搜索
•上海交通大学通识教育核心课程•《生命科学发展史》生命是什么？—从孟德尔的豌豆说起《HistoryofLifeScience》（一）经典遗传学（Genetics）《HistoryofLifeScience》“我无法想象它会保存下去。杂种回复到两个亲本中的一个亲本的倾向，是一种更广泛定律中的一部分，……杂交的品种和物种倾向于回复到千百代以前的祖先的性状，为什么会这样，只有上帝知道。”——达尔文《物种起源》（1859年）“在动植物里面，且不说有好几个物种，即使只有一个物种，是通过直接遗传过程从别的物种产生出来的，只有这个论点一旦成立，……那末自然的力量便不再能加以限制了，而且只要有足够的时间，大自然就能够多一个原始的类型发展出一切其他的生物种类来，这样设想应当是没有错了。”——林耐《自然系统》（1735年）林耐和达尔文的“困惑”《HistoryofLifeScience》第一个大问题：为什么大部分子女在许多方面如此象父母？而有些子女的有些方面又不象呢？《HistoryofLifeScience》关于遗传和变异的科学！遗传学（Genetics）：像：遗传(Heredity)不像：变异(Variation)《HistoryofLifeScience》孟德尔之前，已先后有科尔罗伊德（J.G.Koelreuter,1733～1806）、奈特（T.A.Knight,1759～1838）、萨特莱特（A.Sageret,1763～1851）、盖特纳（C.F.V.Gartor，1722～1850）和等科学家，至少持续了100年的植物杂交工作。孟德尔论文发表前2年，诺丁（C.Naudin,1815-1899）出版了《植物杂交新研究》，书中的许多论点及其说明同孟德尔论文极其相似。植物杂交试验《HistoryofLifeScience》孟德尔出生于奥地利的海因岑多夫（今捷克的海恩塞斯）。1840年毕业于特罗保的预科学校后进入奥尔米茨哲学院学习。1843年因家贫而辍学，同年10月到布尔诺的奥古斯丁修道院做修道士。1847年成为神父。1856年开始从事豌豆杂交试验。1865年发表《植物杂交实验》。遗传学之父:孟德尔孟德尔（GregorJohannMendel1822－1884）《HistoryofLifeScience》孟德尔第一定律：分离规律白花哪里去了？白花又出现了，而且紫花：白花=3:1？《HistoryofLifeScience》孟德尔第二定律：自由组合规律《HistoryofLifeScience》1.每株豌豆植株中的每一对性状，都是由一对“遗传因子”所控制的，遗传因子有“显性因子”和“隐性因子”之分。当控制某一对性状的一对遗传因子均为隐性因子时，植株才表现出隐性性状（如白花或绿色豆粒），其他情况下，包括一对遗传因子均为显性，或一个显性一个隐性，均表现出显性性状（如紫花或黄色豆粒）。2.当两对性状一起加以研究时,显性和隐性的基本规律仍与上面相同,但要加上一条：控制不同性状的遗传因子,在传代中各自独立,互不干扰,出现“自由组合现象”。孟德尔学说要点《HistoryofLifeScience》1900年3月26日德弗里斯（荷兰）、1900年4月24日科伦斯（德国）和1900年6月20日丘歇马克（奥地利）三位遗传学家分别发表了同孟德尔相同的论文。遗传规律重新发现HugodeVries1848-1935CarlErichCorrens1864-1933ErichvonTschermak1855-1927《HistoryofLifeScience》1.第一次明确提出“遗传因子”概念,及其控制遗传性状的若干规律：孟德尔学说意义大多数生物体通常由一对遗传因子控制同一性状。这样的生物体称为2n个体。在形成生殖细胞时，这对遗传因子分离到两个配子中去。遗传因子可以区分为显性和隐性。控制不同性状的遗传因子是各自独立的。2.提出了杂交、自交、回交等一套科学有效的遗传研究方法，来研究遗传因子的规律。3.