会忽视加罗德生理学人们

第八章　基因生理学

人们常说，在生化遗传学于二十世纪四十年代破土而出之前，遗传学家是在概念真空状态下进行研究。诚然，他们已经知道了性状、基因、等位基因、基因座及染色体图等，但染色体图上又是些什么？是基因座？是基因？基因是什么？把基因和由该基因决定的性状联系起来的序列又是什么？基因概念的最早的评论家理查德·戈德施米特多少有点理由可以批评这样一些遗传学家，他们把性状传递的统计学同染色体图联系起来，同时又贪图方便不讨论基因是如何作用的生理学问题。如同F.G.霍普金斯区分静态生物化学和动态生物化学（霍普金斯，1913；加罗德，1914），戈德施米特也划分了静态遗传学和动态遗传学。现在的问题是怎样在实验室里进行动态的研究。

在二十世纪三十年代，可对病毒进行化学研究，并用类比法将研究结果应用于基因；但说来也怪，这种方法却没有得出正确的结论。早在1902年，就可用化学方法鉴别已知的孟德尔性状的差别，所以可从化学术语来解释这些差别。这样，人们希望通过基因的最终产物来间接地了解有关基因的性质和作用。因此，这种方法的实质是从基因的最终产物着手再回过头来研究基因，这是一种有希望的方法。但倡导这种方法最后却陷入了技术上的困境，包括要弄清那些未知的化学物质和确定那些看来不大可能的代谢途径，因为还无法分离出有关的酶。

直接从研究基因的性质和作用着手，以及分析染色体成分的研究方法，其结果也好不了多少。如前所述，十九世纪的研究工作都没有取得肯定的结论。孟德尔学者最初三十年的全部研究成果，只是知道有许多等位基因控制了性状的差异，这些差异的基础是有没有特定的化学反应，而这种反应又是由一种酶所引起的，酶本身又是基因的产物；当然，如果酶就是基因那又当别论。

就基因性质而言，正因为间接法和类比法没有获得定论，所以使奇怪的细菌转化现象在论证基因既不是蛋白质、也不是核蛋白而是核酸时起了主要作用。在第十二章我们将讨论成功地应用了直接法的这一例子。我们现在只是讲其他方法得不到肯定的结果。病毒研究和生化遗传学好似都把遗传学家引入歧途，而艾弗里和查格夫拨正了前进的方向。

孟德尔学说与化学

系统地阐明一个基因一个酶的假说，是二十世纪四十年代初期的事。但在孟德尔学说的初期，确切地说在1902年，就试图把孟德尔遗传学同生物化学联系起来，因为那一年出版了威廉·贝特森的《孟德尔遗传学原理——答辩》，并发表了他在英国皇家学会进化委员会上的第一篇报告。这位剑桥大学的生物学家当时已知道了伦敦的医生加罗德，即后来的阿奇博尔德爵士，积极从事的尿黑酸尿症研究。五十年后，诺贝尔奖获得者乔奇·比德尔注意到这项重要的先驱性研究，并推崇加罗德是“化学遗传学之父”（1950，222）。

使比德尔和其他作者迷惑不解的是：人们怎么会忽视加罗德的工作，人们的遗忘甚至到了这种程度——在二十世纪三十年代开始研究生化遗传学的比德尔等人竟完全忘记了加罗德的工作。如果只是要弄清楚加罗德的研究方法所固有的局限性及其困难，那么还是值得讨论一下人们对他的工作的忽视。

当然以前已有人试图探讨忽视加罗德工作的原因（邓恩，1962；格拉斯，1959；施特劳斯，1960），但是有一点他们是疏忽了：早期的孟德尔学者认为孟德尔学说的论据同生化特性和代谢的论据之间的联系，是自然的联系。贝特森认为，这种联系是完全有道理的，但孟德尔学说同染色体之间不存在这种联系；他持这种态度难道是不能理解的吗？当我们想到那个时候的各种“孟德尔式性状”时，色差是一类特别引人注目的性状。已知色差起因于某些化学化合物，在1900年重新发现孟德尔比率之前，就已部分地了解这些化合物的性质。因此，人们普遍认为植物的花色素苷来源于与鞣酸有关的“色原”氧化作用（威根特，1962）。日本清漆中的黑色，曾被认为是乳汁中某种物质在一种酶的作用下经氧化作用而产生的（义田，1883）。这种酶后来被描述为一种氧化酶，命名为“虫漆酶”。蛇身上的黄白色斑纹被认为是鸟嘌呤和一种“蛋白碱基”结合的结果（莱迪克，1888）。巴雷斯维尔于1861年首次在鱼鳞中观察到鸟嘌呤与脂色素及黑素的奇妙结合，坎宁安和麦克曼在1893年对此作了进一步的研究。

最后，如果读者还怀疑在1900年前人们就已想到特定的差异有其化学基础，那就请查阅1896年高兰·霍普金斯关于蝴蝶色素的论文。作为盖伊医院古尔研究生的霍普金斯，已想到要证明菜粉蝶翅膀上不透明的白色是由蛹期分泌的尿酸所造成（后来证明是一种蝶呤），山黄粉蝶翅膀上的黄色则是尿酸的衍生物，他称之为“鳞卟啉”所形成。但当他试图从其他蝴蝶科而不从粉蝶科中分离类似的化合物时，他失败了，凤蝶翅膀的黄色素不同于山黄粉蝶的黄色素。在拟态中也可发现类似的差异。拟态的粉蝶保留了自己种群原来特有的色素，而被模拟的海里康色素则是完全不同的（霍普金斯，1896，680）。霍普金斯发现这些特定的色素严格地为粉蝶科蝴蝶所独有，是“饶有兴趣的证据，说明通常把这些昆虫归入天然的一个种群是有道理的”（同上，680）。

