下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
变幻无常的现象徘徊着，
你将定于永恒的思想。
——歌德
刚刚用来证明基因结构具有持久性的那些一般事实，我们可能都太过熟悉了，所以很难为之震惊，也很难令人信服。俗话所说的有例外才能证明规律的存在这一次确实没错。如果孩子和父母之间完全相似的话，我们不可能设计那些向我们揭示了详细遗传机制的出色实验，更不可能观察到大自然通过自然选择和适者生存塑造物种的那些百万倍精妙的宏大实验。
让我以这最后一个重要主题为出发点，介绍相关事实——这里要再次致歉并提醒大家，我并不是个生物学家。
我们如今相当清楚，达尔文误以为即便最纯种的种群，也必然会发生微小、连续、偶然的变异，作为自然选择发挥作用的基础。因为已经证实这些变异不是遗传来的。这一事实非常重要，可以简单加以说明。如果你采集一批纯种大麦，逐个麦穗测量麦芒的长度，并绘制出统计结果，你会得到一条如图3-1所示的钟形曲线，其中横轴为给定麦芒的长度，纵轴为对应麦穗的数量。换句话说：这批大麦中中等长度麦芒占绝大多数，麦芒过长或过短会以特定频率出现。现在挑选出一组麦芒长度明显超过平均值的麦穗（如图中标注黑色所示），但数量上要足够让麦穗能自发在田里播种，并长出新的作物。在对此进行前述同样的统计时，达尔文原本以为相应的曲线会向右平移。换句话说，他希望通过人为的选择来增加麦芒的平均长度。如果使用了真正纯种的大麦品种，情况却并非如此。从选定作物中获得的新统计曲线与第一条曲线相同，如果选择麦芒特别短的麦穗作为种子，结果也会如此。人为选择不会起作用，因为微小、连续的变化不是遗传带来的。它们显然不是基于遗传物质的结构改变，而是偶然发生。但大约在四十年前，荷兰人德弗里斯
发现，即便是纯种家畜的后代，也有极少数个体出现了微小但“跳跃式”的变化，“跳跃式”一词并不意味着变化非常显著，而是因为存在不连续性，在不变和少数变化之间没有中间形态。德弗里斯称之为“突变”。重要的是这种不连续性，这让物理学家想到了量子理论——相邻两个能级之间没有过渡能级状态。他倾向于将德弗里斯的突变理论比喻为生物学的量子理论。稍后我们会看到，这不仅仅是象征意义上的。突变实际上是由于基因分子中的量子跃迁造成的。但1902年，当德弗里斯首次公布他的发现时，量子理论诞生才两年。难怪这又花了整整一代人的时间才发现两者之间的密切关系！
图3-1 纯种作物的麦芒长度统计
标黑的组会选来播种（图中细节并非来自真实试验，只是示例说明）
突变和原始、不变的性状一样可以完美遗传。举个例子，在前面提到的第一批大麦中，有些麦穗可能会出现远远超出图3-1所示变异范围的麦芒，比如根本就不长麦芒。它们可能就代表了一种德弗里斯所说的突变，然后完全忠实地遗传。也就是说，它们所有的后代都会一样不长麦芒。
因此，突变肯定是遗传的变化，得通过遗传物质的某些变化来解释。大多数揭示遗传机制的重要育种实验，都在于按照预先设想的计划，仔细分析突变（或在许多情形下多重突变的个体）个体与未突变或不同突变的个体杂交获得的后代。另一方面，由于它们繁殖的后代会忠实地表现遗传性状，所以突变是自然选择能发挥作用的一种合适的素材，通过淘汰不适合的突变，让适者生存，从而产生达尔文所描述的物种。在达尔文的理论中，你只需要用“突变”代替他的“轻微的偶然变化”（就像量子理论用“量子跃迁”代替“能量的连续转移”）。如果我正确解释了大多数生物学家持有的观点
，那么达尔文理论的所有其他方面几乎都不需要做出改动。
我们现在将再次以略微教条的方式回顾关于突变的一些其他基本事实和概念，而不是直接展示它们是如何从实验证据中一一产生的。
