美國生物學家、醫生薩頓對現代生物學有重要貢獻，他與德國生物學家鮑威爾各自獨立發現染色體是遺傳物質的載體，為解釋孟德爾遺傳定律以及為後來摩爾根創立染色體遺傳理論提供了堅實的基礎，他們的發現現在被稱為“Sutton-Boveri Theory”理論。然而，他一生只發表了三篇生物學論文，如今人們對薩頓的工作鮮有提及。他是如何發現染色體的作用，為什麼後來從生物學界銷聲匿跡了？本文這些故事，將告訴你一個不為人知的薩頓。
撰文 | 李峰
在20世紀初的幾十年，摩爾根（Thomas Hunt Morgan）從一個堅定的反孟德爾、反染色體學說、反自然選擇的胚胎學家，變成為偉大的遺傳學家，統一了染色體學說和遺傳學，把遺傳學，甚至生物學建立在了堅實的物質基礎上。（詳見《“錯誤”觀念也有用：摩爾根和現代遺傳學的起源》）這一轉變的關鍵在於染色體學說的逐步建立，來自一位著名卻也知之甚少的學者的貢獻——薩頓（Walter Stanborough Sutton，1877-1916）。
消失的染色體理論奠基人
摩爾根因遺傳學的傑出貢獻獲得了1933年諾貝爾醫學或生理學獎，這也是諾獎第一次頒給遺傳學——那時候還顯得沒什麼用處的研究領域。摩爾根的偉大之處，不僅在於做出了某種科學發現而獲得諾獎（諾獎獲得者中的歷史貢獻也差別巨大），更是在於建立了新的研究範式，也就是他自己所希望的“新生物學”。在眾多的前範式階段的遺傳理論中，摩爾根把孟德爾-染色體學說建立為整個遺傳、發育、演化的基礎，從觀念到研究方法開創了新範式，引發了真正的科學革命。但是，摩爾根並不是最先復興、再發現孟德爾定律的人，同樣也不是染色體學說的提出者；相反，他是這些理論的反對者，這是科學史上非常有意思的故事。
現代遺傳學的建立，其核心的證據來自於染色體學說的相關研究。沒有染色體的細胞學證據，遺傳學理論、孟德爾因子將永遠停留在假想、臆斷的層面。相比摩爾根，染色體學說的提出者顯得不那麼有名氣，多限於細胞學圈子內部，大多數人不怎麼了解。為了更好地理解染色體學說這一關鍵發現，需要重新介紹一下這些了不起的科學家。
染色體遺傳理論（The chromosome theory of inheritance）又叫“Sutton-Boveri Theory”（薩頓-鮑威爾理論），這兩個人分別是美國生物學家薩頓（Walter Sutton）和德國細胞學家鮑威爾（Theodor Boveri）。鮑威爾生前作為細胞學家一直活躍在學術領域，而薩頓則銷聲匿跡了。薩頓是少有的只發表了少數論文，卻產生了重要影響的生物學家。實際上，他在生物學領域發表的論文一共只有三篇。
1903-1904年，兩個人獨立提出了染色體是遺傳因子實體的想法。鮑威爾是圈內有名的大人物，而薩頓只是剛畢業的一個研究生，學術地位差異巨大。薩頓作為一顆冉冉升起的新星，年紀輕輕就發表了有重要影響的論文，可在逐漸成為生物學前沿的遺傳學領域裡，他之後再也沒有建樹。為什麼他就銷聲匿跡了，以至於我們現代的生物學教學中，提到染色體學說，只能說一句“薩頓提出了染色體學說”，就再也無話可說了。薩頓去哪了？事實上，他度過了不凡的一生。
從工程到生物，蝗蟲的意外發現
1877年，薩頓出生於紐約州烏蒂卡的一個農民家庭，他在七個孩子中排行第五。1886年全家搬到了堪薩斯州的羅塞爾。薩頓從小心靈手巧，擅長修理，發明創造，照相機都是自己做的，這一特徵貫穿薩頓一生。1897年，他們全家移居堪薩斯城，薩頓隨後進入到堪薩斯大學，學習工程學，在這裡充分施展了他在機械工程上的天賦。大學期間薩頓還參加了堪薩斯大學的籃球隊，教練是發明籃球運動的詹姆斯·奈史密斯（James Naismith）。
A：後排左三為薩頓，抱籃球者為教練、籃球之父奈史密斯；B：沃爾特·薩頓
大學第一年的暑假，薩頓家中很多人得了傷寒，他的一個弟弟因病去世，這對薩頓心靈產生了深刻的衝擊。回到大學後，薩頓轉入了生物系，打算日後從醫。堪薩斯大學一位重要的細胞學家麥克朗（Clarence E. McClung）正在等著他。麥克朗研究直翅目昆蟲，是這一領域的先驅。幾年後薩頓成為了麥克朗的第一個研究生，那時的麥克朗也是青年才俊，只比薩頓大7歲，兩人建立了深厚的友誼。
