受精作用的发现

15.2 性别和受精作用的意义

《生物学思想发展的历史》 恩斯特·迈尔著 涂长晟等译 https://www.tuenhai.com 整理

动物有两种性别太古时就知道,因为由人类类推这是必然的。植物的性别则很晚才发现,至少就其几乎普遍存在来说是如此。事实上在某些雌雄异株的植物(即某一个体只有雄花、另一个体只有雌花的植物物种)中性别是相当明显的,古亚述人在用雄性枣椰树散发的花粉给雌性树授精时就是运用这种知识(见第十三章)

中世纪以后,N.Grew(1672)推测花粉可能就是受精作用的动因。然而只是到了R.J.Camerarius(1665-1721)发表了他的书信式论文《植物的性别》(De Sexu PlantarumEpistola,1694)之后,植物的有性生殖才被明确认定。他通过试验发现花药是雄性器官,并强调花粉是受精作用所必需的。Camerarius充分意识到植物有性繁殖和动物有性繁殖完全相同。他就受精作用中花粉粒的确切功能提出过一些非常深刻的问题:“最好是……我们能够从使用显微镜的人那里弄清楚花粉粒的内含物是什么,它们进到雌性性器官有多远,它们到达种子(精子)被接受的地方是否完整的,当它们破裂时放出什么东西”(1694:30)。这一挑战后来被克尔路德和其他杂交家接受了下来,但是直到Amici,Hofmeister,Pringsheim才充分研究清楚(从1836年到1856年,见Hughes,1959,及下文)

Camerarius还认识到风在传粉中的作用以及在某些情况下传粉作用虽然受阻但种子仍然能固着。他的《植物的性别》这篇论文在他的同时代人中发生了重要作用,促进了18世纪实验性植物杂交的研究工作,并在林奈和克尔路德的著作中集其大成(见第十四章及Zirkle,1935)。然而植物的性别直到19世纪还仍然被普遍怀疑

甚至克尔路德和林条也并没有足够地强调植物中有性繁殖的普遍性以及在大多植物种中异花授粉的绝对必要性。有“花”的植物(一般门外汉所理解的)一律由动物传粉这一点当时也不是被普遍接受的。1795年Christian Konrad Sprengel (1750-1816)发表了关于花由昆虫传粉的经典性著作,其中强调了上述各点,然而他的著作远远超越了当时的正统思想和兴趣,所以几乎完全被忽视了。这本著作中最值得注意的是sprengel详细描述了花与昆虫之间的多种互相适应以促进异花受精或使自花受精成为不可能。这是第一本“花的升物学”,达尔文对之作了应得的评价(《物种起源》:98;1862)。从SPrensel的著作可以作出的明显推论是,有性繁殖物种中的个体不定模式(类型)或纯系(Pure lines)而是种群中的成员,然而这种推论直到一百多年以后才作出

受精作用的实质

自从细胞学说建立后,很明显人们将会提出这一学说对精子和卵是否也适用的问题。就精子而言,这一点很快就做到了,虽然冯贝尔仍然认为精子是存在于精液中的寄生性蠕虫,但Kolliker早在1841年就已指出它们是细胞而且可以通过研究精子发生来证明。就卵来说事态的发展就慢得多。虽然冯贝尔在1827年就发现了哺乳类的卵、Purkinje在1830年发现了卵巢卵的大核(他将之称为胚胞),但是他们都不了解这些结构的细胞本质。只是到了1852年Remak才指明蛙卵是一个单细胞,Gegenbaur于1861年(通过证明卵黄料并不是细胞)便将这一结论扩大到所有脊椎动物的卵

从现代反思,人们可能会想,只要一旦认识到卵和精子都是细胞则动物受精作用的本质就会很快推想出来。当然,人们会说,受精作用就是这两种生殖细胞融合产生新的个体。然而事实上却花了几十年时间才取得这种认识

根据克尔路德、Amici、孟德尔以及其他人的观察,在植物受粉上本来也应当得出相同结论。从1824年到1873年之间一个又一个暗示性的观察接踵而来,然而不是被忽视就是被解释得面目全非、与观察显然矛盾。甚至晚到1840年,像许耐登这样进步的植物学家还怀疑植物的性别。为什么受精现象在这样长的一段时间内这样难于解释?

