作者:王雯君

審定:鄭弼升、嚴天浩

第一章 男女有別?

第一節 女權的解放

1783年在「巴黎條約」的簽署下,原屬於英國大不列顛王國的13個美洲殖民地透過自1776年共同發表「美國獨立宣言」以來,經過多年痛苦艱辛的抗戰,最終擺脫來自祖國的拘束與壓迫,建立了美利堅合眾國(United States of America,中文稱「美國」)。

美國是個延伸於大西洋與太平洋之間幅員廣大的國家,在開拓發展的過程中,因自然資源、氣候、地理位置,政治經濟等因素出現了地區間發展上的差異。北方各州是主要的金融、商業與製造業中心,工業發達,海上貿易也相當興盛,主要生產品以紡織品、成衣、木材與機械為主;而南方各州則以奴隸、菸葉、糖、棉花等農產品為主要輸出;中西部各州也以小麥和肉製品等農牧業為主,不過其勞力組成為非奴隸的自由男女勞工。

美國的立法權屬於國會,國會由參議院與眾議院組成,其中參議院議員的數量按照州的數量分配;而眾議員的數量則按各州人口比例分配。原本南方擁有較多的州與人口而在國會站上風,不過隨著新的州不斷出現,工業化帶動人口往北方移動,議員的組成開始變動,南北各州互相角力,歧見逐漸擴大。其中,影響最鉅的是奴隸與關稅的問題,北方反對蓄奴與建議提高對外國貿易的關稅以利本國製造品能與價格低廉的歐洲商品互相競爭;南方各州則相反,他們支持低關稅以利出口其農產品等原物料並能以低價收購歐洲製造之商品。兩派的衝突一觸即發,南方各州紛紛脫離聯邦,另外成立「美利堅聯盟國」發動武裝起事,北方政府被迫應戰,就在1861年4月12日展開稱為南北戰爭(Civil War)的內戰,換句話說這場美國內戰實質上就是工業化資本主義經濟與作為歐洲殖民主義經濟附庸的種植園經濟之間的對決。

最後,在1865 年 4 月 9 日南軍投降,美國恢復統一並全面下令廢止奴隸制度,這場戰役最終使得南方黑人獲得自由與投票權,也帶動了女權的興起。由於戰爭的需要,男性投入了戰場,只好由女性填補生產領域的空缺,女性在從事生產的過程帶來自信與經濟獨立,同時,女性也投入戰場,擔任專職護士的角色,讓大眾見證到女性的勇敢與堅毅,社會也因為女性的投入給予肯定、信任與尊重。內戰結束後,女權運動風起雲湧並陸續爭取到離婚權、財產擁有權,受教權與選舉權等,這股改革的風潮席捲全美,社會上也開始出現職業婦女、男女同校,與女子學院等女權提升的現象。

第二節 靠自己,好自在

內蒂.史蒂文斯(Nettie Maria Stevens,1861 – 1912)在南北戰爭爆發的同年出生於加拿大卡文狄許(Cavendish)的中產階級家庭。父親以法蓮(Ephraim Stevens)是個木匠,他支撐著家中的經濟並全力支持子女的教育,雖然在當時女子受教育並不普遍,不過看在史蒂文斯對於學習的天分與熱忱,他們將她送往韋斯特福德學院(Westford Academy),這所學院是當時少數不論性別只要具公民身分即可就讀的私立高中。史蒂文斯知道機會得來不易,在求學路上充分展現其聰穎與努力,成績榜上總是拿第一。19歲高中畢業後,她開始擔任教師的職務,在學校教授拉丁文、英文、數學、物理與動物學等科目,她對於班級經營管理相當有一套,深受學校師生的喜愛,但她期待能繼續學習,並立志以科學研究者做為終生志業,於是她教了3個學期,累積了一筆積蓄後,進而到一所師範學校(Westfield Normal School)繼續學習,期間藉由擔任教師與圖書館館員所獲得的微薄薪水,賺取學費,在工作與回校進修不停輪替下,她斷斷續續地於35歲時才完成所有課程。

