首先来了解“倍体”这个概念。
我们有很多的“倍体”,诸如单倍体(monoploid或haploid)、二倍体(diploid)、三倍体(triploid)、四倍体(tetraploid)……多倍体(polyploid)等等。所有这些,不论英文原词还是翻译的中文词,都是在倍体(Ploid)前加上数目前缀,例如“mono-”(一)、“di-”(二)、“tri-”(三)、“tetra-”(四)……“poly-”(多)等等。显然Ploid是词根。
在英维百科系统输入作为词根的“Ploid”,或者其它各个含有不同前缀之“-Ploid”(如monoploid、diploid……),都会自动转到另一个词条——“Ploidy”。查阅多本英汉词典,Ploidy一词的中译文是“倍性”,顾名思义即“倍”的属性。换言之,Ploidy就是指“倍/倍数”。
该词条说:“Ploidy is the number of complete sets of chromosomes in a cell”
显然,这是Ploidy的定义。其中,染色体“chromosomes”为复数单词,是多条之意,多条在一起自然是成群成组,故宜理解为“染色体组”。全句翻译成中文是——
倍性(倍数)是一个细胞里染色体组的完整套数。
这个定义明确界定了“倍”所衡量的对象是“染色体组的完整套数”。这里的关键词有两个,一是 “染色体”,另一是“套数”而且是“完整”的套数。
具体而言,单倍体(或曰一倍体)就是含有一套染色体组(简称一套染色体)、二倍体即含有两套染色体……以此类推。请注意,这里说的只是染色体的套数而非DNA的量!
于是,根据一个细胞个体里含有染色体组的套数,我们在生物界里可见各种各样的倍体(-Ploid),例如,单倍体(英文词为monoploid或haploid,含有1套染色体,以下简称套)、二倍体(diploid,2套)、三倍体(triploid,3套)、四倍体(tetraploid,4套)……。
细胞是生物的基本生命单位。生物体内有无数细胞,在有性生殖的生物(如人和哺乳动物),这些细胞大致分为二类:其一是“生殖细胞”,包括雄性的精子和雌性的卵子,负责传宗接代,此类细胞数量较少;其二是“体细胞”,例如上皮细胞、神经细胞、血细胞、肌细胞……多种多样,它们负责构造身体的各种组织器官并维持其生理机能。此类细胞不论种类还是数量都占了绝大多数。因此,科学家将体细胞的染色体倍数视为生物体倍数的代表,当我们说某种生物为几倍体的时候,指得就是其体细胞的倍数。科学研究业已证明人是二倍体生物,指的就是人体内的所有体细胞,即除了生殖细胞之外的各种器官、组织里的细胞,也包括胚胎时期从受精卵开始直至诞生时期的各种器官、组织里的细胞,都是二倍体细胞。
具体地说,作为二倍体之人的体细胞,每个细胞内含有2套染色体组。每套染色体组包括23条染色体。其中,22条称为“常染色体”,另一条叫“性染色体”。两套染色体组的构成基本一样,故细胞中的染色体总数是46条,其中两条性染色体根据人的性别而异,女的是两条都呈“X”形,男的则一条“X”形另一条“Y”形。上述染色体组的表现形式,在学术上称为“染色体组型”,为了简单醒目,常常用字符表示为“46,XX”或“46,XY”,前者代表女性个体或女性的体细胞,后者代表男性个体或男性的体细胞。
人的生殖细胞,不论精子还是卵子,都是单倍体,只含一套染色体组。卵子的染色体组型是“23,X”;精子的染色体组型是“23,X/Y”,X和Y之间的斜杠代表“或”,表示精子可以携带1条不同的性染色体,或者是X形的,或者是Y形的。
上述就是“倍体”概念及其外延的相关知识。
总之,“倍体”直接涉及的是——染色体。
接着来探讨“染色体”及其相关的概念。
我们在中学生物学和生物-医学本科多学科课程中学到的,有关染色体的常识是——DNA在细胞核里与一些蛋白质形成复合体,相对松散卷曲地分布在细胞核里,它们可被碱性染料染成形状不定的“染色质”;这些染色质在细胞分裂期间会逐步缠绕缩合,形成一条条细丝状的“染色丝”,继而进一步缩紧成为“染色体”;在细胞分裂中期,染色体呈现为大致的“X”形,由两个姐妹“染色单体”借“着丝粒”连在一起;在细胞分裂后期,两个染色单体分裂,并继而进入随后分裂的两个子细胞,成为它们的染色体,很快又松散开来成为染色质。我们还知道,染色质在细胞分裂期前就进行了DNA复制,故此推测,分裂中期的染色体,其实就是一条染色质DNA复制成双份后所形成的临时的“双股体”。那么,这里涉及了好几个相关联的概念——染色质、染色丝、染色体、染色单体。
来看看英维百科怎么说。
分别用染色质(chromatin)、染色丝(chromonema)、染色体(chromosome)和染色单体(chromatid)等词,查询英维百科相应词条,撷取相关知识点综合摘要如下——