这有很多原因,然而最重要的一个原因,也许是这现象既属于功能升物学又属于进化升物学范畴:

  • 胚胎学家对未受精的卵可能长期处于不活动状态、只有受精后才开始发育这种事实印象极深。因而他们认为精子只具有机械作用,相当于将硬币投入自动电唱机(Juke box)中;这在非常少见的假受精(psecudogamy)现象中确实如此
  • 与此相对映的是,对遗传感兴趣的学者则把受精作用看作是父本与母本的遗传特质互相混合的过程。因此,对受精作用的意义既然有不同的解释,使很自然地各自采用了完全不同的解释模式

受精作用具有双重意义,而且这两种对立的解释又都是正确的。对这两点一直到19世纪的最后20年才充分认识清楚

鉴于有关受精作用的争议是升物学史上最值得注意的事态之一并且造成了研究近期原因和终极原因的学者直接对峙的局面,所以对相互对立的论点作一简短的评述是值得的

尽管在某些细节上有所不同,但是从古希腊到19世纪早期的各种受精作用学说都假定母本提供一个单位、多少是均匀一致的物质,后来称为“卵”,而父本则供应能促使卵发育的某种力量,包括精神、热度、或某种物理力或活力。晚到1764年Wolff仍然以为花粉和动物精子只是促进胚的生长和发育所必需的高级营养。即便冯贝尔的言论(1828)也具有浓厚的亚里斯多德气息。按亚里斯多德的观点,母本提供物质,父本提供动因,形式原因和最终原因

Bonnet于174o年发现蚜虫的卵即使在没有雄蚜虫存在时也能发育成长(单性生殖)。这一事实似乎证实了上面的解释。很明显,卵的发育潜力可以由雌体本身所发挥的某种繁殖力诱发。对Bonnet的同时代人来说,这“发现是令人震惊的,然而19世纪的研究指陈这种“无配子生殖”(virgin birth)在动物界相当普遍,或者是季节性现象(如蚜虫和轮虫),或者是永久性的(ChurChill,1979)。19世纪40年代在膜翅目昆虫中发现了一种特殊形式的单性生殖——产雄单性生殖(arrhenotoky)。在这种形式中未受精的卵产生单倍体的雄性后代。发现这一特殊形式的是孟德尔的同时代人JohannDzierzon,他和孟德尔都是奥地利西里西亚地区人,后来又都成为天主教神父,他还是一个养蜂家。他运用创造性的杂交试验(德国峰与意大利峰杂交)证实了雄峰是由未受精的卵形成,从而充实了他的假说(1845)

在植物界中更普遍存在的、类似于单性生殖的是无配生殖(apomixia),在遗传学早期曾一度引起不少的思想混乱(见第十六章,孟德尔的山柳菊杂交试验)。单性生殖作为进化策略的特殊作用近年来引起了普遍关注

在升物学史中经常可以见到某些问题时起时伏,受精作用这个问题也是如此。自Camerarius,Sprengel,克尔路德等开拓了新的局面后,它在19世纪的前20几年又显得很沉寂。19世纪三四十年代,当它再度受到重视时正值物理主义盛行。按德国化学家李比希的观点,一切化学反应取决于由两种物质及其组成微粒密切接触而引起的分子碰撞(Coleman,1965)。T.L.W.Bisc hoff将之运用到受精问题上并说得更明确:“精液通过某种催化力量在接触时起作用,也就是说,它经由内部运动构成了某种特殊形式的物质传给卵……在卵中它也引起相同或类似的原子的改组”( 1847)

当时并没有考虑到精子要穿入卵以及精子活动的总效应。一切现象都是由于“分子激发”(molecular excitation)。这种解释和当时流行于施旺、du Bois-Rermond、Ludwig学派的机械还原论观点非常合拍并几乎被普遍接受。这一学说的主要支持者之一是著名的形态学家西斯(Wilhelm His),他要求将一切升物现象还原成化学、数学,最重要的是机械力学。“受精卵含有促进生长的激发(excitation)。来自父本和母本的遗传传递的全部内容都在这激发中。所传递的并不是形体,也不是特殊的形成形体的材料,而仅仅是引起形成形体生长的激发,不是性状本而是身发育过程的开端”。(1874:152)。His的观点大大影响了他的外甥米歇尔,这是升物学和升物化学的一个悲剧。这是米歇尔完全未抓住他本人发现核酸的重要意义的部分原因(见第十九章)。迟至1899年J.Loeb还仍然能够写出下面的话:“精子中的离子,而不是核素,是受精过程所必需的。”