对实验数据采用数学手段（卡方检验）进行科学统计分析。《HistoryofLifeScience》孟德尔成功的主要原因表型性状的选择-7对相对性状数学知识的运用-卡方检验兴趣和运气奥地利布隆（Brunn）修道院的花园《HistoryofLifeScience》孟德尔说的“遗传因子”是什么？接下来的问题：这些“遗传因子”在哪里？所有的性状都遵循分离规律和自由组合规律吗？《HistoryofLifeScience》基因之父：摩尔根托马斯·亨特·摩尔根(ThomasHuntMorgan，1866-1945)摩尔根美国遗传学家和胚胎学家。摩尔根在孟德尔定律基础上，创立现代遗传学的“基因理论”。1933年由于发现染色体在遗传中的作用赢得了诺贝尔生理学或医学奖。利用果蝇发现了染色体是基因的载体，确立了伴性遗传规律。建立了遗传学第三定律：连锁交换定律。把400多种突变基因定位在染色体上，制成染色体图谱，即基因的连锁图。1926年出版了《基因论》专著，具体而明确地描述了基因这一遗传学基本概念。《HistoryofLifeScience》果蝇有4对（8条）染色体【豌豆有7对（14条）染色体】《HistoryofLifeScience》野生型-灰身、红眼突变型-黄身突变型-白眼果蝇有400多种形态突变型突变型-短翅突变型-卷翅《HistoryofLifeScience》摩尔根：假定基因B和V同处于一条染色体上，基因b和v同处于同源染色体的另一条染色体上。连锁(linkage)：处于同一条染色体上的基因遗传时较多地联系在一起的现象。卡尔文·布里奇斯（CalvinBBridges.1889－1938）♀灰长×♂黑残BBVVbbvv♀灰长BbVv×♂黑残bbvv灰长黑残灰残黑长BbVvbbvvBbvvbbVv0.42︰0.42︰0.08︰0.08孟德尔：0.25:0.25:0.25:0.25布里奇斯出生于纽约，1909年进入哥伦比亚大学学习，在这里结识了著名遗传学家摩尔根。1910年摩尔根任命他为实验室助手，研究黑腹果蝇的基因，在Morgan的研究小组里，他发明了观察果蝇的新仪器和能够更清楚分辨染色体技术。《HistoryofLifeScience》遗传第三定律：连锁互换定律完全连锁（孟德尔式遗传）50%:50%42%：8%：8%：42%不完全连锁（摩尔根式遗传）《HistoryofLifeScience》完全连锁（孟德尔式遗传）不完全连锁（摩尔根式遗传）《HistoryofLifeScience》BvbVBVbvbvBV重组型配子亲本型配子《HistoryofLifeScience》1931年,McClintock和她的女博士生B.Creighton以玉米为材料进行了一项试验，为染色体交换导致遗传重组提供了第一个有力的证据。芭芭拉·麦克林托克BarbaraMcClintock发现染色体上基因重组19世纪下半叶到20世纪上半叶，遗传学界有三位伟大的科学家，他们的姓氏都以字母M开头。他们就是众所周知的孟德尔(GregorJohannMendel、摩尔根(ThomasHuntMorgan)和麦克林托克(BarbaraMcClintock)。1983年，81岁高龄的麦克林托克由于发现了可移动的遗传物质“转座子”而获得了诺贝尔生理学或医学奖。《HistoryofLifeScience》CurtJacobStern(1902-1981)德国遗传学家在B.Creighton和McClintock的结果发表没几周，C.Stern又发表了果蝇实验的证据。《HistoryofLifeScience》伴性遗传性染色体上的基因，其遗传方式是与性别相联系的。这种遗传方式叫伴性遗传。伴X显性：抗VD佝偻病伴X隐性：红绿色盲、血友病、先天性白内障伴Y遗传病：外耳道多毛症《HistoryofLifeScience》果蝇眼色基因W/w的遗传果蝇眼色：红眼(W)对白眼(w)为显性P：红眼(♀)×白眼(♂)↓F1：红眼(♀)×红眼(♂)↓F2：¾红眼:¼白眼(♀/♂)(♂)解释：眼色基因(W,w)位于X染色体上，而Y染色体上没有决定眼色的基因，XwY的表现型为白眼。