突变现象及其遗传机制

我们刚才提出的一般事实证明了基因结构的稳定性，这些事实对我们来说可能过于熟悉，所以看起来有些平常，也没有说服力。俗话说，“例外恰好能够证明规律的存在”。在这件事情上其实一点没错。如果孩子都无一例外地跟父母一样，我们就不可能去做那些设计得精妙绝伦的实验，从而揭示出遗传的详细机制，而且也看不到大自然所做的百万倍精巧的宏达实验，这些实验通过自然选择和适者生存锻造出了生活在地球上的无数物种。

我把最后的这个重要问题作为介绍相关事实的开端，很抱歉，我需要再次声明我不是一个生物学家。

今天我们确切地知道，达尔文把微小、连续和意外的变异视为自然选择的基础材料是错误的，这些变异在最纯的种群当中也是经常发生的。因为这些变异已经被证明不是遗传的。我有必要在这里进行简要的证明。如果你逐个测量一批纯种大麦麦穗的麦芒长度，并将统计结果绘制成图的话，你会得到一条钟形的曲线，如图7所示。图中横轴代表麦芒的长度，纵轴代表麦芒长度为某个数值的麦穗的数量。换句话说，这一批大麦中大多数麦穗的麦芒长度都是相对中等长度的，过长或过短的麦芒也会以一定频率出现。接下来选择一组麦芒长度超过平均值的麦穗（图中涂黑色部分），取足够多的数量，把它们播撒到田野中让它们长成一片新的大麦。采用同样的方法统计麦芒的长度，根据达尔文的观点，这批新的大麦麦芒长度分布曲线应该会向右平移。换句话说，达尔文认为通过选择能够增加麦芒的平均长度。而如果你用纯种大麦做这个实验，就会发现事实并非如此。用选择出的种子长成的大麦绘制出新的统计曲线，和之前是一模一样的，如果挑选的是麦芒较短的麦穗进行播种，也会得到同样的结果。在这里选择是无效的，因为微小的连续变异不是遗传的。这些特征显然不是基于遗传物质的结构，而是偶然的。但是大约40年前，荷兰人德弗里斯发现，即便是品系完全纯正的植物后代中，也有一小部分个体——大约几万个里面有两三个——会出现微小但是“跳跃式”的变化，“跳跃式”这种表达方式无意于强调这种变化有多么明显，其意义在于呈现出没有发生变化的特征和新特征之间没有过渡形式的不连续性。德弗里斯将这种现象称为突变，其明显的现象就是不连续性。这会让物理学家想到量子理论，两个相邻的能级中间并没有过渡的能级状态。物理学家可能倾向于把德弗里斯提出的突变理论比作生物学中的量子理论。

图7 纯种大麦的麦芒长度统计。涂黑色的那组是选作播种的。（本图细节并不是根据实际试验画出的，仅作说明之用）

后面我们会发现，这不仅仅是个比喻。突变实际上就是由基因分子当中的量子跃迁造成的。但是德弗里斯1902年发表自己的理论的时候，量子理论的提出只有两年。难怪上一代人已经逝去，我们才发现了二者之间的密切联系！

突变和原始特征一样，都能将特性毫无改变地传递给下一代。举个例子，第一批纯种大麦中可能会有几个麦穗的长度明显有别于图7所示的变动范围，比如说完全没有麦芒。这可能就算是德弗里斯所说的突变，能够将突变特征传递给下一代，即它们的后代都是没有麦芒的。所以，突变体肯定是遗传发生了改变，即遗传物质发生了某种变化所导致的。实际上，大多数解释遗传机制的重要繁育实验，都要根据精心设计的计划，对杂交获得的后代中的突变体（或在很多情况下是有多个突变的个体）、非突变个体或多种突变个体进行谨慎的分析。另外，正是由于纯育的优点，突变成了自然选择的合适素材。通过消灭不适应环境的突变，让适应环境的保留下来，产生达尔文所描述的物种。放到达尔文的理论当中，你需要用“突变”代替他所说的“微小的意外变异”（就像量子理论用“量子跃迁”代替“能量连续传递”）。如果我上面阐述的内容是对大多数生物学家观点的正确解读的话，达尔文理论的其他方面并不需要做什么修改。