由于对受精作用的物理性解释的强大影响,一批又一批观察结果被人们忽视,即便是这些观察与还原论者的解释完全矛盾或者至少证明了还原论者的解释所提供的只能部分地说明问题。现在让我们回顾一下最后解开受精作用这个谜的一些发现的历史

受精过程

第一个要回答的问题是,实现受精作用的究竟是作为整体的精液还是精液中的精子。早在18世纪80年代,斯帕兰查尼(L.Spallanzani)所进行的实验本应使他作出正确答案,但实际上并非如此。他将雄蛙系上小兜(这小兜能让部分精液透过但精子则不能),这样的雄蛙并不能使和它们交配的雌蛙的卵受精。1824年两位瑞士生理学家J.L.Prevost和J.B.Dumas发表了关于蛙的一系列有创见的和决定性实验的结果,这些结果无可置疑地证明了精子是使卵受精的要素,精液只是精子的载体。1843年M.Barrx用兔作实验、1851年G.Newport用蛙作实验,都指出受精卵内有精子存在,然而他们也都没有观察精子是怎样进入卵并确定它们随后的下落。因此他们的观察发现并不能动摇受精的物理学说。1854年Thuret发现墨角藻(Fucus)的具有纤毛的游动精子将卵包围并进人卵中。他运用这一观察结果甚至还能进行人工授精

1856年N.Pringsheim通过对淡水藻Oedogonium的观察研究,就受精过程作出决定性结论。他实际观察到雄配子进入雌性的胚珠并由之作出了下面的正确结论:新个体的第一个细胞(合子)是由雄配子与卵细胞融合而成;受精作用只要一个游动精子就能完成。由于隐花植物的性别当时还有争论,尽管Pringsheim的论证具有决定意义也仍然被忽视了。当19世纪五六十年代有些学者强调由好多个花粉粒授精所产生的幼胚形成的植物具有更旺盛的活力,因而事态的发展对Pringsheim的结论也并不有利

正是孟德尔(给内格里的信,1870年7月3日)试图反驳“达尔文的观点,也就是说要使卵细胞受精一个花粉粒是不够的”(达尔文的观点主要是由于误解了淖丁的研究工作,后者实际上已接受了“一个花粉粒”假说)。孟德尔采用紫茉莉(Mirabilis jalappa)进行试验,取得了由单个花粉粒授精的18个发育良好的种子。“大部分植株(由这些种子经栽培而成)和自由自花受精的植株具有同样的活力。”这就无可置疑地解决了这个问题;遗憾的是,由于Nageli对这个问题不感兴趣,这封信直到1935年才发表(Correns,1905)

就在同一时期其他研究工作者阐明了植物受精过程中的各个步骤。1823年J.B.Amici观察到一个游离的花粉粒是怎样长出花粉管,1846年他又证明当花粉管到达后胚珠中的卵细胞受到刺激并发育成胚。他和Hofmeister(1849年证实了这些步骤)竟然都没有考虑花粉管的功能!

植物学家在19世纪前半期充当了细胞研究的先锋。但是大致在1850年以后由于有了适当的组织固定方法,动物细胞学者便取得了领先地位。动物细胞中没有细胞壁因而更容易集中精力研究细胞核及其在细胞分裂时的变化。另外,受精作用也不会由于花粉管、胚囊等的存在而复杂化

自从Kolliker和Gegenbauer证实了卵和精子都是细胞,而且细胞被重新定义为由位于原生质中的细胞核共同构成以后,提到细胞学家和升物学家面前的问题便是:当精子进人卵后,卵子和精子的核、卵子和精子的原生质都发生了一些什么变化?

1850年以后的25年期间关于受精作用的两种观点可以认为是下面两种学说的反映:接触学说和融合学说。物理主义者把受精作用看作是激发的传递,认为受精作用的真谛仅仅是卵子和精子的接触;如果只注意受精卵分裂的开端(即近期原因),这便是一种合理的解释。然而为了接受这仅仅是交换激发就能说明新生个体具有父本和母本特征的论点,就要求人们轻于相信而且对终极原因丝毫不感兴趣。这种观点的对立面(融合学说)由于对受精过程日益精细的显微镜分析结果而逐渐占上风。最后,物理主义者的接触学说便被放弃