1896年,她以她優異的成績申請進入夢寐以求的史丹佛大學(Leland Stanford University)學習,這是一所於才剛創立不久、鼓勵創新、男女平等且學風自由的大學,史蒂文斯深知她太晚踏入科學研究的領域,她一分一秒都捨不得浪費,她拼命地學習想要填補上她先前逝去的時光。

在史丹佛生活的第二年,她加入了麥克法蘭(Frank Mace MacFarland ,1869–1951)教授的實驗室,學習組織學相關的知識與技術。麥克法蘭教授當時在隸屬於史丹佛的霍普金斯海洋站(Hopkins Marine Station)裡有個實驗室,史蒂文斯平常在史丹佛大學修課,而暑假的時間就到實驗室中進行研究,1899年她修畢所需的學分並以優異頂尖的成績拿到生理學學士的身分。同時,她花了四個暑假的時間,在沒有薪水的狀況下待在海洋站的實驗室中進行海洋生物的觀察研究,其中她對顯微鏡下一種神奇的小生物-纖毛蟲(ciliate)特別著迷,纖毛蟲是一種單細胞生物,體表環繞著用來運動的纖毛,種類相當繁多,特別的是這一類的生物都具有兩種細胞核,大核(macronucleus)與小核(micronucleus),而且不同種類的纖毛蟲其大核與小核的數目差異甚大。在1900年,她發表了論文-纖毛蟲的研究(Studies on Ciliate Infusoria)取得了碩士學位,在此論文中她發現了兩個纖毛蟲的新種:Licnophora macfarlandi與Boveri subcylindraca及其生活史研究。她在本篇論文發表後,又繼續研究纖毛蟲的生殖現象,她發現小核平常皆是不活化的狀態,只有在進行有性生殖時小核中的染色質才會濃縮出現染色體以進行減數分裂。她覺得生殖時細胞核中染色體的變化真是有趣極了,為了解開染色體的神秘面紗,她選擇了布林茅爾學院(Bryn Mawr College)繼續其研究生涯,這所學院延攬了當代美國著名的兩位生物學家:威爾森(Edmund Beecher Wilson,1856-1939年)與摩根(Thomas Hunt Morgan,1866-1945年),兩位皆是細胞學與遺傳學的頂尖學者,對於想深入研究細胞學與組織學的史蒂文斯來說是最佳選擇,於是她帶著滿腔的熱忱與堅毅的韌性進入了布林茅爾學院,展開讓她留名遺傳學史的研究。

第二章 揭開染色體的神祕面紗

第一節 沒有實驗證據,我可是不相信的

當1900年孟德爾的遺傳理論被重新帶回生物學的舞台時(詳見孟德爾文本),威爾森教授驚為天人,並出版暢銷書籍《The Cell》介紹胚胎發育、細胞學與孟德爾的遺傳理論,另外,他也相當積極地尋找細胞中孟德爾因子存在的證據。

1902年當史蒂文斯進入布林茅爾學院時,威爾森教授已離開學院轉而到哥倫比亞大學(Columbia University)擔任動物學教授,接替他位置的是他的好友摩根。摩根在1891年獲得博士學位後,領取獎學金到歐洲留學時結識了德國動物學家包法利(Theodor Heinrich Boveri,1862-1915)與一生的摯友威爾森。雖然摩根與威爾森的私交甚篤,也常互相交流研究的想法,但是在對新興生物理論的接受度上卻相當不同。摩根是位幽默且具獨立思考的教授,他本來是在研究動物的型態與發育,後來則專攻演化,他不喜歡孟德爾的遺傳理論,也不喜歡達爾文的演化論,他認為這些理論都沒有實驗佐證,無法說服自己,他想親自釐清物種演化背後的機制,於是一頭栽進了當代最火紅的遺傳學領域。

