中国生物技术网2022-07-23 08:36北京中国科学院微生物研究所
关注
1822年7月20日，“现代遗传之父”孟德尔出生于奥地利帝国一个贫穷的农民家庭，2022年7月20日，是他诞辰200周年。
孟德尔是凭一己之力奠定遗传性基础的天才，而他的天才超越了时代，带给他更多的是孤独与蔑视。他的研究成果生前默默无闻，在他去世后16年才为人所知。
在他奠定遗传学基础的豌豆实验过程中，孟德尔以耐心而全面的数据收集方法为后是科学家树立了榜样。在当今科学竞争激烈的时代，我们值得为他停留片刻，学习他的仔细观察、严谨分析和对结果的谨慎解释。
除了发现遗传学第一定律（基因分离定律）和第二定律（基因自由组合定律），孟德尔耐心、谨慎的科学态度，用数据解释科学发现的做法，让他的研究经得起时间的考研，也是他留给我们的最大科学遗产。
孟德尔（Gregor Johann Mendel，1822-1884），遗传学的奠基人，被誉为“现代遗传学之父”。孟德尔为自然科学奉献了一生，但这一生却充斥着孤独与蔑视，他一生辛苦所取得的研究成果却无人问津甚至被埋没。他的理论发表35年后，才开始得到认可和承认，而此时孟德尔已经去世16年了。
孟德尔的求学生涯
1822年7月20日，孟德尔出生在奥地利一个贫穷的农民家庭。孟德尔的父亲曾参加过几次对抗拿破仑的战役，战事结束后回到故乡务农，经营果园。孟德尔常在园中帮忙父亲，培养了对植物的兴趣和后来探索遗传法则的动机。孟德尔在父亲的鼓励下，从小就表现出过人的资质，成绩也一直名列前茅。
因为家境贫穷，孟德尔的求学生涯并不顺利，学费一直都是东拼西凑。孟德尔上中学时，校长看到他是可造就的人才，便说服了孟德尔父母，让他转到较大的莱普尼克中学。高中毕业后，孟德尔再度以优异的成绩进入奥尔米茨哲学院学习。1843年因为家贫几乎要辍学，后得一位教授推荐进入一座圣奥古斯丁派的修道院，随多位杰出老师学习。
后排右二为孟德尔
1849年孟德尔获得一个在中学任教的机会。他教学很认真，深受学生欢迎。学校派他参加正式的教员资格考试，因为对植物学教授的观点有不同看法导致争执，最终他没有通过考试。
1851年孟德尔所属的修道院派他到维也纳大学继续进修，在那里学习自然学科和数学，获得许多优秀教授的指导，奠定了研究的基础。1853年他从维也纳大学毕业回修道院。1854年被委派到布吕恩技术学校任物理学和植物学的代课教师，一直到1868年。这14年是孟德尔一生最重要的黄金岁月，著名的孟德尔遗传定律，就是在这时候发展出来的。
布尔诺奥古斯丁修道院，孟德尔创立现代遗传学的地方
孟德尔的遗传学研究
在孟德尔的时代，人们对遗传现象已有研究，并进行过杂交试验，但当时科学界的主流是“混合遗传”学说。这种传统学说认为生物的遗传像调色一样简单粗暴，白色绵羊和黑色绵羊交配生下的就是灰色绵羊。孟德尔认为后代若只是简单综合父母代的性状，重复下去所有生物的性状都趋于相同，明显和绚烂多彩的大自然不相符。
于是，他摒弃了权威看法，几乎从零开始做起了研究。起初，他先选择了几种植物尝试去做实验，但屡屡失败了。随后，他意识到实验材料的选择是实验成功的关键，要用的植物一定是性状明显、稳定，并且能在杂交时不受外界的影响的。按这个标准，他开始从20多种植物中寻找，最终他找到了符合这些条件的豌豆。
孟德尔非常幸运的找到了豌豆作为研究对象，豌豆自花授粉，杂交时不受外界影响，性状明显又稳定。
修道院的后院中有一块长35公尺，宽7公尺的空地，孟德尔就在这块空地上种了许多豌豆，这一种就是两年，他用了两年的时间，从34种不同类型的豌豆中找到了14种明显的性状，组成了7对参照物进行进一步研究。分别是豆粒饱满和褶皱、豆粒黄色和绿色、花瓣白色和紫色、豆荚饱满和褶皱、豆荚黄色和绿色、花开的高与低、植株的高与低这七对不同的性状。
孟德尔进行豌豆实验的地方
