生化遗传学学派的发展
孟德尔定律重新发现以后不久，人们最频繁地提出的问题之一是：基因在控制特定的性状方面是如何起作用的？1905年至1925年间，一些工作者，包括H，J. 穆勒（H. J. Muller）、西沃尔 · 赖特（Sewall Wright）、J. B. S霍尔丹（J. B. S. Haldane）和里夏德 · 戈尔德施米特（Richard Goldschmidt），提出基因是以某种方式通过控制细胞新陈代谢而起作用的。但是没有人具备研究这个问题的任何具体方法，因为对于做实际的实验来说，生物化学的手段或遗传学的分析方法都不是很先进的。可是，早在1908年，阿奇博尔德 · 加罗德（Archibald Garrod）发表了题为《关于新陈代谢的先天性障碍》的克鲁宁（Croonian）演讲（由伦敦皇家学会主办），（1909年这个演讲用这个标题作为一本丛书出版）。加罗德的研究间接地证明，孟德尔因子很有可能通过影响代谢途径中的特定步骤而起作用。
加罗德在他的临床工作中，遇到了四种不同的疾病，他称为“代谢病”。这些症状表现为患病者不能完全使某些物质产生代谢变化（分解或合成）；没有完全代谢的中间产物在尿中排泄出来，用一种方法能够发现这种疾病。例如，氨基酸苯丙氨酸的正常代谢包括一系列步骤，以反丁烯二酸和乙酰乙酸终止。（用简略的形式）表示如下：
加罗德遇到的一种疾病称为尿黑酸尿或苯酮尿，在这种疾病中，这反应的系列在标有“X”记号的位置被阻断。加罗德发现，这种阻断是缺乏一种酶即尿黑酸氧化酶的结果，或是存在一种无效的尿黑酸氧化酶形态的结果。由于这种阻断，尿黑酸不能按照这种途径转变为其他物质而在人体内积聚起来，最后在尿中排泄了出来。于是，加罗德提出了一个基本的问题：“这种阻断发生的原因是什么？”在威廉 · 贝特生（William Bateson）的帮助下，他研究了这些尿黑酸尿病患者的家庭史，这种亲属关系看来是清楚的，这种疾病不是由病菌引起的，或者因某种一般机能失调而偶然地获得的。这种疾病是由遗传而得的，而且似乎遵循孟德尔隐性性状的模式。这个惊人的发现很快使加罗德明白：孟德尔的遗传因子可能以某种方式影响人体中生化途径的特定的化学产物。1914年，加罗德认为他已经找到了有关他的这种观念的证据。由一位同事做的测量表明在正常的血液中能够分离出一种具有氧化尿黑酸能力的酶，而在病人的血液中没有发现这种酶。可是这些发现一直没得到进一步的证实；只是到了1958年才清楚地确定，在患这种病的人体中，这种酶至少在一种组织——肝脏中是完全不存在的。
加罗德的工作表明了在明确地改变了的基因（突变）和已知的代谢途径的阻断之间可能存在的明显关系。加罗德的工作像孟德尔的工作那样，大部分都被埋没了三十年。为什么没有人抓住加罗德提供的线索？这是应当更多地加以研究的那些历史难题之一。这种概念并不很引人注意，以至于容易被人忽视，因此，其他许多工作者提出了相似的假设。加罗德有他研究的四位代谢病人的证据，表明每个人在病源上是遗传的，并且与某种代谢障碍有关。也许加罗德研究的以人作为对象的疾病的证据（这里获得的实验证据是可靠的），会减损他的影响。并且，似乎没有其他适当的生物可以用于更广泛地更精确地从事有关代谢的遗传障碍的研究。
尽管加罗德有远见的看法在当时好像是不重要的，但遗传学的生化基础的问题没有留下不清楚的问题。几乎从经典遗传学的一开始，这种含意是清楚的：基因以某种方式通过影响和调节化学物质的产生而起它们的作用。例如，在摩尔根小组那里，基因是如何起作用的问题一直列入实验室的晚上讨论会之中。这个小组的最年轻和最富于想象力的一位工作者H. J. 穆勒（H. J. Muller），在一本尚未写完的遗传学教科书的草稿中写道：
