作者/王雯君

第一節 農田中的研究者

「你這個死小孩快給我從床上爬起來到農場做事!要怪就怪你是這個貧窮農家中唯一的男丁,注定要繼承農場當個農夫、養蜂人,而不是讀書人!」在門外大吼的正是安東.孟德爾(Anton Mendel),後世所稱「遺傳學之父孟德爾」的爸爸。

「哀...孩子的爸阿!你就不要再要約翰(後進到修道院改名為格雷戈爾.孟德爾)去農場幫忙了,他天生不是幹農活的料。遇到農事就病懨懨地窩在床上,到學校上課就生龍活虎。現在他想繼續上大學,我們就一起想辦法吧!」媽媽羅希娜(Rosine)夾在執著的老公與兒子中無奈地說。

後來在姐姐維若妮卡(Veronika)努力勸說其丈夫繼承農場、妹妹特雷西亞(Theresia)主動提供自己嫁妝的協助下,孟德爾得以繼續在奧爾米茨哲學院(University of Olomouc)中學習,不過貧窮的生活讓他健康狀況每況愈下,他不得不再次輟學。

信仰與科學兩大樑柱支撐起19世紀的智慧與知識,許多當代科學家在教會體系中累積知識與訓練邏輯思維能力。孟德爾的大學老師兼神父法蘭茲(Friedrich Franz)考量了他的狀況,推薦他到一所不只包吃、包住、免學費外,藏書還超級豐富的修道院-聖湯瑪斯修道院(St Thomas's Abbey )。

或許是在孟德爾身上看到與自己同樣對知識的熱愛,修道院院長納卜(František Cyril Napp,1792 – 1867)對孟德爾相當照顧。甚至在孟德爾因不善於陪伴信徒,感到厭世賴在床上耍廢時,轉介他去當代課老師,沒想到生動活潑的上課風格大受學生歡迎。為了增加孟德爾的實力,納卜努力說服教會,讓孟德爾去接受正規的大學教育。

1851年,孟德爾在29歲的高齡進入維也納大學就讀。他受教於物理學家都卜勒(Christian Andreas Dopple,1803 – 1853)與精通統計分析的物理學家艾丁斯豪森(Andreas von Ettingshausen,1796 – 1878),在兩人的影響下他培養了深具邏輯的實驗設計與嚴謹的數學分析能力。其中,對他影響最深的就是他的植物生理學教授恩格(Franz Unger,1800-1870),恩格在課堂中除了教導植物學知識外,還會介紹當代最夯的「細胞學說」。他認為生物學、物理與化學一樣屬於科學範疇,是一種解釋自然的方式,而細胞學說之於生物學,就像是原子論之於化學一樣,提供了研究生物的基礎。

1856年,經過大學薰陶的孟德爾覺得自己不再是當初教師檢定考試沒過的小廢廢了,於是他又重新挑戰了一次,沒想到,這次還是與教師證失之交臂。傷心的孟德爾大病了一場,還勞煩爸爸從家鄉趕來照顧他。

「孟德爾阿!都三十幾歲了還因為一點小事一蹶不振,人生的路,上天自有安排,也許你這輩子注定不是農夫、老師,但一定有能將你的才能發揮淋漓的事情在等著你,就看你有沒有把握住上帝給的機會。不過有一件事能確定,就是上帝的啟示是不會埋在枕頭裡的,快點給我振作起來!」安東邊照料兒子邊說著。孟德爾聽了決心不再逃避命運,怪病也隨之不藥而癒。

某次,孟德爾趁著到維也納的時候,照舊去大學老師恩格家中拜訪。恩格端起桌上的茶杯,問道「上次提到那本英國科學家達爾文寫的《物種源始》(On the Origin of Species)你看過了沒?內容關於物種演化的論述相當精彩,我相當認同物種會隨時間改變的觀點」。

孟德爾聽到這句話,熱茶差點從嘴巴噴出「噓~老師,你講這話小心被找麻煩,達爾文的天擇說可是引發喧然大波呢!光世上萬物不是由上帝創造而是由共同祖先緩慢演變而來的這點,就夠教皇與支持創造論的科學家跳腳了!不過,我在《物種源始》德文版一出版就訂了,你看!我還畫了不少筆記」語畢,孟德爾拿出書本。

