第三章
突变

在游移现象之中漂浮的一切，

请用持久的思维使它们永驻。

——歌德

“跳跃式”的突变——自然选择的基石

我们方才为论证基因结构的持久性所列举的普遍性事实，对大家来说也许过于熟悉，以至于无法夺人眼球，也无法令人信服。这一次，俗话说的“例外恰能反证规律的普遍性” 正好可以用在这里。如果子代与亲代之间的相似性没有例外情况，那么就不会有那些揭示了遗传机制细节的精巧实验，更不会有那些比人类实验声势浩大千百万倍的大自然的实验——通过自然选择和适者生存来锤炼物种。

请允许我从最后的这个重要主题出发，为各位介绍相关的事实。在此，我必须再次请求原谅并重申我不是一名生物学家。

时至今日，达尔文的错误已经众所周知：他错误地把在最纯的种群中也会出现的微小而连续的偶然差异视为自然选择的材料——而我们已经证明了这些差异是不会被遗传的。这一点非常重要，下面让我来简单说明一下。

取一捆纯种大麦，逐一测量每株麦穗上麦芒的长度；再把统计结果绘制成直方图，以麦芒长度为横轴，相应长度的麦穗数为纵轴，便可以得到一条如图7所示的钟形曲线。我们会发现，麦芒为中等长度的麦穗最多；以麦穗数的峰值为中心，比其长或短的麦穗数量顺着横轴两侧有规律地依次减少。现在选取一组麦穗，使其满足这样的条件：其麦芒长度明显超出平均水平，但数量却足够多，可以在地里播种并长出新的作物。图中标黑部分是被选取的样本。要是由达尔文来预测新长出的麦子的收成情况，他会认为上述钟形曲线会向右移动。说白了，他认为若选择麦芒较长的麦穗来播种，新一批麦子的平均长度会增加。但实际上，如果用作实验的是真正纯种的大麦，情况就不会如此：新的统计曲线会和原来那条一模一样。假如选择麦芒明显较短的麦穗来播种，也会出现相同的情况。这样的选择是无效的，因为微小的连续差异并不会被遗传下来。这些差异显然不是基于遗传物质的结构，而是偶然发生的。

然而大约在四十年前，荷兰科学家德弗里斯 发现，即使在完全纯种样本的后代中，也会有极少数的个体（比如几万个样本中的两三个个体）发生微小而“跳跃式”的变化。我用“跳跃式”来形容，并不是指变化之大，而是指变化之不连续：因为在未发生变化的正常个体和极少数发生变化的个体之间，没有中间形态。德弗里斯把它称为“突变”（mutation），其中的关键就在于不连续性。这让物理学家们想到了量子论：相邻能级之间没有中间能量。他们可能会把德弗里斯的突变理论形象地比喻成生物学中的量子论。稍后我们就会看到，这远不止是一个比喻。突变实际上就是由基因分子中的量子跃迁造成的。但是，在德弗里斯于1902年首次发表关于突变的发现时，量子论才刚刚诞生两年。难怪整整经过了一代人的时间，我们才发现二者之间的密切关联！

真实遗传：突变可以完美地遗传

与原始的、未经变化的性状一样，突变是可以完美地遗传下去的。打个比方，在我们刚才举的例子里，第一代大麦中少量麦穗的麦芒长度可能会大大偏离图7所示的范围，比如会出现完全无芒的麦穗。这些无芒麦穗可能就发生了德弗里斯所说的“突变”，其遗传方式为真实遗传（true breeding） ，意思是它们能把性状一代代稳定地遗传下去；也就是说，它们的所有后代都是无芒的。

因此，突变必定是源于遗传信息库的变化。由此推断，遗传物质必然发生了改变。实际上，大多数揭示了遗传机制的重要育种实验，都是根据事先制订好的计划，将突变（在许多情况下是多种突变）的个体与未经突变的个体或与发生不同突变的个体杂交，再仔细分析其后代的情况。另外，真实遗传中后代为纯种，因此突变个体是达尔文自然选择理论的合适材料：通过“适者生存、不适者淘汰”的方式，新物种得以产生。如果我正确解读了大多数生物学家的观点，我们只需对达尔文的理论做出小小的修正：用“突变”替换他所说的“微小的变化”（正如在量子论中，用“量子跃迁”替换“能量的连续传递”），而理论的其他方面几乎无须改动 。