细胞核的功能

虽然当时已普遍认识到精子主要由核质组成,但是细胞核才真正是受精作用的关键因素的这一结论并未被普遍接受。这种犹豫不决的原因是由于当时一致认为精子一且进入卵中便被溶解。事实上有些学者在受精不久的卵中发现了两个细胞核,有一位学者甚至观察到这两个核的融合现象,然而他们并不了解其中有一个是由精子重新转变成的核

有两项技术或方法上的进展大大有利于问题的最后解决。其中之一是认识到哺乳类和鸟类的卵不适于受精作用的研究,因而动物学家就采用很多其他种类升物的卵进行试验,终于发现根据所需要解决的问题(如受精作用,有丝分裂、染色体连续性)可以采用更为适合的某些其他物种作试验材料。另一项甚至更为重要的是显微技术的迅速发展

显微镜及其透镜不断地改进,最后于1870年产生了油浸透镜。西斯发明了切片机(1866年左右),在后来的年代中新式切片机能制备更薄的切片。还发明了固定各种升物材料的新方法。最后,苯胺染料的发明产生了各式各样的染色,其中有很多对特定的细胞成分或分子具有高度特异性的亲和力。这些技术上的进展至少把显微镜观察细节的能力提高了一个数量级

Butschli(1873;1875)及Auerbach(1874)对线虫的研究、Schneider(1873)对一种扁形动物的研究也许是首次观察并了解到合子(受精卵)的核是由卵的核和一个来自精子的核融合后形成,但是他们的多少带有偶然性的观察并没有受到应有的重视。赫特维克才最终地论证了受精作用的实质。他于1875年春采用当时最先进的设备研究地中海海胆(Toxopneustes lividus)的受精过程。这种海胆的卵很小,卵黄极少,即使高度放大时也是透明的。卵和精子都很容易保存、固定和染色。赫特维克明确无误地证明了在刚受精后的卵中所观察到的第二个核是来自精子。他还指出受精作用只需要一个精子。最后他表明精子的核和卵子的核合二而一并通过分裂产生发育着的胚胎所有的细胞核。受精卵(合子)的核从不消失,在受精卵与新发育的升物有机体的全部细胞核之间具有完整的连续性,这一点原先已由Schneider,Butschli等指出过。弗莱明曾将这种现象用非常简洁的语言“细胞核来自细胞核”(Omnis nucleus enucleo)来表达

19世纪70年代和80年代早期细胞学研究的势头是科学的任何其他领城都比不上的。“当时的一些著名细胞学家(其中大多数在德国的实验室中工作)在一年之内发表七篇论文的并非少见”(Hughes,1959:61)。赫特维克的报告(1876)中还有某些错误因而并没有立即被研究受精作用的其他著名学者所接受(见专家文献中van Beneden与Strasburger的声明)。但是这些错误很快就被更正,赫特维克观察的正确性也由Hermann Fol(1845-1892)的卓越研究证实。Fol正确地描述了卵细胞核的两次成熟分裂(见下)并凭藉极大的毅力观察了精子进入卵的真实过程。他完全证实了雄性核与雌性核互相融合并形成新升物有机体全部细胞的细胞核,这和赫特维克的观察完全相符。Fol通过实验手段使一个卵同时被几个精子授精,并揭示这种过程总是引起不正常的分裂和不能生存的幼体。受精作用毫无例外地总是由单个精子实现(Pol,1879)从而证实了孟德尔在植物中的观察研究结果。自此以后几乎所有研究动、植物受精作用的学者都同意细胞核的融合是这种作用的决定性因素

这些发现彻底否定了物理主义者所声称的传递激发是受精作用的精髓的论点。自然的和由化学诱发的单性生殖确实证明了无须受精就能引起卵的分裂。然而真正的受精作用毫无例外地始终是雌、雄配子的细胞核中所含物质的互相混合。接受这一结论只不过是反对19世纪后半期物理主义信条的一种表现。对力、运动、数量的过分重视和相当起麻痹作用的先入为主偏见被对形体、性质的重要性日益深入的认识所取代。大致在同一时期在化学领域中也发生了类似的思想解放(Fruton,1972)。然而在 19世纪70年代对“力”的迷信还是如此顽固以致许多细胞学家对细胞的“运动器”,星体(aster)和纺锤丝比对细胞核和染色体更加注意。另外一些细胞学家则清楚地认识到物质的混合是受精作用的真正本质,这种见解引出了一系列完全新的问题,将在下一节介绍。最重要的是,它鼓励,实际也是要求,研究细胞和细胞核的显微结构

任何人生疑惑,请找 海云青飞 https://www.tuenhai.com