史蒂文斯很喜歡選修摩根教授的課程,摩根也相當欣賞這樣一位努力勤奮的學生。後來由於她在布林茅爾學院的優異表現,她獲得獎學金贊助,並在摩根教授等人的建議下前往義大利那不勒斯海洋生物研究站(Naples Zoological Station)與德國玉茲堡大學動物學研究所包法利的實驗室進行學術交流。包法利教授是當代研究細胞學與染色體的權威,當時他的實驗室正在進行染色體在遺傳上的角色探討。在史蒂文斯過去交流的那段時間,包法利藉由強制海膽卵與兩個精子受精的實驗,證實染色體的組成與胚胎正常發育有關,換句話說,個別染色體上可能帶有特定細胞發育的訊息。(詳見包法利文本)在包法利實驗室學習的這段經歷對於史蒂文斯影響頗深,包法利對於舊識摩根推薦過來的學生毫不藏私,讓她在實驗的技術與對染色體概念上突飛猛進,1903年,史蒂文斯以纖毛蟲有性生殖的深入研究《Further study on the Ciliate Infusoria Lychnophora and Boveri》取得布林茅爾學院的博士學位。

同年,威爾森教授的學生洒吞(Walter Stanborough Sutton,1877-1916)藉由研究盧伯蝗蟲的睪丸細胞與精子形成過程中染色體的移動分配模式,推論細胞中的染色體極有可能為孟德爾遺傳理論中的遺傳因子。威爾森教授隨後結合了包法利與洒吞的研究結果,提出包法利-洒吞染色體遺傳學說(詳見洒吞文本)。

第二節 興新的研究題目

「哀...布林茅爾學院提供的獎學金助學計畫結束了,每天只吃吐司果腹我是沒關係,不過就算拿到了博士學位,還是很難找到一個有薪研究人員的職位,這就是大家說的畢業即失業嗎?」史蒂文斯站在走廊的牆角有氣無力地說著。

「哀...而且同樣都在實驗室工作,為什麼男研究人員有薪水而女生就是沒有呢?從小到大,我從不認為性別會影響個人成就的差異,一路走來,我甚至比多數人都更認真拼命,終究還是無法爭取到應有的報酬與機會,這個現象實在太奇怪了吧!還是其實我還有繼續努力的空間呢?是不是還有機會是我遺漏的呢?看來,若我想以研究人員作為我的職業,我得更加積極尋找資源來幫助我了」史蒂文斯從不讓情緒影響自己太久,她快速地從失落、憤怒到重新思考方向,一眨眼,已把要寄給恩師摩根的拜訪信完成了。

「史蒂文斯阿!好久不見,自從你拿到博士學位後,大概有幾個月時間不見了,你最近在做什麼?過的還好嗎?有沒有興趣跟我一起合作進行實驗阿?我手上剛好有一批蚜蟲(aphid),你有沒有興趣研究蚜蟲的染色體呀?」摩根看到昔日愛徒史蒂文斯實在難掩興奮,抓著她問個沒完,兩人也像往日般閒聊。

「噢~原來是這樣啊!說真的,學術界真的是很難混口飯吃,尤其你又是相當少見的女性科學家,雖然我從不當你是女生啦...阿!不是,別誤會我的意思,是你的能力在我所教過的學生中不論男女都可說 是最頂尖的。我來想想有沒有辦法幫你找個機會」此時的摩根應威爾森之邀已離開布林茅爾學院轉而到哥倫比亞大學任教。

「阿!就是這個~威爾森現在於卡內基學院(Carnegie Institute)好像有主持個計畫,他之前有提到一個全職研究計畫可以申請,也許妳可以考慮申請看看。」摩根從他那凌亂的辦公桌中找出一疊文件,並遞給史蒂文斯。

「謝謝老師,不過這計畫申請看起來不是很容易耶~題目需具有創新與發展性,又要符合我過往的研究經歷,果然天下沒有白吃的午餐。哀~人生好難」史蒂文斯看完文件後,略帶愁容的沉思著。

「你對前些時間包法利與洒吞所發表的論文有什麼看法?就是在探討細胞核中的染色體與孟德爾遺傳因子之間關係的相關研究,威爾森那傢伙可是相當開心他的學生洒吞找到了細胞中存在孟德爾遺傳因子這件事,還徵得包法利的同意,將兩人的發現整理後提出染色體上帶有孟德爾遺傳因子的染色體遺傳學說。我是沒有很相信這種沒有實質證據,光靠觀察與推論就扯在一起的事情,不過威爾森那傢伙居然還一頭栽入相關的研究,說要找出證據給我看,真是受不了呀!也許你也可以考慮研究孟德爾遺傳因子與染色體的相關題目,雖然這個領域目前競爭相當激烈,但你之前在包法利的實驗室學習,我想大部分的實驗技術應該都難不倒妳。」摩根帶著沉著且自信的眼神望向史蒂文斯。