《HistoryofLifeScience》人类的色盲遗传是性连锁的，已知控制色盲的基因是隐性c，位于X染色体上，Y上不携带其等位基因。人类色盲遗传XCXC,XCXc,XCY不色盲XcXc色盲XcY色盲如果母亲色盲而父亲正常，则儿子必是色盲，女儿表现正常。如果父亲色盲而母亲正常，则儿女均表现正常。《HistoryofLifeScience》卢花鸡毛色遗传卢花基因B对非卢花基因b为显性，Bb这对基因位于z染色体上而W染色体上不含有它的等位基因。以雌芦花鸡(ZBW)与非芦花鸡雄(ZbZb)杂交，F1公鸡的羽毛全是芦花，而母鸡如果进行反交,以非芦花雌鸡(ZbW)作母本与芦花雄鸡(ZBZB)杂交，F1公鸡和母鸡的羽毛全是芦花。(如图)《HistoryofLifeScience》个体的性状符合3大规律，在群体水平又如何呢？三大遗传规律符合所有的性状吗？群体遗传学数量遗传学第3个问题：《HistoryofLifeScience》GHHardy1877-1947WilhelmWeinberg18621937英国数学家哈代(G.H.Hardy,1877—1947)和德国医生温伯格(W.Weinberg,1862—1937)分别于1908年和1909年独立证明,如果一个种群符合下列条件:群体遗传平衡定律1.种群是极大的；2.种群个体间的交配是随机的,也就是说种群中每一个个体与种群中其他个体的交配机会是相等的；3.没有突变产生；4.种群之间不存在个体的迁移或基因交流；5.没有选择。那么,这个种群的基因频率(包括基因型频率)就可以一代代稳定不变,保持平衡。这就是遗传平衡定律,也称哈代—温伯格定律。《HistoryofLifeScience》设：在一个随机交配群内（即一个个体与群体内其它个体交配机会相等），基因A1与A2的频率分别为p1和p2（p1+p2=1）三个基因型的频率为：P11=p12,P12=2p1p2,P22=p22《HistoryofLifeScience》《HistoryofLifeScience》《HistoryofLifeScience》《HistoryofLifeScience》什么条件下群体（基因频率）发生改变呢？1.突变设：A1→A2为正突变，速率为u；A2→A1为反突变，速率为v。高等生物中在自然状态下,大约十万个到一亿个生殖细胞中,才会有一个生殖细胞发生基因突变,突变率是10-8到10-5。《HistoryofLifeScience》2.选择自然选择《HistoryofLifeScience》人工选择《HistoryofLifeScience》3.遗传漂变在一个小群体内，每代从基因库中抽样形成下一代个体的配子时，会产生较大误差，由这种误差引起群体基因频率的偶然变化。例如，太平洋东卡罗林岛中有5%的人患先天性失明。据调查，在18世纪末，因台风侵袭，岛上只剩30人，由他们繁殖成今天1600余人的小群体，这5%的失明，可能只是最初30人建立者的某一个人是携带者，其基因频率q=1/60=0.016。经若干世代的隔离繁殖，q很快上升至0.22，这就是“建立者效应”（foundereffect）。《HistoryofLifeScience》4.迁移（transference）：指在一个大群体内，由于每代有一部分个体新迁入导致其基因频率的变化的现象。《HistoryofLifeScience》5.隔离：《HistoryofLifeScience》RonaldAylmerFisher1890-1962费歇尔在大学读的是数学和物理专业，1912年剑桥大学获得数学学士学位。先后到罗森斯坦研究站、伦敦大学学院、剑桥大学从事专业研究，致力于从数学上证明孟德尔遗传定律不仅不与自然选择学说相冲突，而且正是达尔文进化论所需要的遗传理论。他的这些研究成果1