我们应该认为，明确观察到的突变是由其中一条染色体上某个特定区域的变化引起的。的确如此。重要的是，我们也肯定这只是一条染色体的改变，而非同源染色体相应“位点”的改变。图3-2示意图中的交叉表示突变位点。当突变个体（通常称为“突变体”）与非突变个体杂交时，只有一条染色体受到影响。因为正好一半的后代表现出变异性状，一半表现出正常性状。这就是突变体减数分裂时两条同源染色体分离的结果，如图3-3所示。这是一个“系谱”，仅用一对染色体代表每一个个体（连续三代）。请注意，如果突变体的两条同源染色体都受到影响，那么所有的后代都将获得相同的（混合）遗传物质，不同于父母中任何一方。
图3-2 杂合的突变体
图3-3 突变的遗传。单直线表示染色体的转移，双直线表示突变染色体的转移。第三代未标注的染色体来自第二代的配偶，没在图中表示出来。第二代的配偶应该是无血缘关系的，且均未发生突变
但这个领域的实验并不像前面说的那么容易。第二个重要事实使情况变得复杂，亦即，突变通常是隐藏着的。这是什么意思呢？
突变体的两个“密码脚本副本”不同，它们在同一个地方呈现两种不同的“文本”或“版本”。尽管很容易造成误导，但应该立即指出，将原始版本视为“正统”，将突变版本视为“异端”是完全错误的。原则上，它们具有平等权利，因为正常的性状也来自突变。
其实作为一般规则，个体的“模式”要么遵循正常版本，要么遵循突变版本。所遵循的版本称为显性，另一个版本则称为隐性。换句话说，根据突变是否能立即有效地改变个体模式，我们可以将突变称为显性突变或隐性突变。
隐性突变甚至比显性突变更频繁，而且也非常重要，尽管一开始它们根本不会表现出来。为了影响模式，突变必须存在于两条染色体中（见图3-4）。当两个相同的隐性突变体碰巧相互杂交或一个突变体自交时，就会产生这样的个体。这在雌雄同体植物中是可能发生的，甚至是自发发生的。简单思考一下就可以知道，在前述情况下，大约四分之一的后代会属于这种类型，因而明显表现出突变的模式。
图3-4 一个杂合突变体自体受精（见图3-2）或者两个杂合突变体杂交获得的1/4的后代为纯合突变体
我认为有必要在这里解释几个专业术语来说明问题。人们已经采用“等位基因”一词来表示我所说的“密码脚本版本”——无论是原始版本还是突变版本。如图3-2所示，当版本不同时，个体相对于该位点被称为“杂合子”。当版本相同时，如在未突变个体中或在图3-4的情况下，它们被称为“纯合子”。因此，隐性等位基因仅在纯合子时影响模式，而无论是纯合还是杂合，显性等位基因都会产生相同的模式。
有颜色往往比没有颜色（或白色）更占主导地位。因此，例如，豌豆只有在两条染色体上都有“白色的隐性等位基因”时才会开白花，这时它是“纯合的白色”，然后它会忠实地将这种性状繁殖出来，所有的后代都会是白色的。但是一个“红色等位基因”（另一个是白色的杂合子）就会使它开出红花，两个红色等位基因（纯合子）也会开出红花。后两种情况的差异只会在后代中表现出来，此时红色杂合子会产生一些白色后代，而红色纯合子会繁殖出红色后代。
两个个体可能外表看起来完全相同，但遗传物质却不同，这非常重要，因此需要进行严格区分。遗传学家说这两个个体有相同的表型，但基因型不同。因此，上述段落的内容可以用简短而高度专业的说法进行总结：只有当基因型为纯合子时，隐性等位基因才会影响表型。
我们会偶尔使用这些专业术语，但在必要时会帮读者回忆其含义。
只要隐性突变是杂合的，自然选择就不会起作用。如果隐性突变有害，这样的突变就永远不会被淘汰，因为它们是隐藏着的。因此，一定数量的不利突变可能都会累积起来，不会立即造成危害。但是，它们一定会传递给后代，这一点对人类、牲畜、家禽或其他物种都有重要意义，因为我们切身关心这些物种良好的身体状况。图3-3中，假设雄性个体（比如，以我为例）携带这种隐性有害杂合突变，因而不会表现出来。假设我的妻子没有这种突变。但是我们有一半的孩子（第二行）也会携带该突变——同样是杂合的。如果他们都与未突变的伴侣结婚（为了避免混淆，图中没有标出），那么我们的孙辈中有1/4的人会受到同样的影响。
