从孟德尔到现代遗传学：实验生物学的历程

二、实验生物学时期

1.遗传学

遗传学（genetics）是人类知识中最新成就和最古老问题的奇妙结合体。自古以来，人们知道“种豆得豆、种瓜得瓜”，而且在农业上积累了对动植物选育种的经验，但不知其理。生物之繁殖曾困惑过早期哲学家，直到19世纪后期和20世纪前期，现代遗传学理论由孟德尔和摩尔根所奠定。

奥地利人孟德尔（G.Mendel，1882—1884）因家境贫寒，青年时进布隆修道院当牧师，后在维也纳大学进修学习四年，既学神学，也学物理、数学与自然科学，显示出很高天分。孟德尔在当牧师时还兼任教布隆高级中学的物理学和博物学。他从1857年开始在布隆修道院内进行长达8年的豌豆杂交试验。他选用7组纯种豌豆性状进行杂交，这些性状既是遗传表现型又是基因型，是成功关键的因素。1865年他发表了《植物杂交试验》的划时代论文，提出遗传学的两个基本定律，即分离律（3：1）和自由组合律（9：3：3：1），并否定了当时流行的融合遗传，确认颗粒遗传物质的存在。在科学思想方法上，还开创了生物数理统计之先河。很遗憾，孟德尔的论文未能立即引起人们的关注，几乎没有人能理解孟德尔对遗传学的出色实验设计与数学方法。直到1900年，荷兰H.De Vries、德国K.Correns和奥地利E.Von Tschermark三位学者分别在各自的工作中发现了孟德尔试验的伟大创见而引起高度重视，并为此奠定了实验遗传学的基础。

美国人摩尔根（T.H.Morgan，1866—1954）的研究成果是与果蝇材料相联系的。果蝇有四对染色体，其中一对为性染色体，雄性：xy，雌性：xx，容易繁殖与观察，确是研究的好材料。摩尔根实验室通过大量的果蝇杂交与突变观察，为遗传的染色体基础和连锁群中基因的排列提出了实验证据。

1928年，摩尔根出版了《基因论》（The Theory of the Gene）一书。基因论认为：“个体的种种性状起源与生殖质连在一起，形成若干连锁群的成对的要素（基因）；生殖细胞成熟时，每一对的两个基因依孟德尔第一定律而彼此分裂，于是每个生殖细胞只含一组基因；不同连锁群内的基因依孟德尔第二定律而自由组合；相应的连锁群内的成员基因之间有时也发生有秩序的交换；交换的频率可以提供有关每个连锁群内成员间线性排列的证据，同时也表明相互之间的相对位置。”

这样摩尔根基因论充分肯定了孟德尔定律，并且提出了连锁与交换定律，确认遗传性状由染色体上的基因所决定。因此，通过摩尔根和他的学生的工作与理论总结给现代遗传学奠定了坚实基础，并对分子遗传学和细胞学的发展产生了巨大影响。然而，基因论的超前思想，后来竟遭到苏联农学家李森科的反对，也波及当时中国。

2.微生物学

微生物（microorganisms）是一大类形态微小、结构简单的低等微生物的总称，包括病毒、细菌、真菌、类菌体、放线菌和原生动物。人类与微生物关系密切，既利用又斗争。现代微生物学则始于19世纪中后期的巴斯德等人的工作。法国人巴斯德（L.Pasteur，1822—1895）最先研究了晶体酒石酸的立体异构现象和酵母的乳酸与酒精的发酵原理并建立分离培养方法。随后他研究动物与人类疾病，揭示了炭疽病对禽兽的发生和狂犬病对人体的危害，用免疫法原理制备疫苗得到防治。微生物的开创性工作当时除了巴斯德外，还有K.Koch的疾病的病源说与细菌琼脂培养技术，Gram（1884）的细菌革兰氏染色法，为现代微生物奠定了基础。

