作者:嚴天浩、鄭弼升、王雯君

第一章 生物的生殖方式

第一節 有性生殖

人類自古就對生殖現象相當感興趣,我們觀察到所有生物都需要藉由生殖來產生新個體,研究生殖現象的動機除了單純滿足好奇心外也具有實用的價值,像是古人無意間觀察到自然界中生物各式的生殖方式,並開始嘗試藉由人為的雜交育種選拔出適合人類生活的物種,像是用來食用的玉米、製作衣服的綿羊,與人類最衷心的朋友狗狗等皆是根據目的而培育出來的品種。

研究生殖這件事當然是從觀察動物的交配開始,交配需要同種生物的雌雄個體來進行,動物有雌雄之分這對我們來說是相當顯而易見的,而植物跟動物一樣有性別卻得到19世紀後才被普遍認同(詳見克爾路德文本)。人們早就觀察到雌性個體在交配時會提供卵(egg),卵會發育成新個體,不過對於雄性的貢獻卻相當模糊,在觀察動物的交配過程時,我們發現雄性個體會將精液送入雌性個體內,但是要了解精液將什麼東西送入雌性體內,就得等到顯微鏡發明改良之後。

17世紀,雷文霍克(Leeuwenhoek,1632-1723)利用顯微鏡觀察到精液中的精子,這個觀察讓當時的科學家產生了一個疑問:究竟交配需要的是精液還是精液中的精子呢?18世紀80年代,斯帕蘭查尼(L.Spallanzani)進行了一項有趣的實驗,他將雄蛙繫上一塊布(這塊布能讓部分精液透過但精子則不能),結果發現這樣的雄蛙並不能使和牠們交配的雌蛙產生子代,證實了雄性的個體在交配時的功能為提供精子給雌性的卵子,這種卵子與精子結合後產生個體的現象稱為有性生殖,而卵子與精子這種用來交配的細胞則稱為配子。而19世紀細胞學說建立後,隨著顯微儀器與標本製作技術的進步,科學家也陸續藉由觀察證實卵(註1)與精子(註2)皆為細胞的事實。

第二節 受精作用

1856年德國科學家普林斯海姆(Nathanael Pringsheim,1823-1894)觀察到淡水藻Oedogonium 的雄配子進入雌性卵的現象,他將過程記錄下來,並作出了以下的結論:新個體的第一個細胞(受精卵)是由雄配子與卵細胞融合而成;而且此過程只需要一個游動的精子就能完成,這種卵與精子結合的作用稱為受精作用。

發現帶來困惑,困惑推動研究,研究揭露發現,科學就是藉由反覆的論證來為大自然的現象提供解答。雖然已經知道有性生殖是藉由一個卵細胞與一個精細胞進行受精作用來達成,但是卵與精子在大小與型態上差異甚大,究竟在受精作用時,卵子與精子扮演的角色為何?卵又是如何形成受精卵?受精卵又是如何轉變為胚胎,胚胎又是如何分化出各式各樣的細胞?這些疑問,推動著19世紀後期胚胎學的發展,隨著弗爾(Hermann Fol,1845-1892)

、赫德維希(Oscar Hertwig,1849-1922)、弗萊明( Walther Flemming ,1843 – 1905),與貝內登等傑出的科學家的發現,細胞內的秘密才得以揭露。

第二章 日新月異的胚胎學

第一節 顯微鏡下的新天地

(演義)

「小貝阿~我明天上課要用的那些線蟲跟絛蟲準備好了沒阿?」問話的是在天主教魯汶大學(Catholic University in Leuven)擔任動物學教授的貝內登教授(P.J. van Beneden,1809-1894),他一邊看著研究生送上來的報告一邊問著。

「爸~你樣本室裝標本的架子都快要塌下來了,還好是我熟門熟路才能在短時間內備好器材,你沒有我看你怎麼辦!我晚點再幫你把架子釘牢顧一點,作為交換,你可以幫我看看昨天交給你的報告嗎?就那篇關於菱形動物門(dicyemids)有性與無性生殖時,幼體差異的報告」回話的是貝內登教授的兒子小貝內登(Edouard Van Beneden,1845-1910)。

「唷~那篇報告相當有趣,菱形動物門在無性生殖時會產生蠕蟲狀的線形體幼蟲,而當蠕蟲狀幼蟲成熟後會轉變為菱形體,進入有性繁殖階段,產生滴蟲形幼蟲。這種生殖方式的轉換真是相當奇妙阿,不過我認為你需要更詳細地針對滴蟲型幼蟲的發育做進一步的研究觀察,才能讓報告更完整」貝內登教授回答道。

「哇!每次觀察胚胎發育的過程都覺得相當驚奇,胚胎能分化出各式各樣的細胞,而胚胎又是由受精卵細胞分裂而來,究竟精子與卵子形成受精卵時發生了什麼事,能讓受精卵有如此的能力?又是藉由何種機制調控的呢?看來,需要更深入的了解與研究這個領域了」小貝內登看著顯微鏡視野下的細胞心中暗自佩服自然的奧妙。

