現代遺傳學之父——孟德爾和豌豆雜交中發現的分離定律

1909年,丹麥生物學家W.Johannsen根據希臘文“給予生命”之義,創造了基因(gene)一詞。然而,19世紀60年代做雜交實驗的奧地利神父孟德爾怎麼就成了後人眼中的“遺傳學之父”的呢?一個連基因是什麼物質都不知道的人成為了“遺傳學之父”,這個事情太匪夷所思!

現代遺傳學之父——孟德爾和豌豆雜交中發現的分離定律

接下來,我們從孟德爾的生平經歷,豌豆雜交實驗,研究成果,來詳細瞭解他的“封神”之路。

一,孟德爾生平

現代遺傳學之父——孟德爾和豌豆雜交中發現的分離定律

1822年7月20日,孟德爾出生在奧匈帝國一個貧寒的農民家庭裡。孟德爾童年時,受到家庭環境的影響,特別喜愛農學。

1840年他考入奧爾米茨大學哲學院,主攻古典哲學,但他還學習了數學。

1843年因家貧而輟學,同年孟德爾進了布隆城奧古斯汀修道院,並在當地教會辦的一所中學教自然科學。但在1850年的教師資格考試中,因生物學和地質學的知識過少,孟德爾被教會派到維也納大學深造,受到相當系統和嚴格的科學教育和訓練,也受到傑出科學家們的影響,如多普勒、依汀豪生、有恩格爾等科學家。這些為他後來的科學實踐打下了堅實的基礎。

1856年,從維也納大學回到布魯恩不久,孟德爾就開始了長達8年的植物雜交實驗。在這8年中孟德爾除了對豌豆進行雜交實驗,還對玉米、紫羅蘭和紫茉莉等植物進行了遺傳學研究,但最成功的要數豌豆的雜交實驗了。

1859年11月24日,英國生物學家查爾斯·達爾文在《物種起源》中系統闡述生物進化理論基礎的生物學著作,並在倫敦出版。孟德爾對之進行了仔細的研究。

1865年2月2日和3月8日,孟德爾將自己的《植物雜交試驗》論文分兩次在布隆的自然科學協會年會上宣讀,會後發表在《布隆自然科學研究學會會報》1866年第4捲上。《植物雜交試驗》中系統說明了孟德爾發現的遺傳學規律:分離定律和自由組合定律。但令人遺憾的是,孟德爾的這些科學發現和見解,在當時並沒有引起生物學界同行的注意。

1884年1月6日,神父、生物學家孟德爾逝世,但他的成果仍未被發現。

1900年,孟德爾的《植物雜交試驗》論文被荷蘭的H。 De Vries、德國的C。 Correns和奧地利的E。 Tscherrnak等植物學家重新發現。當時正是植物科學發展史上一個輝煌的時代,積累的科學文獻已經相當豐富。有趣的是,這三位異國同行雖然互不相識,卻不約而同地對以往植物學論文進行了全面檢查。結果驚人地發現,自己只是在完全不知道孟德爾以往工作的情況下,各自獨立地做了一些與孟德爾相似的實驗,得出了與孟德爾相似的結論。

後來,因孟德爾的卓越貢獻,被人尊稱為“現代遺傳學之父”。

分離定律和自由組合定律,這兩條遺傳學規律是怎麼被孟德爾發現的呢?

二,分離定律的發現

分離定律也稱為孟德爾第一定律。我們一起來了解它的發現過程。

雖然孟德爾做了很多植物的雜交實驗,但是豌豆的雜交實驗是最成功的。這是因為豌豆是嚴格的自花傳粉、閉花授粉植物,它的花開放之前,雌蕊和雄蕊已經成熟並完成自交(植物自己的花粉落到自己的雌蕊柱頭上,並完成受精作用,形成子代的過程)。這樣自然繁育下的豌豆幾乎都是純種(除了突變)。

現代遺傳學之父——孟德爾和豌豆雜交中發現的分離定律

純種做親本(父本、母本)時,豌豆的遺傳因子(由孟德爾提出的概念,它控制著性狀,也就是後來的基因)組成就比較好弄清楚。第二點是豌豆花比較大,容易做人工雜交。第三點是豌豆有容易辨認的相對性狀。

現代遺傳學之父——孟德爾和豌豆雜交中發現的分離定律

相對性狀是指同一種生物同一種性狀的不同表現型別,比如豌豆種子圓滑和皺縮,豌豆的高莖和矮莖,人的單眼皮和雙眼皮等。之前的生物學家,研究生物多是整體性狀,孟德爾選擇一對相對性狀研究也是成功關鍵之一。