史蒂文斯思考後決定聽取摩根的建議,並開始進行資料查找,她翻遍了遺傳學與細胞學的相關文獻,終於找到了一個相當有趣的題目:性別、孟德爾遺傳因子與染色體之間的關係。早在1870年孟德爾(Gregor Johann Mendel,1822-1884年)寄給植物學大師內格里(Karl Wilhelm von Nageli,1817-1891年)的信件中即提到若假設性別遺傳符合孟德爾的遺傳定律 ,則男女比例在子代中呈現1:1的結果可回推,此為一組同型遺傳因子(AA)與一組異型遺傳因子(Aa)交配所得之結果。這個論點在1900年被德國植物學家斯特拉斯伯格(Eduard Adolf Strasburger,1844-1912年)與1903年美國遺傳學家卡斯特勒(William Ernest Castle ,1867 –1962)根據自身研究延伸出「性別是由特殊生殖細胞所決定的」這個結論。

「換句話說,性別的遺傳在某些物種中是符合孟德爾遺傳定律的。也就是說,精子與卵子中帶有決定性別的遺傳因子,而這種遺傳因子有可能是特定的染色體嗎?!」史蒂文斯驚訝地瞪大眼睛,正筆疾書地撰寫卡內基學院的研究計畫。後來她以「以組織學角度研究孟德爾遺傳定律」為計畫的研究主題,並在摩根、威爾森與美國女性教育學者湯瑪斯(Martha Carey Thomas,1857 – 1935)的大力推薦下,幾經波折終於申請到卡內基學院的研究經費,這下,她有兩年的時間可以免除經濟壓力專心致志於科學研究了。

第三節 性染色體的現身

史蒂文斯一拿到研究經費即發揮她以往拼命三郎的個性,如火如荼地進行研究。在1903-1905年間,史蒂文斯利用顯微鏡觀察一種常見的麵包蟲-黃粉蟲( Tenebrio molitor )時,發現到當雄性黃粉蟲的精原細胞(可藉由減數分裂分化成精細胞)在進行有絲分裂時會出現19條長的染色體和一條短的染色體(如下圖169與170);而雌性的卵原細胞則帶有20條長的染色體。

「這條短的染色體是雄性個體細胞中所獨有的染色體,是否代表這個染色體可能與性別相關呢?」

圖片編輯來源:N. M. STEVENS(1905)STUDIES IN SPERMATOGENESIS WITH ESPECIAL REFERENCE TO THE "ACCESSORY CHROMOSOME.

「恩~先前洒吞的論文中提到,當精原細胞進行減數分裂產生精子時,形狀大小相似的染色體(同源染色體)會互相配對後彼此分離,那這條短的染色體會與誰互相配對呢?」史蒂文斯好奇地盯著顯微鏡下的玻片,仔細檢視絲毫不敢漏掉任何一階段染色體的變化,結果發現這條短的染色體會與長的染色體互相配對(如圖179-183)。

「如果這條短的染色體與性別相關的話,那與它配對的那條長的染色體,根據孟德爾遺傳理論所提到單一特徵由成對遺傳因子所控制的話,那這長短成對的兩條染色體可能會一起決定性別的遺傳。」史蒂文斯沒想到原來真的可以在細胞中找到與孟德爾遺傳理論相符的染色體。

她進一步觀察到精原細胞進行減數分裂後所形成的精子,其中有一半的精子具有10條長的染色體(如圖197),而另一半的精子則具有9條長染色體與1條短的染色體(如圖196)。

史蒂文斯相當興奮,她辛勤的工作總算有了實驗上的突破。不過為了確認這條短的染色體在遺傳上的功能,她接著觀察在受精作用時這條短的染色體從親代傳遞給子代的過程,史蒂文斯在顯微鏡下觀察到當帶有10條長染色體的卵被帶有10條長染色體的精子授精後,會發育為雌性個體(受精卵具有20條長染色體,如圖207)。反之,若卵被帶有9長條1短條染色體的精子授精後,則會發育為雄性個體(受精卵具有20條長染色體,包含19條長色體與1短染色體,如圖204)。看來這條短的染色體帶有控制黃粉蟲雄性性別發育的功能。