(史實)

小貝內登從小就在他爸爸的指導下,一邊管理器材室一邊進行著他的研究,對於微生物、寄生蟲的顯微觀察與實驗相當熟悉,在1870年他決定到列日大學(University of Liège)展開比較型態學(comparative morphology)的研究,比較型態學是以比較作為研究方法,而小貝內登的專長為比較胚胎發生學,主要是藉由研究各門類動物胚胎發育過程中形態變化的異同,從而探討其在分類上的相互關係。在19世紀後期,細胞學相關領域如日中天,技術與知識日新月異,每隔一段時間就會有新的論文發表,競爭可說是相當激烈。

第二節 精子與卵的結合過程

(演義)

1875年,小貝內登拗不過爸爸的聲聲呼喚,特地放下繁忙的研究工作,撥空回到家中吃頓晚餐。

「小貝~自從你到列日大學工作後,就好久沒看到你了,快坐下,我們父子好好聊一下」老貝內登拉著小貝內登的手坐到餐桌前來,刀叉都還沒動就急著聊起近日發表的論文。

「爸,你知道關於德國的動物學教授赫德維希(Oscar Hertwig)正在進行的海膽卵受精作用的研究嗎?聽說他發現了海膽卵受精時,精子進入卵子後精細胞核與卵細胞核融合的現象,這真的是太酷了!而且他還將融合後的核稱為Furchungskeim(英譯cleavage-nucleus,即受精卵的細胞核),受精卵再藉由細胞分裂,啟動胚胎的發育。哇!能觀察到這種現象,真是令人佩服耶~」小貝內登興致勃勃地與其父親說道。

「我當然知道阿~這消息可是引發了一陣騷動呢!畢竟長久以來,人們都認為精子在受精作用扮演的角色就像是投幣機的錢幣一樣,用來作為引發卵發育的信號。但是赫德維希的觀察卻認為精子在受精作用時,會與卵子一樣貢獻自身的細胞核並融合為受精卵的核,這真的很難以想像。畢竟精子比卵子尺寸小那麼多,而且海膽卵太小了,更不用說要觀察其中細胞核的動態,就目前來說觀察結果很難讓人信服。赫德維希也正在蒐集更多的證據以發表他的論文呢」老貝內登心有所思的說。

「說的也是,不過赫德維希所使用的地中海海膽(Toxopneustes lividus)卵雖然小,但是卵黃極少,即使高倍放大時也是透明的。而且卵和精子都很容易保存、固定和染色。對於研究受精作用是蠻好的材料,真是可惜了」小貝內登懊惱地說著並望向父親在家中的小實驗室。

「要是有更適合的材料就能驗證赫德維希教授的觀察是否正確了」小貝內登一眨眼就溜進去小實驗室中,邊瀏覽架上的瓶瓶罐罐,試圖找出適合的研究材料。

1876年,弗爾(Hermann Fol )在海星與海膽中觀察到受精是由一個精子與一個卵子結合所造成,對於之前赫德維希的觀察提供了支持的證據。不過,由於並未明確觀察到細胞核的動態,科學界的接受度依舊不高。

第三節 精子與卵對於受精卵的貢獻

「哎呀!這個生物的精子比海膽比海膽的精子大了許多,卵子的取得也相當方便,我覺得這個生物應該很適合用來做為觀察受精做用的材料,不枉費我千辛萬苦地找了好多年,終於被我找到了啊!」小貝內登口中的生物就是馬蛔蟲(Ascarisbivalens),他利用在父親指導下所培養的能力與知識,將馬蛔蟲泡在酒精數個月,進而引發蟲體進行減數分裂產生精子與卵。其精子是海膽的10倍大,且經過處理後的卵會變成透明的以方便觀察,最重要的是,若將馬蛔蟲的輸卵管或子宮切掉半公分,即能獲得數以千計相同發育階段的樣本,確實是相當適合的實驗材料。

「為了觀察受精作用細胞核的動態,那就來用用看去年弗萊明用來觀察染色體的那種鹼性苯胺染劑吧!」貝內登著手進行標本的製作,他仔細地固定標本、滴上染料、壓碎組織,並移去多餘的染劑,期待著接下來在顯微觀察時即將映入眼簾的畫面。

「哇!真的壓對寶啦!原來馬蛔蟲的細胞核只有四條染色體,這樣染色體的變化就能被清楚地觀察到了」貝內登相當地興奮,他接著觀察到馬蛔蟲的配子(精子與卵子),意外的是配子只有兩條染色體,是正常細胞染色體數量的一半。而受精時精子碰到卵子,並將其組成細胞核的兩條染色體與卵的兩條染色體將互連結而形成具有四條染色體的合子(受精卵)細胞核(他稱之為染色粒)。

