作者:王雯君

審定:鄭弼升、嚴天浩

[包法利]

第一章 胚胎學的超級新星

第一節 胚胎內的藝術

「各位同學,我們來看一下15~16世紀起源於義大利佛羅倫斯後來擴展至全歐洲的文藝復興(Renaissance),這個時期呢,興起了對於希臘、羅馬這類古典文學、建築與藝術的再生,這股風潮也影響了人們的思考方式,人們開始質疑身邊所觀察到的現象並展開了探究,探究的過程需要儀器協助,於是許多重要的工具被發明出來,像是望遠鏡、顯微鏡、溫度計、天平等,為現代科學打下良好的基礎…」這是1881年,慕尼黑大學(University of Munich)歷史與哲學系的教室,台上的教授拿著厚厚的教科書娓娓道來現代科學的興起過程。

「阿…」一個長長的呵欠聲從講台底下傳來,這個聲音原自於一位稱為包法利 (Theodor Heinrich Boveri,1862-1915)的學生,他因為從小即展現出優異的音樂與藝術天份,得以食宿減免的優惠進入慕尼黑大學並因其優異的成績獲得居住在馬克西米立安宮(Maximilianeum)的機會。不過,進入人文學院已快半年的包法利,實在是受不了沉悶繁複的歷史課,與其講文藝復興,不如到課堂外拿著畫筆如同文藝復興三傑達文西(Leonando da Vinci)、拉菲爾(Raphael),與米開朗基羅(Michelangelo)一般肆意揮灑自己的創意更好。

進入人文學院僅半年,包法利實在受不了這種生活,便毅然決然轉而研習解剖學和生物學,因而與影響他一生的導師庫佛(Carl von Kupffer,1829-1902)相遇。

德國解剖學家庫佛專精於神經學與胚胎學的領域,他的研究主題以胚胎如何發育出大腦、脾臟,和腎臟等器官為主。他看了看手邊要從人文學院轉系過來的名單「西奧多·海因里希·包法利」,不禁想著這充滿義大利風情名字的主人應該是位黑髮,皮膚略為黝黑的青年。

「庫佛教授~我是轉學生包法利」庫佛尋聲往門口看著,門外站著一位暗金色頭髮、灰藍色眼睛,皮膚白皙的德國年輕人,庫佛不禁為了自己的想像笑出聲來,而包法利的緊張感也為庫佛教授的親切舉動一掃而空。

過了不久,家鄉班貝格(bamberg)傳來了不好的消息,由於包法利父親肆意揮霍財產,他家宣告破產。還好庫佛教授提供了包法利一個實驗室助理的職缺,讓包法利無後顧之憂地繼續待在校園中學習,包法利也相當的爭氣,擔任助理期間認真盡責,協助庫佛進行胚胎中神經發育的相關研究。

顯微鏡下的胚胎發育過程總是讓包法利看得入迷,胚胎由一顆受精卵開始分化,藉由細胞分裂產生新的細胞,隨著細胞越來越多,逐漸形成一個中空球狀的囊胚(blastocoel)。囊胚表面的細胞層會在特定部位進行收縮與折疊,隨著胚胎發育反覆進行這樣的步驟,逐漸地形成各種組織與器官。

圖片來源:anatomy-and-physiology

胚胎發育的過程就像是生物體在進行繪畫或摺紙一般,藉由簡單的技法,在不同的部位進行分裂、凹摺等過程的疊加,由一個受精卵進而發展成一個完整的個體。「還有什麼能比研究胚胎發育這門藝術更吸引人的呢?」包法利心想,並暗自在心中進行未來的規劃。於是包法利藉由擔任庫佛實驗室的助理累積相關知識與技術,對於自己的研究題目也絲毫不敢懈怠,過了幾年他發表了論文《神經纖維的研究》(原文:Beiträge zur Kenntnis der Nervenfasern),這篇論文不僅讓他順利取得博士學位,並爭取到獎學金(Lamont-Stipendium Fellowship)到德國慕尼黑研究所(Zoological Institute in Munich)動物學家赫德維格(Richard Hertwig,1850-1937)實驗室中學習,展開其對胚胎發生學的深入研究。

第二節 胚胎學的起源

「我們究竟是怎麼來的?」這個迷人的問題從古至今引發許多人的想像與猜測。西元前四世紀,希臘哲學家亞里斯多德(希臘語:Αριστοτέλης,Aristotélēs,西元前384-前322年)藉由打破雞蛋研究機胚的發育,認為胚胎的發育應該會像織網一樣,一步一步逐漸拓展成完整的生物體。這種認為生物是由一團未成型的物質逐漸發育而來的想法,稱之為「漸成說」(epigenesis)。到了17世紀,法國的哲學家笛卡爾(法語:René Descartes,1596-1650年)提倡機械論(Mechanism),認為一切現象皆可依照機械的原理來解釋,換句話說,他認為所有的現象都是物質運動的結果,於是他將這種想法運用到胚胎學,並認為胚胎發育的原動力來自於機械力。

不過,約在1690年代左右法國的馬爾布朗西(Malebranche)與荷蘭的史華莫丹(Swammerdam)不贊成笛卡爾的想法。他們認為生物體太過複雜精巧,絕不是物理的力量在主導胚胎發育,生物體的每個部位應該早就存在於胚胎當中,只是非常微小,隨著發育進行身體的各部位才會逐漸展露出來,這一派的想法,稱之為「先成說」(preformation)。例如義大利鬼才科學家馬爾辟基(Marcello Malpighi,1628-1694)雖然對雞胚的發育過程描述精確,但是卻受限於先成說的想法,而畫出雞胚中已經有雞存在的想像圖。

圖片來源:sciencephotolibrary

1868年馬爾辟基所繪之雞胚圖

「漸成說」與「先成說」的支持者彼此爭論不休,科學家依據自身的信念對相同的現象做出不同的解讀。而研究動植物胚胎發育過程的學術活動則稱為胚胎學,胚胎學的發展隨著顯微鏡儀器的精進、標本固定與染色技術的發展,並且科學家開始以一些簡單物種(如蛔蟲、蝗蟲、海膽)作為實驗材料,得以獲得較多且易觀察的樣本,這些因素加總下來導致胚胎學在19-20C快速發展,號稱胚胎學的輝煌時代。而「漸成說」與「先成說」之間的爭議,也在這時期才開始有了初步共識。