定位，隐性和显性

现在我还是以略带教条的方式，继续来回顾关于突变的其他基本事实与基本概念；先暂且不谈人们是如何从实验证据中逐一认识到这些事实和概念的。

明确可见的突变源于染色体上特定区域的变化，这是在我们意料之中的。事实也的确如此，但必须强调的是，在这种情况下，只有一条染色体发生了变化，而其同源染色体上相应的“位点”并没有发生改变。如图8所示，图中的十字叉“×”表示发生突变的位点。通过将突变个体（通常称之为“突变体”）与未突变个体杂交，我们就可以证明只有一条染色体产生了变异：因为在杂交后代中，恰好有一半表现出突变性状，另一半则表现出正常性状。这正是突变体在减数分裂过程中，同源染色体分离的结果。如图9的“谱系图”所示，连续三代的每一个个体都以图上这种一对染色体的形式简单示意出来。请注意，如果突变体的两条同源染色体都发生了变化，那么所有的子代都会获得同样的（混合）遗传物质，但与父母双方均不相同。

但在实际操作中，这方面的实验远不止我们上面所说的那么简单。很多时候突变是隐藏的。这是另外一个重要的事实，它让事态变得复杂起来。这是什么意思呢？

在突变体中，两份“遗传密码本”的副本不再是毫无不同的了；至少在突变位点上，它们呈现出两种不同的“译法”，或者可以说是“版本”。我们也许应当马上指出，把原始版本视为“正统”而把突变版本看作“异端”的说法是大错特错的，尽管这种说法听起来很能说服人。原则上，我们必须平等地看待两种版本，因为所谓正常的性状最开始也是从突变中产生的。

实际上，个体的“样式”通常表现为正常或突变版本两者中的其中之一。被表现出的版本称为“显性”，而另一版本则称为“隐性”。换言之，根据突变能否立即改变子代的“样式”，可以把突变分为显性突变和隐性突变。

尽管隐性突变一开始完全不显现出来，但它比显性突变更为常见，而且也非常重要。隐性突变必须同时出现在两条染色体上才能影响到“样式”（见图10）。如果两个相同的隐性突变体碰巧杂交或者某一突变体发生自交，便会产生这样的个体。这种情况可能会在雌雄同株的植物中发生，甚至会自发产生。只要通过简单计算就能得出，在上述情况下，大约有四分之一的子代是能表现出可见突变样式的类型。

介绍一些专业术语

为清楚起见，我想在这里解释几个专业术语。我上面提到的“遗传密码本的版本”，无论是原始版本还是突变版本，都能用“等位基因”（allele）这个词来表示。如果某个个体的两个“版本”不同（图8），我们则称其在该位点是杂合的（heterozygous）。当两个版本相同时（如未突变的个体或图10所示的情况），个体便在该位点为纯合的（homozygous）。因此我们可以这样说：只有在纯合的情况下，隐性等位基因才会影响到“样式”；而无论是纯合还是杂合的个体，都会由显性等位基因产生相同的样式。

相对于无色（或白色）的性状而言，有色的性状往往是显性。以豌豆为例，只有当它的两条染色体上都携带“负责白色性状的等位基因”时才会开白花，此时它是“白花纯合子”；遗传方式是真实遗传，即所有的后代也都开白花 。但是，如果豌豆的一条染色体上携带“红花等位基因”（另一条染色体携带白花等位基因，因此为“杂合”），它会开红花；当它有两个红花等位基因时（即“纯合”），情况相同。对于开红花的两种情况，它们的差异只会在自交后代中显现出来：杂合的红花植株会产生一些白色的自交后代，而纯合植株的自交后代均开红花。

