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60年前,“祖父悖论”被一群癞蛤蟆打破了
朱洗(1900.10.14-1962.7.24),实验生物学家,中国细胞生物学和实验生物学的创始人与奠基人之一。曾任上海生物研究所研究员、主任,1962年于上海去世。
六十年前的那个三月,在朱洗教授和助手们的不懈努力之下,世界上第一批“没有外祖父的蟾蜍”在中国科学院实验生物研究所诞生。
本文将追溯这些蟾蜍的“前世今生”,讲述朱洗教授的伟大成就。
01
自然界中的单性生殖
人类对科学的研究时常始于观察。在公元前4世纪,古希腊哲学家亚里士多德就观察到了单性生殖相关的现象。
蜜蜂的生殖的确很难了解。倘若有若干种鱼类,不需要交合便能直接产生小鱼,则蜜蜂里又仿佛有类似的现象,至少在表面上是如此的。
——《动物志》
十八世纪,日内瓦自然主义哲学家查尔斯· 博内(Charles Bonnet)在老师列奥米尔(Réaumur)的指导下,成为最早观察到蚜虫单性生殖的人之一。
图片:博内与列奥米尔
图源:wiki
十九世纪前半段,其他科学家们也相继在蜜蜂、轮虫、水蚤、鳞翅类等生物上观察到了单性生殖。
1856年,德国动物学家西博尔德(Karl Theodor Ernst von Siebold),在他的专著中首次创立了单性生殖的定义:雌性生殖器官完全发达的个体所产下的卵,不经受精也能发育成个体。
然而那时,人们只观察到了现象,并没有足够的理论体系来解释单性生殖的过程。
后来,德国生物学家奥古斯特· 魏斯曼(August Weismann)通过对水蚤的研究,从细胞学层面发现了用于单性生殖的卵细胞和用于有性生殖(精卵结合)的卵细胞有所不同——单性生殖的卵细胞减数分裂时只进行一次分裂,只抛弃一个极体。
左边是精子的减数分裂,右边是卵子的减数分裂
可以简单理解为:魏斯曼观察到的单性生殖的卵细胞缺乏绿框内的第二次分裂过程。尽管并不是自然界中所有单性生殖的动物都有这一现象(例如:蚂蚁就进行正常的卵细胞减数分裂),但是魏斯曼的发现依然是科学的进步。
02
人工单性生殖
人类好奇心带来的尝试总是势不可挡的。早在十八世纪,博内观察到单性生殖时,他的好友意大利生理学家斯帕兰札尼(Lazzaro Spallanzani)就企图在蛙类上研究人工单性生殖——用物理、化学的刺激代替精子,让蛙卵单独发育完成单性生殖。
斯帕兰札尼
受当时认知与科学技术的限制,结果是一连串失败的尝试。但是,后来发现:斯帕兰札尼使用的一些工具(醋酸,电击与血液等),如果运用得当,的确能刺激一些物种的卵细胞进行单性生殖。
在蛙类上的单性生殖研究始于1910年法国生物学家巴德荣(Jean Eugène Bataillon)的实验。当时,他使用的方法简单到不可思议,就是拿极细的玻璃丝(约20微米)去刺一下蛙卵。结果竟然只是这么一戳,一部分蛙卵便开始像受精卵一样分裂、发育。
巴德荣自己都觉得这里面另有蹊跷。经过后续一系列研究,他终于发现是取出蛙卵时沾在外表的血液在作祟——针刺后,部分血细胞进入卵子,替代精子的作用使得蛙卵开始发育。
蛙卵正式受精(左列卵子)与血细胞刺激诱发的单性生殖(右列卵子)之间的区别
朱洗绘制
巴德荣当时刺了10000个蛙卵,得到120只蝌蚪。其中,有3只活到开始变态时期(即开始长腿、掉尾巴变成幼蛙的阶段),但没有一只熬过这个时期。
1925年冬天,考上巴黎蒙伯利埃大学的朱洗先生,师从巴德荣教授学习生物学。他在实验室刺了37000个蛙卵,得到130只蝌蚪。其中,5只顺利变态发育成了幼蛙,但只有1只活了5个月。
朱洗先生在实验室
图源:《工作就是生活,缅怀朱洗老师》
学成归国后,朱洗继续在蛙类单性生殖这一课题上深入研究,不断改进实验。他在1959年发表的论文中总结道:
前人在蟾蜍的卵上,做过人工单性生殖;他们所以没有得到好结果,没有得到蚪主要是缘于:1)卵带上的胶膜太厚,注射血球确有困难;2) 所用的针或许太粗一些,伤损了卵内有关造形物质的安排。
……
单倍体的蝌蚪数目较多,都缺乏生活カ:出膜不久,陆续死亡;最长命的也仅活 12 天。只有少数双倍体的能够和受过精的対照组中的一样,顺利成长。我们尚有两只身材中等的无父蟾蜍,它们已经生活了八个多月,都属雌性。
1960年,朱洗和他的助手王幽兰一共针刺了40140颗蛙卵,得到167只蝌蚪。其中,有25只经过变态成为小蟾蜍,最后有2只长到成体(都是雌性)。
其中1只蟾蜍在1961年3月从冬眠中苏醒后,经过注射脑垂腺激素,正常与雄性蟾蜍抱对。它在36小时之后,顺利产出3000多颗卵球。这些卵球发育良好,共得到“没有外祖父”的蟾蜍800多只。这是世界首次证明单性生殖的蛙类仍能繁育后代。
这项单性生殖实验为后来很多胚胎学、细胞学上的技术(例如:克隆与胚胎干细胞)奠定了基础。
03
科学教导人类
从前人类创造科学,今天科学教导人类。
——朱洗
朱洗的毕生心血大都用在了研究上,但他一直是善用时间的高手,在科研之外,他的一大爱好便是写科普。在朱洗的心中,科学研究固然重要,但科学普及同样举足轻重,自回国后他就一直致力于向大众通俗地讲述艰深的科学知识,一生写下400余万字的科普作品。
“世界上是先有鸡还是先有蛋?最初的人类从何而来?动物雌雄如何决定?什么是心智?爱情的因果原因在哪里?”
朱洗先生从这些能引起大家兴趣的问题说起,以基于论文与专著的严谨知识为背景,配合优雅文笔,写出了一整套集合生物学、人类学、心理学等多学科,又充满文学性与哲思的科普著作。在朱洗的众多科普读物中,最令人称赞的当属《现代生物学丛书》,对于上文那些稀奇古怪的问题,你都可以在这套书中找到答案。
文化生活出版社出版的《现代生物学丛书》之第二册《我们的祖先》
朱洗先生的部分科普著作
他在这套名为《现代生物学丛书》的著作总序中写道:
本丛书编辑的目的是要使学术大众化,要把那些深藏于实验室、专门著作、图书馆和博物馆里的生物知识,循着发展的次序,由浅而深,由简而繁,用畅达明确的文笔,写成系统丛书,可作青年学生的课外读物,亦为其它科学所不可少的参考书。
从中可以看出,在解放前的蛮荒年代里,朱洗先生一直都坚持着他对发展科学、普及科学的理想,并为此投入了全部的生命。
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