因此，突变也被称为“生物学的量子理论”。这不仅仅只是一个比喻，人们将会发现突变本质上是基因分子的量子跃迁的结果，二者的密切联系历经了整整一代人的时间才被发现。这是因为当德弗里斯在1902年首次发表突变的发现时，物理量子理论也仅仅问世两年，能同时了解这两个新发现的人已少之又少，更何况将它们联系起来呢！

2.突变可以繁育后代，它们可以遗传

突变也同原始的、未发生改变的性状一样可以完全地遗传下去。如在前面提到的新收获的大麦中，会出现个别的麦穗完全不在图7所示的变异范围内，比如完全没有麦芒。这是一种德弗里斯突变，挑选这样的麦穗进行培育，它们的后代会和它们完全一样，也就是说，它们所有的后代也都是完全没有麦芒的。

所以，突变一定是遗传宝库中发生的某种变化，而且必然对应着遗传物质中的某些改变。事实上我们用来研究遗传机制的重要繁育实验，基本上都是在研究分析精心计划的杂交产生的后代，在这些繁育实验中，通常是已经发生突变（也可能是多重突变）的个体被用于和未发生突变的个体或者具有不同突变的个体进行杂交。从另一个角度来看，培育实验中后代和前代的性状完全相似，说明了达尔文所认为的物种进化的自然选择正是以突变为物质基础的，通过淘汰不适应环境的性状，留下最适合的性状这样一个优胜劣汰的过程而产生新的物种或是实现物种进化。因此，如果大多数生物学家所持的观点和我一致，那么只要将“细微的偶然变异”换成“突变”（正像量子理论那样把“能量的连续转移”替换为“量子跃迁”），达尔文的学说就没有什么其他地方需要修改了 。

3.定位、阴性和显性

现在让我们再以稍显形式化的方式对突变的一些其他基本事实和概念进行评论，而不具体地逐个说明它们怎样源于实验证据。

可以这样初步认为，一个观察到的可确认的突变是在某条染色体的某个位置发生了变化，事实也确实如此。需要注意的是，发生变化的只是一条染色体的某个位置，而其对应的同源染色体对应的位置并没有发生任何变化（如图8所示，×处为发生突变的位置）。可以用发生突变的个体（突变体）和未发生突变的个体进行杂交实验来证明只有一条染色体发生突变这种事实，因为杂交产生的后代中统计的结果是一半表现出突变的性状；另一半仍维持原来的性状。如图9所示，这和理论的预期是相符的，是减数分裂中两条染色体分离产生的结果。图9是一个简化的“谱系图”，图中3个世代的每个个体都只用一对染色体表示遗传物质组成。可以看到，假如突变个体中两条染色体都发生突变，那么，后代中的每一个个体都将具有相同的遗传特性（混合型），且和父本、母本都不相同。

然而，在遗传学领域进行的实验要远比我们前面讨论的内容复杂，这就涉及另外一个重要的事实，就是使遗传变得复杂的潜在性突变，这究竟是什么意思呢？

存在这样的情况，突变体中两套“遗传密码本”已经不再是完全一样的了，至少在发生突变的位置，已经是两个不同的“密码”或是“版本”了。有些错误的观念往往会认为原始版本才是“正统的”，而突变版本则是“异端的”。然而，从本质上说原始的性状最初也是源于突变，所以原则上我们必须认为突变和原始性状具有同等地位。

现实中的一般情况是，一对杂合的染色体表现出的性状有两个版本，个体的“模式”表现出的只是两个版本中的一个，这个被表现出来的版本称为显性的，未被表现出来的版本则称为隐性的。两个版本可以是正常的，也可以是突变的，也就是说，突变可根据是否影响到“模式”的性状表现分为显性突变和隐性突变。

突变中隐性突变的概率甚至比显性突变的概率更高，虽然它们在一开始并不表现出来，然而它们却是非常重要的。只有在两条染色体上都出现隐性突变（纯合隐性突变），遗传模式才会受到影响。纯合隐性突变个体的出现需要两个相同的隐性突变体杂交或是一个突变体自交产生，在雌雄同株的植物中可观察到这种现象，甚至可能自发产生。不难知道在这样的情况下，大约1/4的后代都属于纯合隐性个体，而且它们的模式也将表现出可观察的隐性突变性状。