有色变种及其相应的白化类型，要求我们根据色素生物合成反应中，是否存在某种特定的酶，提出一种解释性的基因作用机制。或是基因产生酶，或是基因就是酶。这也适用于正常人和白化个体皮肤中的黑色素以及形成哺乳动物毛皮颜色的色素原。

正是对基因作用的这种看法导致三位杰出的孟德尔学者：卢西恩·基努特、卡尔·科伦斯和威廉·贝特森提出了“有无学说”。这一学说认为：在两种变种产生的杂种中，一种变种的性质之所以处于显性地位，不是由于所涉及的遗传单位有不同的相对强度（A和a），而只是隐性类型不具有该基因，显性类型则具有该基因。

如果认为上述假说是贝特森教条学派的畸形产物，则将是一个严重错误，因为他在1906年鼓吹这一假说时，只是支持了由基努特和科伦斯在1903年已倡导的观点。甚至摩尔根也在1910年接受这一观点，只是在他确立了染色体遗传学说后才抛弃这种看法，因为那时他得提出一个问题：在减数分裂时，显性基因（有）怎样能同隐性基因（无）配对的？

因此，应该明瞭确实有过早期的生化遗传学传统，但当确立了遗传的染色体学说后就停止了发展。从1912年到1935年这段时间里，人们忽视了生化遗传学。“有无学说”曾一度变得默默无闻，因为摩尔根学者（以及复等位基因现象）放松了同化学之间的联系，以及遗传学家加快了绘制染色体图、分析位置效应及引进修饰基因。总之，他们提出了更复杂的基因联合。但戈德施米特提出一个问题；真有这些分立的单位吗？也许一种性状存在多种表达方式（复等位基因）是一种生物学的解释！二十世纪三十年代，人们很自然地对揭开与基因决定性状有关的一系列事件表示关切，由于戈德施米特对摩尔根学派的抨击加深了这种关切心情，当复等位基因的两个事例（果蝇和大斑粉螟的眼色）似乎提出了探索基因作用机制的一条途径时，生化遗传学的各项研究工作才再次活跃起来。比较早期的这些工作有哪些条件呢？有三个突出因素：加罗德的研究工作，特别是对尿黑酸尿症的研究；动植物色素的研究情况以及基因的功能是自体催化和异体催化的概念。

尿黑酸尿症

伯德克尔把尿液吸收氧气后颜色变深的疾病取名为尿黑酸尿症。这种症状很罕见，霍普金斯在盖伊医院的3000例尿液异常的患者中只发现一例。在遗传学研究中这种病之所以重要，用加罗德的话来说，就在于“它显示其存在”。不言而喻，尿黑酸尿症患儿的家长，对于尿布暴露在空气中而遗留下来的深色尿渍是异常担心的。因为这预示了某种严重的疾病。因此，他们把孩子送往医院，这些病例也就记录在案了。

早在1859年，就从尿液中分离出具有发黑特性的物质。1891年，沃尔科和鲍曼的卓越的研究工作发现了该物质的化学结构。后来用三种不同方法合成了该物质，从而进一步证实了他们的结论（鲍曼、弗兰克尔，1895；奥斯本，1993；纽鲍尔、弗莱托，1907）。此外，人们还发现：如果把酪氨酸注入病人体内就会排出更大量的这种发黑物质——尿黑酸。因此，沃尔科和鲍曼得出如下结论：尿黑酸是酪氨酸氧化形成的，他们怎么会作出如此正确而又不同凡响的诊断呢？关于这个问题，尤金·诺克斯作了透彻的回答（诺克斯，1958）。他们已确定了它的经验公式C₈H₈O₄。但已知的16种羟基酸都不符合这一经验式。最接近这种分子式的是龙胆酸。由于当时还不知道下一个就是同一系列的尿黑酸，因此，他们又把尿黑酸称为“黑尿酸”。

龙胆酸黑尿酸

鲍曼确认动物不能把脂肪族化合物转化为芳香族化合物，因为它们不能合成芳香族苯环。那么，动物又怎么从它们食物中得到芳香族环呢？假定它是一种蛋白质，他知道只有两种可能，即来自酪氨酸或苯丙氨酸。由于沃尔科和鲍曼只有比较多的酪氨酸可供实验，因此他们用酪氨酸做饲养试验，从而了解了正确的代谢反应：

酪氨酸黑尿酸

可惜，在上述反应中涉及羟基的移动。这两位德国作者宣称，如果羟基确实发生了移动，那么“在这个反应过程中有某种有机体参与代谢，这是过去化学界所不知道的。过去十年内研究几百种化学物代谢作用所取得的定论，也就将被推翻。代谢也许是极为复杂的，因此研究任何物质的代谢将是毫无用处的”（沃尔科、鲍曼，1891，244；诺克斯1958年的译本，97）。因此，这两位作者不得不认为这种异常的代谢转化，是由于内脏中微生物的作用，似乎这些非典型的反应只局限于这些“怪物”的代谢过程中，而同生理化学没有什么关系！

不认为酪氨酸一黑尿酸反应路线是人体内正常酪氨酸氧化代谢的一部分，这种观点由于在化学研究中发现了侧链移动反应（对甲酚—对苯二酚氢醌）（班伯格，1903）而一度被否定。令人遗憾的是，七年之后著名生物化学家达金提出的证据，被用来排除班伯格反应所指出的、在酪氨酸和黑尿酸之间存在假定的醌代谢路线。直到1949年，用放射线示踪物才在代谢氧化过程中发现侧链移动（舍帕茨、古林，1949）。

因此，就尿黑酸尿症来说，人们最初对于通过自然界的这类游戏得以了解在酶控制下正常代谢途径中的环节抱有热忱，可是随后又摒弃了这种信条。如果黑尿酸只是反映了尿黑酸的另一条完全不同的代谢路线，那么研究它们无助于对正常代谢路线的了解。倘若生物化学家仍不因此而泄气，则到1951年分离出了合成黑尿酸的酶；1958年又在正常人体内分离出打开苯环的酶，据信尿黑酸患者没有这种酶（拉杜）。