现在我们知道，两个外观完全相同的个体，遗传物质可能有差异。这一点非常重要，必须做出明确的区分。用遗传学家的话来说，这两个个体具有相同的表现型，但基因型不同。因此，我们可以用高度专业化的表述来简明扼要地概括前几段的内容：只有在基因型为纯合的情况下，隐性等位基因才会影响表现型。

在后面的章节里，我们偶尔会运用到这些专业表述，但在必要时会再向读者提示其含义。

近亲繁殖的危害

只要隐性突变是杂合的，自然选择就对它无效。即使是有害的隐性突变（而突变往往是有害的），它们也不会被自然选择所淘汰，原因是相应的个体并不会表现出隐性突变所对应的性状。因此，许多不利突变可能会积累起来，而不会马上产生直接的危害。不幸的是，这些杂合隐性突变必然会遗传给一半的后代，这种现象对人类以及与我们切身相关的牲畜、家禽以及其他物种都有重大的影响。在图9中，假定一个雄性个体（比方说我）携带了有害的隐性突变，因为该突变是杂合的，所以不会显现出来。假设我的妻子并没有此突变，那么我们一半的孩子（图中第二行）也会携带这个杂合突变。如果我们的孩子与没有该突变的配偶（为避免混淆，图中并未标出）生育后代，那么平均而言，我们的孙辈将有四分之一携带突变基因。

隐性突变带来的危害并不会显现出来，除非两个携带此突变的个体繁育后代。发生这种情况时，通过简单计算可以得出，他们的后代中将会有四分之一的纯合个体表现出有害突变的相应性状。抛开自交的情况不谈（因为这只可能在雌雄同株的植物中发生），风险最大的事件便是我的儿子和女儿之间通婚。他们两人各有二分之一的概率携带隐性突变基因；而如果两人都带有隐性突变，那因乱伦结合产下的孩子中将有四分之一的概率有直接的危险。此时，直系血亲通婚生育的孩子表现出缺陷的风险率为1/16 。

按照同样的方法推算，如果我“血统纯正”的孙子或孙女（即堂表兄弟姐妹）通婚，其后代的风险率为 1/64。这个概率看上去并不算太大，在现实生活中，这种情况通常也是可以被接受的。但是请别忘了，我们上面只分析了祖父母（“我和我的妻子”）中的其中一方仅携带一种隐性突变的情况。事实上，双方都可能携带不止一种潜在缺陷。如果你明确知道自己携带一个隐藏的缺陷，那么要切记，在你的堂（表）兄弟姐妹中，每8个人中就有1人也会携带它！动植物实验表明，除了相对罕见的严重缺陷，似乎还存在一些次级缺陷；这些次级缺陷相互结合，使近亲繁殖的后代质量总体下降。

在当今社会，我们已经不再像古代斯巴达人那样用残忍的方式淘汰有缺陷的孩子，把不合格的婴儿扔下泰格特斯（Taygetos）山谷 。正因如此，我们更应该严肃对待这个问题，因为优胜劣汰的自然选择作用在人类身上被大大削弱，甚至可以说是朝着相反的方向进行。上古时期，战争会让适应力最强的部落生存下来，从而可能还具有一些正面的价值；而现代战争大规模屠杀各国的健康青壮年，产生了逆选择效应，负面影响远远超出了所谓的“正面价值”。

对遗传定律普适性和历史的一些评注

在杂合的情况下，隐性等位基因因完全被显性基因压制而不会显现出任何性状，这一点真是令人啧啧称奇。不过我至少应该在此提一下这个规律的例外情况。以金鱼草为例，纯合的白色金鱼草与同样纯合的深红色金鱼草杂交后，所有的直系后代颜色都介于两者之间，即为粉红色（而不是我们预测的深红色）。还有一种更为重要的情况，即两个等位基因可以同时影响血型。但这种情况比较复杂，我们无法在这里展开讨论。如果科学家最终发现“隐性”也有程度之分，并且取决于与“表现型”相关的测试的灵敏程度，我也丝毫不会感到惊讶。

