美國著名將領麥克阿瑟的名言「老兵不死」,用在果蠅研究上似乎比較恰當。
果蠅,這種只有幾毫米的昆蟲,100多年來一直活躍在生物科學研究的中心;它看似一文不值,卻又是數以千計的博士、教授「養家餬口」的工具。1933年、1947年、1995年和2011年,6位研究果蠅的科學家先後4次斬獲諾貝爾獎。到目前為止,對它的研究興旺依然。
果蠅為何「不死」,研究它又有什麼意義?
果蠅研究已有百年
果蠅英文俗稱為fruit fly,它的拉丁名原意是「愛露」。早在亞里斯多德時代,就有對果蠅的記載。果蠅取材方便,通常在窗戶放點香蕉、蘋果就能收集到。
1910年,美國遺傳學家摩爾根以它作為研究工具發表論文,從此果蠅與科學結緣,也開啟了研究果蠅的百年曆程。
摩爾根1933年獲諾貝爾獎,得益於他和學生在1910年到1915年期間,用果蠅的研究完善豐富了基因的染色體學說;
摩爾根的學生穆勒獲得1947年的諾貝爾獎,他在1927年用果蠅發現用X線可以誘導遺傳突變,確定了遺傳突變的物理基礎;
1995年,摩爾根學生的學生路易斯以及德國的紐斯蘭沃哈特和美國的維希豪斯分享了諾貝爾獎,他們在用果蠅研究發育的分子機理取得了重要進展。
其間,也有科學家對果蠅的研究價值有過誤判。1923年,哈佛大學教授維勒就曾輕蔑地稱,遺傳學不過是生物學參天大樹上一個自我陶醉的、根基有限的「親愛的小枝丫」。而直到1925年,古植物學家傑弗裡還看不上果蠅研究。
近些年,就在有人以為可以「告別果蠅」,事實再一次驗證了它仍大有可為。
2011年,佛夫曼就因在先天免疫研究上的貢獻,被授予當年的諾貝爾獎,他的研究發現就來自果蠅。
百年來果蠅研究貢獻的成果還遠非如此。科學家還從中發現了生物鐘的分子機理。已故的加州理工學院本澤、洛克菲勒大學的揚、布蘭代斯大學的霍爾和羅斯巴赫等科學家,揭示了參與生物鐘的基因,其後科學家發現小鼠生物鐘的分子,從而證明了從果蠅到人有極為相似的機理。
「老兵」果蠅為何不死
果蠅研究為何經久不衰?
從研究方面來說,果蠅養起來容易,給點香蕉、蘋果泥就可以飼養;其繁殖快的特點,也保證了實驗供應。
從遺傳學角度看,果蠅染色體只有4對,其中第四號染色體很小。1933年後,果蠅多線型染色體的發現,不僅便於研究基因與染色體的關係,也容易對基因進行物理定位。基因條帶從此用了幾十年,一直到果蠅基因組測序後才很少人用。
通常,一個生物為很多研究者所用,不同研究者製造不同工具與大家共享,導致該生物體成為模式生物。果蠅是典型的例子,百年來科學家發明了很多果蠅研究技術,推而廣之,使果蠅研究更興旺。
今天,果蠅依舊是許多科學家的研究工具。美國最大的慈善機構霍華德·休斯醫學研究所,近年以重金建立研究部門——Janelia農場,其領導者便是上世紀80年代發明果蠅轉基因技術的魯濱。在美國諾貝爾獎得主密度最高的洛克菲勒大學,近年招聘的9個新教職中,有3個是研究果蠅的。
研究果蠅,對高等動物又有什麼意義?
相當多的人以為,研究果蠅早期發育可能對人類無意義,不過是科學家浪費錢鑽牛角尖罷了。因為已知,果蠅的早期胚胎是合胞體,只有細胞核分裂,沒有細胞膜分裂,直到幾千個細胞核再開始形成細胞膜,才變成分開的細胞。而哺乳類胚胎,是一個細胞分裂成為兩個細胞,幾千個都是分開的細胞,不是幾千個細胞核共用一個細胞,兩者生物過程差別巨大。
這種差別讓人們以為其原理也很可能不同,結果科學家研究了控制果蠅發育的基因後,再找哺乳類(包括人類)的相應基因,發現果蠅不僅在原理上和人相似,甚至在某些具體基因上也相似。因此,研究果蠅的發育,為研究高等動物的發育帶來了根本的突破。
事實證明,研究果蠅對於遺傳學,演化、發育生物學起了關鍵作用,也促進了神經生物學和細胞生物學等多個基礎和應用學科的發展。
麥克阿瑟名言的後半句是「戰士只消隱」。果蠅何時消隱,恐怕不是目前所能回答的。(作者饒毅為北京大學生命科學學院教授)