上面的情况说明了人们无视加罗德工作的原因，但人们依然感到奇怪加罗德为什么确信一定是由于缺少了一种酶，才使正常的代谢路线出现障碍而引起了尿黑酸尿症。

加罗德的代谢障碍概念

加罗德在遇到尿黑酸尿症患者之前，早就在研究尿液化学。1895—1896年间，在圣巴索罗穆医院工作的加罗德，已开始同F.G.霍普金斯（后来的弗雷德里克爵士）合作，以后又在盖伊医院一起工作。贝特森和加罗德对霍普金斯研究蝴蝶翅膀颜色的工作助了一臂之力。加罗德在1884年通过资格考试后访问了维也纳，他对欧洲大陆上的研究工作了如指掌（罗尔斯顿，1949）。1902年以来，他不止一次地提到布拉格的卡尔·胡佩特在1845年所作的就职演说《论物种特性的保持》，他称这是“最有启发性的”。这篇演说支持了加罗德的观点，即个体之间化学上的细微差异，同外部特性的更明显的区别一起存在着（加罗德，1902，118～119）。应该指出的是，胡佩特研究了尿黑酸尿症，并在1899年证实了尿黑尿酸就是黑尿酸。

据报道加罗德曾说过：“病人并未真正引起他的兴趣，而且一名患者向他提出的这个难题，也没有吸引他去解答它。在病人身上，他看到的只是一种症状，一种反常现象，对此他将全力以赴……”（弗雷泽，1936，808）整个上午他会对着尿液样品大伤脑筋，他会突然去找化学系的胡尔特列博士，要不就是去请教他在牛津大学和剑桥大学的朋友们，当然霍普金斯是经常帮助他的。加罗德曾对弗尔克尔医生收治的一名尿黑酸尿症患儿发生过兴趣，这是不足为奇的。弗尔克尔医生所在的儿童医院，设在伦敦奥蒙德大街。因为，加罗德是这家医院和另外两家医院的名誉内科顾问医生。大约在1898年，这名患儿转到加罗德处就诊。不到一年，加罗德就能支持沃尔科和鲍曼的结论，即尿黑酸尿是黑尿酸引起的（加罗德，1899）。两年后他提出了新的证据，批驳了德国科学家提出的黑尿酸由微生物引起的说法。

1901年春，使加罗德感到兴奋的是这个病孩不再是他家庭中唯一的尿黑酸尿症患者。这个家庭里出生了第五个孩子，母亲和护士“都充分意识到，这个婴儿很可能也出现他哥哥那种症状。因此，她们留神察看这种症状的任何迹象”（加罗德，1902，72）。果然，第二天婴儿尿布上出现了淡淡的颜色，同1897年他哥哥尿布上的尿迹一样。于是，他们同意让加罗德观察这时年已4岁的病孩。因此，加罗德就能研究黑尿酸排出量与吃饭时间的关系。后来发现，在主餐4～6小时后，黑尿酸排出量最多。加罗德指出，在这段时间里，酪氨酸在进入膀胱之前可在人体组织里被吸收和破坏。此外，在粪便里不会发现黑尿酸。因此，加罗德在1901年秋给医学-外科学会的报告中满怀信心地说：

这里的事实支持可把尿黑酸尿看成是一种代谢“异常”，而且多少是与结构畸形相类似的化学上的反常现象。把黑尿酸的产生说成是某种消化道感染所引起的理论，是不符这些事实的。毫无疑问，近亲结婚将加剧这种症状的产生，因为，没有病孩的父母本人也出现这种症状的事例，迄今也没有发现在一个家庭的两代人中都患尿黑酸尿症的病例。

（1902，71）

更令人感兴趣的是，加罗德收治的病孩的父母是嫡亲表兄妹！从此以后，凡遇到尿黑酸尿症的患者，他总要询问他的家庭中的亲缘关系。他论证说，1901年他提到的出现这种病的四个家庭中三家都是嫡亲表兄妹联姻，考虑到近亲结婚在人口中所占比例较低，据乔奇·达尔文计算，英国总人口中近亲结婚最多不超过3%，伦敦地区比例更低（达尔文，1875）；因此，发病率这么高绝不是偶然的。

翌年，即1902年，出版了贝特森和桑德斯小姐在皇家学会进化委员会上作的第一篇报告，他们用隐性的孟德尔因子解释加罗德提出的亲缘与尿黑酸尿症之间的相互关系。加罗德高兴地引证了贝特森报告中的有关内容：

“也许还有其他原因，但我们现在认为嫡亲表兄妹结婚，确实为那种通常是隐性的、罕见的性状的出现创造条件。如果带有这种配子的人同不带有这种配子的人结婚，这种性状就不会出现。但嫡亲表兄妹常常带有相似的配子，当他们结婚后配子就会彼此结合，于是在合子中表现出某些隐性性状。”这种解释不是出于偏见，因为如果原因确实如此，那么除了嫡亲表兄妹结婚外，还要考虑到那些在后代中容易出现尿黑酸尿症的特定血统的人。不论孟德尔学说的解释是否正确，无可置疑的是尿黑酸尿症和其他类似病症发病率的特殊性的最佳解释是：除了隐性性状表现为显性性状的例外情况外，双亲配子的特殊性是产生这些病的必要条件。

（贝特森、桑德斯，1902，第133页上的脚注；加罗德，1902，116～117）

加罗德在他的经典著作《先天性代谢缺陷》（1909）一书中进一步指出，引起尿黑尿酸症的原因是未能打开如黑尿酸这些酸中的苯环，酸中的羟基是在第2和第5位置上。因此，毛病出在“芳香族蛋白质分解代谢倒数第二个阶段”。由此得出下述推论：