除非同样受影响的个体彼此交配，否则有害的突变永远不会显现出来。简单一想，当他们1/4的孩子是纯合时，就会表现出这种突变的危害。除了自体受精（仅在雌雄同体植物中可能），最大的危险来自我儿子和女儿之间的通婚。他们两个都有1/2的可能受到潜在影响，其中1/4的乱伦结合都是危险的，因为1/4的孩子会表现出这种有害突变。因此，乱伦生出来的孩子的有害表现型概率是1/16。
同样，对于我的两个（“纯种血统”）互为堂、表兄弟姐妹的孙辈结合生育的后代来说，出现有害表现型的概率为1/64。这些似乎都算不上很大的可能性，人们其实通常能接受第二种情况。可别忘了，我们只分析了亲代（“我和我的妻子”）中一方具有某种潜在有害突变带来的后果。其实两个人很可能都存在不止一个此类潜在缺陷。如果你知道你自己有一个明确的缺陷，你要考虑到你1/8的堂、表兄弟姐妹可能也有！植物和动物实验表明，除了相对罕见的严重缺陷外，似乎还有许多小缺陷，它们结合在一起有可能使近亲繁殖的后代质量整体下降。由于我们不再倾向于以过去古代斯巴达人在泰格托斯山采用的严酷方式来淘汰失败者
，我们需要严肃看待人类的这些问题，因为在人类的生存状况下，适者生存的自然选择在很大程度上被削弱了，不，其实是转向了相反的方向。在更原始的条件下，战争在让最能适应环境的部落幸存者活下来可能具有积极的价值，但现代大规模屠杀各国健康青年的逆向选择效应，很难说有任何积极意义。
隐性等位基因杂合时完全被显性等位基因压制，根本不产生任何可见的效果，这着实令人惊讶。但至少应该提到的，这种表现也有例外。当纯合的白色金鱼草与同样纯合的深红色金鱼草杂交时，所有的直系后代都是中间色，亦即，它们是粉红色的（而不是想象中的深红色）。一个更重要的例子是，两个等位基因同时表现出各自的影响，这种情况发生在血型中，但我们不在此讨论。如果隐性最终能被证明是有程度的，并且取决于我们用来检验“表型”测试的敏感程度，我也不应该为此感到惊讶。
这里也许应该提一下遗传学的早期历史。这一理论的支柱，即亲代不同的性状在后代中的遗传定律，尤其是隐性、显性的重要区别，都要归功于当今举世闻名的奥古斯丁修道院院长格雷戈尔·孟德尔（1822—1884）。孟德尔对突变和染色体一无所知。在布鲁恩（布尔诺）的回廊花园里，他对豌豆做了实验，培育了不同的品种，将它们杂交并观察它们的第1代、第2代、第3代……你可能会说，他在用他发现的自然界现成的突变体做实验。他早在1866年就将研究成果发表在布隆自然科学协会会刊上。似乎没有人对修道院院长的爱好特别感兴趣，当然也没人能想到，他的发现将成为20世纪最有趣的一门新兴学科的启蒙。他的论文被人们遗忘，直到1900年才同时被科伦斯（柏林）
、德弗里斯（阿姆斯特丹）和切尔马克（维也纳）
三人重新发现。
截至目前，我们的注意力主要集中在数量更多的有害突变上，但要强调的是我们也会遇到有利突变。如果自发突变是物种发展过程中的一小步，我们会认为：某些变化被随机“试验”出来，如果变化有害，就会自然淘汰。这引出了一个非常重要的观点。突变必须是小概率事件，这样自然选择才能对它发挥作用，当然突变发生也确实罕见。如果突变非常频繁，在同一个体中就有相当大的概率发生十几种不同的突变，而且有害突变通常会比有利突变更多，那么物种并不会通过选择得到改良，而是会保持不变，或者走向灭亡。因基因的高度稳定性而产生的相对保守主义必不可少。我们可以拿工厂里大型制造设备的运行方式进行类比。为了研制出更好的方法，即便未经验证，也要尝试创新。但是，为了确定创新是提高还是降低产量，一次只能引入一项创新，而设备装置的其他部分都保持不变。
现在我们需要回顾一系列极具独创性的遗传学研究工作，这与我们的分析工作高度相关。