「原來在受精作用時真的如赫德維希教授先前所觀察到的一樣,精細胞會將細胞核內的物質送入卵細胞內,不過,與他說的有差異的是我觀察到來自精子的染色體送入卵後並沒有與卵本身的染色體融合,而是互相連結但是依然保有各自的獨立性。而且精卵各自貢獻兩條染色體,組成受精卵細胞內的四條染色體,不也就代表精子與卵對發育中胚胎貢獻相等嗎?這長期以來爭論不休的問題,看來答案呼之欲出了,我真是太幸運了阿!」貝內登仔細觀察並謹慎地將結果紀錄下來。隨後貝內登進一步觀察到受精後的受精卵(合子)在第一次細胞分裂時,細胞內染色體的移動方式就如同1882年佛萊明描述的有絲分裂一般,原本四條染色體的細胞,在進行細胞分裂時會變為八條,排列於細胞中央後,兩兩縱向分離成具有四條染色體的細胞,這種分裂方式與其他細胞的分裂方式完全相同。

「不過究竟為什麼配子的染色體數目只有普通細胞的一半呢?細胞是藉由何種機制達成的呢?」基於這個疑問,貝內登也觀察了配子的形成過程,他發現在形成配子時,原本的配子母細胞(註3)藉由染色體複製,由原本具有四條染色體的細胞會變為八條,接著歷經兩次的細胞分裂,依序由八條變四條,四條變兩條,最後產生四個配子細胞。他最後將他在馬蛔蟲配子中的染色體觀察紀錄發表於1883年的著作《卵的成熟,受精和分裂的研究》(原文:Recherches sur la maturation de l'oeuf, la fécondation et la division cellulaire)中。

馬蛔蟲(Ascarisbivalens)的精子形成過程:16-17,精原細胞的兩階段分裂; 18,尚未分裂成兩個細胞的精原細胞; 19-20,經過兩次分裂後的精細胞,每個精原細胞會形成四個精細胞,過程中會出現四個部分組成的細胞團。

在1887年弗萊明也觀察與貝內登相同的現象,他觀察到配子的形成過程會歷經兩次的分裂,並依照與有絲分裂染色體的分裂方式是否類似,將兩次的分裂分別命名為異型(heterotype)分裂與同型(homotype)分裂。1905年,英國植物學家法莫(Sir John Bretland Farmer,1865-1944)與他的學生摩爾(J.E. Moore)將此過程命名為減數分裂(maiosis)後被較常用的同義字meiosis取代。

19世紀後期是胚胎學與細胞學的黃金時期,在赫德維希、弗萊明與貝內登等科學家的努力下,細胞學的基礎已逐漸成形,我們了解到細胞產生新細胞的兩種模式:有絲分裂產生構成身體組織的體細胞;而減數分裂產生用來生殖的配子細胞(精子與卵子)。曾經有物理論者認為受精作用只是單純的物理現象,精子接觸卵子的目的僅僅是為了引發卵的分裂,不過後續的研究推翻了這個假設,科學家發現添加酸鹼或提供電擊也可以促進細胞分裂的發生,藉由貝內登的研究,我們可以知道精子在受精作用所扮演的角色並不單純在於刺激卵子的發育,精子內部所攜帶的訊息才是受精作用的真正意義。貝內登的研究觀察提供了對於受精作用的重要資訊:生物進行有性生殖產生後代時,精子與卵子透過傳遞各自細胞核中的染色體,以組成後代的細胞核。這些發現讓人不禁認為染色體在細胞發育與遺傳上可能帶有相當重要的功能。1884年赫特維克和發現植物細胞分裂的科學家斯特拉斯伯格(E.Strasburger)總結了過去10年的大量資料,甚至大膽的預測細胞核可能是遺傳的載體這樣的結論。不過,要驗證這個推論是否正確,得等到1900年孟德爾遺傳概念被再發現後,並結合包法利(Theodor Boveri)與洒吞(Walter Stanborough Sutton)的研究成果,天時地利人和之下,染色體在細胞的功能才能有個大致上的認識了。

註解:

1826年馮貝爾(CarlErnst von Baer,1792~1876)發現哺乳動物的卵。1852年Remak才指明蛙卵是一個單細胞,根根鮑爾(Karl Gegenbaur,1826-1903)於1861年利用(通過證明卵黃質並不是細胞)便將這一結論擴大到所有脊椎動物的卵。

1841年科立克(Rudolf Albert von Kolliker, 1817—1905)觀察文昌鱼的精子形成過程,證實精子為細胞。

配子母細胞:配子母細胞會藉由減數分裂產生配子,產生精子的稱為精原細胞;產生卵子的為卵原細胞。

參考資料:

Encyclopaedia Britannica.Edouard van Beneden

Frederick B. Churchill(1970)Hertwig, Weismann, and the Meaning of Reduction Division circa 1890

G Hamoir(1992)The discovery of meiosis by E. Van Beneden, a breakthrough in the morphological phase of heredity.

Kevin M. Gleason(2017)An Atlas of Fertilization and Karyokinesis of the Ovum (1895), by Edmund Beecher Wilson.The Embryo Project Encyclopedia

平立岩(2009)從豌豆‧果蠅‧細菌到人類:遺傳學史略,P87-120

陳文盛(2017)孟德爾之夢:基因的百年歷史,P31-54