现在，我们需要评价一些突变相关的概念和其他基础事实，这次我们还是要用略微教条的方式，而不是直接说明它们是如何一个一个地通过实验证据被提出的。

我们可以认为，一种确定的、被观察到的突变是来自染色体特定区域的改变。事实也的确如此。必须要说明的是，这种变化只发生在一个染色体上，而没有发生在同源染色体相应的“基因座”上。如图8所示，十字叉表示的就是突变的基因座。当我们把突变个体（往往也叫“突变体”）与非突变个体进行杂交后，就可以确定这种突变是否只发生在一个染色体上了。后代当中会有一半个体表现出突变体的性状，而另一半则展现出非突变性状。这正好符合突变体当中减数分裂后两个同源染色体分离的现象，如图9所示。这个就是“谱系图”，用相关的一对染色体代表每个个体（连续三代）。请注意，如果突变体的两条染色体都发生了改变，所有的后代都会遗传到相同的（混合）遗传物质，跟父母都不一样。

图8 杂合的突变体 “X”标明突变的基因。

图9 突变的遗传，交叉的直线表示染色体的传递，双线表示突变染色体的传递。第三代未作说明的染色体来自图中未包括的第二代的配偶。假定这些配偶不是亲戚，也没有突变。

但是这一领域的实验并不像我们所说的这样简单，另一个重要事实使之变得更加复杂。突变往往是潜伏的。这是什么意思呢？

在突变体中，两套代码文本中的代码不再是一模一样的了，同样一个区域，它们分别能够产生两种不同的“解读”或“译本”。我们最好马上指出，虽然我们很容易将原来的译本看作“正统”，将突变译本看作“异端”，但是这种看法是错误的。从原则上讲，我们应该将二者等同视之，因为正常的特征也是通过突变产生的。事实是，从整体而言，个体的“范式”只会遵循其中一个译本的代码，可能是正常的也可能是突变的。个体遵循的代码被称为显性，而另一个则是隐性。换句话说，根据突变是否能够迅速改变个体的范式，可以分为显性突变和隐性突变。

隐性突变往往比显性突变更加常见，而且它们非常重要，虽然刚开始它们并不会被表现出来。这些突变要表现出来的前提条件是，必须同时出现在两个染色体上（见图10）。只有当两个同样的隐性突变体进行杂交或隐性突变体进行自交时，才会产生这样的个体。在雌雄同体的植物当中，这种现象是可能发生的，甚至会自发产生。通过简单计算就会发现，在这些情况下，大约1/4的后代是能够表现出突变范式的类型。

图10 纯合突变体，是从杂合突变体（图8）自体受精，或两个杂合突变体杂交产生的后代中1/4的个体中获得的。

为了讲清楚问题，我想在这里解释几个术语。

我所说的“代码文本的译本”，无论是突变的还是非突变的，都指的是遗传学当中“等位基因”的概念。如图8所示，当一个个体两个代码文本的译本不同时，我们会说，它在这个基因座是杂合子。当这两个代码文本一样的时候，比如非突变个体或图10所示的个体，这样的个体称为纯合子。因此，只有个体是纯合子的时候，隐性等位基因才会对范式产生影响，而无论个体是杂合子还是纯合子，显性基因都会产生同样的范式。

一般来说，有色相对于无色（或白色）都是显性的。以豌豆为例，只有植株的两个染色体上都是“该性状的隐性等位基因”时，它才会开白色的花，这样的豌豆被称为“白花纯合子”，其后代也都是开白花的。但是具有一个“红花等位基因”（另一个等位基因是白花，也就是杂合子）的植株会开红花，具有两个红花等位基因（纯合子）的植株也是开红花的。后两种情况的不同之处体现在后代的花色上，红花杂合子会产生一部分开白色花的后代，而红花纯合子产生的后代都是开红花的。两个个体的外貌完全相同，而内在遗传物质却不相同，所以严格区分它们就非常重要。遗传学家会说，这两个个体有相同的表型，但是有不同的基因型。因此，前面几节的内容就可以用言简意赅但非常专业的表述概括为：

当基因型为纯合子的时候，隐性等位基因才能影响表型。

我们偶尔会用到这些专业说法，必要的时候会向读者解释它们的含义。

只要隐性突变保持杂合子的状态，自然选择就对它无能为力。如果它们对应的表型是有害的（而突变往往是有害的），这样的突变就不会被消除，因为它们并没有表现出相应的性状。因此，生物能够积累一定数量的突变，但不会立刻产生危害。但如果它们将有害的隐性突变染色体传递给后代，就可能产生危害，这一点对人类、牲畜、家禽和其他物种都有重要意义。(www.xing528.com)

人类对于优良的身体性状非常在意。图9当中的杂合雄性个体（假如说那就是我）携带了一个隐性有害突变，这种有害突变并没有表现在我身上。假设我的妻子并没有隐性突变，那么我们的孩子（第二行）当中会有一半携带隐性突变，同样是杂合子。如果他们仍然和不携带隐性突变基因的配偶生育（图中并未显示，为避免读者产生困惑，特此说明），按概率来说，我们1/4的孙代会携带隐性突变。有害突变并不会显现出来造成危害，除非同样携带隐性基因的个体和我们的子女婚配产生后代，经过简单计算就可以得知，他们的孩子中有1/4是能够表现出有害特征的纯合子。

