一种有机体内发生的每一种酶促反应都应该直接依赖于决定有关酶特异性的基因。——比德尔
回到中国,二战结束举国欢庆。八年抗战,戴芳澜曾认定的研究方向和研究课题已经被美国科学家不断突破。回顾他的科教道路,经过多年的真菌分类研究后,不满足于静止的、一般形态的描述和鉴定,他认识到:识别真菌个体的名称,并将其罗列成表,只是分类的起点,而不是终点。真菌分类学的实质意义在于发掘个体之间的内在联系以及进化中的关系。真菌分类学必须向前看,必须把个体发育和系统发育联合起来考虑。
健客:什么是个体发育,什么又是系统发育?
云飞:生物的个体发育是指受精卵经过细胞分裂、组织分化和器官的形成,直到性成熟个体,以至死亡这样一个生命周期。所谓系统发育是与个体发育相对而言的,它是指某一个类群的形成和发展过程。系统发育一词最早由海克尔使用,表示物种在古生物学意义上的进化发展历史。个体发育与系统发育,是推动生物进化的两种不可分割的过程,系统发育建立在个体发育的基础上,而个体发育是系统发育的环节。在个体发育过程中,新一代的个体,既有继承上一代个体特性的遗传性,又有不同于上一代的变异性。种瓜得瓜,种豆得豆,这是遗传性决定的。但世上找不到两个完全相同的个体,即使是挛生兄弟,也有微小的差别,这就是变异性。自然界对新一代无数的大同小异的个体进行选择,使有利于种族的变异得以巩固和发展,由量的积累而到质的飞跃,这就产生出了新的物种。只要生命存在,这一过程就永不休止。有学者认为“系统发育”的中文译法不妥当。首先,“系统”的意义不明确,它可以指任何一种系统,如循环系统,消化系统。其次,“发育”一词易与“个体发育”中的发育相混淆。系统发育实际上具有“两重意义”,一是指一个生物类群进化过程中留下的型;二是指一个生物类群进化过程中留下的型的演进过程。用汽车做个不太恰当的类比,“两重意义”一是指各年代的车型,二是指各车型更新换代的过程。
大型真菌的个体发育最早可追溯到1884年德巴里关于担子菌个体发育的文献。20世纪初,阿特金森等人尝试将个体发育研究应用于大型真菌的系统发育研究中,将子实体的发育类型、顺序作为分类的依据之一。
健客:海克尔、德巴里、阿特金森都是老熟人嘛。弱弱问一下,什么是子实体?有点耳熟,之前出现了几次,都忍住没问,简单一点哈。
云飞:忍什么啊!问就是了。简单说,子实体就是真菌的果实。在担子菌中又叫担子果,在子囊菌中又叫子囊果。无论是有性生殖还是无性生殖,无论结构简单或复杂,都称其产生孢子的组织结构为子实体。真菌的子实体各种各样,说五光十色也不过分。蘑菇达人手里少不了各种蘑菇图册,这里面介绍的主要就是它的子实体,鉴别蘑菇有没有毒,能不能吃,主要也是看它的子实体,如形状、颜色、质地、气味、生长环境等各种特征。后面咱们慢慢聊。
之前讲过,1934年,戴芳澜去纽约植物园,与道奇一起研究脉孢菌,把握真菌学发展趋势,并试图有所突破。事实上,他已经对脉孢菌分离培养、分类鉴别得心应手;对脉孢菌某些连锁遗传现象进行了比较深入的研究。此行后乃至抗战期间,戴芳澜不只一次地说过,“真菌分类学的未来必然以遗传学为核心”。他的意思是,只有通过遗传研究才能真正揭示出真菌个体之间的内在联系。他常常提到德国真菌学家布雷费尔德的贡献:用纯培养观察真菌的整个生命周期。如果真菌学者能照此行事,那么真菌个体之间的比较就有了统一的标准,避免把两个不同生长阶段的个体来相比。
健客:布雷费尔德啊!我记得,他是德国真菌学家,沃德介绍过他的成就。
云飞:嗯,英雄惜英雄!德巴里在研究真菌个体发育时,为便于进行观察,曾设法在无菌的条件下,把真菌单纯地培养起来。布雷费尔德在真菌研究中,改进并发展了德巴里的纯培养方法。用各种培养基,在各种条件下,研究各种真菌的生长、发育以及孢子萌发等。他们志在真菌学上做出引领时代发展的贡献。但是,从进化的角度研究真菌分类谈何容易,毕竟遗传物质是什么还没搞清楚。1962年5月,戴芳澜为他所领导的中科院微生物所真菌学学习小组撰写评论性论文《布雷费尔德对真菌的进化观点在真菌分类中所起的影响》,指出其贡献和错误。当然,这些都是后话。
“中华民族到了最危险的时刻”,救国是那个时代的主题。戴芳澜最初的愿望是想初步搞清中国植物病原真菌的种类及其形态与所处的环境以及其本身生活习性,作为植物病理学的基础;将科研成果用于农业,就可以控制大多数传染病,多打粮食,让国人吃饱穿暖,过上好日子。以后又发展到想搞清中国真菌或菌物资源的全貌。他知道凭他一个人和一个单位的力量难于达到这一目标,因此,他指派给弟子的工作都是属于不同大类的真菌,即使不可能把这些大类在短期内调查研究得十分完备,那也无妨,以后一代一代的继续下去,就有可能把中国的真菌资源搞清。这种厚积薄发的做法,是受布雷费尔德的影响,更是那个时代知识分子科学救国的缩影。
健客:真菌就真菌嘛,怎么又出来一个菌物呢?
