高中生物科学家小故事遗传学家萨顿

遗传学家萨顿沃尔特·萨顿（WalterSutton，1877-1916），美国遗传学家，生物学家。他对现代生物学最重要的理论贡献是将孟德尔遗传定律推广至细胞水平的染色体上，即“基因在染色体上”。1877年萨顿诞生于美国堪萨斯城，父亲威廉·萨顿是一名法官，家境优渥，家中有兄弟七人，他在七个孩子中排行第五。1886年全家搬到了堪萨斯州的罗塞尔。萨顿从当心灵手巧，擅长修理，独创创建，照相机都是自己做的，这一特征贯穿萨顿一生。1897年，他们全家移居堪萨斯城，萨顿随后进入到堪萨斯高校，学习工程学，在这里充分施展了他在机械工程上的天赋。高校期间萨顿还参与了堪萨斯高校的篮球队，教练是独创篮球运动的詹姆斯·奈史密斯（JamesNaismith）。图1A：后排左三为萨顿，抱篮球者为教练、篮球之父奈史密斯；B：沃尔特·萨顿1897年，萨顿家中很多人得了伤寒，他的一个弟弟约翰因斑疹伤寒去世，这对萨顿心灵产生了深刻的冲击，回到高校后，萨顿转入了生物系，准备日后从医。堪萨斯高校一位重要的细胞学家麦克朗正在等着他。麦克朗探讨直翅目昆虫，是这一领域的先驱。几年后萨顿成为了麦克朗的第一个探讨生，那时的麦克朗也是青年才俊，只比萨顿大7岁，两人建立了深厚的友情。1899年，萨顿在跟家人田间漫步的时候，望见成千上万的蝗虫爬满了麦子，就收集了一些蝗虫。1900年，在麦克朗试验室，萨顿发觉了这种直翅目的笨蝗有着巨大的染色体，用他的话来说“我发觉这家伙的细胞是我见过的最大的，这要是真的，我们试验室要出点小名了”。这一年萨顿发表了第一篇硕士探讨论文。读研时期，萨顿所在的麦克朗试验室做出了很多重要贡献。比如他们第一次确定X染色体是一条有着固定形态的染色体，而不是核仁结构，并且从雄性蝗虫细胞视察中发觉，X染色体与性别确定有关系。这一发觉引起了很大的关注，很简洁联想到假如性别这个重要的性状可以由染色体确定的话，那么明显其它性状也可以。有意思的是，之所以叫X染色体，就是因为麦克朗习惯这么标记这条染色体。1903年萨顿探讨生毕业，在麦克朗的建议下，萨顿来到了哥伦比亚高校进行动物学的探讨，师从大名鼎鼎的埃德蒙·威尔逊。一年后，摩尔根也来到了哥伦比亚高校。威尔逊很快就发觉了萨顿的探讨天赋，颇为观赏。在威尔逊的指导下，萨顿完成了他遗传学上的两篇重要作品：《论大臂蛙的染色体群的形态》和《遗传中的染色体》。当时，孟德尔定律刚被“再次发觉”，关于遗传物质详细是什么的探讨，成为当时科学界最热门的课题，孟德尔第肯定律认为：限制同一性状的遗传因子成对存在，不相融合，在形成配子时，成对的遗传因子发生分别，分别后遗传因子分别进入不同的配子中，并随配子遗传给后代。而且孟德尔还给出了豌豆试验验证自己的猜想，虽然证明了遗传规律，但是遗传物质是如何遗传给后代，遗传物质原委是什么，却无人知晓，萨顿在求学期间，就对此问题做出了卓越的探讨。萨顿以蝗虫细胞做材料，在探讨精子和卵子的形成过程，他发觉孟德尔假设的遗传因子的行为和染色体的行为特别相像，蝗虫的体细胞中有24条染色体，生殖细胞中只有12条染色体，精子和卵子结合形成的受精卵，又具有了24条染色体。蝗虫的子代体细胞中的染色体数目与双亲的体细胞染色体数目一样，子代体细胞中的24条染色体，按形态结构来分，两两成对，共12对，每对染色体中的一条来自父方，另一条来自母方。可见，遗传物质必定是通过生殖细胞实现传递的，而染色体的数量规律改变必定在遗传中起着关键的作用。图2萨顿探讨所用的苯蝗1902年，萨顿在《生物学报》（TheBiologicalBulletin）发表论文，描述了蝗虫的染色体形态，证明了同源染色体一半来自父本，另一半来自母本。在文章结尾，萨顿提到，在减数分裂时，染色体的行为与孟德尔所设想的“遗传因子”的行为平行，染色体可能就是孟德尔遗传定律的物质基础。1903年，他在《遗传中的染色体》一文中他提出假说：在减数分裂形成生殖细胞的过程中，遗传因子与染色体的行为有明显的平行关系，遗传因子就在染色体上，或者说，遗传因子就是染色体，萨顿认为染色体是遗传的单位，尽管他的确指出，几个等位基因必需位于一个染色体上，因此染色体才能作为一个单位遗传。惋惜的是他提出假说，却并未用试验去验证这个“真实”的猜想。图3萨顿1902年发表的论文中描绘的苯蝗染色体1903年，正值萨顿在遗传学界小出名气时，他做出了令人惊异的确定。萨顿放弃了遗传学关于动物学方面的科学探讨，回到家乡堪萨斯州的油田担当工头。