“南橘北枳”辨基因

少聰

橘樹

“南橘北枳”這一成語，出自《晏子春秋》中的《晏子使楚》，其中這樣寫道：“嬰聞之，橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳，葉徒相似，其實味不同。所以然者何？水土異也。”

《晏子春秋》中的故事相傳是這樣的：齊國公派晏子出使楚國，楚王聽說那個能說會道的晏子要來，便想法子戲弄他，看他到底有多大能耐。于是，楚王故意安排手下在他接見晏子時，押著一個犯人從旁邊經(jīng)過，楚王借機問道：“此人犯了什么罪？”手下按照楚王之前的吩咐回答道：“回大王，這個齊國人在我們這邊偷了東西！”楚王借機對晏子說道：“你們齊國人是不是很喜歡偷東西？”

晏子一聽便知楚王的用意，微微一笑，答道：“大王啊，您有所不知，淮南有橘子樹，結(jié)出的果實又大又甜。要是把它移栽到淮北去，就會變成枳，結(jié)的果實又酸又小，為什么呢？因為這兩個地方的水土條件不一樣啊。這個人在我們齊國那邊是不會偷東西的，而到了你們這里怎么會偷東西了呢？看來莫不是你們楚國的水土有問題，會使外來的百姓變得喜歡偷東西了？”一席話，讓這個處心積慮想羞辱晏子的楚王偷雞不成，反倒蝕了把米。

那么，故事里所說的橘和枳到底是怎么回事呢？

古人根據(jù)以往相傳的經(jīng)驗，認為是環(huán)境使植物的性狀發(fā)生變化。南方的橘子樹一旦移植到北方，它的果實味道、色澤等都會發(fā)生變化，就不能再叫橘子，只能叫枳了。但在植物學中，橘和枳（枸橘）本質(zhì)上就是兩種不同的植物，它們在植物分類學上分別屬于蕓香科下邊的柑橘屬和枳屬。

為什么會出現(xiàn)“南橘北枳”這種說法呢？有人認為，這可能是古人觀察上的疏漏導致的誤解。因為早在春秋戰(zhàn)國時期，古人就已經(jīng)知道如何利用枳樹作砧木，用橘子樹的枝條作接穗，通過嫁接來繁殖橘苗了。

由于橘樹只能在零下9℃以上的環(huán)境中才能存活，而枳樹則能耐受零下20℃的低溫，所以，當人們把用枳樹作砧木，橘樹作接穗嫁接培育成的橘苗，在淮北培植時，該樹地面上的橘樹枝條部分就會被凍死，地下的枳樹部分則安然無恙。待到來年春暖花開，砧木上的不定芽隨著時間的流逝在不知不覺中萌發(fā)長成枳樹（等于沒有嫁接），過幾年，開花結(jié)出的果自然就是枳實。因而，古人會誤以為，是環(huán)境的改變導致植物的性狀發(fā)生了變異，從而使橘變成了枳。

其實，生物之間的形態(tài)變化，遠不止上文這般簡單。

遺傳與變異

人類很早就注意到生物體中的遺傳和變異現(xiàn)象。這正如中國古代所流傳的“種瓜得瓜，種豆得豆”和“一母生九子，九子各不同”的說法那樣。

枳樹

從生命科學的角度來看，這兩句俗語都有一定的道理，說明了遺傳學中兩個最基本的現(xiàn)象：前者講的是遺傳，后者說的則是變異。遺傳是相對的，各種物種后代與祖先之間都保持有一定的連續(xù)性，因此各個物種才得以延續(xù)下去;而變異則是絕對的，因為不存在每一個后代的形態(tài)特征都跟祖先一模一樣。在自然或人工因素的作用下，性狀總會發(fā)生某些明顯或細微的變異，其中有一些變異會遺傳下去，久而久之就產(chǎn)生了更多的新物種。新的生物就是在這樣不斷地演化過程中誕生的。

遺傳學是研究生物遺傳和變異的一門學科。但直到200年前，人們還不甚了解什么是遺傳和變異。19世紀30年代后，經(jīng)過無數(shù)科學家的不斷探索，人們才從科學的角度逐漸地對它們有所認知。到了20世紀50年代初，關于生物學的研究終于逼近了生命那蘊含無窮奧秘的DNA及其雙螺旋結(jié)構(gòu)學說，這才揭開了基因的神秘面紗。

尋找基因的歷程

在達爾文的《物種起源》一書出版前的兩年，即1857年，一個名叫孟德爾的奧地利神父，在他居住的圣湯瑪斯修道院后院開始了長達8年的豌豆雜交實驗。1865年，孟德爾根據(jù)豌豆雜交實驗的結(jié)果，發(fā)表了著名的論文《植物雜交實驗》，闡述了他所發(fā)現(xiàn)的顯性、隱性遺傳現(xiàn)象，以及兩個重要的遺傳學規(guī)律——分離定律和自由組合定律。但是，究竟是什么物質(zhì)在生物體內(nèi)決定了這些遺傳規(guī)律呢？孟德爾當時提出了這樣一個假說：生物的遺傳性狀是通過一種稱為“遺傳因子”的物質(zhì)來傳遞的。之后，科學家們通過實驗證實了孟德爾遺傳規(guī)律的正確性，但孟德爾學說中的遺傳物質(zhì)——“遺傳因子”究竟處于細胞的什么位置呢？這一難題困擾了科學家很長一段時間。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型示意圖