恩格相當驚喜,接過書本端詳筆記。說道「恩...這裡的註解跟補充相當不錯,真開心你在修道院中還是如大學時般熱衷學習。我看看...耶!這裡打了個問號,是什麼意思啊?」恩格手指著書中一段關於「pangenesis」的畫線標記。

孟德爾回答道「唷~書中達爾文認為親代每個細胞會產生一種稱為微芽(gemmules)的東西,微芽藉由體液流到生殖細胞,當雙方生殖細胞相遇時微芽會互相攪拌混和傳遞給子代,子代就會呈現親代的混和特徵。當累積許多微小變異後,就可能產生新種。老師,你不覺得很怪嗎?攪拌混和模式若延續多代,那後代不就只能呈現某一種中間型態嗎?就像黑兔、白兔交配,因為毛色的微芽攪拌混和產下了灰兔。灰兔再互相交配,產生小灰兔。多代以後,黑兔、白兔的毛色特徵就會只剩下灰兔一種,可是我們現在看到的鴿子、花卉都有不同的外表型態耶」。

恩格瞪大了眼睛,他進一步追問,說到「說的有道理,不過泛生說的觀點可是延伸自古希臘學者希波克拉底的種子物質(gemmules)理論 * 註1,類似微芽或種子物質會攜帶著親代特徵,彼此混和後傳遞給子代,這種混和攪拌式的遺傳自古以來就一直受到大多數人的支持。那如果特徵的遺傳不像泛生論說的那樣是混合攪拌式的,那你覺得親代應該會藉由哪種形式將特徵傳遞給子代呢?」

孟德爾略帶神秘地說「我覺得應該是像原子組成化合物那樣,生物的特徵可能藉由像是微小粒子般的東西在控制的。那樣就不會像混和攪拌式認為的那樣,兩種特徵混在一起後特徵被稀釋成一種特徵,如果是粒子形式的話,粒子能在傳遞的過程中保持不變,既不能稀釋,也不會混和。」

恩格一聽相當驚訝,認為這想法實在太前衛獨特了,他嚥了口水,說道「不過,就我對你謹慎個性的了解,你沒有幾分證據是不敢這樣假設的,你有證據支持你的想法嗎?」

孟德爾興奮地答道「當然是做性交…阿!是生物雜交實驗,其實我從大學畢業回到修道院後就開始著手雜交實驗了,因為我從小就想知道育種究竟是怎麼一回事?又是什麼在背後控制特徵的遺傳。不過,我之前在修道院用蜜蜂與小鼠作雜交實驗時被主教發現,說我一個禁慾的修士,怎能在純潔的修道院搞這性交的勾當,於是就被禁止了」

恩格大笑,緩了口氣後說「我認為植物細胞內也有這種會影響後代的物質,還記得我之前上課介紹過植物學家奈特(Thomas Andrew Knight,1759–1838)的雜交實驗嗎?也許你可以試試看用田園豌豆(Pisum sativum) 做實驗材料」

「老師說的話我都有聽唷!不瞞您說,在老鼠被禁止後,我就改用豌豆作為研究材料,畢竟像奈特、賽頓(Alexander Anderson-Seton ,1769–1850)、格特納(Karl Friedrich von Gaertner,1772—1850)等雜交育種專家的論文中皆有豌豆的紀錄,不過他們雖然做了許多雜交實驗,卻沒有進一步找出規律性,還蠻可惜的。」孟德爾帶著些許驕傲的神情看向恩格。

「這麼一說,莫非你有找到遺傳的規律性?別再賣關子了,快都跟我說了吧!」恩格眼神發亮、急迫地看著孟德爾。

「雖然目前的實驗推論還需要做更多的實驗來證明,不過我也想聽聽老師的意見,剛好今天我有將實驗記錄帶來…」孟德爾相當了解老師恩格的個性,他早就有備而來地從身邊的包包拿出厚厚一疊實驗記錄,交給恩格後,他娓娓道來他這幾年的實驗…