第二章 染色體與胚胎發育

第ㄧ節 馬蛔蟲卵中的奧秘

1883年德國動物學家貝內登(Edouard Van Beneden,1845-1910)發表著作《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),內容詳盡地描述一種寄生生物馬蛔蟲(Ascarisbivalens)的配子在進行受精作用時,精子帶著兩條染色體進入同樣具有兩條染色體的卵子中,最後產生四條染色體的受精卵,證實原來精子與卵子對於受精卵的組成貢獻相等。(詳見貝內登文本)這篇論文震驚了當代的科學界,打破以往認為精子在受精作用的目的單純只為了提供促進卵進行細胞分裂的動力。

這股旋風,當然也刮進了包法利當時所在的德國慕尼黑研究所-動物學家赫德維格的實驗室,不僅如此,登陸這個實驗室的不是旋風而可以說是暴風了。

「噢噢~我的天啊!保利,你有看到貝內登教授發表的那邊馬蛔蟲的論文嗎?實在太精采了,想到馬蛔蟲的受精過程居然如此神奇,讓我興奮到整夜無法闔眼」包法利一進入實驗室就對擔任實驗室助理的保利(August Pauly)說道。

「噓~你別白目了啦!你沒看到老闆臉色很難看嗎?還在那邊鬼吼鬼叫」保利低聲提醒包法利,一邊指著赫德維格教授的辦公室。

「你不知道嗎?老闆他們兩兄弟在1876年,也就是6年前以海膽卵作為實驗材料,觀察到精子進入卵子後精細胞核與卵細胞核融合的現象,現在那個貝內登的結果一發表,不就打臉老闆的實驗結果:配子的核不會互相融合,而是結合後來自精卵的染色體各自存在於受精卵的核中嗎?雖然這也不能怪老闆啦~畢竟海膽卵太小,馬蛔蟲的染色體數目又才少少四條,就這個題目而言確實為較佳的材料。不過阿~身為資深助理的我還是提醒你一下,你最近最好皮繃緊一點,少說話多做事」保利沒好氣的說著。

「我偏不要,我要去跟老闆提議讓我重覆做做看貝內登的實驗,我想親眼見證這神奇的現象才肯相信」包法利大步往赫德維格教授的辦公室走去,想不到赫德維格居然立刻答應這個提議。原來赫德維格臉色難看是因為他相當懊悔自己沒想到用馬蛔蟲來作為實驗材料,剛好讓包法利在實驗室中試試看,搞不好會有其他研究方向出現。

包法利受到貝內登的啟發,展開了他這輩子與馬蛔蟲間愛恨交織的研究生活,並在好友保利的鼓勵下於1887-1990年期間發表了三部《細胞學》著作,在此著作中他藉由觀察蛔蟲的受精作用,證實了貝內登提到的精卵貢獻相等的狀況,他還相當詳盡地描述染色體在有絲分裂與減數分裂時在細胞內的移動狀態,除此之外,他還對貝內登所發現在細胞分裂時期所出現的構造中心體(centrosome)進行了功能性的研究。

「哇!馬蛔蟲的受精過程中精子除了會帶來父方的染色體外,還會提供成對的中心體給卵子,當要受精卵要進行細胞分裂時,中心體會移動到細胞的兩端,並會放出絲狀的構造(現稱為紡錘絲spindle),整個構造就像是星星放出光芒一樣(合稱為星狀體)。藉由這個絲狀的構造連結到每對相連的染色體兩邊,藉由縮短絲狀構造而將染色體分離」

馬蛔蟲卵的細胞分裂過程_染色(圖片來源:FlorianMaderspacher,2008)

包法利觀察了不正常馬蛔蟲卵裂的過程,他發現中心體以紡錘絲控制染色體的分離是相當精巧的,只要有染色體沒有與中心體相連、或中心體的數目異常(超過兩個)就會造成細胞不正常分裂的現象,細胞分裂失常會導致發育出的胚胎畸形甚至死亡。換句話說,每次細胞分裂時藉由中心體的控制達到成對的染色體分離,使得產生出的新細胞帶有與原先細胞一模一樣的染色體組成對於胚胎發育是必要的。

(A-D)馬蛔蟲卵中染色體與紡錘絲正常相連狀態:所有的染色體都與一個星狀體相連;E:染色體與部分紡錘絲相連;F、G:具有三個星狀體的卵;H:具有四個星狀體的卵(圖片來源

:Theodor Boveri,1888)

根據先前的觀察,包法利還將馬蛔蟲的四條染色體各自找出了辨識的標記,並在新形成的細胞進行細胞分裂時所產生了第二批新細胞中也看到了相同的四條染色體。

「如果染色體的組成在每個細胞中是相同的,加上我的實驗證實這些染色體在細胞分裂時藉由中心體放出的紡錘絲而被精心分離,若染色體不正常分離將導致受精卵錯誤的分裂,那應該代表著染色體中可能帶有細胞分化的訊息」包法利看著顯微鏡下的馬蛔蟲卵,思緒就像在從事他所鍾愛的繪畫一般,讓想像力帶領著這個大膽的假設持續延伸。

第二節 胚胎學與遺傳學的交點

1900年,孟德爾(Gregor Mendel,1822-1884)於1865年藉由豌豆雜交實驗所提出的遺傳因子假說藉由德伏里斯(Hugo de Vries)等人從充滿灰塵的書架搬到科學界的聚光燈下(詳見孟德爾文本),引發生物學界對於遺傳研究的熱潮。眾人紛紛猜想生物體內是否真的具有遺傳因子這種假設性的物質存在。