真菌（fungi）是一类营腐生和寄生的真核生物，大多对人类有益，也有致病菌，在自然界具有清扫“垃圾”之功。其中，酵母、乳酸菌和霉菌为民间所用而今这一类真菌在酿酒和食品发酵业中有其广泛用途。自1929年Flem ing发现青霉菌（Penicillum chrysogenum）产生青霉素以来，抗生素的药物研究发展得很快，有效地防止了肺结核病传染和促进了许多疾病的治疗。蘑菇类食用菌栽培产业是世界性的而今菌类多糖生化研究也取得了进展。

细菌（bacteria）是单细胞原核生物，广布生物圈而无处不在。细菌的致病性首先受到人类关注。特别是流行性疾病，例如，在20世纪中前期发生禽畜上的猪瘟、鸡瘟、布氏杆菌病、马传染性贫血病、口蹄疫、炭疽病；人体的霍乱（弧菌）、伤寒（立克次氏体）、白喉（杆菌）、天花（病毒）、鼠疫（杆菌）、肺结核（肺炎球菌）等，尽管那时对病毒与细菌概念还没有完全区分，但人类终于战胜了它们。

细菌的营养方式有光能自养、光能异养、化能自养、化能异养多种，决定了它们的生活习性和作用。生物固氮菌、硝化细菌和反硝化细菌在氮素循环过程中起着十分重要的作用。在现代发酵工业上，不少有用的微生物菌种被筛选和诱导，例如枯草杆菌（Bacillus）生产淀粉酶，链霉菌（Streptomyces）产生链霉素，甘蓝黄孢单菌（Xanthomona）产生黄原胶等，并由此形成相应的酶发酵工程、抗生素发酵工程和菌多糖发酵工程与产业。

病毒（viruses）是不具细胞形态、颗粒很少而有赖于宿主生活和遗传复制的生命体。病毒是过滤性的，不容易捕获到它。直到1935年，美国化学家W.M.Stanley分离出烟草花叶病毒（TMV）的结合蛋白，由核酸和蛋白质组成。这是病毒史上的一项重要工作。病毒有植物病毒、动物病毒和人体病毒；噬菌体是侵染细菌的病毒，这就增加了病毒感染的复杂机理。某些动物病毒发生也会传染给人体，如新近流行的SARS和禽流感病毒（H₅N₁）等。

根据现有生物技术，对病原体通过病毒数据库和芯片可以检查并用电镜观察其形状。SARS冠状病毒就是2003年春夏在中国及世界各地传染的一种呼吸道感染的流行性疾病，很快被确认，通过隔离治疗得到控制，国际死亡率为6.9％。SARS的基因组是RNA在感染细胞后，直接通过自身的mRNA合成蛋白质和酶催化RNA转录合成大量的病毒RNA。前几年，SARS疫苗已被研制，以预防该疾病发生和传染。艾滋病至今还难以治疗。因为艾滋病病毒（HIV）属于逆转录病毒而且侵染T细胞和巨细胞，迅速复制后随血液遍及全身，导致免疫功能下降无法恢复。

3.呼吸代谢（生理生化）

呼吸代谢（respiratory metabolism）是所有生命活动的基础代谢，包括物质代谢和能量代谢。这项工作主要是在20世纪30～50年代在组织水平和细胞水平上得到有效研究，并由此推动了生理学、酶学和生物化学的迅速发展。酶学的研究始于尿素酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶的分离与鉴定并证明它们是蛋白质。随后发现酶除了大分子蛋白外，还有许多种辅酶配合起作用。酶的反应原理和动力学的研究又促进了代谢途径的开展。

1937年，Krebs因发现生物氧化的三羧酸循环（TCA）而命名Krebs循环；1940年为Embden、Meyerhof和Parnas三位科学家对糖酵解途径（glycolysis pathway）所作的贡献而命名EMP途径。另外，为表彰德国人O.Warburg在呼吸氧化酶类和细胞生理的研究上所作的贡献，而命名他制造的微量呼吸压力仪为瓦布格微量呼吸压力仪。