4.介绍一些术语

为了将问题讲述清楚，有必要介绍一些术语。实际上，在前面关于“不同版本”密码的介绍时，已经使用了“等位基因”来描述相同位点上的对等基因。如图8所示，如果遗传物质中两套密码是不同版本的，我们就说在这个位点上该个体是杂合的；相反，如果遗传物质中两套密码完全相同，比如非突变个体或是如图10所示的情况，则我们称该个体是纯合的。隐性的等位基因只有在纯合时才会对模式产生影响；而显性的等位基因在纯合个体和杂交个体中都表现出相同的模式。

通常来说，有色相对于无色（或白色）都是显性的。例如，在豌豆中，只有其内的同源染色体上都有“白色隐性等位基因”时，也即当它是“白色纯合体”时，豌豆才会开白花；而且用它进行纯种繁育时，后代也都是隐性纯合体，开白花。但是，如果有一个“红色等位基因”（另一个是白色隐性等位基因，杂合个体），豌豆就会开红花，当然，两个都是“红色等位基因”（纯合体）的豌豆也开红花。两种开红花的情况可通过后代的性状辨别，杂合的红色后代中会出现开白花的个体，而纯合的红色后代全部开红花。

两个性状表现完全相同的个体虽然外观上无区别，它们的遗传性状却有可能不同，这个事实非常重要，需要严格予以区分。遗传学家对这种情况的描述是：它们的“表现型”相同，但“遗传型”不同，因此，我们可以用一些简练的专业术语对前面几节内容进行总结：

隐性基因只有在遗传型是纯合的时候才能影响表现型。

一些时候我们需要用到这些专业说法，必要时会向读者解释它们的含义。

5.近亲繁殖的潜在危害

如果隐性基因是杂合的，自然选择就对它们不起作用，假如它们是有害的（突变通常是有害的），它们也不会被消除，因为它们只是潜在的。于是，大量的不利突变会累积起来，却不会对本体立即造成伤害。但是，它们一定会被传递给半数的后代，这对人、家畜、家禽和所有我们关心其体质的物种都适用。

如图9所示，假设一个雄性个体（具体点，比如我自己）以杂合的状态带有一个隐性有害突变，因此并没有表现出来。如果我的妻子没有这样的突变，那么我们的孩子中有半数（图9中的第二代）也将以杂合的方式携带这种突变。若是他们的配偶都是非突变个体（为了不产生混淆，图9中子女的配偶都被省略），那么我的孙辈中大约有1/4也将以杂合的方式受到这种突变的影响。

除非都携带有害突变的个体相互杂交，否则，隐性有害突变的影响将不会显现出来。不难明白，这样杂交的结果是后代中1/4的隐性纯合体，都将表现出具有危害性的性状。除了雌雄同株植物的自体受精之外，最具潜在风险的就是我的儿子和我的女儿结婚。他们两个人都有一半的机会受到有害突变的影响，因此乱伦的婚姻中存在1/4的危险，而对于两个隐性杂合体的后代，有1/4的可能表现出隐性突变的性状。因此，对于乱伦婚姻中诞生的后代，受到隐性有害基因的影响的系数为1/16。

倘若我的两个“纯血缘”的孙辈结婚，即表（或堂）兄妹间通婚，用同样的方法可以得出他们的后代受隐性有害基因影响的危险系数为1/64。这看起来并不是一个很大的概率，因此，事实上这种婚姻常被容许。可是，我们不要忽略了，我们仅仅分析了祖辈配偶（我和我的妻子）中只有一方携带一种潜在损害带来的结果，实际上，祖辈配偶双方都很可能携带有好些种潜在损害。假如你知道自己身上有一种潜在损害，那么可以推断，在你的8个堂（或表）兄妹中有一个也存在这种缺陷。动植物的实验都呈现出这样的结果：除了一些罕见的、严重的缺陷外，还存在许多较小的缺陷，这些缺陷产生的概率组合在一块儿，会使得整个近亲繁殖的后代出现严重衰退。既然我们已经不能再使用斯巴达人在泰杰托斯山那样消灭弱者的残暴方式，我们就必须严肃对待人类中发生的这些情况：人类中，适者生存的自然法则已经被大大削弱，甚至是转向了反面。如果说在比较原始的时代，战争还有使得优秀部落能够繁衍下去的积极意义，那么当今世界，各地大批健康青年被战争不分优劣地屠杀，战争就连这点意义也消失了。