關於遺傳物質的想像,早在1890年,德國生物學家魏斯曼(August Weismann,1834-1914)觀察到體細胞的染色體數目都是偶數;而生殖細胞的染色體數目才有奇數的現象,於是提出「生殖質學說」(germplasm theory),認為多細胞生物可分為生殖細胞中的「種質」 (germ plasm)和體細胞中的「體質」 (somatoplasm) 兩部分,其中只有種質是可以遺傳給後代的。雖然他的假設現今被證實是錯誤的,但是他首次連結了染色體與遺傳的關係。

隨著19世紀末到20世紀初越來越多染色體的行為被描述,科學家們紛紛懷疑染色體就是遺傳因子的可能性,可惜苦無明確的證據證實。當1900年包法利聽說了孟德爾遺傳因子的概念後,馬上就聯想到他之前的實驗才剛證實了細胞中染色體的組成與胚胎發育的關係,而胚胎內的染色體來自於父母雙方的配子,只要能有實驗證實親代的染色體確實能影響胚胎發育,那就太棒了,於是創造力豐富的他開始進行相關實驗的規劃。

「哀...不過馬蛔蟲可供觀察比較的型態太少,可能得找其他材料來進行才行」包法利煩惱地向離開赫德維格實驗室後還互相保持聯絡的好友保利訴苦。

「要不試試看我們實驗室所使用的海膽卵,顏色透明而且胚胎裡的細胞移動速度緩慢,可以好好地觀察發育的過程,而且受精卵48小時內就能發育成會游泳與進食的幼體。而且阿…我們實驗室可是有個秘密武器是別的實驗室找不到的呢!」保利略帶驕傲與神祕地說到,他指的秘密武器就是1887赫德維格兄弟檔(Richard Hertwig & Oscar Hertwig)發現當震盪海膽卵時,有時會有無核的卵產生。他們進一步發現這些無核的卵在受精後,會像正常有核的卵一樣出現卵裂的現象。

「哇!你真的是我的貴人,我快跟赫德維格教授談合作,將這秘密武器拿到手在說」包法利興奮地說著。

1889年,包法利開始利用海膽卵進行細胞質與細胞核對於胚胎發育影響的相關實驗。

為了能輕易從外觀型態進行辨別,他選用了兩種幼體外觀差異極大的海膽進行實驗。他將細管沙海膽(Psammechinus microtuberculatus ,下圖A)的精子與微型球海膽(Sphaerechinus granularis,下圖B)的卵子與進行受精,微型球海膽的卵有三種分別是有核、經震盪過的帶有核碎片的卵與無核卵。雜交後的結果顯示子代有三種表型特徵:第一種-正常微型球海膽的卵與細管沙海膽精子受精的胚胎,特徵呈現出親代雙方的外型特徵;第二種-帶有細胞核碎片的微型球海膽卵與細管沙球海膽精子受精的胚胎(如下圖C),雖體型較小但外表與第一種胚胎相同;第三種-無細胞核的微型球海膽卵細管沙海膽精子受精後的胚胎(如下圖D),胚胎呈現細管沙海膽的外觀特徵,藉由這一系列的實驗包法利確認細胞中帶有控制子代特徵的部位在於細胞核而非細胞質,再結合貝內登與包法利自身的研究可大膽推測這個物質即是染色體。

為了確認染色體在胚胎發育的功能,他進一步利用化學物質剝除了海膽卵子的外膜,強迫以兩個精子讓卵子受精。結果發現,這種多重的受精加快了染色體的混亂。兩個精子為一個卵子受精,製造出含有三套染色體的特殊受精卵,換句話說,這種細胞內每個染色體都有三條──而這個數目在細胞分裂時不能被四個中心體所平分,所以當受精卵進行後續細胞分裂時部分染色體就會隨機地分配到新產生的細胞中。當這種特殊的受精卵分裂到四細胞時期時,包法利利用機器使之震盪分開,發現到只有少數獲得成套染色體的子細胞才能發育成正常的胚胎;若子細胞獲得的染色體不成套,即使是數目正確仍然無法正常發育而死亡。包法利基於這個觀察更加確認染色體必然帶著胚胎適當發展與成長的重要資訊。

「原來親代雙方藉由產生精子與卵子進行受精作用的方式,將自身細胞中的染色體傳遞給子代,而受精作用使得受精卵帶有成套的染色體,這成套的染色體內帶著控制胚胎發育的重要訊息,我想以我的實驗來進行推論孟德爾所說的遺傳因子可能就是細胞中的染色體!」包法利胸有成竹地說到。

1903年,美國年輕的生物學家洒吞(Walter Stanborough Sutton,1877-1916)利用蝗蟲形成配子時染色體的分列方式與孟德遺傳因子的分離方式相符,而提出遺傳因子是位於染色體上的一種遺傳單位這種主張。洒吞的老師威爾森(Edmund Beecher Wilson)教授將包法利與洒吞的研究整理後提出染色體遺傳學說(Boveri-Sutton Chromosome Theory)(詳見洒吞文本)。

第三節 先成說與漸成說的交鋒

由於包法利在胚胎學上的成就,讓他獲得了夢寐以求的學術職位,在1892年30歲的包法利成為了德國維爾茨堡(Zoology and Comparative Anatomy at Würzburg)的動物學和比較解剖學教授,並被任命為同一所大學動物學研究所的所長。過了五年,包法利與一位愛爾蘭裔美國人梅賽拉(Marcella O'Grady Boveri)結婚,梅賽拉是瓦薩學院(Vassar College)的生物學教授,同時也是第一位被維爾茨堡大學承認的女性科學家,兩人結婚後梅賽拉擔任包法利的助手一同進行研究,發表了在遺傳學與胚胎學上許多重要的研究。

由於包法利對染色體的見解頗有先成論的味道,這對於支持後成說的赫德維格教授來說相當不以為然,赫德維格認為包法利的實驗就像是將先成說裡雞胚中的小雞換成來自父母雙方的染色體而已,胚胎的發育應該是如漸成說那樣,由一團不成形的物質逐漸發育而來。包法利雖然堅持自己的實驗結果無誤,不過他也思考細胞中除了細胞核內的染色體會控制胚胎發育,會不會細胞中還帶有控制胚胎發育的機制呢?