我们可进一步设想，在正常代谢过程中苯环的打开是一种特定的酶的作用，先天性尿黑酸尿症缺少的也就是这种酶；该病患者体内这种酶的作用部分或全部被抑制了。

（加罗德，1909，50）

加罗德这样好地了解生化异常的性质，是因为他把代谢看成是由一种中间产物转为另一种产物的连续活动，后一种产物存在的时间极短暂，但患者的代谢过程中有一个步骤不能进行下去，于是中间产物积累起来。在这种情况下，加罗德写道：

我们所了解的分解代谢过程倾向于表明……中间产物就这样地直接排出体外，不再循着异常代谢路线进行下去……如果在酶的影响下，在细胞内各个部分进行代谢的概念是正确的，那么，由于某种原因正常代谢路线被阻断时，不可能在事先就已准备好另一条路线。

（加罗德，1909，8）

这些所谓“代谢缺陷”病是先天的（与生俱来的）和遗传的（通过配子传递的）。如果读者认为从1909年的知识水平来看，这个结论的推测成分太多了，那么，我们就要强调指出加罗德能够雄辩地论证：正常人体只能处理少数几种芳香化合物。在代谢过程中大多数化合物的苯环都未遭破坏，它们或是同硫酸结合（芳香族硫酸盐）或是同甘氨酸结合（马尿酸）后被排出体外。即使是龙胆酸，被吸收的那部分也以芳香族硫酸盐的形式出现在尿液里。酪氨酸、苯丙氨酸和黑尿酸不是如此。显然，身体具有处理这些酸的能力。这不是因为这些酸属于正常的反应系列从而被完全氧化了吗？如果尿黑酸尿症患者不能完成这个氧化过程，那么加罗德可以证明这不是功能减弱而是没有功能，从出生那天起直至老年都没有这种功能。这是一种“有或无”现象，如同孟德尔遗传学非连续的“相反性状”一样。现在我们可看出尿黑酸尿症和类似的白化症，胱氨酸尿和戊糖尿何等强有力地支持“有或无学说”以及孟德尔因子同酶之间的直接联系。

加罗德的影响

加罗德对生物化学家的影响，看来比对遗传学家的影响更大；而在医学界除了儿科医生外，加罗德的影响不大。但人们可从霍普金斯和霍尔丹的著作中，明显地看出加罗德在英国的影响。现在显然不能对人类的异常进行遗传学实验，因此，所得的数据完全不足以作为人类的孟德尔式遗传的证据。但是，孟德尔学说确实比其他任何学说能更满意地解释尿黑酸尿症之类的事例。不过在孟德尔学说的早期，不止是需要有一个好的解释。因为，当时孟德尔学说遭到了严厉的抨击，贝特森学派急于要找到令人信服的材料，以便同在卡尔·皮尔逊坚强领导下的生物统计学派进行论战。

1902年，贝特森和基努特各自把孟德尔定律推广应用到动物界。至于人类因为加罗德研究的病例是如此的罕见和古怪，以致似乎同医学界的工作无关。很自然地许多内科医生认为，为了揭示疾病遗传性和先天性所作出的努力无助于疾病治疗工作。尿黑酸尿症也无助于孟德尔学派，因为当时还未了解在随机婚配群体中决定显性基因和隐性基因分布的哈代-温伯格定律。因此，根据孟德尔学说，在一个大群体样本中正常人与尿黑酸尿症患者的比率预期为3∶1。

在二十世纪最初的几年里，由于根据孟德尔的论文所形成的孟德尔学说还很不完美，从而降低了加罗德工作的影响。那时生物统计学家们注重于研究人类生物学，他们的基础是弗朗西斯·高尔顿在伦敦大学建立的实验室里所开创的人类统计学。1908年，R.C.庞尼特在皇家医学学会作有关孟德尔遗传学的讲演时，遭到生物统计学家们的猛烈抨击。这次会议的报告，清楚地反映出这些反对意见的性质。庞尼特在这次会议上遇见统计学家乌登·于尔之后，便要求剑桥数学家威廉·哈迪爵士回答于尔提出的问题——在人类群体中，为什么孟德尔显隐性性状的分布之比不是3∶1？结果便是在1908年提出了哈代-温伯格定律的著名方程式。

且不说这个缺点，L.C.邓恩已注意到在孟德尔学说早期，优生学家的研究目标是幼稚和荒谬的，以及人类遗传学研究水准的降低。邓恩说，加罗德的工作“被卷入了涉及人类研究的各种相互矛盾学说的漩涡中”，影响人类遗传学进展的“不是缺少研究方法，而是没有一个科学的研究目标……”（邓恩，1962，1）。

我们再转向生物化学，加罗德的工作推动了代谢化学的研究。应当承认，在十九世纪生理化学就有这类研究的传统。尽管霍普金斯惋惜地认为是静态的有机化学占了支配地位，但加罗德关于代谢化学的早期论文所引述的文献已足以表明，加罗德并没有开创一个新的研究领域，只是澄清了过去模糊的、不可靠的传统。加罗德是由于否定了病理状态的代谢完全不同于正常状态而做到这一点的。由此得出了代谢路线概念，这一概念对实验检验又极有启发性。加尼尔和瓦兰（1892）确是首次提出黑尿酸就是正常代谢产物的观点，但是尿黑酸尿症是由于完全没有一种酶能打开第2和第5位上羟基化苯环的结果，这一概念的提出我们还是要归功于加罗德。

