1997年2月,一篇發表于《自然》期刊的文章轟動了整個科學領域。克隆小羊多莉(Dolly)的誕生一時成了人們談及的焦點,似乎這一偉大的發現将要引領人們走向新的科技發展。克隆技術不需要精子卵子的結合,隻需要一些細胞和卵子的外殼就能培育出一個鮮活的生命。這聽上去既高大上又不免讓人對科學産生由衷敬畏的新新技術其實并不是一日而成,而是孕育了上百年,通過成百上千的生物學家,胚胎學家,動物學家等各科領域專家的努力換來成果。
奇怪的腦洞
一百年前,沒有人知道一顆已經受精了的胚胎細胞是怎麼一步步分裂成2個細胞,4個細胞,8個細胞······再分化成不同的細胞類型,組成器官。于是很多有趣的想法被提出了,比如有些人認為卵子本身就帶了一個小人,有一些人猜測精子帶了一個小人,還有一些人覺得每個物種最早的胚胎就孕育了未來所有的胚胎,就像俄羅斯套娃一樣一個套着一個。
精子裡的小人 來源:Smithsonian Magzine
一個戳青蛙卵的實驗
19世紀初期,德國動物學家威廉·魯(Wilhelm Roux)通過青蛙胚胎實驗開辟了胚胎學(embryology)的先河,人們才一步步了解了胚胎發育的過程,瓦解其中的科學知識,并應用到現代科技。魯先等一顆受精了的青蛙卵分裂成兩個細胞,然後用燒熱了的針戳破了其中一個細胞, 這樣他就能知道是不是兩個細胞各有各的用處來形成胚胎,還是隻需要其中一個細胞就可以。結果,那個被熱針戳破的細胞并沒有在繼續分裂,而那個完好無損的細胞一路分裂了下去并且發育到了胚胎早期,但是卻隻是發育成了半個胚胎。這個實驗證明那個被戳破了的細胞也是胚胎形成的關鍵,而且在分裂成兩個細胞時,每個細胞的工作就已經被配置設定好了。威廉·魯也是以提出了鑲嵌理論(Mosaic Theory), 他認為每個細胞在分裂初期就隻會分化成指定的體細胞,而不是後期才進行分化的。
被針戳了的一半青蛙卵并沒有發育,而沒被破壞的另一半隻發育成了半個胚胎
一個切海膽的實驗
1890年,一位德國生物學家杜裡舒(Hans Driesch)提出了異議。他在海膽胚胎分裂成四個細胞時将四個細胞分開,結果每個細胞都發育成了單獨的一個完整海膽。如果按照先前魯的理論,每個細胞都應該發育成海膽不同的部分,因為在胚胎分裂早期每個細胞就已經被指定好了分化成海膽的哪個部分。但是杜裡舒相反的實驗給出了不同的答案。他認為細胞一開始并沒有被配置設定好工作,隻會分裂,直到後期才會進行分化。那究竟誰的結論才是正确的呢?
誰能想到海膽寶寶長這樣 來源:Boston University
一個分蝾螈的實驗
為了揭開這個謎題,另一位德國胚胎學家漢斯·斯佩曼(Hans Spemann)用頭發在蝾螈卵中間打了一個結,一半有細胞核,另一半沒有細胞核。結果有細胞核的一半一直分裂了下去,而沒有細胞核的那一半還是和原來一樣沒有變化。等到有細胞核的那一半分裂到十六個細胞後松開中間的結,放了其中一個細胞到原先沒有細胞核的那一半,最後這顆蝾螈卵孵化出了兩隻小蝾螈。這個實驗說明,直到胚胎分裂成十六個細胞,每個細胞的任務都還沒被配置設定好,都還有能力分化成任何特殊的細胞。也就是說,隻需要一個胚胎初期的細胞,就能發育成一個完整的個體。
又一個厲害的青蛙實驗
1960年,約翰·格登(John Gurdon)同樣用青蛙做了另一個實驗還是以獲得了2012年諾貝爾醫學獎。他提取了一隻雌性綠色青蛙的卵子,并用紫外線破壞了這個卵子的細胞核,留下了卵子的其他部分。然後他又從一隻白化了的青蛙中提取了腸細胞的細胞核,把這個細胞核注射到之前紫外線破壞過了的卵子裡。最後孵化出的小蝌蚪全都發育成了白化青蛙,也就是和提供細胞核的青蛙是一個品種。因為腸細胞是分化後了的細胞,而用腸細胞同樣能克隆出一個個體,這就證明了細胞分化并不會減少遺傳資訊,隻不過是選擇了那段基因被激活了。
一群克隆出的白青蛙
終于輪到多莉
就這麼經過長達一百多年的科學實踐,多莉誕生了。和格登使用了類似的做法,一顆卵子從蘇格蘭黑臉羊(Scottish Blackface)的卵巢中提取出來,并被去掉了細胞核。又從芬蘭多西特羊(Finn-Dorset)的乳腺裡提取出乳腺細胞,在将這些乳腺細胞注射進除去細胞核的卵子中,放入蘇格蘭黑臉羊的子宮裡,這隻蘇格蘭黑臉羊便成為了多莉的代孕母親。從前面青蛙的實驗我們知道誰提供了細胞核,最後發育出來的後代就會和提供了細胞核的長得一樣,是以,多莉當然和芬蘭多西特羊長得一樣。
多莉的一生都在羅斯林研究所(The Roslin Institute)度過,過着和其他羊一樣正常的生活。她還成功孕育了六隻小羊。直到2003年,獸醫通過CT掃描發現多莉肺部長了一個惡性良性腫瘤,決定實施安樂結束它的痛苦。
多莉去世後,羅斯林研究所将她的遺體捐贈給了位于愛丁堡的蘇格蘭國家博物館(National Museum of Scotland in Edinburgh),在那裡她成為了該博物館最受歡迎的展品之一。多莉的誕生之是以會震驚全世界,是因為它是第一個由體細胞發育出的哺乳動物,同時也是克隆技術上的一個裡程碑。
克隆羊多莉
雪貂!雪貂!雪貂!
如今克隆技術已經是一個相當成熟的科學技術。2021年12月,美國成功提取了去世30年的瀕危動物--黑足雪貂(Black-footed Ferret)的細胞,克隆出了一隻小雪貂。其實,每一次科學小小的進步背後都有成千上萬的科學家為之付出努力,在感謝科技給我們的生活帶來巨大改變的同時,我們也不能忘記那些曾經奮鬥過的科學家們。
可愛的黑足雪貂 來源:Smithsonian Institution