在那里，他利用自己的创建力和机械技能解决了很多技术问题。1905年，28岁的萨顿重回哥伦比亚高校，但是转读医学，并于30岁获得了医学博士学位，此后他成为了一名优秀的外科医生，实现了当年从医的愿望。1909年萨顿回到家乡堪萨斯城，开设诊所。再后来，萨顿加入美国陆军医疗服务预备队（UnitedStatesArmyMedicalReserveCorps）成为一名中尉。1915年，萨顿带领医疗队来到一战中的法国朱利（Juilly），领导战地医院工作。这个离前线几十公里的战地医院是一所16世纪神学院临时改建的，几乎没有任何现代设备，萨顿在这里又发挥了他超群的医术和同样超群的独创创建力，搭建了一个简易的X射线扫描装置，用来定位身体里的子弹和碎片。萨顿领导的医疗队救助了大量前线撤下的伤员，朱利小镇也成了一个救治伤员的中心。图4一战中，在法国带领医疗队的萨顿；右图右三为萨顿在战地医院期间，萨顿目睹了斗争的残酷，送来的伤员往往不是被子弹打伤，而是被炸碎的战友的尖锐骨头碎片所伤。萨顿记录了当时的真实情形，还拍了很多照片。1916年回到美国后，有出版社想出版这些内容，与萨顿签了出版合同，但很缺憾，这一愿望没能实现。在连续进行了几台阑尾炎手术之后，萨顿自己也因为阑尾裂开病倒了，手术后医治无效，于11月6日去世，年仅39岁。宏大的外科医生治病救人多数，却没能救治自己。萨顿一生短暂，却到处精彩，无论探讨科学，还是从医从军，甚至油田当工头都做出了杰出的贡献。他是少数宏大生物学家中任性又特别有具创建力的科学家，特别惋惜的是，我们没能看到提出染色体学说的萨顿续写细胞学的新篇章。萨顿中断生物学探讨，可能是为了赚钱攒够医学院的学费，对于自己的染色体探讨工作，萨顿应当是充溢了酷爱的。从他后来边做外科医生，边做医学院教授期间的一些做法，还能够体会到萨顿对自己曾经探讨过的领域依旧充溢了感情。据萨顿医学院的学生回忆，他始终保留着未能发表的论文，并且始终关注着细胞学领域的进展，收集着世界各地范围内的细胞学探讨论文。看到一些新进探讨的结果，他还会跟学生讲：看，这些我的论文里都讲过了。萨顿在生物学领域发表的论文一共只有三篇，却产生了重要影响，他的染色体遗传文章是特别重要的里程碑式论文，他与德国生物学家鲍威尔各自独立发觉染色体是遗传物质的载体，他们提出的染色体学说为说明孟德尔遗传定律以及为后来摩尔根创立染色体遗传理论供应了坚实的基础。威尔逊1925年把染色体学说称之为“Sutton-BoveriTheory”（萨顿-鲍威尔理论）。人们称之为说明了“黄狗为什么是黄色的（WhytheYellowDogisYellow）”。1901－1902年间，蒙哥马利、威尔逊、萨顿、鲍威尔等人几乎同时提出有关染色体学说的探讨成果。其中，威尔逊对这个学说理论的阐述贡献最大，萨顿和鲍威尔的试验结果对这个学说理论的构建有着深远意义，因此，威尔逊将染色体学说称为“萨顿-鲍威尔理论”。鲍威尔的海胆双受精试验结果为染色体学说供应了有力证据，但这个试验结果与孟德尔定律无关。萨顿的蝗虫减数分裂试验结果及推断，则首次将遗传学和细胞学统一起来。为此，摩尔根的学生，绘制了第一条染色体遗传图谱的阿尔弗雷德·斯特蒂文特说：“萨顿论文一出，这一阶段的历史就算落下帷幕。”附录类比推理法和萨顿的假说值得留意的是2007版人民教化出版社生物必修《遗传与进化》中提到，萨顿的猜想属于类比推理法，在2024版人民教化出版社的生物必修《遗传与进化》中，把类比推理法删掉了，这里把萨顿假说和类比推理法的相关性进一步加以论述。首先运用类比推理法之前有一个必要的前提:两类事物确定是同类事物才能进行的推理，严格的说类比推理是从两个（类）对象的相像性和一个（类）对象的已知特征推出另一个（类）对象也具有这个特征的过程，简洁来说，类比就是知道黄狗喜爱吃肉，推理出黑狗也喜爱吃肉，这种叫类比推理，反过来，假如知道有两个都喜爱吃肉的不同生物，那么这两个生物只是有可能是狗，这是一种严谨合理的数学归纳思想。萨顿的第一次推理必定是知道了遗传因子和染色体存在相像的行为，染色体和遗传因子有可能存在某些相同的地方，就是说染色体和遗传因子可能都是遗传物质，又因为染色体是显微镜可以视察到的实际存在的一种物质，遗传因子只是一个概念，详细是什么尚未明确，据此，再进行其次次非类比的假设：遗传因子有可能在染色体上，萨顿假说提出完成。科学推理是建立在已知事实上的，未知的揣测，也只能建立