1,發現問題

孟德爾首先用純種的高莖豌豆和矮莖豌豆(P)雜交。這裡需要人工傳粉。

現代遺傳學之父——孟德爾和豌豆雜交中發現的分離定律

人工傳粉時,要趁著雌蕊和雄蕊還未成熟,將母本去除雄蕊,這樣母本只能為子代提供卵細胞。之後,等待花蕊成熟,將父本產生的花粉塗抹到母本的雌蕊上,完成人工授粉,操作的前後都需要套袋,避免外來其他花粉干擾。

他發現子一代(F1)全都是高莖。F1高莖豌豆種到地裡,不管它,讓它自交產生子二代(F2)。F2中高莖豌豆數量比上矮莖豌豆數量接近3:1。

現代遺傳學之父——孟德爾和豌豆雜交中發現的分離定律

難道這個比例是偶然的嗎?於是他又對其他的相對性狀做了同樣的雜交實驗。均發現F2中性狀分離比為3:1。這就不是偶然了。

2,作出假設(或假說)

玩過拋硬幣的小夥伴應該知道,連續拋兩次硬幣,一共有四種可能的情況,分別是正正,正反,反正和反反面,而且每一種機率相等。如果只要有正面出現,兩個硬幣就可以合併成一個正,如果沒有一個正(兩個都是反面)就合成一個反面。我們發現這個四種可能變成了3個正1個反,這正好和上述豌豆F2情況吻合。

要知道,孟德爾在大學還學習過數學。因此,他根據大膽的想象、理性的推測,從而做出以下假設:

生物的性狀是由細胞中的遺傳因子決定的;

體細胞中的遺傳因子成對存在,如親本高莖DD,親本矮莖dd,F1高莖是Dd;

配子中的遺傳因子成單存在,Dd的個體產生配子時,D和d這對遺傳因子(後來稱為等位基因)彼此分離進入不同的配子中,DD(dd)的相同基因也相互分離進入不同的配子中,不過配子種類只有1種D(d);

受精時雌雄配子隨機結合。

這個假說能很好地解釋F2性狀分離比3:1的問題。

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假說能解釋之前3:1的問題,能否解釋其他的雜交問題呢?

3,演繹推理

根據假說內容推測其他的雜交結果。

孟德爾選擇F1高莖Dd和矮莖dd作為親本進行測交(也是雜交,基因型不同),Dd將會產生D和d兩種配子,而dd只能產生一種配子d。雌雄配子結合,那麼它們的子代情況是高莖(Dd):矮莖(dd)=1:1 。

現代遺傳學之父——孟德爾和豌豆雜交中發現的分離定律

4,剛才的測交只是紙上談兵,演繹推理,真實情況還得看實驗結果。於是,孟德爾實施了上述測交實驗,並且統計子代發現,高莖與矮莖的比確實接近於1:1 。

5,得出結論

既然實驗和預期的一樣,那麼就證明了假說內容就是真實的。由此,遺傳學分離定律被孟德爾總結出來!

6,分離定律的內容

分離定律,即孟德爾第一定律,在生物的體細胞中,控制同一性狀的遺傳因子成對存在,不相融合;在形成配子時,成對的遺傳因子發生分離,分離後的遺傳因子分別進入不同的配子中,隨配子遺傳給後代。

三,分離定律的應用

分離定律的出現,為我們準確預測子代性狀及比例,提供了科學依據。

例如,一對雙眼皮的夫婦生出了單眼皮的孩子,他們再生一個雙眼皮的女兒的機率是多少?

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首先,判斷顯性性狀和隱性性狀,決定單眼皮的基因在親本中沒有表現出現,在子代中表現出來,說明單眼皮是隱性性狀,用a表示決定單眼皮的基因;用A表示決定雙眼皮的基因。

第二,確定他們的基因型。父親Aa,母親Aa,單眼皮的孩子基因型為aa。

第三,Aa XAa的子代中有AA:Aa:aa=1:2:1,也就是雙眼皮:單眼皮=3:1,孩子中出現雙眼皮的機率是3/4,其中男孩和女孩各一半(不是伴性遺傳,跟性別無關),再乘上1/2,得3/8。

所以,這對夫婦再生一個雙眼皮女孩的機率是3/8。

白化病和單眼皮的遺傳方式是一樣的,都是常染色體隱性遺傳,跟性別沒有關係。

四,總結

分離定律是遺傳學的基石之一,它將指導我們透過現象深入本質瞭解遺傳的真實規律。

所以,孩子的某種性狀必須要隨父母某一方嗎?如果沒有推測其父母基因型,就判斷孩子長的隨誰,顯然是譁眾取寵的偽科普。

接下來,我還會發孟德爾第二定律的發現,減數分裂,伴性遺傳相關科普,歡迎關注,有疑問的可以留言。

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