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遺傳學史上基因概念之發展

第二章 文獻探討

第二節 遺傳學史上基因概念之發展

遺傳學中所包含的各個概念是難以切割開來獨立學習的,它們彼 此相互關聯、依存,形成複雜的關係,基因的概念則是遺傳學最核心

的概念之一,也涉及遺傳學大部分的概念,可是基因的概念本身卻也 是最不明確的,包含有多元意義。而許多研究者也都提及,學生產生 遺傳學另有概念,是因為無法將遺傳學中各種概念作出有意義的連結 (楊坤原和張賴妙理, 2004)。

以下將針對兩個部份作說明,分別是:基因在遺傳學史上的發 展、基因相關概念的多元意義。

一、基因在遺傳學史上的發展

基因(gene)一詞是在 1909 年由 Jonannsen 提出,但早在數千年前這 個概念就被不同的科學家提及,並賦予不同的意義。在孟德爾的研究 出現之前,也有不少科學家做了相關的遺傳實驗,但大都未將焦點集 中在某一特徵也沒有具體的統計方式,因此缺乏引人注目的成果。

Falk(1986)以孟德爾為遺傳學基因概念的正式起始,提出基因概念 在歷史上的發展與演進過程:由最早的工具的基因、後來的物質的基 因、然後是 DNA 基因、到最後的費解的基因。最早的「工具的基因」

的概念,指的是從 1865 年孟德爾的遺傳法則中提出的概念開始,認 為基因是「能夠決定遺傳單一性狀的這個東西」,甚至不知道到底是 不是物質。因為起初遺傳學只談外表相似的性狀,而不像後來談造成 這種相似背後的機制,但性狀的遺傳是有變異性的,因此必須要假設

在性狀的背後還有其他的事物在控制著,而推測出基因的存在。所以 基因其實是個工具,是決定性狀、計算遺傳法則的工具,故稱之為工 具的基因。而 Morgan 從 1908 年開始做果蠅實驗,他的實驗證實了基 因與染色體的關係,從此基因成為位於染色體上的物質實體,基因概 念的意義變成「物質的基因」。1940 年代 Muller 歸納分析「基因的定 義」包括:互換的單位、斷裂單位、突變和功能的單位、複製的單位。

可見,即使基因已有物質的意義,但當時基因仍然只是一個理論的、

假設的、功能的單位,它在不同需要下被賦予了不同的角色,包含功 能概念、互換概念、突變概念等。接著,1953 年,Watson 跟 Crick 提 出 DNA 雙股螺旋模型,科學家從此瞭解基因的物質本體是 DNA,基 因是轉譯出蛋白質的 DNA 分子的一個片段,因而將此時的基因概念 稱之為「DNA 基因」。但科學家發現,基因的表現很複雜,越研究就 越沒有辦法清楚的下定義,所以近期基因的概念變得十分模糊,稱為

「費解的基因」,代表進入分子遺傳學時代後,基因概念變得令人迷 惑。

此外,Gericke 等人(2007)按照遺傳學歷史演進,將基因的概念做 更詳細的區分,描述出按歷史時間順序產生的五種不同基因功能模式 (model):分別是孟德爾模式(Mendelian model)、古典模式(Classical model)、生化-古典模式(Biochemical-Classical model)、新古典模式

(Neoclassical model)與現代模式(Modern model)。在每個模式中,基因 的結構和物質本體、基因在有機體層次如何使用、基因和其他遺傳學 概念之間的關係、以及基因本體對其特性的影響都有所不同:

在「孟德爾模式(Mendelian model)」中,沒有區分表現型和基因型,

基因直接連結到表現型,基因這個專有名詞只描述了單位而不暗示任 何組成或結構。Morgan 和 Sturtevant 藉由果蠅的 cross-over 做出了染色 體上的基因地圖後,物質的基因概念使基因型和表現型被嚴格的區分 開,開啟了「古典模式(Classical model)」。基因地圖將染色體描繪為一 串珠子,上面每一顆珠子代表一個不同的基因,每個基因被認為是彼 此獨立與鄰近基因無關的,並且有其在染色體上的固定位置。同時,

基因被解釋為一個不可分割的遺傳傳遞、重組、突變和功能單位。接 著,1940 年代,開始研究生化路徑,並發現這些路徑包含一系列編好 的化學步驟,每一個步驟都由一個基因控制,進入「生化-古典模式 (Biochemical-Classical model)」。至此,基因之間開始產生關聯,而遺 傳學的重點轉移到基因一般性的功能運作以及個體特殊的發展過 程。1941 年 Tatum 針對基因功能提出「一個基因,一個酵素」的假說,

至今科學界仍認若以微生物基因而論,則這個假說基本上正確的。但 是,當時的概念並無法解釋生化路徑的本質,因為上述發現是屬於生 化和分子遺傳學的領域,但當時的科學家使用的卻是古典遺傳學的概

念工具。當 1953 年 Watson 跟 Crick 提出 DNA 的結構模型時,進入「新 古典模式(Neoclassical model)」。基因的概念有所改變,因為 DNA 就是 基因的物質基礎,且會自動複製與裝載資訊,由此可知基因本身不會 進入發育的路徑,DNA 只是當作一組指令而已。討論的焦點轉移到 攜帶密碼與資訊的基因,但這也暗示著只有 DNA 有影響力,遺忘了 基因對細胞情境必要的依賴(Fox-Keller 2000)。1970 年代以後對基因功 能的研究,增加了很多反常的異例,科學家們發現新古典模式無法滿 足的解釋高等真核生物的遺傳現象,至此進入新的「現代模式(Modern model)」。啟動基因表現的機制非常複雜,基因也不只製造單一的 mRNA。此外基因也並非簡單的線狀排列在一起、更不是位於染色體 上的固定位置,因為某些 DNA 序列是可動的,還可能含有巢狀基因。