1991年,德國生物學家祝瑞胥(Hans Driesch,1867-1941)發表了一篇相當有趣的實驗,他利用海膽作為實驗材料,並在受精卵進行第一次細胞分裂時猛力搖晃,使得分裂出的兩個細胞一個裂成碎片的細胞,而另一個則完整無缺。照先成說的說法,因為生物體各部位的發育程序已經於胚胎發育前即決定好了,若像這樣將胚胎的細胞破壞掉一半,那後來的胚胎應該也只能形成整個個體的一部分。祝瑞胥持續地進行觀察,到了第三天的早上,他發現在第一次細胞分裂被破壞掉一半細胞的胚胎,其型態與一般海膽胚胎相比較,除了尺寸較小外,剩下的外觀型態一切正常。他持續做類似的實驗,發現即使在四細胞時期(受精卵進行第二次細胞分裂時)破壞掉一半的細胞,後續還是能發育出正常的海膽胚胎。他認為海膽胚胎早期的每個細胞,都具有相同的潛能,也就是說每個細胞皆能獨自發育成完整的生物體。

包法利受到了祝瑞胥的影響,利用馬蛔蟲作為實驗材料,應用在大學時期恩師庫佛所指導的技術與知識,花了12年與他的夫人梅賽拉進行馬蛔蟲胚胎發育次序的研究,他們發現馬蛔蟲卵中營養物質(卵黃)較少、細胞核位在的那端(animal pole,動物極)細胞分裂的速度較快;而另一端含較多的卵黃、距離細胞核較遠的一端(vegetal pole,質物極)細胞分裂的速度較慢。而胚胎就是藉由受精卵兩端細胞分裂速度的差異,由於細胞數目兩邊增長的不平均而導致細胞層折疊,進而發育成不同的組織器官。藉由這一系列的實驗,包法利夫妻發現到除了細胞核內的染色體外,細胞質中成分的差異也會影響到胚胎的發育。

隨著後來遺傳學與胚胎學的發展,許多研究報告陸續被提出。目前普遍認為受精卵中的染色體帶著胚胎發育的訊息(先成說),而受精卵在發育的過程中,會隨著細胞發育時的位置與距離等因素來影響未來會發育成何種組織器官,而且這種特性在胚胎發育早期是可變動的(漸成說),換句話說,解釋胚胎發育的先成說與漸成說實際上是相互運行、協調表現的。

第四節 成也蛔蟲,敗也蛔蟲

可惜傑出的包法利從1890年開始,開始遭受嚴重的健康問題。他有時會表現出類似流行性感冒的症狀,四肢無力、疼痛虛弱,且通常會反復出現疲勞和沮喪的情形,隨後被診斷為出其病因為神經衰弱。 隔了一年,包法利的父親去世,他的身體狀況更加惡化。儘管包法利在各種療養院裡呆了很長時間,但他的健康狀況再也沒有康復過,這極大地拖累了他的職業生涯。

雖然在愛妻梅賽拉的協助下,包法利還是十分勤奮地進行研究的工作,可惜身體祝況還是持續惡化,在1915年,他因為被蛔蟲寄生,引發反復的發燒和腹部絞痛而與世長辭。他萬萬沒想到讓他站穩學術地位的馬蛔蟲,現在居然讓他墜落棺材中。他心中的感覺,正如他在去世前不久給朋友寫的信中提起的那樣:It is mean when the beasts you have worked on, now start working on you. (這種感覺就像是你曾經朝夕相處的野獸,現在卻在你身上反咬你一口那樣)。

生命終究會逝去,但是包法利在胚胎學與遺傳學中的影響深遠,他是第一個提出實驗證據證實細胞核中的染色體與生物體發育有關的科學家。結合包法利與洒吞研究成果的染色體遺傳學說,帶動了生物學家展開研究染色體的結構與功能,試圖找出遺傳因子在細胞中的真實身分,一個新的生物學領域:分子生物學就此興起,並一躍成為20世紀生物學界成果最輝煌的領域。

參考資料:

FlorianMaderspacher(2008)Theodor Boveri and the natural experiment. sciencedirect. P. 279-286

平立岩(2009)從豌豆‧果蠅‧細菌到人類:遺傳學史略,P70-102

Lewis Wolpert(1998)胚胎大勝利,P1-60

Inbar Maayan(2011)Theodor Heinrich Boveri (1862-1915),The Embryo Project Encyclopedia

Baltzer, F (May 1964). "Theodor Boveri". Science. PMID 1414939

Ernst Mayr(2017)This Is Biology :The Science of the Living World這就是生物學.P117-119

Ernst Mayr(1982)The Growth of Biological Thought Diversity Evolution and Inheritance,Chapter15

McKusick, V.A.(1960) Walter S. Sutton and the physical basis of Mendelism. Bull Hist Med 34, 487-497

[洒吞]

第一章 細胞學與遺傳學的結合

第一節 細胞核與遺傳

細胞核的故事要從1831年說起,當時植物學家布朗(Robert Brown, 1773~1858)觀察蘭科植物(Orchidaceae)與羅摩科(Asclepiadoideae)植物的受精過程時,發現了細胞內的特殊構造,他將之稱為細胞核(nucleus,拉丁文含意為小果仁)。1865年,德國生物學家海克爾(Ernst Heinrich Philipp August Haeckel,1834-1919年)根據當代所累積的研究在他的著作中發表了一個假說「細胞核負責傳遞遺傳訊息」。1876年海克爾的學生赫德維希兄弟檔(Oscar Hertwig,1849-1922與Richard Hertwig,1850-1937年)通過顯微技術觀察到海膽卵受精時,精子與卵子接觸後,精核與卵核會互相融合,融合後新形成的合子細胞核不會消失,而是接著進行細胞核分裂,啟動胚胎的發生,這個發現也讓海克爾的假說獲得了證實。

德國科學家魏斯曼(August Weismann,1834- 1914年)受到了海克爾假說的影響,並結合了他對於昆蟲胚胎的解剖學研究後,於1883年提出「遺傳是通過將一種具有一定化學結構、尤其是一定的分子結構的物質(種質)從一代傳送到下一代而實現的。」這個想法開啟了科學家開始將遺傳的概念具體化的想像。