云飞:菌物比真菌的范围更大,它们之间在形态、营养方式和生态上有诸多相似,因此构成一个关系十分密切的生物类群。这跟分类学发展紧密相关,后面咱们慢慢聊。
健客:老说知识分子,总感觉有点迷糊。抗战时受高等教育的人很少,现在受高等教育的人越来越多,都是知识分子吗?
云飞:知识分子这个概念来自西方。据一些学者考证,欧洲有关知识分子的概念有两个,一个词来自俄国,1860年由俄国作家波波里金提出,专指19世纪30到40年代把德国哲学引进俄国的一小圈人。“知识分子”是指一群受过相当教育、对现状持批判态度和反抗精神的人,他们在社会中形成一个独特的阶层。后者则是法国一些学者从“德雷福斯事件”后开始广泛使用,这个词专指一群在学术上杰出的作家、教授及哲学家,他们批判政治,成为当时社会意识的中心。
健客:德雷福斯事件是怎么回事?
云飞:德雷福斯在法国总参谋部任上尉军官。1894年9月,情报处副处长亨利诬陷德雷福斯向德国武官出卖军事机密,以间谍罪加以逮捕。1894年12月22日军事法庭在证据不足情况下判处他在法属圭亚那附近的魔鬼岛终身监禁。1896年3月,新任情报处长皮卡尔在调查中发现,真正的罪犯是亨利的朋友费迪南,要求军事法庭重审。亨利伪造证件,反诬皮卡尔失职,后者被调往突尼斯。1898年1月,经军事法庭秘密审讯,宣告费迪南无罪,激起社会公愤。1月14日,作家左拉在《震旦报》发表致总统的公开信《我控诉》。要求重审德雷福斯案件的呼声高涨,法国社会分裂为德雷福斯派和反德雷福斯派两个阵营。民族主义右翼分子妄图借此推翻共和政府。不久,亨利伪造证件的事实暴露,被捕供认后自杀。费迪南也畏罪潜逃伦敦。在群众强大压力下,1899年8~9月,经军事法庭重审,德雷福斯仍被判有罪,但改判10年徒刑。9月19日,总统决定赦免德雷福斯,以息民愤。直到1906年7月,最高法院才撤销原判,为其昭雪。德雷福斯恢复名誉,被晋升为少校。
健客:明白了,知识分子除了具有较高知识水平,必须具备独立思考能力和批判精神。那么戴芳澜算是知识分子吗?