6.综合的和历史的评述

杂合时隐性等位基因完全被显性等位基因压制，无法产生任何一点可见的性状，这是一个令人震惊的事实。不过，应该说明这是存在例外的。例如，同样都是纯合的白色金鱼草和深红色金鱼草杂交，那么所有的后代都将表现为一种中间型，即粉红色（并不是预期的深红色）。一个更重要的例子是，血型同时受两个等位基因的影响，不过我们不能在这里深入讨论。倘若最终弄清楚隐性基因可以划分为几个不同等级，且和用来检测“表现型”的实验的灵敏度密切相关，那么对上文说到的例外我将不会感到惊讶。

这里我或许应该讲一讲遗传学的早期历史。遗传学的主体，即亲代的各种性状如何在后代中世代相传的遗传规律，特别是隐性基因和显性基因的重要区别，都应归功于G.孟德尔（1822—1884年），一位著名的奥古斯丁教派修道院院长。孟德尔并没有提出突变与染色体的概念，他在布隆（布尔诺）修道院的花园中进行他的实验，实验中他栽种各种品种的豌豆，并用不同品种的豌豆杂交，观察它们各自后代的性状。

你会发现，他利用的是自然界中现成的变异来完成的实验。早在1866年，他就将他的实验结果发表在了《布隆自然科学学会会报》上，然而，那时候没有任何人对这个修道院院长的实验感兴趣。谁曾想，他的发现会成为20世纪一门全新的科学分支，一门当代最引人注意的学科的指导原则。他的论文曾遭到世人的遗忘，直到1900年才被3个人同时独立地重新发现，他们分别是：柏林的科林斯（Correns）、阿姆斯特丹的德弗里斯（De Vries）和维也纳的切尔马克（Tschermak）。

7.突变为什么必须是罕见事件

迄今为止，我们都把注意力集中在有害突变上，虽然这种类型的突变确实更为普遍，但是必须明确的是，确实也存在有利突变的情况。倘若自发突变是物种进化道路上的一小步，那么似乎可以这样认为：一些变异是物种以偶然的方式，冒着自身可能被自然选择淘汰的风险做出的“尝试”。由这引出非常重要的一点：为了成为适合自然选择的原材料，突变必须是罕见事件，事实上，自然突变确实如此。假设突变是一种频繁发生的事件，那么在同一个个体上就有可能发生十多次不同的突变，而突变可能有害的概率要远远高于有益的概率，这将导致物种无法通过自然选择获得改良，相反，物种的发展会停滞不前，甚至走向灭亡。可见，基因的高度稳定性造就的基因相对保守性非常重要。比方说，对一家大型工厂而言，为了达到更高更好的生产效益，就必须不断革新技术，即使这些技术未经证实也需要在实践中加以验证。而为了确认新技术是否对提高生产力有效，必须每次只采用一项新技术，而生产工艺的剩余部分仍要维持不变。

8. X射线诱发的突变

现在让我们简要概述一些遗传学研究工作，这些精巧的实验对我们的讨论很有意义。

用X射线或γ射线照射亲代，子代中产生突变的百分比，即所谓的突变率，相较于自然突变可提高好几倍。这种突变和自然突变并不存在本质上的不同，只有数量上的差异。因此，人们认为所有的“自然”突变都可以通过X射线照射诱发产生。在培育的大量果蝇中，经常可以发现自发产生的特殊突变，如第二章7、8节描述的那样，这些突变在染色体上被准确定位，并赋予了专有称谓。人们甚至还在染色体上发现了所谓的“复等位基因”，就是说在染色体的同一位置上，不但存在正常的未突变“版本”，同时还有两个或两个以上不同的“复本”。这说明了在那个特定的位点上，不但有两个基因可供选择，而且可能存在3个，甚至多个。当其中的两个版本一同出现在同源染色体的对应位置时，它们彼此便形成了显-隐关系。

X射线诱导突变实验表明，每一种特定的转变，不管是正常个体变成特定的突变体，还是反过来，都对应着特定的“X射线系数”。它表示用单位剂量X射线照射在子代形成之前的亲代，下一代中产生突变的百分比。

9.第一定律：突变的单一性

另外，X射线诱发突变的规律是非常简单而颇具启发性的。下面的内容参考了一篇发表在1934年《生物学评论》第9卷上的报告。作者铁莫菲也夫（Timoféef）在该报告中有较大篇幅阐述了自己的出色工作。第一定律是：