每個基因可能包含一個或多個 DNA 片段,而且還會相互調節基因的 傳遞和表現。因此,在這個模式中,提及基因不再談論其為分離的物 質單位,而完全注重在功能。而在此的功能並非只是指製造多肽,而 是視基因的各種功能而定,可能是製造酵素的基因、可能是調控基 因、可能只是產生 mRNA 的基因等等,甚至有時將基因當作資訊傳 遞的過程看待。在現代模式的觀點,基因和其功能更開放而複雜,不 再是一個真實而一般的描述,相反的,是不同科學家就會有不同的意 義。

二、基因相關概念的多元意義

若按照遺傳學的發展而論,Falk(1986)將遺傳學分為兩個不同的世 代:以 1953 年 Watson 跟 Crick 提出 DNA 雙螺旋為分際,在此之前歸 為以孟德爾遺傳法則為主的古典遺傳學世代;在此之後則進入以 DNA、RNA 與蛋白質三者的關係成為中心的分子遺傳學世代。這兩 個不同世代,對基因概念有著全然迥異的定義(Falk, 1986)。而既然基 因概念是遺傳學概念的核心,並且與遺傳學中其他概念息息相關、彼 此緊密關聯、交織成複雜的概念結構,所以基因概念的意義有所變化 時,遺傳學中其他概念的意義當然也隨之改變,至此,造成了整個遺 傳學中基因相關概念的多元意義。

本研究中將基因相關概念區分為四個大項目:「基因概念」、「基 因物質」、「基因與表現」、「基因決定論」,在此將針對這四個基因相 關概念在古典遺傳學與分子遺傳學中所代表的意義與其中的差異作 說明。

第一,關於基因的概念:在古典遺傳學以及分子遺傳學中就有極 大的不同。古典遺傳學起源於孟德爾,而在孟德爾的時代是看不見基 因本體的。當時所稱的基因(遺傳因子),是孟德爾先看見了一個性狀,

反推回去假設有個基因決定了這個性狀(Lewis, 2004),而基因的定義

便是遵循孟德爾法則、決定單一性狀的分離單位(Venville et al., 2005)。但相對於古典遺傳學中基因概念明確的定義,到了分子遺傳 學的世代,基因的概念卻變得模糊不清。當科學家們對基因研究得越 多、瞭解得越深,基因就逐漸的失去它簡單明遼的意義,而變得鬆散 了。基因概念開始解構,對於何謂「一個基因」,科學家們越來越找 不到唯一一個、普遍而令人信服、放諸四海皆準的定義。基因變成了 一個曖昧而不明確的概念,針對不同的特定情況,可以給基因下許多 不同的定義,但其中卻沒有一個能包含了所有已知的情況。分子遺傳 學家,會對「某一個基因」提出「一個對應特定情境的定義」,來解 釋特定狀況(Morange, 2001)。

第二,關於基因物質的概念:在古典遺傳學中,基因是由性狀回 推出來的存在,是否有真正的物質、以及其屬於何種物質並不是最重 要的問題,最重要的是能夠用來預測性狀,因此計算孟德爾遺傳法則 時皆使用符號來代表基因。但在分子遺傳學中,基因的組成是每三個 含氮鹼基形成的密碼子、基因是可以轉譯出蛋白質的 DNA 分子的一 個片段,因此,基因的化學結構和功能就被明確定義出來(Morange, 2001)。

第三,關於基因與表現:在古典遺傳學中,基因與其表現出來的 產物間的關係非常直接,基因的產物就是明確的性狀,基因型就是表

現型的縮圖,與細胞中其他物質沒有關聯。基因這個因子和細胞因子 間存在著一對一的關係,一個有機體有多少性狀就有多少遺傳因子 (Gericke, 2007)。而在分子遺傳學中,基因與其表現出來的產物之間的 關係,亦有所改變。古典遺傳學中主要是討論代與代之間的遺傳,以 外表明確可見的性狀來描述基因的功能。但分子遺傳學中基因表現的 層級卻變得更複雜,因為在分子遺傳學中更進一步討論基因在生理、

個體、分子層次中的角色,所以解釋基因的表現時,也傾向用微觀層 級、也就是分子或細胞層級來討論,外表性狀和宏觀的顯隱性對於定 義基因來說已經不再是問題。

第四,關於基因決定論:在古典遺傳學中,基因控制性狀,不受 其他的因素干擾。因此古典遺傳學中,基因和表現型之間是單純清晰 的一對一關係,但分子遺傳學中,卻變成是複雜的多對多關係。因為 分子遺傳學中,遺傳資訊的傳遞是從 DNA 模板到 mRNA 到多肽和酵

第四,關於基因決定論:在古典遺傳學中,基因控制性狀,不受 其他的因素干擾。因此古典遺傳學中,基因和表現型之間是單純清晰 的一對一關係,但分子遺傳學中,卻變成是複雜的多對多關係。因為 分子遺傳學中,遺傳資訊的傳遞是從 DNA 模板到 mRNA 到多肽和酵