云飞:当然是啊!戴芳澜从不迷信权威,如前所述,他对布雷费尔德的评价也是有褒有贬,有一说一。1940年3月戴芳澜到重庆参加第一届评议会的第五次会议,在会上被选为委员。中央研究院评议会是当时全国最高科学评议机关。由此可知戴芳澜当时在我国科学界已享有很高的地位。据说,会议期间他拒绝出席蒋介石特设的宴会,而1942年蒋介石到昆明时,向西南联大的教授们发出宴会请柬,戴芳澜却将请柬付之一炬。
健客:借用个体发育和系统发育的概念,是不是可以这样理解,戴芳澜是那个时代中国知识群体的一员,救国是那个群体的遗传基因,戴芳澜继承了这一基因,并在科学救国上勇于思考、敢于实践。
云飞:活学活用啊!无独有偶,抗战期间,国民党设在岷县的党部,数次想拉邓叔群加入国民党,均被断然拒绝。扯远了,马上拉回来。
在戴芳澜回国后,道奇继续脉孢菌研究。他共发表162篇论文,最后一篇论文发表时已85岁高龄,其中42篇是关于脉孢菌的。时光回溯。1927年,道奇发表第一篇关于脉孢菌的生物学和遗传学的文章,明确了该真菌的生命周期,并命名了3个属。后来的工作又阐明了交配型遗传的机制,并证明在该菌中,这种遗传是由一对等位基因决定的。他研究了许多形态各异的自发突变。他用脉孢菌规则排列在子囊中的子囊孢子,很容易进行遗传分析,证明该菌的遗传现象也像果蝇一样,符合孟德尔定律。
健客:孟德尔嘛,《细菌传》中介绍过。
云飞:孟德尔定律是一系列描述生物特性的遗传规律并催生遗传学诞生的定律,包括两项基本定律和一项原则即:显性原则、分离定律(孟德尔第一定律),以及自由组合定律和独立分配律(孟德尔第二定律)。孟德尔于1865至1866年间发表,并在1900年被重新发现。孟德尔定律和美国遗传学家摩尔根用果蝇作为实验材料于1915年发表的染色体学说,共同组成经典遗传学的基础。但是,基因是如何发挥功能的,一直没有定论。
1928年,摩尔根离开哥伦比亚大学,前往加州大学。行前,他从道奇处带走了脉孢菌,因为摩尔根和道奇有密切联系,道奇坚信并向摩尔根推荐脉孢菌比果蝇更有利于遗传学研究。那年,比德尔还是康奈尔大学博士生。比德尔小邓叔群不到1岁,1927年,进入康奈尔大学攻读博士研究生,算是戴芳澜和邓叔群的学弟。他在艾默生的实验室研究玉米遗传,同年,芭芭拉刚在这里获得博士学位,留校任教,并从事科研工作。据说,比德尔听过道奇关于脉孢菌的讲演,并留下深刻印象。1931年,取得博士学位的比德尔加入摩尔根新成立的生物研究所开展博士后研究。他发现果蝇眼睛不同的颜色可能是由于基因调控引起的。随后,他发表论文表示:基因会制造不同的色素使果蝇的眼睛有不同的颜色,而基因突变会扰乱这一过程。他认为这一发现背后的规律是基因决定了酶,然而,苦于没有直接证据,他只能在发表的论文中暗示存在“一基因一酶”的可能性。路要一步一步走,比德尔首先要搞清楚决定果蝇眼睛颜色的化学反应。
1937年,比德尔转到斯坦福大学。在那里,生物化学家塔特姆加盟了他的实验室,分离并确定可以影响果蝇眼睛颜色的物质。他们成功了,那种物质是色氨酸代谢的中间产物,叫犬尿氨酸,但这一发现已被其他科学家所预测。正如比德尔在1939年所说,没有“直接的证据表明该系统中有酶参与,但在贯穿整个讨论的过程中,人们总在做这样的假设,原因是它们似乎暂时提供了一种基因控制化学反应的简单机制。” 比德尔没有气馁,因为他心中有更大的目标——“一基因一酶”。比德尔和塔特姆转向对另一种有机体内基因作用的生物化学研究。在很多年以后,比德尔这样描述:“突然想到逆转我们一直在使用的以特别的化学反应来鉴定特异的基因的操作步骤。我们的推理是,如果一个基因的首要功能是控制某一特定化学反应的话,为什么不从已知的化学反应开始,来寻找控制它们的基因呢?这样,我们就可以专注于我们的专业‘遗传学’了,并在化学家们已经完成的工作的基础上开展研究。显而易见的研究方法是,先找到一种其体内所发生化学反应已被人们所熟知的有机体,然后诱发将阻断那些可被鉴定的反应的突变体。”
健客:这段话比较烧脑。
云飞:不急去理解他说的,先看他是怎样做的。