他对这7种类型的豌豆进行分别杂交实验，当红花和白花（豌豆）进行杂交时，第一代的植株全都开红花，子代的性状并非综合了两个亲本的，而是表现出亲本的其中一种。但到自花授粉的第二代，却又出现了开白花的植株。顺着这个现象，他扩大实验规模，仔细把杂种后代进行分类，并用数学方法加以统计分析。他记录的子二代中红花豌豆705株，白花豌豆224株，两者之比接近3：1。
同时，当进行两对相对性状杂交时，子二代中4种类型的比例数是9：3：3：1，恰好是3：1的平方。
8年时间里，孟德尔在前前后后测试了20000多株豌豆后，孟德尔终于总结出杂交性状在后代系列的分离比是3：1。概况起来就是高中生物课本所学的遗传学两大定律，一是基因分离定律：决定同一性状的成对遗传因子彼此分离，独立地遗传给后代；二是基因自由组合定律：决定不同遗传性状的遗传因子间可以自由组合。
被埋没的伟大发现
1865年孟德尔满怀期待的在当地的自然科学学会上宣读自己的论文——“植物杂交试验”。但结果却让他大失所望，所有人都觉得他说得好像有点道理，但是又觉得不明所以。他的研究成功没有掀起一丝波澜。
孟德尔不愿放弃自己8年来的艰辛，论文发表后，他立刻把40份抽印本寄给各地著名的科学家。但他寄出去的论文要么没有回音，要么只有质疑和讽刺。没有人相信一个普通牧师的研究成果。
这一系列打击并没有击垮孟德尔，他很快就调整好心态继续论证自己的成果，不只是种植豌豆，还做了紫罗兰、茯苓、玉米和紫茉莉等植物甚至还做了动物实验，发现都符合所得出的结论。
1869年他又发表第二篇论文“动植物遗传之研究”。在两篇论文中，孟德尔提出了遗传单元（现称基因）显性性状，隐性性状等重要概念，阐明其遗传规律。
1859年，达尔文发表《物种起源》，创立进化论，为生物科学的大厦立下了一个支柱，但是这座大厦仍然摇摇欲坠。达尔文进化论的核心是自然选择学说，但是他找不到一个合理的遗传机理来解释自然选择，无法说明变异是如何产生，而优势变异又如何能够保存下去，达尔文为此苦恼终生。他在1872年如此写道：遗传的定律绝大部分依旧未知，没有人能够说明在同一物种的不同个体中的相同特性，或在不同物种中的相同特性，为什么有时候能够遗传，而有时候不能；为什么孩子能回复其祖父母甚至更遥远的祖先的某项特征。
达尔文不知道的是，这些问题已经被奥地利修道院的一个业余生物学家孟德尔通过豌豆杂交试验解决了。据说孟德尔给达尔文寄过自己的论文，但是达尔文并未打开来看。生物科学大厦的另一个支柱早就立好，但是孟德尔在1865年发表的成果被科学界忽略了。
左：达尔文，右：孟德尔
为什么在生物学界迫切需要遗传定律之时，孟德尔如此重要又如此出色的研究却没有引起注意？是什么原因让孟德尔成为科学史上最孤独的天才，超前了整个时代35年？
达尔文为进化论的进一步解释一筹莫展，也做了大量这方面的实验。但是达尔文没有孟德尔那样扎实的数学功底，他是一个从博物学家成长起来的生物学家，一直忽视数学的作用。同时代的其他生物学家也是如此。
在生物学史上，孟德尔是第一个运用数学方法来研究生物学问题的人。他在植物杂交研究中采用数理统计方法来对实验结果进行统计分析，并用概率论来加以说明，在他之前还从未有人作过这样的尝试。这种全新的研究方法是超越时代的， 因而当时有很多生物学家都感到不可思议，不可理解 。
孟德尔正运用数学这个重要的工具，深入浅出地看待问题，从自然界的复杂多样中抽丝剥茧，得出了伟大的规律。这也正是孟德尔天才地方。牛顿当年也是凭借着出色的数学基础，总结出了自然哲学中的数学原理。
孟德尔始终相信“我的时代会到来”。只是他不再试图去说服那些专家们，甘愿忍受孤独。1884年，孟德尔因病去世。
孟德尔定律的再发现