染色质是真核细胞中DNA和蛋白质的复合体,其主要功能是将长长的DNA分子包装成更紧凑更致密的结构;在有丝分裂和减数分裂的前期,染色质被高度浓缩成纤维状结构的染色丝,这是染色体在细胞分裂前期的特征性形状;一个染色体,在复制之前是由一个DNA分子组成的,复制(S期)之后,每个染色体都由两个DNA分子组成;换言之,DNA复制本身增加了DNA的数量,但(还)没有增加染色体的数量。这两个完全相同的复制体称为姐妹染色单体,每一个单体组成了被复制的染色体的一半。在细胞分裂中期,染色体由一个共同的着丝点将一对姐妹染色单体(sister chromatid)连在一起,也称为“二分体”(dyad);在细胞分裂后期(或有性生殖中的减数分裂Ⅱ后期),成对的姐妹染色单体纵向分离成为单独的染色单体,它们又被称为染色体。
英维百科中各相关词条的阐述彼此呼应相互印证,也与我们原有的认知相吻合。
值得注意的是,英维百科的染色体词条中,还自成一段说明了染色体一词有广义和狭义的不同用法。抄录如下:“Some use the term chromosome in a wider sense, to refer to the individualized portions of chromatin in cells, either visible or not under light microscopy. Others use the concept in a narrower sense, to refer to the individualized portions of chromatin during cell division, visible under light microscopy due to high condensation.”
这段话的要点,用中文表述就是——广义上的“染色体”是指细胞中的染色质个体,不论其在光镜下可见(在分裂期)或不可见(在非分裂期)都可以叫染色体;狭义上的“染色体”则是指细胞分裂过程中的染色质个体,由于其高度紧缩而在光镜下可见。
综上所述,“染色体”其实是一个有弹性有动态的概念,在不同语境下,可以分别代表“染色质”、“染色丝”、“中期染色体”、“二分体”(或双股体)和“染色单体”。而且,组成染色体之DNA的量,可以是一份(单股)也可以是双份(双股),视细胞周期的不同而异。
例如,我们总是说,人的体细胞是二倍体,有46条染色体。众说周知,人的体细胞总是绝大多数处于非分裂状态,只有一小部分准备分裂、正在分裂或刚刚完成分裂,那么当我们说体细胞有46条染色体的时候,这里的“染色体”一词当然是既代表了分裂期的中期染色体也代表了刚刚分裂完的细胞内的染色单体,以及绝大多数处于分裂间期细胞里的“染色质”。显然,更多时候它代表了染色质和染色单体。
换言之,一条长链状的DNA分子(为了简化姑且不提结合蛋白),不论其松散而不定形地散布在细胞核里(此时形态学上称为染色质),还是复制成双条分子并缠成一条细丝状(此时称为染色丝),抑或缩成粗条状(在细胞分裂的细线期和粗线期)还是逐渐微分成油条状(双线期)以及貌似X形(中期),都是一条染色体。哪怕这个类X形的染色体,我们说他由两条单体构成,甚至称之为“二分体”,只要着丝点还未裂开,它还只是“一条”染色体。这个时候染色单体似乎只是“半条染色体”,但一旦着丝点裂开,每条染色单体立即改名为染色体。这条改名的染色体,到了子细胞很快又松开成了不定形的“染色质”。这是染色体的动态生活史。
以上就是染色体概念的内涵,虽然有弹性有动态,但涵义是明确的——
“倍体”和“染色体”的概念明确之后,让我们回到开头的问题——次级精母细胞算不算单倍体,同时看看减数分裂。
这要从次级精母细胞的长辈——初级精母细胞说起。
初级精母细胞又是从它的长辈——精原细胞经过有丝分裂而来的。
有丝分裂时的染色体行为是——长辈细胞的每一条原本单股DNA组成的染色质,经过DNA复制而形成双股的染色体,这个双股染色体在细胞分裂后期时“着丝粒”纵向裂开,变成两个姐妹染色单体(亦即两个单股的染色体),并分到了两个新生的子代细胞里去。在此我们看到,染色体先完成分裂,而后才有细胞的分裂。这样,长辈细胞的染色体组里有多少条染色体,子辈细胞的染色体组里也同样有多少条染色体。因此,有丝分裂前后染色体条数不变,套数(倍数)也不变。
人的体细胞是二倍体,即含有两套“同源染色体”。其中一套是在生命之初形成受精卵时由精子带来的,即“父源染色体”;另一套由卵子提供,即“母源染色体”。这样说来,这两套染色体的直接来源并不相同,为何称为“同源染色体”?