1889年,荷蘭的德弗里斯(Hugo Marie de Vries , 1848 –1935年)出版了一本相當受歡迎的書籍《細胞內泛生論》(Interacellular Pangege),書中認為細胞核內具有能傳遞個體性狀特徵的顆粒,他稱為「pangene」*(註1),不同的pangene負責個體內不同的性狀,進一步的將遺傳的概念與細胞學連結在一起。

隔年1890年,魏斯曼觀察到體細胞的染色體數目都是偶數;只有生殖細胞的染色體數目才有奇數,於是提出了「生殖質學說」(germplasm theory),他認為多細胞生物的細胞組成可分為「種質」 (germ plasm)和「體質」(somatoplasm)兩部分。 並進一步提出種質連續假說(Theory of continuity of germplasm)與魏斯曼屏障(Weismann Barrier)假說,他認為種質在生物體內負責產生後代,若種質發生變異將會導致遺傳上的變異,而生物體的體質則是無法傳遞給子代的」。這個想法大膽且具有前瞻性,可惜的是19世紀後半雖然堪稱為細胞學的黃金時期,其中包括弗萊明( Walther Flemming ,1843 – 1905)與斯特拉斯伯格(Edurad Strasburger,1844-1905)對於動植物有絲分裂的染色體觀察,還有貝內登 (Edouard Van Beneden,1845-1910)提出配子在受精作用時貢獻相等數量染色體的觀察,不過當時的細胞學家很少能將細胞學與遺傳現象連結在一起,魏斯曼的想法也只能靜待進一步的發現來驗證了。

第二節 關注孟德爾的時刻到來了

在海克爾發表「細胞核負責傳遞遺傳訊息」假說的1865年,孟德爾也在同年將他藉由豌豆雜交實驗推導出的遺傳理論發表於論文《植物雜交試驗》中,但他的理論需要數學為基礎,加上使用的語言為德語,對當時的生物學家而言太過艱澀難懂。幸好,孟德爾的努力並沒有白費,在他過世16年後,於1900年4月後的短短四個月內,被歐洲大陸上的三位科學家獨立引用而得以重新被世人了解,分別是先前提到提出「pangene」概念的德弗里斯、德國的科倫斯(Carl Erich Correns,1864-1933年)和奧地利的切爾馬克(Erich Tschermak, 1871 – 1962)。這三位植物學家都進行了類似孟德爾的實驗,並引用了其理論來解釋實驗結果。20世紀的科學界很快的接受了孟德爾的遺傳理論,並掀起了一股尋找孟氏遺傳因子*(註2)的風潮。

第二章 蝗蟲與豌豆

第一節 堪薩斯大學的超級新人(演義)

「麥格倫老師您好,我是申請進入您實驗室的洒吞,我畢業於本校的生物科學系,聽說您的實驗室主要是研究關於蝗蟲的生殖細胞形成過程與調控機制,我未來想往醫學或藥學做發展,所以我想在研究所階段奠定關於細胞學的研究基礎,我想您的實驗室是我的最佳選擇。另外,我家也有經營農場,對於蝗蟲之類的昆蟲相當熟悉,由於我是大二從工程學系轉系到生物科學系的,所以在機械改良與操作方面我相當有信心,請您務必考慮讓我加入!」眼前這位毛遂自薦的年輕人就是洒吞(Walter Stanborough Sutton,1877-1916),而他極力推銷的對象就是堪薩斯大學(University of Kansas)的細胞學家麥格倫教授(Clarence Erwin McClung,1870–1946)

「你的履歷看起來相當不錯,除了成績優良外居然還是籃球教父James Naismith(1861-1939)擔任教練的大學籃球校隊成員。我看看...居然還曾經被選上大學先生。哇!如果你真的進到我的實驗室,我可要擔心你會不會忙不過來呢!不過你大學時的在校成績也都想當優良,看起來允文允武的你好像沒有什麼事能夠難倒你,不過像你剛剛說到的,我對你轉系的原因到是有點好奇」麥格倫問道。

「唉~說到這背後的原因,其實是一件讓我很傷心的事。我從小就對機械相當感興趣,於是大學毅然決然地選了工程學系,學習過程也相當愉快。不過就在大一的暑假照慣例回到家裡的農場幫忙時,發現當時家人幾乎都染上了傷寒(typhoid fever),而我那可憐的小弟約翰居然就這樣過世了,他才17歲耶~上帝怎麼能那殘酷。經過這件事後我認為我應該要成為一位醫生,才能避免這樣的事情再次發生,所以,回到學校後我就申請轉系了。唉~就算過了那麼多年,還是很難過」洒吞神情略為黯淡地說道。

「真抱歉勾起了你悲傷的回憶,如我先前說的,你的履歷相當優秀,我沒什麼理由能拒絕你。不過,因為我是新來的老師,研究室還是百廢待興的狀態,可得費相當大的功夫慢慢建立呢!能接受的話,我展開雙臂歡迎你」麥格倫笑著做出打開雙臂姿勢面向洒吞。

「哈哈~謝謝老師,您真的好幽默唷~原來你是新老師阿!難怪你那麼年輕。我一定會努力學習、盡心盡力的,那就請老師多多指教了」洒吞微笑地伸出手,而麥格倫也搭上了他的手,這對相差七歲、亦師亦友的師生情誼就此展開。

第二節 農場中的驚喜(演義)

又到了洒吞老家農場小麥的收割季節,洒吞當然義不容辭地回到農場協助兩位哥哥務農的工作。洒吞看著哥哥拉著馬拖著收割機的背影,想著全家一路上支持著他,才能讓他拋下農活享受研究生活,讓他覺得他應該要加緊努力才行。想著想著,忽然他的目光被收割機攪動時噴出的東西所吸引,定睛一看,原來是因為收割機經過而受到驚嚇倉皇逃出的蝗蟲,跳出的蝗蟲有大有小,體型比較小且擁有細長線型觸角的蝗蟲他一眼就認出是實驗室裡使用的品種:屬於螽斯科(Tettigoniidae)的長角蝗蟲(long-horned grasshopper);而體型大的觸角較粗短的蝗蟲他查了圖鑑後發現是一種屬於斑腿蝗科(Acrididae)的盧伯蝗蟲(Lubber grasshopper,學名為Bracbystola magna),他隨手抓了幾隻放到罐子裡。晚上,當他回家時他將盧伯蝗蟲作為實驗材料,接著就如同他在實驗室中研究蝗蟲配子形成的實驗操作一般,將大型蝗蟲的睪丸進行切片觀察。