在代谢途径的研究过程中，能量的产生和转化又是引人注意的问题。1935年，德国生物化学家K.洛曼分离与测定ATP分子式。1941年，F.A.李普曼引入高能磷酸键（～P）概念。1949年，美国生化学家E.P.肯尼迪和A.L.莱宁格报道了线粒体含有三羧酸循环所需的全部酶系统，并且与磷酸化联系，产生大量ATP，而糖酵解作用则在细胞质中进行。以后线粒体就成为能量代谢研究的主要材料。

三大物质的基础代谢和各种呼吸氧化还原酶类、维生素、辅酶、辅助因子以及它们之间的相互关系与次生代谢及能量代谢是相当复杂的，而代谢的调节已在动植物体，特别在人体生理和微生物发酵工程中得到有效的运用。直到20世纪70年代，它的前沿高分子蛋白质和核酸代谢及其基因表达研究与分子生物学相结合。(www.xing528.com)

4.光合作用（植物生理）

光合作用的宇宙作用意义非常重大，据估计，地球上每年植物与藻类通过光合作用同化CO₂约7×10¹¹t，折合有机物为5×10¹¹t，同时释放出相应的氧气，以保持大气气体组成的平衡。这一切都是人类与动物赖以生存的物质源泉。

20世纪中前期光合作用的重点研究在于叶绿体的结构与功能以及叶绿素的吸收光谱。随着叶绿体（chloroplast）的超显微结构和生理功能的了解，光合作用进入光反应和暗反应的机理研究。1955年，美国化学家卡尔文（M.Calvin）光合作用实验室积累多年的工作，应用标记CO₂同位素示踪和酶化学技术确认了CO₂还原成糖的生化途径，即C₃途径或Calvin循环，为光合作用的暗反应固定CO₂机理获得重大突破。1966年，Hatch和Slack证实甘蔗固定CO₂的C₄途径，由于C₄植物比C₃植物具有较高的光合效率而受到植物生理学家和育种学家的兴趣。

光合作用的光反应，即色素的光能吸收、传递、转换成生物能的过程与它的组成成分，称为光系统。光系统有PSⅠ、PSⅡ和它相偶联的光合链Z图模式直到70年代才基本搞清楚。目前，光系统的结构，即光合内囊体膜上的结构与功能和光能电子转换进入分子水平的研究，方兴未艾。

20世纪世界粮食与人口同步增长，光合作用原理在农业上的应用功不可没。如今的高光效育种从矮秆密植、杂交稻到将玉米C₄光合基因导入水稻获得转基因稻及其综合培育的超级稻都是为了提高作物的光能利用率，一般从1％提高到2％～3％。近年来，海洋菌藻类的光合作用功能与微藻光合放氢和细胞工程制氢前景得到重视。

5.细胞学

细胞是生命科学的最核心内容，因为生命机体的一切代谢活动，器官发生与遗传信息传递及繁殖都与细胞有关。因此，在20世纪的细胞学研究中，很快集中在生理、生化和遗传学并沿着三条路线进行取得显著成绩。

第一，显微镜研究揭示了亚细胞结构与细胞分裂行为，进而从超显微结构对细胞器生理功能的了解。第二，生理生化研究阐明了各种各样细胞的化学成分、生化反应与生理功能。第三，遗传学研究，从孟德尔定律、摩尔根基因论到染色体减数分裂的DNA复制，揭示了遗传信息传递的本质。

细胞生理功能的研究促进了对激素生理工作的探求。早在20世纪30～50年代，人们结合临床试验对内分泌液器官包括肾上腺素、胰岛素和性激素的化学成分、结构与功能进行了研究，并发现了脑下垂体分泌的激素具有调节控制体内其他激素的功能。植物激素，含有生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸和乙烯五大类，主要通过根、茎、生长点等合成部位合成经汁液流动至靶细胞反应，控制着植物的生长发育与衰老。