笨蝗；巨大染色體
1899年，薩頓在跟家人田間散步的時候，看見成千上萬的蝗蟲爬滿了麥子，就收集了一些蝗蟲。1900年，在麥克朗實驗室，薩頓發現了這種直翅目的笨蝗（Brachystola magna，magna有巨大的意思）有著巨大的染色體，用他的話來說“我發現這傢伙的細胞是我見過的最大的，這要是真的，我們實驗室要出點小名了”。這一年薩頓發表了第一篇碩士研究論文“The spermatogonial divisions of Brachystola magna”。
讀研時期，薩頓所在的麥克朗實驗室做出了很多重要貢獻。比如他第一次確定X染色體，是一條有著固定形態的染色體，而不是核仁結構，並且從雄性蝗蟲細胞觀察中發現，X染色體與性別決定有關係。這一發現引起了很大的關注，很容易聯想到如果性別這個重要的性狀可以由染色體決定的話，那麼顯然其它性狀也可以。有意思的是，之所以叫X染色體，就是因為麥克朗習慣這麼標記這條染色體。
黃狗為什麼是黃色的
然而對於X染色體如何決定性別，麥克朗和薩頓一開始卻搞錯了。蝗蟲的染色體雖然大，但是隻有雄性蝗蟲的輸精管中產生精子的減數分裂過程較易觀察，而蝗蟲雌性減數分裂研究起來困難重重。因為減數分裂會停滯在第一次分裂前期，直到產卵後迅速完成分裂，而且當時還沒有完善的製備雌性蝗蟲減數分裂細胞的技術，成熟技術要到很多年後才發展出來。因此這一時期，研究人員很難觀察到雌性蝗蟲細胞分裂過程。這讓薩頓在染色體數量統計上就犯了不小的錯誤。雌性蝗蟲有24條染色體，薩頓數成了22條。這個後果算比較嚴重的，誤導了他的導師麥克朗。因為他們之前已經數清楚了，雄性蝗蟲是23條染色體（22+X），沒有Y染色體，所以麥克朗推斷，X染色體是決定雄性的。推斷倒是合理，可惜薩頓的確數錯了，對染色體決定性別的關係就徹底搞反了。
不過現在來看，這也沒什麼大不了的，在1900年代，細胞學的觀察與記錄手段還非常原始，想研究染色體這樣微小、形狀又複雜的細胞內形態結構是非常難的。細胞生物學與其說是嚴謹的科學，不如說是高超的藝術。不僅蝗蟲，人的染色體數目就被長期誤傳，德國細胞學家馮.範尼沃特（H. von Winniwarter）在1907年最早報道了人的全部染色體數目為47條：23對+X染色體。隨後又有人數出24對，48條染色體，直到1960年代經典教科書中仍然寫著人有48條染色體。所以薩頓數錯雌性蝗蟲染色體數目其實算是常規操作。染色體與性別的關係，在隨後幾年由布林馬爾女子學院的奈特·史蒂文斯（Nettie M. Stevens）搞清楚了，她研究了大量同類的昆蟲，並且確定了果蠅中的Y染色體，這些都對摩爾根統一孟德爾-染色體理論有重要幫助。
根據對蝗蟲的觀察，薩頓敏銳地指出，染色體數目顯然少於生物體性狀對應的因子數，所以因子應該存在於染色體之上。並且根據已經形成的染色體學說中的一些基本觀點，他認為同源染色體中成對的染色體，一個來自於父方，一個來自於母方。減數分裂中，同源染色體的移動和分佈，與紡錘體牽引有關係。當然，薩頓也有猜錯的時候，比如他認為減數分裂中，染色體數量減半發生在第二次分裂，第一次分裂是個相等的分裂。
以上這些日後被證實為正確的觀點，薩頓都是基於觀察、猜測提出的。雖然有些證據就在他本人制備的載玻片上，但是他當時並沒有注意到，日後由實驗室的另一位學生觀察找到了這些證據。像所有的科學研究一樣，染色體學說的建立也都是一個不斷髮展的歷程，每一微小的進步是如何取得的，才應該是我們學習關注的重點，而不僅僅是它的最終結論。而且，在科學上沒有什麼是終極結論。
這些染色體學說理論的早期形態，一方面體現了薩頓了不起的洞察力，一方面又提醒我們反覆思考——這種通過臆斷，不能被檢驗的觀點，即便幸運地說對了，我們是否就一定要相信呢？這也正是摩爾根當初反對染色體學說的根本原因。（關於摩爾根最終如何接受染色體理論，詳見《“錯誤”觀念也有用：摩爾根和現代遺傳學的起源》）