同源染色体是英文homologous chromosomes的翻译。查阅词典,Homologous这个形容词源于名词homologue,其前缀homo-表示相同、一致之意,构成名词homologue的意思是“同族体、相当或相同的事物、同系物、同源物”等。具体而言,一套染色体组可以包含很多条形状、大小不一的染色体,例如人的一套染色体就含有23条,根据形态特征(主要根据长度和着丝点位置)来排序分为1号、2号、3号……等。不论父源还是母源的同一号染色体,其形态特征是相同的,可以配成一对。所以,这两条染色体叫 “homologous chromosomes”,字面上是“相同的染色体”的意思。不仅长度和着丝点的位置相同,连它们所含有的各种基因及其在染色体上所处的位置也相同。那么为何会如此相同?那是因为在漫长的生物演化史上,这两条染色体的来源是相同的。故而,早期科学家在将homologous chromosomes翻译成汉语时,译成“同源染色体”。那么,人的体细胞有两套染色体,一套23条,两套则46条即23对“同源染色体”,每对2条。
言归正题,回头来看有丝分裂。
如前所述,有丝分裂是把长辈细胞的每条染色体复制出一份一模一样的副本,然后正副本分别进入两个子辈细胞。于是,子细胞完全继承了长辈细胞的23对“同源染色体”,染色体的套数即倍数没有变化。这就是在所有体细胞中所发生的染色体“等数”传递行为。
然而,到了初级精母细胞,情况忽然发生了变化——染色体行为上的重大变化!
初级精母细胞起初也像体细胞那样进行了DNA复制,染色体从单股变成双股。但是,在某种分子调控机制的指挥下,双股染色体的“着丝粒”还来不及裂开的时候,原先成双配对的“同源染色体”就闹别扭而分别进入了两个不同的子辈细胞——次级精母细胞。也就是说,在这次细胞分裂过程中,初级精母细胞的染色体自身并不分裂,而是配对的“同源染色体”离婚分了家。于是,新分裂出来的两个次级精母细胞分别获得了长辈细胞中成对的“同源染色体”中的一条,每个细胞都不再有同源染色体,而是各自只有23条染色体构成一套染色体组了。可见,此番细胞分裂是一种染色体“减数”传递行为,由此,次级精母细胞成了“染色体组完整套数”即“倍数”被减半的细胞,从二倍体变成了单倍体。
只不过,次级精母细胞的每条染色体都含有两条染色单体,有两条一模一样的DNA,其上所携带的基因拷贝数也翻了一倍。从整个细胞来说,次级精母细胞是有两套基因组的,但由于23条染色体的着丝点都尚未裂开,故还只能算一套染色体组。你可以简称其为“一套染色体”,也可以又名“一套二分体”,哪怕啰嗦点说成“一套含有两个基因组,或双份DNA,或双染色单体的染色体”,却不能像甲教授那样说成“两套同样的染色单体”(因单体未分开而无法各自配套),更不能像乙教授那样说成“两个一样的染色体组”(倒是可以说“两个一样的基因组”)。
诚然,事情还没有完。甲乙教授分别说的那种 “两套同样的染色单体”或“两个一样的染色体组”很快就会出现,但那就不再是一般的次级精母细胞,而是从次级精母细胞准备变身为精子细胞的分裂相了。
由于次级精母细胞内染色体中的“着丝粒”还没有完成自己的既定任务,所以紧接着就启动了下一轮新战役。这一回,次级精母细胞进行的,是与前面描述过的体细胞分裂几乎相同的有丝分裂。略有差别的是无需再进行DNA复制,因为此时的23条染色体是早在初级精母细胞阶段就已经复制好的双股体(二分体),它只需将“着丝粒”纵向劈开。现在,处在分裂中的细胞里,出现了甲教授说的“两套同样的染色单体”(而且马上应改称“两套同样的染色体”),也就是乙教授说的“两个一样的染色体组”。但这只是短暂一瞬,很快,这“两个一样的染色体组”就随着细胞体的一分为二而分别进入两个子辈细胞——精子细胞(spermatid,精子的前身)。其结果,与体细胞有丝分裂结局相同——双股的染色体分裂成两份单股的染色体,分别进入子辈细胞。染色体的条数没有改变,23条依然是23条,染色体的套数(倍数)也同样没有改变,还是那一套。
如果你说这种含有23条染色体的精子细胞是严格意义上的单倍体,那么,同样含有23条染色体的次级精母细胞也理所当然是严格意义上的单倍体!因为,“倍体”这个概念所依据的只是染色体的套数,而不管其DNA是双股还是单股。换言之,从次级精母细胞到精子细胞,只是从一个单倍体细胞分裂为两个单倍体细胞。这就像体细胞的分裂,是从一个二倍体细胞分裂为两个二倍体细胞一样,是普通的有丝分裂。