「噢噢噢!我的老天啊~這種大型的蝗蟲,不僅體型大,連睪丸~阿不對!是睪丸細胞(他稱為immensus)也很大~裡面的物質相較於體型小的長角蝗蟲觀察起來清晰多了,這種材料應該更適合用於觀察蝗蟲的配子生成,我得快點通知麥格倫老師」洒吞驚訝地望著顯微鏡下的新世界,心想果然只要保持著好奇心,處處都會有新發現。

洒吞將樣本寄給麥格倫老師,老師觀察後驚為天人,認為這是目前為止他所接觸過最適合用來進行配子生成實驗的材料,於是他請洒吞趕緊多蒐集這種盧伯蝗蟲。

洒吞返回實驗室後,如火如荼地進行相關研究。麥格倫實驗室也火速地建立了以盧伯蝗蟲作為材料的一系列細胞學研究。洒吞就如同他當初與麥格倫約定的那樣,盡心盡力地建立實驗室的儀器與制度,在研究方面也相當的負有熱情與衝勁。就這樣,洒吞自1900年進入研究所,僅過一年,就取得了碩士學位,成為了麥格倫實驗室第一位的畢業生。在麥格倫的建議下,洒吞選擇了哥倫比亞大學(Columbia University)的威爾森教授(Edmund Beecher Wilson)的實驗室展開他的博士班生涯,帶著他的「嫁妝」盧伯蝗蟲前往哥盧比亞大學,繼續他碩班關於蝗蟲生殖細胞的研究。

第三節 細胞中的孟德爾遺傳因子

說到洒吞的博士班指導老師威爾森教授可是大有來頭,他是當代美國細胞學界的翹楚,他也在1900年出版一本相當受歡迎的教科書細胞《 The Cell》,書中談到當時對於胚胎發育、細胞學發展與孟德爾遺傳的所有相關資訊。他對孟德爾的遺傳理論深感佩服,並積極尋找細胞中是否真的帶有孟德爾假想的遺傳因子這種物質。

(演義)

「威爾森教授,很榮幸你答應我的申請。你寫的《 The Cell》是我在研究室裡時常翻閱的書籍,裡面的內容深入淺出、淺顯易懂,讓一般民眾也能理解細胞學與遺傳學的奧妙。我尤其對書中孟德爾遺傳理論的內容深深著迷,怎麼會有人那麼天才,藉著整理數據與數學邏輯推理,就找到生物遺傳的秘密啊!簡直太神了~」洒吞看到威爾森教授就像粉絲一般難掩心中激動的情緒,淘淘不絕地說著。

「洒吞阿~你的碩士論文內容也是相當精采札實,我很開心你能加入我們的行列。回歸正題,你之前都在研究蝗蟲的配子生成機制與過程,那你對染色體應該不陌生。就我們目前所知體染色體的有絲分裂能產生與母細胞相同數目的染色體;而母細胞能藉由減數分裂產生染色體數目只有一半的配子細胞。根據我的推測,我認為孟德爾所想像的遺傳因子可能就是染色體,不過目前的證據太過薄弱了。從你剛剛說的話推,你對孟德爾的遺傳定律應該也有相當程度的了解。我想尋找細胞中的孟德爾遺傳因子這個任務交給你應該是再適合不過的了,你考慮看看」威爾森教授流露出懇切的眼神看著洒吞,洒吞也認為自己是這個任務的不二人選,於是就爽快答應,並如火如荼地展開相關實驗。

(史實)

洒吞在觀察雄性盧伯蝗蟲的細胞時,發現盧伯蝗蟲的體細胞有23條染色體,這些染色體的大小各不相同,可以用來對染色體進行區分。他將相同大小的染色體挑選出來進行排列,並將長度相似的染色體標註起來(如下圖),結果發現,體細胞內相似長度的染色體通常會有兩條,以下簡稱為對(現在則將這種大小形狀相似的染色體稱為同源染色體)。洒吞統整雄性蝗蟲體細胞中的染色體類型後發現其中有11種同源染色體,換句話說有22條成對,而有一條在雄性蝗蟲體細胞中找不到與之相似的染色體。

圖片來源: Walter S. Sutton(1902)On the morphology of the chromosome group in Brachystola magna.

然而洒吞對於體細胞中的同源染色體的來源相當好奇,基於19世紀後期貝內登對於受精作用的研究,洒吞已知胚胎的染色體是由父母配子中各自攜帶的染色體結合而成,於是他打算再進一步藉由觀察蝗蟲藉由受精作用形成胚胎的過程來解答他的疑惑。洒吞在進行配子(精子與卵)觀察時發現盧伯蝗蟲來自父母雙方的染色體大小有些許差異,恰好可用來進行父系母系染色體的區分,他觀察到受精卵形成時,在體細胞中所觀察到的每一對同源染色體,其中一條來自父方的精子,另一條形狀相似的染色體則來自母方的卵子(如下圖同樣標記為k的染色體,有分別來自父母雙方的一小一大的組合)。

不過,配子為什麼會只帶同源染色體的其中一半組成呢?他認為答案可能就藏在蝗蟲配子的形成過程中,於是進行了下列的觀察:他發現到配子母細胞在進行減數分裂形成配子時,會先進行染色體複製(此現象在顯微鏡下觀察不到,可藉由細胞分裂時染色體數量加倍推論得知)在兩次細胞分裂時母細胞中的同源染色體會排列在細胞中央相互配對,接著同源染色體會進行縱向分離,最後分配到生殖細胞中(精子與卵子)*,這樣一來,配子就只會帶有同源染色體的一半組成了(註3)。