第二節 碗豆雜交實驗

1853年大學畢業後,回到修道院的孟德爾,打算用大學學習到的知識與技能解答他從小的疑惑:物種間的特徵,是藉由什麼機制遺傳給下一代?他深受物理學的影響,認為複雜的現象背後,一定有個規則在操縱著。他來到了修道院的圖書館中尋找線索,所幸身兼農業協會會長的修道院院長納卜蒐藏了許多18、19世紀植物學家關於雜交育種的書籍,在閱讀了許多植物雜交實驗的論文後,他決定依循前人的實驗,也用豌豆作為材料。

1799育種學家奈特為了要進行果樹的品種改良而展開了遺傳研究,一開始他用多年生的蘋果樹作為材料,但是由於耗時太長而改用了一年生的豌豆,他將12年來的研究結晶整理並發表成論文《關於幾個植物受精作用的實驗》(An Account of Some Experiments on the Fecundation of Vegetables),文中他提到了豌豆作為實驗材料的優點,他也是第一位利用豌豆來研究特徵遺傳的科學家。

豌豆生長快速、子代多,可以提供大量的實驗數據做定量分析找出規律;外圍的花瓣(旗瓣)就像蝴蝶翅膀一樣豔麗多彩負責吸引昆蟲授粉。裡面的龍骨瓣則包裹著雄蕊與雌蕊,這樣的密閉空間可避免外來花粉的汙染造成實驗誤差;且豌豆具有少見的自花授粉(自身的雌蕊與雄蕊授粉)特性,使得特徵得以篩選培育,現在市面上就有許多品種可供選擇,材料取得便利,用做實驗材料再適合不過。孟德爾打從心底佩服這位前輩,一手熟練地拿起剪刀俐落地將身旁豌豆的龍骨瓣剪開仔細觀察。

「第一株豌豆的雄蕊都已經有花粉了,不過雌蕊柱頭看來還沒成熟;第二株的雌蕊變長了但也未成熟;第三株的雄蕊與雌蕊都已經成熟,不過柱頭上早已沾滿了花粉。如果要做實驗,就得人工授粉,才能確定花粉的來源與授粉時間了」謹慎的孟德爾為了解決這個問題,他想到在豌豆雄蕊成熟時就將雄蕊用鑷子取下,再用白布將花朵包裹起來避免其他花粉進入,這樣就可以達到人為控制授粉的目的。

第三節 顯隱性遺傳因子的定義

確定以豌豆作為材料之後,受過物理與數學訓練的孟德爾,認為不嚴謹的實驗將會導致錯誤的結果與時間的浪費。孟德爾花了兩年的時間,從種子商人那取得的34個豌豆品系中挑選出7種具有明顯差異性狀(性狀只生物表現出的的單一特徵)的品種,這7種的相對性狀分別是:白花與紫花、高植株與矮植株、黃色種皮與綠色種皮、皺種皮與光滑種皮、飽滿豆莢與乾癟豆莢、綠豆莢與黃豆莢,花開於莖頂或開於莖間。選定能夠輕易辨別的特徵品系後,再將帶有特徵的植株進行自花授粉,以確保這些特徵是穩定可遺傳的(不會突然消失),這樣挑選出的植株即稱為純品系。

取得純品系之後,孟德爾將結出圓種子的豌豆花粉(雄株)用毛筆沾到去花藥的皺種子豌豆柱頭上(雌株)進行交配,結果發現第一子代的豌豆只會結出圓種子,若將親代的雌雄性別互換(皺種子豌豆的花粉X圓豆豌豆柱頭)再交配也會得到相同的現象。這種在雜交體(雜交後代)中表現的性狀,不管是自花粉(雄株/父方)或卵(雌株/母方),在子代表現上都沒有差異。

「恩…果然沒錯!這種雜交體(雜交後代)只會展現親代其中一方性狀的現象在奈特、賽頓與格特那的豌豆雜交實驗中都有出現,而且在後代會表現出的性狀不受親代性別影響,雜交種就只會表現出某個特定性狀,代表親代的父方與母方的生殖細胞對於子代的貢獻應該是一致的,而且這種在雜交體表現出的性狀相較另一個未表現的性狀強勢,那就將會表現出來的性狀表示為顯性(dominance)性狀。不過豌豆的性狀這麼多種,為了在筆記本中能更簡潔地進行標示,那就將顯性的性狀以大寫英文字母表現吧」孟德爾是少數將物理與數學的簡約表示法用在解釋生物現象的科學家。