「阿!這影響性別發育的成對長短染色體,其角色會不會類似於韓肯先前(Hemann Henking,1858-1942年)所提出的X染色體呢?」史蒂文斯回到她的辦公室,將相關的研究論文翻找出來。X染色體的概念是在1891年由德國科學家韓肯所提出的,當時他藉由觀察紅椿(pyrrhocoris)睪丸細胞內的染色體,發現到在睪丸細胞進行減數分裂時會有11對染色體和一條不配對的單條染色體出現,而後來所形成的精子中只會有一半的精子含有這條特殊的染色體。他將這種染色體稱為特殊染色質元素(peculiar chromatin-element)或稱為X。

1902年,威爾森的學生麥格倫教授(Clarence Erwin McClung,1870–1946年,其亦曾經指導過洒吞)也在蚱蜢中發現這種雌雄有別的染色體,他將這種染色體稱為附屬染色體(accessory chromosome)。他也在蚱蜢的生殖細胞中觀察到與韓肯先前發現的現象類似,即在蚱蜢的精子中約有一半的精子有X染色體,而另一半沒有,麥格倫更大膽推測這個附屬染色體可能與性別決定有關。

既然知道了其他人在這個題目上也有所展獲,而且卡內基學院的贊助計畫也即將結束,史蒂文斯絲毫不敢懈怠,她決心要將這種控制性別遺傳的染色體研究的更加全面。她更深入地將在屬於鞘翅目黃粉蟲的研究擴展到其他尚未被發表的昆蟲種類,包含蜚蠊目的加州白蟻(California termite)Termopsis angusticollis與德國蟑螂Blattella germanica、直翅目的加州沙螽( California sand-cricket) Stenopelmatus,以及半翅目的蚜蟲Aphis œnotheræ。她發現不同種類的昆蟲控制性別發育的機制相當不同,如雌蚜蟲通常採用單性生殖(parthenogenetic,不經由受精作用)的方式來產生後代,當生殖細胞進行細胞分裂的過程中,失去一條染色體,就會生下雄性的個體(性染色體組成為XO,O表示失去該染色體);反之,如果產生的生殖細胞與母親染色體數量相同,那就會產生雌性的個體(性染色體組成為XX)。藉由研究50多種昆蟲的性別決定模式後,她總結約有85%的昆蟲是藉由與黃粉蟲一樣的不相等染色體(一長一短的染色體)來控制性別的,而其他的昆蟲則利用如蚜蟲一般,藉由附屬染色體的數量來決定性別的(XX或XO)。總而言之,根據在不同種類昆蟲中的研究,可推知性別是可被染色體的數量與類型所決定,也就是說,性別是由一對特定染色體所控制的,而這組控制性別遺傳的染色體即為包法利-洒吞染色體遺傳學說在生物細胞中的實例,她整理了她的研究成果並於1905年遞交給卡內基學院進行結案報告。

同年,威爾森實驗室也從半翅目昆蟲緣椿(Anasa tristis)與鱗翅目昆蟲蘭鳳蝶(Protenor)的染色體研究中發現到了 XX-XO性別決定系統,證實了性染色體的存在,他更在論文中將性染色體稱為特異染色體(idiochromosome),由於威爾森與史蒂文斯的結論類似,且遞交論文的時間相近,他們最後協調彼此在論文中互相引用對方的論文,兩人成為性染色體的共同發現者,而控制性別決定的成對染色體,長的那條與雌性發育相關,稱為X染色體,而與長染色體互相配對的短染色體,為雄性個體獨有,稱為Y染色體。如史蒂文斯所發現的黃粉蟲其決定性別的染色體組成即為XX(雌)-XY(雄)系統所控制,而且性染色體的遺傳模式就如前人所推測的那樣符合孟德爾的遺傳定律。而人類的性染色體X與Y,也在1921年被發現,人類的性別決定系統就如黃粉蟲一樣也是由性染色體組成XX(雌)-XY(雄)系統所控制著。

第三章 岩石中的花

第一節 生男生女,誰決定?