我们一定不要忘记加罗德不是在1902年提出上述观点，而是在1909年，也就是已经大量出版了阿布德赫尔登、埃姆伯登、萨洛蒙、施密特、法尔塔、纽鲍尔、兰斯坦、米德尔巴赫和迈耶的论文之后。研究1909年以后的文献，可看出加罗德综合1909年以前的研究工作是否推动了这个领域的研究。人们的印象是在第一次世界大战前，加罗德的贡献在生物化学界是人所共知和得到公认的，但即使在那时，也不是由于他的工作在生物化学上的重要意义而受到推崇的。除了福林的工作之外，一直到第二次世界大战后有了层析、放射自显影等新技术和许多酶学新方法，这方面的研究才有重大进展。在加罗德时代，欧洲大陆和英国的生物化学家对先天缺陷的遗传研究不感兴趣，对这些代谢病表明的化合物在体内分解的路线也无动于衷，而霍普金斯不在此列。二十世纪初，我们看到生物化学发展起来成为从较早的生理化学通往研究酶控制的代谢路线的渠道。但加罗德的方法，并未成为开展这方面研究的最好工具。1897年，巴克纳成功地提取了酿酶，从而开拓了新酶学，引起人们的热忱。哈登、杨、沃伯格和迈耶霍夫确立的重大传统并未注意人体如何处理酪氨酸而是关心糖是怎样分解而释放出能量。生物化学的这个年轻的分支学科，似乎很少触及加罗德的比较古老的生理化学。至于加罗德为了在遗传学与生物化学之间建立联系的研究工作，在五十年代前一直没有取得任何实质性的进展，这是由于很难分离出有关的酶。幸而还有另一类现象，在孟德尔学说的初期，这些现象就引起生物化学家和遗传学家的协作，即研究植物和动物色素的遗传学和生物化学。

花色素苷

德国、荷兰和英国都从事花色素苷遗传学的研究。在剑桥大学，贝特森不但看出了加罗德工作的重要性，而且也注意到R.P.格雷戈里对圆形和皱皮种子淀粉粒形状的研究。格雷戈里提出食用豆的圆形种子只含细长形淀粉粒，而皱皮种子则含有形状不规则的微小淀粉粒，并且常结合成团（格雷戈里，1903）。后来，贝特森极力主张深入研究这一特性：

圆形种子与皱皮种子之间的相互关系，也许可作为探索遗传因子化学性质的最好例子。皱皮，显然是某种特殊的干燥所造成，而且一定取决于储存物质的性质。第一步首先要确定这两种主要类型种子中糖和淀粉的相对含量。很自然，人们会认为皱皮种子中糖转化成淀粉远少于圆形种子。由于在皱皮种子中形成了这么多淀粉，因此它一定含有一种具有这种转化能力的酵素（ferment）。从而使我们设想圆形种子含有第二种酵素实现进一步的转化。这些现象提出了一个吸引人的生理化学问题，提供给有这方面能力的人去进行研究。

（贝特森，1909，29～30）

格雷戈里研究淀粉粒以后没有几年，穆里尔·韦尔台尔（即后来的翁斯洛夫人）在贝特森指导下研究了金鱼草的花色遗传。她的研究工作始于剑桥大学，在伦敦郊区默顿新建的约翰·英纳斯研究所内继续进行。在那里，她从生物化学角度来研究这个问题。当她作为纽纳姆学院研究员返回剑桥大学时，她坚定地按这个方向进行研究。她的名著《植物色素》（1916版）分成两部分：一部分是生物化学；另一部分是遗传学，但在后一部分里没有提到1910年后韦尔台尔关于花色素苷的论文。其实要在近二十年以后，才进一步从遗传学角度深入研究这个问题。因此，罗斯·斯科特蒙克里夫可以这样写：“韦尔台尔开了头之后，直到最近才有人试图把色素化学这门新知识，同很快积累起来的遗传因子控制植物颜色变异的信息联系起来。”在此以前，只是由互不相干的研究人员在研究化学和遗传学时的“偶然巧合”把这两者联系起来。到了二十世纪三十年代中期，“约翰·英纳斯研究所为联合攻克这一有趣问题，才提供了一个独一无二的机会”（斯科特-蒙克里夫，1936，118）。这个机会，是罗比森对花色素苷的研究工作提供的，这项研究既揭示了花色素苷的结构，又形成了只需少量花朵的快速定性试验。这些研究成果证明了W.J.C.劳伦斯和斯科特-蒙克里夫的遗传学研究。1928年，穆里尔·翁斯洛竭力主张重新进行这项工作。1929年，J.B.S.霍尔丹建议应同约翰·英纳斯研究所建立联系，其结果是“像开创时期那样，生物化学研究又回到了默顿”（斯科特-蒙克里夫，1937，230）。

韦尔台尔发现“乳白色”（极淡的灰黄色）金鱼草和纯白色金鱼草杂交得到的子一代（F₁）的花呈暗红色，这是一般金鱼草典型的花色。她从乳白色金鱼草的花朵里抽提出一种花色素苷，因此她推测纯白色变种已引进了一种“因子”，它使乳白色花色素苷氧化成暗红色（韦尔台尔，1907；贝特森，1909，280）。

贝特森对这项成果感到高兴，因为他遭到反对者的抨击，指责他解释早期丢失得以回复的途径是毫无根据的，他认为这种回复的原因是由于选种而丢失了野生型的、早就丢失的性状，并因合适的变种间杂交重构其组成而得到恢复。他写道：

我们通常不能指定为了要产生某种复合性状而必须彼此相遇的互补因子。但是，通过生理化学同遗传学的结合，在一种简便而有利的情况下，完全有希望来检验这些因子的存在。达到这一目的的最可取的办法，也许是韦尔台尔小姐在金鱼草实验中采用的方法。

（贝特森，1909，279）

过去在描述这类工作时往往把基因同基因产物混为一谈（达林顿，1964，94），主要是由于把孟德尔因子同酶联系起来的缘故。这导致许多科学家把孟德尔因子看成是酶，然而，贝特森却不在此列。请看一下韦尔台尔说的一段话：