除了自交（只有雌雄同体的植物才有可能发生）之外，最有害的繁殖方式就是我的儿子和女儿结婚了。他们每个人都有50%的可能性携带了有害突变，有25%的乱伦婚姻会导致1/4后代表现出有害特征。所以乱伦婚姻生育的子女具有有害表型的概率为1/16。

同样，我的两名（“纯种”）孙辈婚育，也就是堂兄弟姐妹结婚生下的子女中出现有害表型的概率为1/64。这似乎并不是什么大得吓人的概率，而且其实第二种情况通常是可以被接受的。但是不要忘了，我们分析的只是亲代（“我和我的妻子”）一方具有一个隐形有害突变的后果。事实上，很有可能夫妻双方都有一个以上隐性缺陷等位基因。如果你确认自己存在一个隐性突变，那你就能推测出自己的堂兄弟姐妹有1/8的可能有同样的基因型！植物和动物实验表明，除了相对罕见的严重缺陷之外，个体当中还可能存在较小的缺陷，造成近亲繁殖的后代质量整体下降。

如今我们已经不会像斯巴达人在泰格托斯山中那样残忍地处理后代中的失败者了，我们需要严肃看待这个问题：适者生存的自然选择对人类的作用被大大削弱，甚至完全转向了。在更为原始的生存条件下，战争可能会促使人们做出适者生存的具有积极意义的选择，但是在现代社会中，在所有国家屠杀大量健康青年的反选择效应是毫无理由的。

隐性等位基因在杂合状态下，完全被显性等位基因压倒，不会产生任何可观察到的作用，这一点非常令人惊叹。不过我们也要指出，这种行为也是有例外的。当开白花的纯合子金鱼草和开深红色花的纯合子金鱼草杂交时，第二代开的花颜色是介于两种亲本之间的，也就是粉红色（并非如我们所料的深红色）。两个等位基因同时表现出作用的更重要的例子是血型，但是我们暂且不讨论这个问题。如果隐性最后能够根据我们用来观察“表型”的试验的敏感程度的不同呈现出不同的等级，我也不应该感到诧异。

这里我也许该讲一下遗传学的早期历史。遗传学理论的基石是遗传定律，即亲代不同的特征在后代中的表现规律，尤其是显、隐性的重要区别，其发现者是如今享誉世界的奥古斯汀修道院的院长格雷戈尔·孟德尔（1822—1884）。孟德尔对于突变和染色体一无所知。在布隆（今捷克的布尔诺市）的修道院花园中，他用豌豆进行了杂交实验，一开始，他培育了不同的品种，让它们杂交并观察第一代、第二代、第三代……代际的后代。可以说，他的实验所用的突变体是自然界中现成的。1866年，他就在布隆自然科学协会会刊上发表了自己的实验结果。似乎没人对修道院院长的爱好感兴趣，当然也没人会想到，他的发现将会成为20世纪一个全新学科的指导原则，甚至成为当今最有趣的学科。他的论文很快被人遗忘了，直到1900年才同时被科伦斯（柏林）、德弗里斯（阿姆斯特丹）和切尔玛克（维也纳）三人重新发现。

迄今为止，我们的关注点都放在有害突变上，虽然这类突变相对更多，但我必须明确，我们也遇到过有利的突变。我们知道生物“尝试”随机冒险做出的一些变化，最终会因为其有害性而被自动消除。这就引出了一个非常重要的观点。为了成为自然选择的合适素材，突变必须是小概率事件，实际上突变发生的概率也非常低。如果它们发生的频率非常高，比如一个个体出现十几个不同的突变，有害突变很快就会超过有利突变占据主导地位，这样物种就不会在自然选择过程中得到改善，反而会原地踏步甚至逐渐衰落。基因的高度稳定性导致的相对保守是十分必要的。我们可以以工厂中的大型制造车间为例解释这件事：为了开发出更高效的生产方法，工厂必须不断进行工艺创新，为了确定创新工艺是会提高还是降低产量，车间每次只能引入一个创新工艺，其他生产机制则必须保持不变。