在1900年以前孟德尔的豌豆实验曾被引用过11次， 最早的是霍夫曼，他在1869年的一篇论文中简单地提及孟德尔的实验，并将孟德尔的论文列为引。这个引文引起了德国著名植物学家福克的注意，他在1881年出版的《植物杂种》这一名著中简短地评价了孟德尔的工作，但语气颇为不屑：“孟德尔所做的许多杂交的结果与奈特的十分类似，但孟德尔却自以为发现了各种杂种类型之间稳定的数量关系”。福克虽然贬低孟德尔的贡献，但提及孟德尔却无意中做了一件大好事，因为他的这本书后来成为从事植物杂交工作者必备的参考书。孟德尔的工作才因此得以记载。并最终在1900年被三位查阅这本书的生物学家同时发现。孟德尔的时代终于来临。
1900年，三位植物学家（荷兰的德弗里斯，德国的科伦斯，和奥地利的切尔马克）通过各自的工作，在《德国柏林植物学会》杂志发表3篇植物杂交论文，在论文发表前夕查阅文献，三人几乎同时发现了孟德尔1866年发表的论文——《植物杂交实验》。这不得不说是一个奇迹，1900年也成为了遗传学史乃至生物科学史上划时代的一年。在科伦斯和切尔马克的建议下，学术界使用“孟德尔定律”为这一理论命名。
孟德尔定律被重新发现的最初的时间里，科学界并没有多大的震动。孟德尔论文收到科学界的重视主要归功于贝特森的积极宣传。1900年，贝特森了解到孟德尔的工作和发现，深刻地认识到孟德尔工作的重要意义 ，并通过演讲积极介绍孟德尔的发现。
1901年 ， 贝特森率先把孟德尔的论文《植物杂交实验》由德文译成英文并加以评注，发表在英国皇家园艺学会杂志上，正是这篇译文，让孟德尔遗传定律首先引起了英语国家的注意， 进而在世界各地产生了巨大的反响。为了使人们易于理解和接受孟德尔的遗传理论，贝特森和他的学生庞尼特将孟德尔原始论文所使用的文字和数学公式加以图式化，并给予了固定符号，将遗传图用简明的棋盘式图解表示。
孟德尔的研究被重新发现，正式宣告了遗传学的诞生。
此时孟德尔已经去世16年，孟德尔定律的再发现却足以照亮新的世纪。他不再是当初默默无闻的神父，而成为了“超越时代的天才”。
孟德尔和重新发现孟德尔研究的三位生物学家
对孟德尔实验数据的争议
孟德尔论文被重新发现之后，有像贝特森这样的支持者，就也有质疑者，著名统计学家和遗传学家费舍尔就是质疑者之一。1936年，他对孟德尔的实验数据进行统计分析后，认为孟德尔的数据过于接近理想数据。费舍尔虽然质疑孟德尔的数据，但他对孟德尔的方法和结论都及其赞赏：“从他们的结果来看实验性研究确凿无疑，在表达上毫无缺陷，并且对不止对一个、而是对当前感兴趣的许多问题的理解至关重要。”
孟德尔是在没有任何统计工具的时代开展研究的，他对于何时停止收集数据、何时重复实验更多是依赖直觉，但这和造假无关。而且孟德尔在他的第二篇论文里使用山柳菊做了一系列杂交实验，因为山柳菊存在无性繁殖，所以并不适合杂交实验研究，因而得出的结论和孟德尔之前的研究并不相符，但是孟德尔依然在论文里写上了对自己之前研究不利的实验结果，由此也能说明孟德尔不是一个会造假的人。
在1900到1909年间，有六名遗传学家重复了孟德尔的豌豆实验，发现结果完全相符。孟德尔的遗传定律也早已被后人的无数实验所证实。2007年哈佛大学 Hartl 和 Fairbanks 发表于《遗传》杂志的一篇文章指出：孟德尔是无需造假的，科学于他并无直接利益。其次，孟德尔时期尚未形成统计体系，多年来的实验数据只能构成数量分析关系，不具统计显著性，存在偶然实属可能。
孟德尔的科学遗产
孟德尔对现代遗传学的贡献，不仅在于他在理论上为现代遗传学的诞生和发展奠定了基础，同时还在于他在研究过程中所创立和运用的方法，为现代遗传学的发展奠定了方法论基础，如纯系培育、性状分离、回交实验和数理统计分析法等，已成为现代遗传学研究的主要方法。
在他奠定遗传学基础的豌豆实验过程中，孟德尔以耐心而全面的数据收集方法为后是科学家树立了榜样。在当今科学竞争激烈的时代，我们值得为他停留片刻，学习他的仔细观察、严谨分析和对结果的谨慎解释。
参考资料：
https://www.nature.com/articles/d41586-022-01953-z
https://www.nature.com/articles/s41588-022-01109-9
来源：生物世界