书至此处，是时候谈谈遗传学的早期历史了。遗传学的理论支柱是亲代的不同性状在连续数代中的遗传定律，尤其是显隐性的重要分别，而这全都归功于如今享誉四海的圣奥古斯丁修道院（Augustinian）院长格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel, 1822—1884）。孟德尔对突变和染色体一无所知。在他坐落于布隆（德语Brünn，捷克语为Brno，今捷克共和国的布尔诺市）的修道院花园里，孟德尔对豌豆展开了实验。他培育了不同的豌豆品种，将它们杂交并观察其第1、2、3……代子代。可以说，他是在用大自然中现成的突变体做实验。早在1866年，他就在布隆的自然研究学会会刊上发表了相关研究成果。但当时似乎并没有人对这位修道院院长的业余爱好特别感兴趣，当然也无人能预料到在不远的20世纪，他的发现将会如同北极星一般，指引一个冉冉升起的、甚至可以说是目前最引人入胜的全新科学分支。孟德尔的论文被他的时代所遗忘，直到1900年，才在同一时期被科伦斯 、德弗里斯和切尔马克 三人分别在柏林、阿姆斯特丹和维也纳重新发现。

为什么突变的罕见性是有必要的？

到目前为止，我们主要把注意力集中在了有害突变上，因为这种情况可能更为普遍。但必须明确指出，我们确实也遇到过有利的突变。如果说自发产生的突变是物种进化的一小步，那我们可能会得到这样的印象：物种在冒着伤害自身的风险以一种相当随意的方式“试错”。假如突变确实是不利的，那么相应的个体就会被自动淘汰。这就引出了非常重要的一点：突变必须是一种罕见事件（现实中也确实如此），才能成为自然选择的合适材料。假设突变现象发生得非常频繁，比方说在同一个个体身上同时发生十几种不同的突变的概率很高，这样一来，有害突变就会压制有利突变，这个物种非但不会通过自然选择得到进化，反而会停滞不前，甚至逐渐式微。因此，自然选择的关键就在于基因的高度持久性导致了相对保守的变化。我们可以用大型工厂里的制造车间作类比。为了开发出更好的生产方式，管理层必须尝试各种各样的新方法，哪怕这些创新尚未被实践证明。但为了检验创新究竟是提高还是降低了产量，每次只能引进一种新技术，而生产过程中的其他模式保持不变。

X射线诱发的突变

现在，我要向读者回顾遗传学中最为巧夺天工的一系列研究工作，事实证明，它们与我们的分析关系最为紧密。

通过用X射线或γ射线照射亲代，可以使子代的突变率（即发生突变的百分比）比在自然条件下的突变率提高好几倍。除了数量更多，以这种方式诱发的突变与自发产生的突变没有任何区别。因此，人们会有这种感觉，每一个“自然”的突变也能被X射线诱发。在人工培育的果蝇实验中，许多特殊的突变反反复复地自发产生；人们已把这些突变在染色体上定位（见第二章），还为它们命了名。人们甚至发现了所谓的“复等位基因”，意思是除了原先未突变的基因，在染色体“密码本”的同一个位置上还存在两个或多个不同的“版本”或“译法”。这意味着在这个特定的“位点”上，可能的选项不止有两个，而是有三个甚至更多个。如果其中任意两个等位基因同时出现在两条同源染色体对应的位点，那它们彼此之间便是“显—隐性”的关系。

这些通过X射线诱发突变的实验显示，每一个特定的“转化”过程，例如从正常个体转化到特定的突变体（或相反），都有其相应的“X射线系数”。这个系数反映了在子代出生以前，使用一个单位剂量的X射线照射亲代后，子代产生该突变的百分比。

第一定律：突变是单一事件

此外，诱发突变率所遵循的规律极为简单，并且极具启发性。我依据的是N. W. 季莫菲耶夫 在《生物学评论》（Biological Review）1934年第6卷上发表的报告，这篇报告中相当大的一部分内容引自作者自己的非凡工作。第一条定律是：