染色體、DNA 和基因的關系

19世紀70年代后，隨著科學的進步，細胞學的研究也得到了長足發(fā)展。1879年，德國生物學家弗萊明在細胞核內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種可以被紅色的堿性染料染色的“微粒狀特殊物質(zhì)”，他稱之為“染色質(zhì)”。1888年，德國解剖學家瓦爾德耶爾把這些染色質(zhì)改稱為“染色體”。此后，科學家們又發(fā)現(xiàn)了染色體與細胞分裂之間的關系，意識到染色體很有可能就是重要的遺傳物質(zhì)，這就為孟德爾的“遺傳因子”假說提供了一個可信的證據(jù)。

1903年，美國細胞學家薩頓在實驗過程中又發(fā)現(xiàn)染色體的行為與孟德爾提出的“遺傳因子”行為有著一種平行性，只要假定這些遺傳因子在染色體上，孟德爾所提出的分離定律和自由組合定律的機制就可以得到合理的解釋。這一推論被后來的研究成果證實，為遺傳學中的“染色體”學說奠定了堅實的基礎。

但是，染色體是否就是遺傳因子呢？生物體內(nèi)的染色體數(shù)目很少，如豌豆有7對染色體，果蠅僅有4對染色體，而它們的遺傳特性卻很多。薩頓因此猜想：每條染色體上一定還存在多個遺傳因子。1906年，英國生物學家貝特森發(fā)現(xiàn)豌豆的某些遺傳特征總是與另外的一些特征一起遺傳。這說明薩頓的猜想還是有一定道理的。1909年，丹麥植物學家和遺傳學家約翰遜提議用“基因”一詞來代替“遺傳因子”，并得到了當時生物學家的廣泛認同。

基因是否真的存在于染色體之中呢？貝特森和薩頓只是猜測。而首先通過實驗結(jié)果來證實這一猜想的，則是美國生物學家摩爾根。

起初，摩爾根對孟德爾的“遺傳因子”學說持懷疑、批評，甚至反對的態(tài)度，因為這一學說缺乏實驗證明。從1909年起，摩爾根開始通過果蠅實驗來研究遺傳現(xiàn)象。他在一群紅眼果蠅中發(fā)現(xiàn)有一只白眼雄果蠅。當他用這只白眼雄果蠅與紅眼雌果蠅交配后，發(fā)現(xiàn)第二代白眼果蠅竟然全部都是雄性的。加上當時其他科學家已經(jīng)證實了性別是由染色體決定的，因此他推斷，白眼基因一定是與雄性基因同處于一條染色體上。后來，這成為了人類獲得的首個染色體是基因載體的實驗證據(jù)。摩爾根還通過實驗進一步發(fā)現(xiàn)，一條染色體上可以存在多個基因。

在事實面前，摩爾根不僅勇敢地承認自己的錯誤，并且發(fā)展了孟德爾的理論，進一步完善了遺傳學的染色體學說。但是，摩爾根雖然創(chuàng)立了基因遺傳理論，科學家們也通過許多遺傳現(xiàn)象證實了基因的存在，但他們當時卻始終未能在實踐中直接觀察到基因這一物質(zhì)。

直到今天，人們才終于搞清楚，基因是染色體上能夠完成特定生理功能的一段核苷酸序列。此外，要想清楚地看到“基因”，還需要專門的DNA測序技術(shù)。電子顯微鏡并不能直接分辨出基因，因為組成基因的核苷酸是由多個原子組成的化學基團，電子顯微鏡是不能區(qū)分出其中不同的原子并做到準確定位的。

走出深閨的DNA

研究結(jié)果表明，染色體是細胞核中容易被堿性染料染成深色的物質(zhì)，由DNA和蛋白質(zhì)兩種物質(zhì)組成。DNA作為遺傳信息的載體，主要存在于細胞核中。

20世紀50年代初，科學家沃森和克拉克提出了著名的雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA分子理論，為我們叩開了窺視基因的大門。他們的研究理論揭示了DNA分子具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，像螺旋形的梯子一樣。DNA上那些決定生物性狀的小單位，稱為“基因”?；驔Q定生物的性狀，一條染色體由一個DNA分子組成，一個DNA分子上又有許多個基因。因此，基因是DNA分子中能控制生物性狀的遺傳單位，DNA是位于染色體上的遺傳物質(zhì)，染色體是遺傳物質(zhì)的載體。

人類為了探索遺傳的根源，已經(jīng)走過了荊棘叢生的漫長道路，但探索與實踐從未終止。近百年來，隨著時代的進步，人們逐漸開始用科學的態(tài)度和方法來解釋遺傳現(xiàn)象。當初有誰會想到，在遺傳學200多年的舞臺上，生命的無窮奧秘會被這樣一波接一波地輪番演繹，而且這番演繹還在繼續(xù)……