（1）诱发突变的增长同射线剂量成正比，因此，采用增长系数来表示这种比例关系是合理的。

人们通常会觉得这种简单的比例关系稀松平常，因而这一简单法则所产生的深远影响往往容易被低估。为了理解这一点，我们可以联想一下，比如一种商品的总价并不是和商品的数量成正比，平常你到商店买6个橘子是一个价格，某一天你突然买了一打橘子时，店主可能会非常感动，把橘子卖给你的价格也许会比平常6个橘子的两倍要少。要是在货源不足的情况下，则可能完全相反。依据目前的情况，我们可以推断，如果前一半的剂量引起了后代中的1/1 000发生了突变，那么对其余的后代是毫无影响的，既不增加它们发生突变的可能，也不能使它们免于发生突变。否则，后一半的剂量也不会恰好引起后代中的1/1 000产生突变。所以，连续小剂量辐射产生的积累效应不是突变发生的原因，突变一定是在照射期间发生在染色体内的某种独立性事件。那么，这是哪种类型的事件呢？

10.第二定律：突变的定域性

第二定律可对上述问题做出回答：

（2）只要维持供给剂量不变，即使大幅度地改变射线性质（波长），从软性的X射线到硬性的γ射线，突变系数也保持不变。

一般用伦琴单位来计量射线剂量，即按照经过适当选择的标准物质（如0摄氏度时，一个标准大气压下的空气）在射线照射下每单位体积中产生的离子总数来度量。这就是说只要在亲代受照射的位置和时间内，测定发射的电离的总数不变，则突变系数也保持不变。

选用空气作为标准物质，除了方便外，还有一个重要原因。那就是有机体的构成元素的平均相对原子质量与空气相同，这样，只需将空气中的电离数乘以两者的密度比，就可以估算出有机组织中发生的电离或类似过程（激发）的总数下限 。因此，引起突变的单一事件就是：在生殖细胞中某个“临界”体积内发生的电离或类似作用。这一点已经十分确定，可以通过比较严格的研究印证。那么，这个临界体积到底多大呢？我们可以结合已经观察到的突变率，基于下面这样的考虑做出估计：假设1立方厘米体积中包含50 000个离子的剂量，而这样的剂量使得照射区中的配子产生特定突变的概率是1/1 000，那么我们可以推断要产生这个突变，电离必须击中的“目标靶”体积为1/50 000立方厘米的1/1 000，也就是1/50 000 000立方厘米。当然这并不是精准的数字，只是用来说明如何进行体积估计的问题而已。

进行实际的估计时，可采用M.德尔勃吕克模型，此种方法在一篇德尔勃吕克、铁莫菲也夫和K.G.齐默尔（Zimmer）合作的论文 中有论述。后面两章我们将进行详细讨论的学说也主要源于这篇文章。论文中他们得出的体积为边长大约10个平均原子距离的立方体，也就是说相当于10 ³ =1 000个原子体积那么大。通俗地说，电离作用（或激发）发生在距离染色体某个特定位点不超过10个平均原子距离的范围内时，很可能就会诱发突变。对这个问题后面我们将会更加深入地探讨。

铁莫菲也夫等人的论文中还有一个颇具实际意义的启示，尽管这和我们现在的研究可能没什么关系，可是我觉得有必要在这里提及。现代社会中我们总是不可避免受到各种各样的X射线辐射，大家都知道这有可能会产生诸如烧伤、绝育、X射线癌等直接伤害。因此，对于频繁接触X射线的医护人员，专门配备了铅屏和铅围裙进行防护。但是，问题在于，这些措施即使能够有效地防止X射线对个体产生的直接伤害，却无法有效防止在生殖细胞中产生的细微且有害的突变。无疑，这是一种间接伤害，就是前面我们讨论近亲婚配会产生不良后果中的那种有害突变。以一种简单的方式说得严重些，假如祖母从事的是长期受X射线照射的护士工作，那么孙辈的表（堂）兄弟姐妹结合对后代造成危害的可能性将大大提高。虽然我们任何个体并不需要对此忧心忡忡，可是对整个社会而言，这种潜在的突变对人类逐步产生有害影响的可能性，必须得到足够的重视。 M2bbI83ZzePOamy6ljt4D7hu6CYrTG3AeGqtGcnNeEL4b99ZZZW4TdB9roP0281e