突变率的增长与辐射剂量成严格的正比例关系，因此确实存在一个增长系数（正如我之前所说） 。

我们对简单的比例关系习以为常，因此往往低估了这一简单规律的深远影响。为了理解这一点，你可以试着回忆一些在现实生活中常常出现的情形。譬如，商品的总价并非总是和数量成比例的。比方说你去商店里买6个橙子，但最后决定再买6个，即整整一打橙子。店主可能会给你打个折，因此你实际付的价钱比6个橙子的两倍要低一些。如果货源短缺，则可能会出现相反的情况。回到突变的例子，假设前一半的辐射剂量导致了1 000个子代中的其中一个发生突变，其他的子代却并不会受到影响，其突变倾向既不会增加也不会减少。否则，后一半辐射剂量就不会正好也诱发千分之一的突变体。因此，突变并不是一种累积效应，连续的小剂量辐射不会强化辐射效果并导致突变率上升。突变必定是辐射过程中发生在单条染色体上的单一事件。那么，是什么样的事件呢？

第二定律：事件的局域化

第二条定律可以回答这个问题，即：

从较软的X射线到较硬的γ射线，在这段广泛的波长范围内，只要射线的剂量（以伦琴单位r ^[1] 计）相同，突变系数便保持不变。

相同剂量的定义为：选取适当的标准物质，在亲代接受辐射的地点照射与此物质相同的时长，使每单位体积内因辐射产生的离子量相同的辐射剂量。

我们选取空气作为上述的“标准物质”。这不仅仅是出于方便的考量，还因为构成生物体组织的元素与空气有着相同的平均原子质量 。将空气中的电离量与密度比相乘，便可以得到组织内的电离量或伴随过程（激发）的数量下限 。事实已经摆在眼前，导致突变的单一事件，便是在生殖细胞的某个“临界”体积内发生的电离（或类似过程）。这也已被更为重要的研究所证实。

那么，这个临界体积是多大呢？根据观察到的突变率，我们可以这样估算：如果说在使用每立方厘米50 000个离子的辐射剂量时，所有（在辐射区域内）的配子以特定方式发生突变的概率为1/1 000，那么临界体积（即电离作用必须“击中”才能导致突变的“靶”区域）为1/50 000立方厘米的1/1 000，即1/50 000 000立方厘米。这个数字仅作举例说明之用，并不是真实的实验数据。在实际估算时，我们参考的是马克斯·德尔布吕克 与N. W. 季莫菲耶夫和卡尔·齐默 合作发表的一篇论文 。这篇文章也是下面两章将要展开论述的理论的主要来源。据德尔布吕克估计，临界体积的大小仅相当于边长约为10个平均原子距离的立方体，即其中只包含10 ³ （1 000）个原子。对这一结果最简单的解读是，如果电离（或激发）发生在染色体特定位点不超过“10个原子的距离”之内，就很有可能造成突变。接下来，我们会进一步讨论这一点。

季莫菲耶夫的报告中暗示了一个具有现实意义的信息，尽管它与我们现在的讨论关系不大，但我忍不住要在此顺带提一提。现代社会中，我们在很多时候都会受到X射线的辐射。X射线带来的直接危害是众所周知的，例如烧伤、辐射引起的癌症、绝育等，因此人们使用铅屏、铅服等措施来防护，尤其是那些长期与X射线打交道的医生和护士。问题是，尽管我们能够成功抵御上述对身体的直接伤害，但间接的危害仍然在所难免。生殖细胞会发生微小的有害突变，即我之前在“近亲繁殖的危害”一节中提及的那些突变。夸张点说（尽管这种说法或许有些幼稚），如果一对近亲通婚的堂（表）亲的祖母曾经长期担任X射线护士，那么他们的后代表现出有害突变性状的风险就很有可能增加。就个人而言，这并不是一个值得担忧的问题。但对于全社会来说，这种可能逐渐入侵整个人类种群的隐性有害突变是需要当心的。

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[1] 一个伦琴单位r的定义是在0摄氏度，760毫米汞柱气压的1立方厘米空气中，造成1静电单位（3.3364×10 ^-10 库仑）正负离子的辐射强度。1伦琴单位=2.58×10 ^-4 库仑/千克。——译者注 UeEoBzNBYJGPkfyNTg2H60XAlEMuJI3W2jUs/Nvfs/9p7t8ZtSnkfZtZU/9Ekk/t