而產生的配子(具同源染色體的一半組成)再與另一性別的配子(具同源染色體的一半組成)藉由受精作用結合成受精卵(帶有來自父母雙方的同源染色體),受精卵藉由細胞分裂發育成體細胞,體細胞中的配子母細胞再藉由減數分裂將來自父母雙方的同源染色體分離,形成帶有同源染色體一半組成的配子細胞,細胞就這樣將染色體代代遺傳下去。

(演義)

「哇!原來染色體就是藉由這樣的方式在世代中傳遞的啊!耶~這不就是遺傳嗎?難道孟德爾遺傳理論中提到的遺傳因子會與染色體有關係?」洒吞靈光一閃,覺得自己好像想到了一個驚人的想法。

「這可不得了了~細胞行減數分裂時,成對的同源染色體相互分離,最後各自進入一個配子細胞之中,藉由這樣的方式,配子的染色體數目只會有體細胞的一半。這不就跟孟德爾遺傳理論中所提到成對的遺傳因子在形成配子時,會互相分離而各自分配到一個配子中的想法類似嗎?」洒吞驚訝地對照課本上關於孟德爾的遺傳理論與他的實驗筆記本中的觀察紀錄,不可思議地將兩者在空白的紙上進行連結與推導。推論如下圖,從研究中可知道體細胞會帶有兩套的染色體,套入孟德爾遺傳理論中控制同一性狀的兩個遺傳因子(以T、t為代表),假設遺傳因子位在一對的同源染色體上,而遺傳因子會隨著減數分裂的過程而分開,並各自進入到一個生殖細胞(精子或卵子)中。

(圖片來源:陳文盛-孟德爾之夢:基因的百年歷史)

「代誌不是那麼甘丹(台語,事情不是那麼簡單)這種藉由減數分裂所形成的雌雄配子只帶有體細胞的一半染色體,當雌雄配子結合後,會使受精卵含有與親代體細胞相同的染色體數目二倍,換句話說,如果將染色體想像成撲克牌的話,父方的精子帶著黑桃1-13張(一套);而母方的卵子帶著紅心1-13張,結合的受精卵就會帶有26張,兩兩成對,總共13對(雙套)的撲克牌。這與孟德爾理論中所說的新個體是由兩親代分別供給相等的遺傳因子的說法相符合。」

洒吞進一步將他的實驗結果與孟德爾遺傳因子的概念相互結合後,在紙上一做紀錄一邊喃喃自語:「減數分裂進行時,每一對同源染色體會互相分離,而且分離時不受其它染色體的影響,會隨機且自由的分配到配子中,這就是孟德爾所提倡的粒子式遺傳因子可以獨立分配、自由組合的現象阿!看來,我離博班畢業不遠了!」洒吞興高采烈地歡呼著,迫不及待地想與威爾森教授和麥格倫老師分享。

洒吞對於他的推論興奮不已,甚至還詳細地計算各種不同的雙套染色體細胞,在進行減數分裂形成配子時,以及由配子結合成受精卵時染色體的可能組合(表一),結果發現這樣的推論完全符合孟德爾遺傳理論中遺傳因子的組合數目。於是他在1903年發表他的研究結果,並主張:「遺傳因子是位於染色體上的一種遺傳單位,控制同一性狀的遺傳因子分別位於成對的同源染色體上,故可根據減數分裂或受精時所觀察到的染色體移動方式,來說明孟德爾豌豆雜交實驗的結果」。另外,洒吞還推想每一染色體上必有帶有許多不同的遺傳因子,因為他認為生物的性狀相當的多,如果每一對染色體上只有一對遺傳因子,這樣的話生物的遺傳性狀將極為有限。

第三章 遺傳學的興起

第一節 染色體遺傳學說

20世紀初期多虧了多位科學家的努力,終於使細胞學與遺傳學相遇並且擦出燦爛的火花,其中1889年,包法利利用海膽卵進行細胞質與細胞核對於胚胎發育影響的相關實驗。為了能輕易從外觀型態進行辨別,他選用了兩種幼體外觀差異極大的海膽進行實驗。他將細管沙海膽(Psammechinus microtuberculatus ,下圖A)的精子與微型球海膽(Sphaerechinus granularis,下圖B)的卵子與進行受精,微型球海膽的卵有三種分別是有核、經震盪過的帶有核碎片的卵與無核卵。雜交後的結果顯示子代有三種表型特徵:第一種-正常微型球海膽的卵與細管沙海膽精子受精的胚胎,特徵呈現出親代雙方的外型特徵;第二種-帶有細胞核碎片的微型球海膽卵與細管沙球海膽精子受精的胚胎(如下圖C),雖體型較小但外表與第一種胚胎相同;第三種-無細胞核的微型球海膽卵細管沙海膽精子受精後的胚胎(如下圖D),胚胎呈現細管沙海膽的外觀特徵,藉由這一系列的實驗包法利確認細胞中帶有控制子代特徵的部位在於細胞核而非細胞質,再結合貝內登與包法利自身的研究可大膽推測這個物質即是染色體。


為了確認染色體在胚胎發育的功能,他進一步利用化學物質剝除了海膽卵子的外膜,強迫以兩個精子讓卵子受精。結果發現,這種多重的受精加快了染色體的混亂。兩個精子為一個卵子受精,製造出含有三套染色體的特殊受精卵,換句話說,這種細胞內每個染色體都有三條──而這個數目在細胞分裂時不能被四個中心體所平分,所以當受精卵進行後續細胞分裂時部分染色體就會隨機地分配到新產生的細胞中。當這種特殊的受精卵分裂到四細胞時期時,包法利利用機器使之震盪分開,發現到只有少數獲得成套染色體的子細胞才能發育成正常的胚胎;若子細胞獲得的染色體不成套,即使是數目正確仍然無法正常發育而死亡。包法利基於這個觀察更加確認染色體必然帶著胚胎適當發展與成長的重要資訊。