以氧化酶来表示孟德尔因子并非纯属猜测。实验表明，已知谱系的香豌豆和紫罗兰属的花瓣，对愈创树脂的氧化能力都不相同。很清楚，从原来的红化因子中失去氧化酶或过氧化物酶都会产生白化现象，尽管白化体可能还带有蓝化因子或其他修饰因子。因此，在有一系列色素变种的任何一属中，总有许多在遗传上和生理上各不相同的可能的白化体。通过选择，我们能获得带有任何一种特定因子的白化体，而且这些白化体的行为在很大程度上趋向愈创树脂，这导致推论出在孟德尔颜色因子同氧化酶之间存在一种确凿的联系。

（韦尔台尔，1910，470）

人们对花色素苷的早期研究，有力地支持了孟德尔式的差异有其化学基础的观点，以及基因起着酶的作用。应当承认，人们还不能分离出所涉及的酶，后来弄清楚被韦尔台尔看作是氧化作用的代谢联系，实际上却是还原作用。然而，她的工作初步揭示了代谢路线——即她所说的“涉及一系列渐进步骤的相当复杂的过程”（1910，467）——从而产生了孟德尔性状。这些情况时时提醒我们作进一步探索，并构成了探讨遗传的化学基础的起点。

霍尔丹的影响

霍尔丹年轻时就随父亲参加一些生理学实验，后来任剑桥大学生物化学讲师时（1922—1933年）受到霍普金斯的影响。也许是因为他在剑桥被解雇、上诉和尔后复职（1925—1926年）的痛苦促使他易地工作以谋求发展。1927年，在他仍任生物化学讲师时兼任了约翰·英纳斯研究所遗传学研究的负责人，当时的所长是63岁的丹尼尔·霍尔爵士。不久所长即将退休，所以霍尔丹希望得到晋升。这对于在约翰·英纳斯研究所重建生化遗传学是最好不过的兆头！剑桥大学生物化学系中有穆里尔·韦尔台尔、她的丈夫胡埃·翁斯洛和霍尔丹的研究生默里，他们都对基因作用的生理学发生了兴趣。当时默里正在研究植物液汁的pH值对花色的影响（霍尔丹，1926，6）。1928年，穆里尔·翁斯洛渴望继续从事早期她在约翰·英纳斯研究所时的研究。霍尔丹实现了她的愿望，他为罗斯·斯科特-蒙克里夫研究花色素苷争取到了英国科学和工业研究总署的资助。后来，霍尔丹自豪地回顾了他同穆里尔·翁斯洛的工作的这一联系。她对控制花色素苷的35种基因的研究，被他称为是“将来研究的模型”。他认为，他对生物化学的最大贡献也许就是对她的研究工作的指引（霍尔丹，1937，4）。

正是朱利安·赫克斯利建议霍尔去取得霍尔丹的帮助。在学期期间和一个月假期内，他常作短期访问。达林顿认为这种合作拯救了约翰·英纳斯研究所。对霍尔丹来说，这是把他的酶学知识，同他对理论遗传学的兴趣结合起来的一种方法。霍尔丹的《酶》（1930）一书并未提到基因同酶之间的关系，但在十一年后的《遗传学新途径》一书中特别强调了这种关系。

斯科特-蒙克里夫成了约翰·英纳斯研究所的终身研究人员，直到1936年她离开该所之前一直在研究植物的色素。早期工作的深入进一步增强了遗传学研究对园艺学、植物分类学和有机化学的重要性。牛津大学的鲁宾逊计划就是一个明证，它是遗传学家同有机化学家合作取得一个丰硕果实。霍尔丹在制定鲁宾逊计划后，对该计划有什么贡献呢？要找出积极的、独到的贡献是困难的。实际上，该项研究工作似乎是与他无关地在进行着。他同霍尔所长不和使该所工作陷于困境。他不能插手研究工作的组织。1936年还设立了一个委员会负责调查该所的组织机构及人员来源。该委员会甚至考虑解雇霍尔丹，后来伦敦大学学院采取行动解决了这个棘手问题，霍尔丹被聘为该校生物统计学专职教授（克拉克，1968，105）。

在霍尔丹向约翰·英纳斯研究所辞职时，生化遗传学的研究计划仍在继续。接任斯科特-蒙克里夫的J.R.普赖斯看到了这项工作潜在的重要性。他在第一份报告中写道：

能在基因最本质的意义上——支配简单的（但都是基本的）化学变化——来检验基因的作用，这还是第一次。单就这一点来说，这项工作的潜在作用是十分巨大的。而这仅仅是花色遗传学的一个方面。

（普赖斯，1938，15）

普赖斯接着强调了生物合成。一年前，霍尔丹给约翰·英纳斯研究所写了他的最后一份报告。这是一篇伤感的告别词：“从各个研究人员的报告里就可看出，在阐明了许多细节的同时，并没有完成具有重大科学意义的遗传学研究。”（霍尔丹，1937，8；达林顿，1968，934）毫无疑问，霍尔丹只是指没有完成“新的”遗传学研究……但这只能说明霍尔丹没有给这项工作以启发性的和深入的指导，这同比德尔和塔特姆在昆虫眼色的研究工作适成对照。霍尔丹可能是善于思索，有想象力并能激励人们的各门学科之间的引路人，但他既没有设想，也没有指导探索基因作用模式所需的实验研究计划。这项工作需要不同的方法和不同的材料。无论是霍尔丹还是达林顿，都没有看出研究花色素苷的局限性。他们看到了约翰·英纳斯研究所在这方面所取得的成功，但该所是为园艺学而建立的，因此研究重点是显花植物。德国科学家在基因生理学研究方面也无建树，原因之一也在于用早期的孟德尔遗传学来研究高等植物。