1903年薩頓研究生畢業，在麥克朗的建議下，薩頓來到了哥倫比亞大學，師從細胞生物學家艾德蒙德·威爾森（Edmund Beecher Wilson）。一年後，摩爾根也來到了哥倫比亞大學。威爾森很快就發現了薩頓的研究天賦，頗為欣賞。在這裡，薩頓發表了他最重要的論文The chromosomes in heredity（1903，Biol. Bull）。另一位德國細胞學家鮑威爾在1904年，也獨立提出了染色體遺傳理論。巧合的是，鮑威爾的妻子奧格雷迪（Marcella OGrady）是威爾森的學生，算起來薩頓與鮑威爾輩分拉平了，有了另外一層關係。
威爾森日後（1925年）把染色體學說稱之為“Sutton-Boveri Theory”。薩頓的染色體遺傳文章是非常重要的里程碑式論文，人們稱之為解釋了“黃狗為什麼是黃色的（Why the Yellow Dog is Yellow）”。摩爾根的學生，繪製了第一條染色體遺傳圖譜的阿爾弗雷德·斯特蒂文特（Alfred H. Sturtevant）說：“薩頓論文一出，這一階段的歷史就算落下帷幕。”
棄研從醫，別樣人生
1903年的夏天，正在研究事業蒸蒸日上的時候，薩頓去了堪薩斯油田當了一名工頭，彼時偉大的遺傳學家摩爾根還要在5年之後才開始養果蠅。去當工頭的具體原因已無可考，可能是由於經濟原因吧。據同實驗室的人後來回憶，薩頓當時還在計劃新的論文，最終卻沒能發表，也沒有完成博士學位。離開研究領域的薩頓，又發揮了精湛的機械技術和熱愛發明的本領，解決了很多油田上的技術難題。據工友回憶，薩頓發明了深井鑽探起重裝置，改進高壓油氣技術。人才就是這樣走到哪裡都能做出與眾不同的貢獻。
在工地幹了兩年活之後，薩頓攢了足夠的錢，回到了哥倫比亞大學醫學院（Columbia College of Physicians and Surgeons），又過了兩年，於1907年獲得了醫學博士學位，此後他成為了一名優秀的外科醫生，實現了當年從醫的願望。1909年薩頓回到了家鄉堪薩斯城，開設診所。他心靈手巧，最擅長整形外科，矯正兒童先天畸形，名聲卓著。在薩頓當醫生的第二年，摩爾根發現了那個著名的白眼果蠅突變體。
一戰中，在法國帶領醫療隊的薩頓。右圖右三為薩頓
再後來薩頓加入美國陸軍醫療服務預備隊（United States Army Medical Reserve Corps）成為一名中尉。1915年，薩頓帶領醫療隊來到一戰中的法國朱利（Juilly），領導戰地醫院工作。這個離前線幾十公里的戰地醫院是一所16世紀神學院臨時改建的，幾乎沒有任何現代設備，薩頓在這裡又發揮了他高超的醫術和同樣高超的發明創造力，搭建了一個簡易的X射線掃描裝置，用來定位身體裡的子彈和碎片。薩頓領導的醫療隊救助了大量前線撤下的傷員，朱利小鎮也成了一個救治傷員的中心。
在戰地醫院期間，薩頓目睹了戰爭的殘酷，送來的傷員往往不是被子彈打傷，而是被炸碎的戰友的尖銳骨頭碎片所傷。薩頓記錄了當時的真實情形，還拍了很多照片。1916年回到美國後，有出版社想出版這些內容，與薩頓簽了出版合同，但很遺憾，這一願望沒能實現。在連續進行了幾臺闌尾炎手術之後，薩頓自己也因為闌尾破裂病倒了，手術後醫治無效，於11月6日去世，年僅39歲。偉大的外科醫生治病救人無數，卻沒能救治自己。
一戰後回到家鄉的薩頓
薩頓一生短暫，卻處處精彩，無論研究科學，還是從醫從軍，甚至油田當工頭都做出了傑出的貢獻。非常可惜的是，我們沒能看到提出染色體學說的薩頓續寫細胞學的新篇章。薩頓中斷生物學研究，可能是為了賺錢攢夠醫學院的學費，對於自己的染色體研究工作，薩頓應該是充滿了熱愛的。從他後來邊做外科醫生，邊做醫學院教授期間的一些做法，還能夠體會到薩頓對自己曾經研究過的領域依然充滿了感情。據薩頓醫學院的學生回憶，他始終保留著未能發表的論文，並且一直關注著細胞學領域的進展，收集著世界各地範圍內的細胞學研究論文。看到一些新進研究的結果，他還會跟學生講：看，這些我的論文裡都講過了。
參考文獻
Sturtevant, A. H., 1965 A History of Genetics. York.
Wilson, E. B., 1925 The Cell in Development and Heredity, Ed. 3. Macandmillan, New York.