用X射线或γ射线照射亲本，后代中的突变比例，即所谓的突变率，会比微小的自然突变率增加很多倍。以这种方式产生的突变与自发产生的突变没有任何区别（除了数量更多），而且人们认为，每一个“自然的”突变也可以由X射线诱发。果蝇许多特殊的突变在大规模培养中一次又一次自发出现，如本书前文“交叉互换，性状的位置”中所述，这些突变位于染色体上，并被赋予了特殊的名称。甚至还发现了“复等位基因”，也就是说，除了正常、未突变的基因外，染色体密码的同一位置还有两个或两个以上不同的“版本”和“文本”，这意味着这个特定的“位点”不仅有两个，还有三个或三个以上的替代品，当它们同时出现在两条同源染色体的相应位点时，其中任何两个都是以“显性—隐性”互相关联的。人们认为，X射线突变实验带来的每一个特定的“转变”，比如从正常个体到特定突变或者相反，都有其单独的“X射线系数”，这个系数代表了在后代出生之前，对亲代施加单位剂量的X射线后，后代以这种特定方式发生突变的比率。
此外，控制诱导突变率的规律相当简单，也有一定的启发性。以下是N.W.季莫菲耶夫
在1934年《生物学评论》（
Biological Reviews
）第九卷发表的报告。这篇报告在很大程度上，反映了作者本人出色的研究工作。第一定律为：
突变率的增加与射线的剂量成正比，因此人们就可以（像我所说的一样）得出增长系数。
我们过于习惯简单的比例，可能很容易低估这条简单定律的深远影响。我们可以通过商品价格与数量并不总是成正比来理解这些影响。平时，你要是经常从店主那里买六个橙子，他就会记得你，等哪天你决定要买十二个橙子，他的要价可能会不到六个橙子价格的两倍。但到了货物稀缺时期，情况可能恰恰相反。回归正题，我们得出结论，前一半剂量的辐射虽然造成比如千分之一的后代发生突变，但根本不会影响其余的后代，无论是让其更容易发生突变，还是更难发生突变。而另一半剂量辐射诱发突变的可能性就不会还是千分之一。因此，突变并不是一种由连续小剂量辐射持续增强引起的累积效应。它必定是辐射期间发生在一条染色体上的某个单一事件。那么，这是哪种类型的事件呢？
这问题由第二定律来回答，即：
若在较广的范围内改变射线的性质（波长），从软X射线到相当硬的γ射线，只要射线的剂量保持不变（亦即，通过适当选取标准物质，在亲代暴露于射线的时间和部位，测得的每单位体积内辐射产生的离子总量相同），则突变系数保持不变。
选择空气作为标准物质不单是为了方便，还因为有机组织组成元素的平均原子量与空气相当。通过简单将空气中的电离次数乘以两者密度之比，即可得出组织中电离辐射或相关过程（激发）的总量下限
。一项更为关键的研究已证实，导致突变的单一事件只是生殖细胞某些“关键”区域内发生的电离辐射（或类似过程）。这个关键区域的大小是多少？我们可以基于观察到的突变率进行估算：如果以每立方厘米50，000个离子的剂量对任意一个配子（位于辐射区）进行辐射，在该特定情形下，突变的概率仅为1/1000，我们则可以得出结论，临界体积为1/50000立方厘米的1/1000，也就是5000万分之一立方厘米，在该体积内，“目标”被电离辐射“击中”才会发生突变。这些数字并不准确，仅用于示例说明。在实际估算中，我们遵循M.德尔布吕克
同N.W.季莫菲耶夫和K.G.齐默尔
共同创作的论文中的方法，这也是接下来两章所阐述理论的主要来源。德尔布吕克得出的估计大小只有约平均十个原子的距离的立方，因而只包含约10
3
=1000个原子。用最简单的方式解释就是，当电离辐射（或激发）发生在距离染色体上某个特定点不超过“10个原子距离”的部位时，就有相当大的概率产生突变。我们现在将更详细地讨论这个问题。
季莫菲耶夫的报告有个实用的提示，虽然它与我们目前的研究没什么关系。但有必要在这里提一下，现代生活中，人类在有些特定情形下不得不暴露在X射线中。直接造成的危害，众所周知的就有烧伤、X射线诱发的癌症、不孕不育等等，因此需要对暴露在X射线中的人尤其是经常使用射线的护士和医生提供铅屏蔽、铅衣等防护。关键是，即使成功避免了个体面临的这些危险，似乎也依旧存在着生殖细胞中产生微小有害突变的间接危险——我们在谈到近亲繁殖的不利结果时所设想的那种突变。直截了当地说，虽然可能有点天真，但堂兄弟姐妹之间婚姻的伤害程度很可能会因为他们的祖母是个长期使用X射线的护士而增加。当然，这不是每个人都要担心的问题。但是，任何潜在的、会逐渐影响人类的、可能引发非必要突变的诱因都应该引起全社会的关注。