如今，关于细胞膜、内质网、各种细胞器和细胞骨骼的结构与功能，从不同角度还在广泛而深入地开展着。染色体作为DNA的载体、遗传信息贮存场所以及基因重组和蛋白质对性状表达的作用将在分子生物学中得到更深入研究。

6.生理学

20世纪生理学在心血管、生殖、泌尿、神经、内分泌激素、免疫系统的结构与功能及其相互作用的研究都已取得很大成就。现在知道，不论在动物还是人体神经系统和内分泌系统是两组调节器官，它们控制着机体的生长发育、成熟和衰老的代谢过程。内分泌激素包括甲状腺素、胰岛素、肾上腺皮质激素、性激素和脑下垂体分泌的激素，都是在20世纪20～30年代发现与分离的，但是，它们的生理调节过程是很复杂的。例如，血糖浓度增高对胰岛有刺激从而分泌了更多的胰岛素，为糖尿病医治提供理论基础。俄罗斯生理学家巴甫洛夫（1846—1936）建立的条件反射学说揭示了用外部信号刺激神经也能引起胃液分泌。1948年，德国生理学家Berthold将幼雄鸡的睾丸切除，结果鸡冠萎缩不发育，这就奠定了雄鸡性动物阉割的理论基础。

神经系统是一个复杂的信息传递与调节器官，从低等到高等动物，所有神经系统都是由神经通路即神经细胞（神经元）及其之间的连接（突触）组成。神经系统产生的信息传递有神经冲和神经递质两类。前者通过跨膜电位而传递，后者通过化学信息传递，如乙酰胆碱和去甲肾上腺素。20世纪70年代以来，发现的脑神经肽是一类神经调质的化学信息，并确认内吗啡肽是存在于脑内μ型阿片受体的内源性配体，和吗啡一样能够缓解疼痛，振奋情绪。直到90年代才揭示注射吗啡和海洛因会引起内吗啡肽的分泌减少，导致吸食者越来越依赖这些毒品的原因。

免疫泛指机体抗感染。早在18世末，英国医生Jemer（1774—1823）用种牛痘方法防治天花，开创了免疫疗法。淋巴细胞的免疫功能直到20世纪50年代才被发现。人体有两类淋巴细胞，即B细胞与T细胞，它们具有很强的免疫自卫能力。自20世纪70年代各类器官的移植手术兴起，包括肾、肝、肺、心脏、皮肤、角膜等都是移植对象，开初移植成活率不高，这是免疫排斥所致。后来，由于使用抗免疫排斥药物，局面才得改观。当今，异种器官移植，即动物器官代替人的器官受到重视。为了降低猪器官的免疫排斥性，分子生物学家想法设计与改造猪的基因，这是一种未来的可能途径。艾滋病难治也是与免疫缺陷症有关。生理学与组织学、生物化学关系密切，由此构成了医学和动物饲养学的理论基础。

7.生物学的分支学科

20世纪是实验生物学发展的全盛时期，导致分子生物学的产生与学科内部的重组。现代生命科学的分支学科很多，任其细分可达数百种，但主要门类只有十多种，有分类学、形态解剖学、动物学、植物学、微生物学、古生物学、人类学、遗传学、生理学、植物生理学、生物化学、分子生物学、生态学等。各门学科都有自己的研究领域、内容项目、理论体系和研究方法及分支学科，但又相互联系与交叉。为此，有一门普通生物学则将它们概略。

从学科相关看，分类学是生物学宏观理序，通过实验性的生理生化与遗传学揭示内在的生命活动规律，最后又在分子生物学上得到统一。古生物学为生物进化提供依据。生态学是研究生物与环境的关系，在今天工业化与环境污染日益加剧的时代，如何运用生态学知识保持环境生态平衡愈显重要。