现在我们要来回顾遗传学当中最巧妙的一系列研究工作，它们也会证明我们的分析中最重要的特征。后代中基因发生突变的比例叫作突变率，通过用X射线或γ射线照射亲本，微小的自然突变率就能够大大提高。通过这种方法产生的突变和自发突变并无二致（除了数量更多以外），而且我们知道，所有的“自然”突变都是可以通过X射线诱导产生的。在大量人工培育的果蝇中，特殊的突变会反复发生，如“互换，性状的位置”一节中所说，这些突变已经完成了染色体上的定位，人们还给它们起了特殊的名称。人们甚至发现了“复等位基因”现象，也就是说，染色体代码的同一个位置上除了普通非变异的基因以外，会出现两个或两个以上的不同“译本”或“解读”，即一个特定的“基因座”上可能会有3种或更多等位基因，其中任何两个同时出现在一对同源染色体的相应基因座时，都会表现出“显-隐性”关系。X射线导致突变的实验表明，当一定剂量的X射线在子代产生前照射亲本后，每个特定的“转变”，也就是从正常个体变成特定的突变体或相反过程，都有各自的“X射线转化系数”，这个系数代表了通过这种方式子代发生突变的百分比。

此外，发现影响突变率的规律非常简单，而且极具启发性。我对这些规律的阐述是基于梯莫菲也夫在1934年《生物学评论》第九卷发表的报告，这篇报告在一定程度上反映了作者本人出色的研究工作。

第一条规律是：突变率的增加和射线剂量成正比。也就是说（正如我所说的）剂量的增加可以提高突变的概率。

我们对于简单的比例关系习以为常，所以容易忽视这一条简单规律背后的深远影响。举个例子来说明一下，商品价格并不总是和商品数量成比例的。经常会出现这种情况——你已经从商店店主那里买了6个橘子，当你决定再买6个橘子的时候，店主由于某种原因决定都以12个橘子的价格卖给你。而在商品稀缺的时候，则可能发生相反的情况。

就眼前的例子而言，我们会发现，如果说前一半辐射剂量导致1000个后代当中有1个是突变体，而其他的后代则不受影响，既不会让它们容易产生突变，也不会让它们不会发生突变。而后一半辐射剂量则不会导致1000个后代中出现1个突变体。所以突变并不具有累积效应，连续的小剂量辐射并不会让突变率上升。突变一定是由辐射过程中一个染色体上发生的单一事件引起的。究竟是哪一种事件呢？

上面提到的这个问题规律二则可以做出解答：如果使用范围较广的不同性质（波长）射线，从软X射线到硬γ射线，只要射线的剂量保持不变，突变的系数就会不变，也就是说，亲本接受辐射的地点，在一定时间内标准物质受到的辐射总量是一样的。

人们之所以选择空气作为标准物质，并不仅仅是因为其方便，而且因为生物组织是由与空气平均原子量相当的元素构成的。只要将空气当中电离的数量乘以密度比，就可以得到组织出现电离或类似过程（激发）的总数下限。通过更重要的研究已经证实，导致突变的单一事件就是生殖细胞中某些“关键”区域发生的电离（或类似过程）。

那么这个关键区域有多大呢？

我们通过观察突变率并按照下面的方法计算就可以得到大致的数字：如果每立方厘米产生50000个离子的辐射剂量会导致任何配子（在辐射区域中）以特定方式发生突变的概率是1/1000，我们就可以说关键区域（离子“撞击”能够产生突变的“靶区域”）的面积是1/50000立方厘米的1/1000，也就是5000万分之一立方厘米。这个数字并不准确，只是用于举例说明。我们采用德尔布吕克在与梯莫菲也夫、齐默尔合著的论文中实际估算的结果，这篇论文也是接下来两章要阐述的内容的理论来源。他得到的结果是大约10个平均原子距离的立方，这一体积当中包含的原子数量约为10³=1000个。对这一结果的最简单解读是，只要距离染色体上某个位置“10个原子距离”以内的地方发生了电离（或激发），就会发生一次突变。

现在我们要更详细地讨论这个问题。

梯莫菲也夫的报告中隐含了一个信息，我忍不住要提出来，虽然这跟我们探讨的事情没有太大关系。现代化的生活环境中，一个人有很多机会被X射线照射。它产生的直接危害是灼伤、X射线癌症、不育等，我们对此已经非常了解，铅屏、铅服能够作为防护措施，帮助经常使用射线的医生、护士避免受到射线的伤害。但问题在于，即便射线对个体的危害能够避免，但射线还是会造成间接伤害，也就是生殖细胞当中会出现微小的有害突变，即我们在讨论近亲繁殖产生不良结果时提到的那些突变。说得夸张一点，甚至可能这有点天真，由于祖母是长期从事与X射线有关的护士类工作，堂兄弟姐妹之间结婚就可能会增加有害突变的概率。

对于任何个人来说，这是不需要担忧的。但对于整个社会来说，全人类长期受到有害隐性突变的影响，这是我们应该担忧的事情。