比德尔和塔特姆选择的有机体就是脉孢菌,因为道奇等人之前做的工作已经表明,这种真菌有较短的生命周期,其生殖方式及基因在一串不同子囊孢子中进行分离等特性都使它特别适合用于进行遗传分析。此外,已经发现脉孢菌的营养需求相当简单,因而它能在一种化学成分清楚的合成培养基和生物素中以纯培养的形式进行个体发育。该菌可以制造所有其生命必须的氨基酸,并合成蛋白质;制造核酸所需的嘌呤和嘧啶以及许多其它组分,包括吡哆醇(维生素B6)和硫胺素(维生素B1)这样的化合物。当时,脉孢菌生物化学研究成果已知这些物质要么来自培养基,要么自身合成,而自身合成离不开酶的参与。1940年,他们正式将果蝇实验室改成脉孢菌实验室。他们设计了一套缜密的研究方案,包括:先用X射线照射脉孢菌,产生突变体,然后在含有氨基酸、维生素和其它有机物质的培养基上萌发脉孢菌的孢子,再将萌发的孢子转移至缺少某些营养物质的培养基上,向其中加入特定的化学物质,来检验缺乏的是哪种营养物质,从而确定基因编码与酶之间的关系。即便如此,他们仍然不确定实验设计是否可行。他们约定,进行5000株脉孢菌测试,如果全部失败,他们就放弃这个实验。幸运的是,当测试到299株时,他们成功了。在有关脉孢菌的第一篇报道里,比德尔和塔特姆描述了他们利用X射线照射,获得一种脉孢菌突变体,该突变体丧失吡哆醇的合成能力。他们的结论:“这种维生素B6合成能力的丧失传递了下去。假如它是从一个单一基因的正常形式分化形成的话,这就应该发生。”
健客:脉孢菌突变体没有维生素B6合成能力还能活吗?
云飞:在最小培养基上活不了,但在添加了维生素B6的培养基上能活。
健客:对他们的结论还是有点迷糊啊!简明点说,行吗?
云飞:首先,在最小培养基上活不了,但在添加了维生素B6的培养基上能活,说明该突变体丧失维生素B6合成能力。同时,因为是纯培养,且它的后代仍然没有维生素B6合成能力,说明该缺陷被遗传了。假设单一基因决定维生素B6合成能力,如果该基因没有突变,那么脉孢菌的后代具备维生素B6合成能力。如果该基因发生了突变,那么脉孢菌的后代则不具备维生素B6合成能力。因此,从脉孢菌的后代不具备维生素B6合成能力,反过来也可说明该基因发生突变。
接下来,比德尔和塔特姆开展了一系列的研究,其中脉孢菌突变体被用于对不同代谢物,尤其是对几种氨基酸(包括精氨酸、色氨酸、异亮氨酸及缬氨酸)的生物合成及化学反应顺序的确定。在一份报告中,比德尔讨论了基因与酶的关系,“基因可以被视为蛋白质分子形成最终构型的指导者,并因此决定蛋白质的特异性。”他推测,“酶的蛋白组分所具有的特异性是直接地由基因施加的,人们所观察到的存在于基因和化学反应之间的这种一一对应关系应该是这种基因与酶之间对应关系的结果。进一步的推测应该是,一种有机体内发生的每一种酶促反应都应该直接依赖于决定有关酶特异性的基因,此外,基于对进化过程经济原则的考虑,人们可能会期望,大部分情况下任一特定酶的特异性仅仅由一种基因决定。”一基因一酶假说就此诞生,并对生化遗传学、分子遗传学发展产生了深远的影响。
比德尔用脉孢菌实验证明了一基因一酶的关系。他邀请芭芭拉到斯坦福大学进行脉孢菌遗传学研究。后者成功描述了该菌染色体数量及其减数分裂的全过程。比德尔说:“芭芭拉在斯坦福大学两个月的时间里,在清理脉孢菌的细胞学方面所做的工作比所有其他细胞遗传学家之前对所有形式的霉菌所做的工作都要多。”脉孢菌从此成为模式生物。
健客:模式生物啊,《细菌传》中讲过,大肠杆菌也是模式生物。
云飞:嗯。比德尔和塔特姆共同获得了1958年的诺贝尔生理学或医学奖。
健客:记得《细菌传》中还介绍过一位1958年的诺贝尔生理学或医学奖得主。
云飞:嗯,莱德伯格,他是塔特姆的学生,被誉为“细菌遗传学之父”。那年的诺贝尔生理学或医学奖奖金,发给莱德伯格一半,另一半则给了比德尔和塔特姆。
健客:芭芭拉呢?
云飞:她获得1983年诺贝尔生理学或医学奖,因为在玉米遗传研究中做出的杰出贡献。
在旷日持久的所罗门群岛战役中,美军帐篷成为真菌的营养品。
近几篇有点长,算是补上之前请假的欠账吧。
欲知后事如何,且听下回分解。