「原來親代雙方藉由產生精子與卵子進行受精作用的方式,將自身細胞中的染色體傳遞給子代,而受精作用使得受精卵帶有成套的染色體,這成套的染色體內帶著控制胚胎發育的重要訊息,我想以我的實驗來進行推論孟德爾所說的遺傳因子可能就是細胞中的染色體!」包法利胸有成竹地說到。包法利的海膽雙重受精實驗證實了染色體帶有控制胚胎發育的重要訊息,而洒吞的蝗蟲研究則把染色體與孟德爾的遺傳因子連結,而後洒吞的老師威爾森教授將兩人的研究整理後提出染色體遺傳學說(Boveri-Sutton Chromosome Theory),內容如下:

a. 確定控制遺傳的物質位於生殖細胞中:在生物行有性生殖時,透過卵與精子的傳遞,將遺傳物質由親代傳給後代。

b. 推論控制遺傳的物質可能位於細胞核中:因精子與卵在控制子代遺傳上貢獻相等,而精子的細胞質含量極少,整體以細胞核為主,因此可推論控制遺傳的物質可能位於細胞核內。

c. 推論孟德爾遺傳因子應該位於染色體上:根據顯微鏡的觀察,減數分裂與受精作用時,細胞核內染色體的動態和孟德爾遺傳法則中遺傳因子的分配模式相符合,因此推論遺傳因子可能位於染色體上。

第二節 天才到哪都是天才

雖然洒吞的研究成果相當出色,不過他並沒有完成其博士論文,無法如願拿到生物學相關的博士學位。1903年迫於經濟的因素,洒吞離開了實驗室, 他到了堪薩斯油田工作了兩年,當存夠錢後,他重新回到哥倫比亞大學就讀生理與外科醫學系,以完成他對弟弟的承諾-做個厲害的醫生。兩年後,他完成學業並到紐約市羅斯福醫院(Roosevelt Hospital )進行兩年的實習,實習結束後,他回到堪薩斯大學擔任藥學系的助理教授,兩年後,1909年他成為該校外科的副教授,並轉往堪薩斯醫院工作。當1915年第一次世界大戰爆發時,洒吞甚至還受邀擔任法國救護車醫院的外科負責人。不管在實驗室、油田、醫院甚至是戰地中,洒吞都充分發揮他的創造力與機械工程天分,深得同事的信任與重視。像在油田工作時,他改良了用高壓氣體啟動大型燃氣發動機的方法;在當醫生的時候,他開發了一種用於治療闌尾破裂的腹腔沖洗方法,另外,他還發明了許多儀器,如他開發出一種稱為速度計(speedometer)的儀器,可以緩慢地將液體注入直腸中,減輕病患痛苦與人力的支出,可以看出,洒吞不論在任何工作岡位上都相當盡心地發揮他的天分與努力。可惜的是,這樣有才華遠見的人,在1916年時,罹患了闌尾炎,卻在接受手術後因為術後感染,不幸地死亡,結束他短暫的39年人生。

第三節 染色體遺傳學說的現在與未來

毫無疑問,洒吞憑藉著敏銳的觀察力、精熟的細胞顯微技術,與創造性的思維方式和深遠的見識,如果他當初繼續留在細胞遺傳學領域,應該能做出更多的重要貢獻,雖然他後來沒有再回到這個領域,幸好洒吞的研究被他的老師與其它學者持續發展與延伸。

英國的科學家貝特森(William Bateson,1861-1926年)在1905年組織了一個龐大的研究團隊,以多種物種作為研究材料來檢驗孟德爾法則,並且證明了在動物界的遺傳亦適用於孟德爾法則。

除此之外,1913年麥格倫教授的另一位學生卡羅瑟斯(Estella Eleanor Carothers,1882-1957年)藉由在盧伯蝗蟲中發現一對異基因型的同源染色體,這對同源染色體相當特別,它們分別來自父母雙方,父方提供的這條染色體比較短;而母方提供的這條染色體比較長。卡羅瑟斯想透過這對形狀特殊的同源染色體在減數分裂時與x染色體分配到子細胞的情形來驗證孟德爾遺傳理論中關於獨立分配現象。換句話說,若符合獨立分配律,則此對同源染色體的異基因型與x染色體一起分配到同一細胞的機率會幾乎相等。觀察結果發現,長的染色體與x染色體分配到同一個細胞的機率為51.3%,而短的染色體機率為48.6%),她的結果為洒吞的推論-孟德爾遺傳因子為在細胞中的染色體上,提供了實質上的證據。

染色體學說的提出,讓科學家們迫切地想找出細胞核內控制遺傳的物質究竟是什麼,於是從細胞核內的化學分析到利用突變生物進行遺傳的功能性研究,許多實驗如火如荼的展開,意味著遺傳學正式地由古典遺傳學進入到現代的分子生物學領域。

註解:

1905年時,丹麥的約翰森(Wilhelm Johannsen,1857-1927年)延伸德弗里斯「pangene」的概念,將細胞內控制性狀的物質稱為我們大家都聽過的基因「gene」一詞。

關於孟德爾遺傳因子的翻譯,在孟德爾著作中原文為merkmale與charaktere,即德文的特徵之意,後在翻譯為英文版時翻譯為因子factor),並以此廣傳。

洒吞的觀察紀錄中由於他與當代人多認為同源染色體的末端會相連,故他認為同源染色體的分離是第二次細胞分裂時發生,實際上在進行減數分裂時同源染色體的分離是在第一次細胞分裂時發生。但現代生物學家多認為此錯誤對於他關於孟德爾遺傳因子的理論推導基本上不影響。

(圖片來源:Matthew Hegreness & Matthew Meselson(2007)What Did Sutton See?: Thirty Years of Confusion Over the Chromosomal Basis of Mendelism. Genetics 176: 1939–1944)

參考資料:

平立岩(2009)從豌豆‧果蠅‧細菌到人類:遺傳學史略,P70-102

Clare O'Connor& Ilona Miko(2008)Developing the Chromosome Theory. Nature Education 1(1):44

Matthew Hegreness & Matthew Meselson(2007)What Did Sutton See?: Thirty Years of Confusion Over the Chromosomal Basis of Mendelism. Genetics 176: 1939–1944

Peter Haugen(2007)Biology: Decade by Decade. P6-8.

陳文盛(2017)孟德爾之夢:基因的百年歷史 p34-37.