科伦斯学派

在欧洲大陆建立生理遗传学传统的主要是科伦斯。这位沉默寡言的人对他研究课题的微妙之处有着惊人的洞察力（见奥尔贝，1971c）。由于他对显隐性之间关系的关切，因此用含有花色素苷的天仙子与不含花色素苷的天仙子杂交。由于F₁杂种的花显示出中间色彩，从而促使他提出有或无学说（1903）。一年以后，他在一篇关于用一年生与半年生的天仙子进行杂交的论文中作出如下结论：花朵、果实、子叶和簇叶的颜色性状的分离，要直接追溯到一些化学过程（1904，517）。

由于鲍维里在最后一分钟决定不去领导位于柏林-达姆的新的德皇威廉生物学研究所，就任命了科伦斯。他的助手是年轻的弗里茨·韦特斯坦，即后来的冯·韦特斯坦（1895—1945年）。韦特斯坦曾提到他的导师一直关注着遗传学的生理学方向，他说，科伦斯的论文几乎每一篇都反复讲到这些问题和解决问题的办法。在科伦斯身上，韦特斯坦看到的是一位“全面的生理学家”，他不止是研究原基分布的数学问题，而且考虑到这些原基在整个有机体里表达的问题（韦特斯坦，1938，149）。

韦特斯坦在很多大学里工作了十年之后（1924—1934年），又回到德皇威廉研究所接替他导师的工作。在这十年期间，韦特斯坦因研究苔藓的生理遗传学而蜚声四海^[1]。正是他首先应用了四分体分析法，用水合氯醛使减数分裂的产物保持在四分体里原来的位置上，这样可以区分减数分裂第一时期和第二时期的产物。也是韦特斯坦用苔鲜获得了一个多倍体系列，并用引入这些系列中活性基因的量来表示它们不同的显性程度。慕尼黑大学的玛丽亚·舍恩费尔特和海因·维尔克在韦特斯坦的指导下，从1932—1934年研究了面包霉菌的遗传学（舍恩费尔特，1935；维尔克，1935）。也正是在韦特斯坦的指导下，梅尔彻斯把科伦斯对天仙子的研究推向深入并作了进一步分析、以寻找“导致从基因到未来性状的个体发育过程中的反应链”（梅尔彻斯，1939，213）。

粉螟研究

冯·韦特斯坦赴慕尼黑大学任职前，曾在哥廷根大学当了六年植物学教授。他发现哥廷根大学动物学教授艾尔弗雷德·库恩对遗传学的看法同他不谋而合。因此，他俩通力合作打破了动物学和植物学之间传统的壁障。他们联合召开讨论会，并集中研究基本的生理学问题。当时库恩小组正在研究大斑粉螟（Ephestia Kuhniella）眼色的生成原因。哥廷根大学的厄恩斯特也已发现一种灰色眼睛和精巢的粉螟。他曾用器官移植技术研究扩散物质或“荷尔蒙”的作用，他认为这种物质控制了这些器官中色素的生成。器官移植技术是迈森海默（1909）为其他目的而第一次建立的，哥廷根大学的科学家们用来研究遗传学，后来又被巴黎的鲍里斯·埃弗鲁西和比德尔作了改进。

德国生理遗传学家似已掌握了解决代谢遗传学所需要的一切，这确是令人惊叹不已；后来比德尔和爱德华·塔特姆应用了他们的研究方式。在哥廷根大学进行的眼色研究同比德尔和埃弗鲁西相竞争。在慕尼黑大学则在研究链孢霉菌。在纳粹统治期间，哥廷根大学的政治困境迫使坚决批评纳粹政权的库恩于1937年辞职，而韦特斯坦也在1934年离开慕尼黑前往柏林的德皇威廉研究所。但是，经过马克斯·普朗克和冯·韦特斯坦从中斡旋，库恩得以在德皇威廉研究所同他在哥廷根大学时的朋友们会合，并接管了理查德·戈德施米特原先领导的那个部门。这里是一个“被宣传喧嚣的海洋”所包围的自由之岛（梅尔彻斯，1953，14）。科恩继续从事研究，并在1940年布特南特、沃尔夫哈特·魏德尔和埃里奇·贝克尔成功地鉴定了比德尔和埃弗鲁西所研究的眼睛色素，他们称这种色素为“犬尿氨酸”，并认定这是色氨酸的一种衍生物。

且不说战争环境很快使德国的实验工作无法开展，在A.布特南特领导下的库恩学派也没有来得及想一想：把他们的研究计划来个180度大转变是否会更好些，不是从已知的遗传特性来研究其化学，而应该是用已知的化学特性来研究遗传学。好像是由于他们成功地达到了鉴定犬尿氨酸的目的（一年后塔特姆和哈根·史密斯也取得成功），使德国研究人员不去重新检验他们的整个研究方法。但是，即使他们这样做了，他们肯定还缺少一项必要的专长——他们对面包霉菌的基本培养基一无所知。慕尼黑大学研究链孢菌时所用的培养基或是麦芽汁或是麦精琼脂。性决定等性状的细胞遗传学是用四分体分析法研究的。但是，这样的研究计划没有同在哥廷根和柏林的生理学研究衔接起来。

乔里·梅尔彻斯回顾了在冯·韦特斯坦、欧文·鲍尔和艾尔弗雷德·库恩领导下的全部研究工作之后，他觉得韦特斯坦部门的研究工作，将使链孢菌成为他们发育生理学研究的材料。但他的结论是，“在那些年月里我们过于想使高等植物也采取这一步骤”（梅尔彻斯，1962，23）。梅尔彻斯认为，魏德尔本人对于未能像比德尔和塔特姆那样预见到应用链孢菌的可能性而总是抱恨不已（梅尔彻斯，1971）。

第二次世界大战后，布特南特、魏德尔和施洛斯伯克恢复了对眼睛色素的研究，并终于证明果蝇朱红色突变型眼色是犬尿氨酸的氧化物（羟基犬尿素酸）引起的（1949）。其实当时对链孢菌的研究，已对这个结论提供了关键线索（米切尔和奈，1948）。