值得指出的是,初级/次级精母细胞这两次细胞分裂,是有机耦合持续进行之不可分割的同一事件中的两个阶段,所以被集结起来进行命名。基于染色体数量减半是此事件的本质特征而总体命名为“减数分裂”(meiosis)。从一个初级到两个次级精母细胞的这次分裂,被视为减数分裂第一阶段,简称“减数分裂Ⅰ”(meiosisⅠ);从次级精母细胞裂为两个精子细胞的下一次细胞分裂,即为减数分裂第二阶段,简称“减数分裂Ⅱ”(meiosisⅡ)。一次完整的减数分裂,需要经历如此两个阶段,但染色体的“减数”行为,却只发生在减数分裂第一阶段(减数分裂Ⅰ/meiosisⅠ)。
答案似乎是有了,困惑却依然未消——生命科学相关领域的人,从中学、大学本科乃至研究生阶段多次学到有关倍体、染色体、减数分裂的知识,为什么到了在医学院校从教甚至成了资深教师的阶段,还会有那么多混淆和争议?除了前述关于倍体和染色体的概念不明确、思索不严谨的问题之外,窃以为,还与“第一/二次减数分裂”的说法颇有关系。
生命科学和医学范围内不少学科(如细胞生物学、发育生物学、生殖生物学、组织胚胎学等)的教科书、百科全书都有减数分裂的具体介绍,甚至连大众化的语文工具书——词典都有明确的减数分裂概念及其定义。例如,权威的《牛津高级学习词典》中,meiosis的定义是:“以有性生殖为目的的一种分两个阶段进行的特殊类型的细胞分裂,产生了4个细胞,每个细胞的染色体组数是原细胞的一半”(Oxford advanced learner's dictionary. 10th edition. Oxford university press,2020)。现在普遍应用的网络词典《有道词典》也收入了牛津词典的如此定义。也就是说,连面向大众的词典都明确界定——初级精母细胞和次级精母细胞的这两次细胞分裂,合起来被视为一次减数分裂。
然而,不知出于何种原因,许多大学教科书(包括多种版本的《组织学与胚胎学》规范教材)在具体阐述减数分裂过程时,往往将“减数分裂Ⅰ/Ⅱ”称为“第一/二次减数分裂”,进而有了“(初级精母细胞)经过两次减数分裂……”之说。不仅中文教材如此,英文著作亦然。例如,迄今已经反复出版了十几版而享有国际盛誉的经典组织学教材《Junqueira’s 基础组织学》,在阐述精子发生时也称“the first/second meiotic divisions”(Junqueira’s Basic Histology,Text and atlas,13th edition,2013. p432.)。
显然,这是一种逻辑错误。
初级精母细胞的确经历了“两次细胞分裂”才形成精子细胞(进而形变为精子),但这两次细胞分裂合起来才组成“一次减数分裂”。“减数分裂Ⅰ/Ⅱ”分别只是一次减数分裂的两个不同阶段,你可以改说成“第一/二阶段的减数分裂”,却不能说成“第一/二次减数分裂”。因为,“第一/二次减数分裂”的说法,在字面上就有了两次减数分裂的暗示,那岂不是要有4次细胞分裂?!用“第一/二次减数分裂”来替代“减数分裂Ⅰ/Ⅱ”的说法,显然违反了形式逻辑的同一律,犯了概念不明确的错误。
遗憾的是,大量教材上的确白字黑字写着“第一/二次减数分裂”、“the first/second meiotic divisions”和“经过两次减数分裂……”、“after two rounds of meiosis”这样不严格的概念。
可能正是这种不严格及其隐含的逻辑错误,造成了初学者的困惑与误解。因为,一次减数分裂便会使染色体数目减半,46条变成23条。那么,两次减数分裂会有两次的减半,23再减半是11.5!染色体不会以半条的形式存在,体内显然也没有这样的细胞,读者便可能转而去考虑DNA量的减半。如此,便有了本文开头年轻教师的困惑——单倍体究竟是指染色体还是指DNA?如此,也可以理解甲、乙两位教授所持的观点——次级精母细胞不是严格意义的单倍体,甚至难以明确其归类而戏称其为“怪胎”。
在概念不严格,逻辑不严谨的情况下,任何困惑与糊涂都难以避免。
从此,让我们老老实实地说“减数分裂Ⅰ/Ⅱ”或“减数分裂第一/第二阶段”,不要再说“第一/二次减数分裂”了!
概念,一定要严格。
逻辑,真的很重要。
(2021-3-2第一稿,2021-10-31第二稿,2021-11-11第三稿。于鹊峰山下)