孟德爾進一步利用雜交實驗,整理出七種性狀間的關係:圓豆對皺豆是顯性;黃色豆仁對白色豆仁是顯性;灰色種皮對白色種皮為顯性;飽滿豆筴對皺縮豆筴為顯性、未成熟豆筴綠色對黃色為顯性;花朵腋生對頂生為顯性;高莖對矮莖為顯性。

孟德爾認為顯性性狀如果能掌控遺傳表現,那應該會穩定的在每一代中表現出來,於是他將親代為純種圓種子與皺種子交配所得的雜交種(圓種子)進行自花授粉,沒想到產生出的第二子代中,除了顯性的圓種子外,居然還出現了最初親代的皺種子,另外六種性狀也都有這樣的現象。

「咿~第二子代居然出現了最初親代的兩種性狀?奈特、賽頓等人在做豌豆雜交實驗時,也都有觀察到這種現象,代表應該不會是我的實驗誤差。可是第一子代只有表現出顯性性狀,親代的另一個性狀消失了,可是如果消失了為什麼又在下一代出現了?」孟德爾苦思著,卻突然被身旁孩童的嘻鬧聲拉回現實。

「嘿嘿~你那麼笨,一定找不到我」一位女孩邊說邊躲到花圃旁的圍牆邊。

「妙麗~你怎麼消失了?不要躲了,我認輸,投降輸一半,我想回家吃飯,快出來啦!」一位看來懶散的少年從孟德爾身邊緩步走過。

孟德爾忽然靈光一閃,驚叫一聲「阿!另一個在雜交體沒表現出的性狀原來不是消失,而是隱藏起來了」

孟德爾相當愉悅地回頭檢視他的實驗紀錄,並重新定義性狀表現:顯性的(dominance)性狀指的是在雜交過程中都沒改變,並構成雜交體(第一子代)特徵表現,以大寫英文字母表示;而隱性的(recessive)性狀則以小寫字母表示,隱性性狀會潛伏在雜交體中,雖然無法在雜交體中表現,卻能在雜交體後代表現出來。也就是說雜交體只會表現出雜交體顯性特徵(親代顯性指純品系顯性;而雜交體顯性則是自花授粉後其後代會有顯性與隱性的性狀),但是其自花授粉後所產生的第二子代,其隱性和顯性性狀會相互隔離(segregation)表現出來。

就像原子組成化合物一樣,氫與氧可以組合成水,水也能再分解出氫氣與氧氣,或許生物體內就是由原子般的微小粒子來控制遺傳機制的,那就將這種假想的微小粒子稱為因子(element)吧。

「這真是一個相當大膽的推論阿!確實可以解釋目前的實驗結果,不過遺傳學是一門研究親代透過何種機制將特徵傳遞給子代的學問,我覺得你應該繼續多做幾代去做驗證,若你後續還有什麼成果一定要與我分享」恩格看著眼前眼神發亮的孟德爾,語重心長地說著。

「是的!老師,今日與你分享實驗真是一件相當開心的事,對於研究,我必定會全力以赴的」孟德爾相當開心的將筆記收進包包。

孟德爾回到菜園與溫室持續勤奮地研究著,他就像在一條名為遺傳的黑暗隧道中摸索前進,顯隱性性狀的推論就像他拿在手上的火把,這微弱的光源能引導他到隧道出口,找到生物控制遺傳的機制嗎?顯隱性性狀的推論提供了除了解釋了性狀的表現,也提供了孟德爾分析數據的依據,不過性狀是如何由親代傳遞的,這背後的機制只能尚待孟德爾進一步的探究了。

*註1:種子物質(gemmules):亦翻譯為原胚體,以前的人認為種子物質上帶有親代雙方的遺傳訊息,種子物質在身體各個部位不斷生成,最終聚集在生殖器官,相互混合決定後代的特徵。

參考資料:

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3.好面, 馮昊, 楊仕音(2017)超科少年05:孟德爾:豌豆×遺傳學×基因
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