許多生物有性別之分,自古以來是眾所皆知的事實。不過,對於生男生女是由何種因素所控制的,前人有相當豐富且有趣的想像。如達爾文的祖父,伊拉茲馬.達爾文(Erasmus Darwin,1731-1802年)認為孩子的性別是由受孕時男方心中所想而決定的。而在18世紀,大多數的人認為小孩的特徵全由爸爸決定,媽媽不過只負責提供孩子成長所需的養分與空間而已。即使到了19世紀,大家還是認為是環境(溫度或熱情)與營養條件來控制孩子的性別,如果生殖的條件適合能量的儲存,那就容易生女兒;反之,若環境傾向於消耗熱量,那就容易生出男孩子。而性染色體的發現,徹底擊垮了上述的想像,原來性別在受精的那一刻就根據其性染色體的組成決定了。

第二節 承先啟後的性染色體

「哈哈~我的老朋友摩根阿!你看!我跟史蒂文斯最終還是 找到了細胞中孟德爾遺傳因子的實際例子-性染色體,而且還有實驗佐證,這下可讓你刮目相看了吧!」威爾森在論文一發表的當天,就拿著期刊到摩根的實驗室分享他的喜悅。

「恩...老話一句,不是我親自實驗的成果,我可是不會百分之百相信的。不過,生物的特徵那麼多,性別只是其中一項,若遺傳特徵真的如你們所說位在染色體上,那又會是怎麼樣分布與控制的呢?看來我得思考關於染色體與遺傳特徵之間更多的可能性了,這就代表我又有得忙囉。」摩根有點不服氣地開玩笑道。

「你啊!別太得意了,你看史蒂文斯在論文發表後,還繼續跟我的實驗室合作,現在就在門後負責研究果蠅的染色體呢。她真是個百分之百的工作狂,一刻都閒不下來阿!」摩根指著果蠅室的門口說著。這時的摩根壓根兒沒想到,在3年後,一隻白眼突變果蠅的出現,會讓他親自用實驗見證到孟德遺傳理論與達爾文的演化論在生物中發生的作用。

史蒂文斯關於性染色體的論文讓她斷斷續續獲得了一些研究經費與工作機會,期間她還是持續的與布林茅爾學院與冷泉港實驗室合作,並依舊相當認真工作,除了謹慎地進行科學研究外她對於繁複的行政工作也親力親為,她那麼努力只為尋求一個作為研究人員的正式職缺。可惜的是,就在這兩個單位分別提出職務邀請的不久後,史蒂文斯因為乳癌於1912年過世,享年50歲。

史蒂文斯的逝去,讓摩根相當不捨。他為她撰寫文章以示悼念之意,史蒂文斯的研究生涯短暫,不過成果卻相當豐富,在1901-1912年間,她總共發表了38篇的論文,其中大部分為細胞學領域與實驗生理學方面的研究。雖然她因為性別的關係,無法在性別與種族歧視相對嚴重的20世紀初期獲得她應享有的地位與權利,她的一生就像在狹縫中努力求生的枝枒,用盡力氣也要證明自己存在的意義與價值,她的努力並沒有白費,史蒂文斯對於性染色體的研究讓她在遺傳學史上留下永恆光輝的一頁,也開啟了生物學家對於染色體上遺傳特徵的想像與研究,其中她的恩師摩根更是其中的佼佼者,摩根的研究最終會將遺傳學由主要探討孟德爾遺傳因子的古典遺傳學帶到現代利用物理、化學、生物等方法進行研究的現代分子生物學。

參考資料:

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Famous Scientists. Nettie Stevens. https://www.famousscientists.org/

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Brush, Stephen G. (June 1978). "Nettie M. Stevens and the Discovery of Sex Determination by Chromosomes". Isis. 69 (2): 162–172.

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Nettie Maria Stevens(1906)STUDIES IN SPERMATOGENESIS WITH ESPECIAL REFERENCE TO THE "ACCESSORY CHROMOSOME.