果蝇研究

我们已了解约翰·英纳斯研究所主要从事显花植物的研究。在剑桥大学，贝特森的继承者R.C.庞尼特仍热衷于打网球，而对遗传学却缺乏兴趣。哥伦比亚大学的T.H.摩尔根（1866—1945年）代表了细胞学和遗传学紧密联系的传统，一有机会又随时准备与胚胎学挂起钩来。由于果蝇细胞遗传学研究取得了这么丰硕的成果，以致斯特蒂文特发现的非自主的基因作用事例竟被搁置了十七年，也就不足为奇了。直到1933年，埃弗鲁西到了加州理工学院遇见当时正在研究果蝇（染色体）交换的玉米遗传学家乔治·比德尔时，才发现眼睛色素的非自主基因为揭开基因作用之谜提供了一条途径。

看来正是埃弗鲁西使比德尔对基因作用发生兴趣，并显露出他对摩尔根“形式遗传学”的不安心情：

……我同他曾有过多次长谈。我们就基因对于发育的作用缺乏资料一事表示惋惜。我们认为，这是由于实验胚胎学的经典生物体不适合于遗传学研究。反之，遗传学上已研究得比较清楚的动植物又很少用于发育的研究。

（比德尔，1958，590）

他们的计划显然是要更多地了解果蝇的胚胎学，比德尔是抱着这种想法来到巴黎的生物生理化学研究所同埃弗鲁西一起开始研究果蝇细胞组织培养。

与此同时，在哥廷根大学库恩动物学研究所的卡斯帕里应用器官移植技术进行了粉螟遗传学研究。埃弗鲁西向比德尔建议把这项技术用于果蝇研究，置著名的巴黎索邦学院的冷遇于不顾。现在，他们就能够研究在一种基因背景下研究另一基因的表达，并记录所产生的性状的修饰。明显的选择是眼睛颜色，已识别出26种基因。

我们已知道斯蒂特文特发现了一个例外情况，即果蝇的性连锁基因是自主的，也就是说，在性别上是混合构成的机体（雌雄嵌合体）中，雄性片段中的基因不受雌性片段中的等位基因的影响。这个例外情况是硃砂色眼色。这一鲜红眼色变成棕色（野生型）的原因“并非由于眼色素本身的遗传组成，而是由于体内其他部分的遗传组成”（斯蒂特文特，1920，71）。用比德尔的话来说，好似有某种物质从野生型组织扩散到眼睛，并使之变成正常颜色。比德尔与埃弗鲁西把硃砂型眼组织移植到野生型幼虫体内。斯蒂特文特的观察结果得到了证实。这两位合作者发现只有另一种眼色的情况是差不多的，即也是“可恢复的”，那是“朱红色”。

显然，这两种突变体都具有鲜红眼色成分，但缺少棕色成分。在这两种突变体中，引起生成棕色素的扩散物质是相同的吗？如果相同，那么突变体相互移植将生成突变型眼色；如果不同，那么重组得到的突变基因将相互补偿，从而生成野生型眼睛。在这个研究时期（1935），比德尔和埃弗鲁西还没有想到按次序地实现基因控制的概念。因此，当未能实现他们上述的两个预言时，感到非常吃惊。虽然硃砂色眼睛对朱红色移植体没有影响，但朱红色寄主却能把硃砂色移植体转变为野生型。为了解释这个出乎意料的结果，比德尔和埃弗鲁西“提出了一个假说，即这一定涉及两种扩散物质。一种物质是按下列过程由另一种物质形成的：前体→v+（硃砂色）物质→C+n朱红色）物质→色素”（比德尔，1958，591）。在硃砂色突变体中第一个反应是阻断的，硃砂色基因不具有这种反应的能力。朱红色突变体则可形成v+物质，不过它阻断了第二个反应，因此不能形成C物质。只是在出现的是C+n物质而不是v+物质的情况下，朱红色突变体才能产生野生型眼色。因此可以断言，这两种“扩散物质”参与了生成野生型色素的一系列反应。这两种物质被称为激素。1939年（据我所知不是在1939年以前）比德尔和埃弗鲁西提出的假说是：不能生成激素的地方是“由于在涉及激素合成的酶系统中存在着缺陷”（比德尔，1939，60）。比德尔接着说，尽管还没有“酶在该系统中的这种干涉作用的直接证据，但酶是始终存在的，因此酶为基因控制反应提供了一种简单的机制”（同上，61）。后来这一假说进一步发展成一个基因一种酶的假说。

众所周知，布特南特领导的德皇威廉研究所的研究小组以及塔特姆和史密斯经过长期艰苦的研究后，终于分别在1940年和1941年判明了v+物质是犬尿氨酸。在比德尔和埃弗鲁西取得成功的前五年里，研究工作出现了许多意想不到的曲折。埃弗鲁西在《生物学评论季刊》（1942）中，对这些问题作了绝妙的描述。对比德尔的最后一次打击是他不能判明塔特姆获得的晶状产物。后来，人们知道这是由于犬尿氨酸和蔗糖脂化的结果！

如果能够采用一种对营养要求十分简单的生物体，那么对生命的了解将会容易得多。他们争辩说，即使如此，若要判明在已知突变性状中所涉及的确切的化学变化也肯定是缓慢而令人失望的。比德尔宣称（1958，594）：“我们的想法——把研究过程倒过来去探求影响已知化学反应的基因突变——是个好主意。”但当时别人却不是这么认为的。这同贝特森-韦尔台尔-斯科特-蒙克里夫的研究方法正好是背道而驰的。

【注释】

[1] 这些研究工作虽然是在这段时间内发表的，但是从1919年起，在柏林，在科伦斯指导下完成的（冯·瓦茨坦，1974）。