“……有充分的理由可以相信：（1）染色质的“位点”的各部分互不相同，也不同于其他物种或品种相应部分所包含的有关物质的成分和结构，因此每一微小的部分或“位点”具有它自己的特征；（2）它们能够增长，当它们增长自身的时候，通过它们某种方式的活动把其他物质转变为与它们自身很相像的物质，相反，当染色质不存在的时候，就不能形成像它们自身的物质。在细胞的生长和各种各样的活动中，染色质依靠位点始终保持它们独有的特征或个性。这意味着：（3）染色质的这些物质很少受到，甚至完全没有受到这种过程和包围着它们的细胞的特性的影响；相反，⑷［染色质的] 这些各种物质，各自以它特有的方式深刻地影响着细胞的结构和功能。”
穆勒关于“位点”的化学特征的概要写于1912年。它反映了许多早期的遗传学工作者共同具有的明确认识：基因以某种方式影响着细胞的化学水平上的变化过程。以后几年，在某些遗传学家当中有着一种用蛋白质和酶的新概念来考虑基因的发展趋势。当时，一些工作者例如奥斯卡· 里德尔（Oscar Riddle）于1909年，雅克 · 洛布（Jacques Loeb）于1915年提出了基因与代谢控制之间的密切关系；里夏德 · 戈尔德施米特和L. T. 特兰德（L. T. Troland）于1917年提出基因有它们自己的酶。基因怎样影响酶的产生或酶的功能的概念也是由加罗德本人于1909年和穆勒于1922年提出的。
当然，问题在于没有人能做比假设这些可能性更多的事；在实验上没有办法把一个系统与另一个系统区别开来。主要以T. H. 摩尔根（T. H. Morgan）和R. A. 埃默森（R. A. Emerson）为首的经典遗传学家认识到这种困难，因而把他们的精力仅仅集中在传递的问题上，在这个问题上，可以运用实验的方法。但是，也许因为传递遗传学不再是令人振奋的领域（传递遗传学产生于1910年至1920年间），一批年轻的工作者更强烈地感觉到要着手解决基因作用的问题。最初对这些问题感兴趣并寻找实验方法的年轻工作者之一，是内布拉斯加（美国中部之一州——译者注）农场的乔治· W. 比德尔（George W. Beadle1903 ~ ）。
当比德尔还是内布拉斯加大学的肄业生的时候，就当了F. D. 凯姆（F. D. Keim）教授的研究助理，凯姆正从康奈尔（于1922年）回来，他在那里完成了一篇关于小麦杂种遗传学的哲学博士论文。由于工作的缘故，比德尔为了更好地提高自己，他读了一本新近的遗传学教科书，这本书使他入了迷。由于凯姆的主张，比德尔最终去康纳尔进行研究生的学习，而不是按照原先打算回到内布拉斯加农场。在康纳尔，由埃默森造成的研究气氛和集聚在那里的一群研究生造成的活跃气氛，使比德尔受到了巨大的鼓舞。那时，他最后着手进行与他本人论文有关的科研工作，比德尔选择了一个经典植物遗传学的题目：决定玉米花粉不育的遗传机制。
1928年，比德尔在康奈尔很有兴趣地搞他的研究的时候，他参加了由纽约植物园的伯纳德·O· 道奇（BernardO. Dodge）举办的讨论会。道奇对红色面包霉（Neurospora）的性状进行研究，并且观察到来源于两个菌株杂交的子代中的某些奇异的分离方式。比德尔和他的一些朋友正好读了布里奇斯关于果蝇染色体交换体的某些异常类型的报道，联想到在红色面包霉中可能有同样的机制起作用。这种联想除了把比德尔引向一种生物体之外，没有直接从中引出什么东西，而这种生物体容易在实验室生长，并且非常适合于遗传的研究。
道奇早就想说服T. H. 摩尔根相信红色面包霉对遗传学工作来说是适合的有机体，但摩尔根没有轻易地相信。最后，当摩尔根于1928年到加利福尼亚理工学院的时候，他带去了红色面包霉的培养，并且在加利福尼亚继续培养它。摩尔根在加利福尼亚理工学院的一位研究生被指定研究这种材料，1931年当比德尔作为一名取得博士学位的研究者到达帕沙第纳（加利福尼亚州西南部之一城市——译者注）的时候，全力以赴地从事这项实验。比德尔起初并没对红色面包霉的工作特别感兴趣，而是对从事他在康纳尔学习到的细胞遗传学（以植物为实验材料）比较感兴趣（但现在细胞遗传学应用果蝇实验材料）。1933年鲍里斯 · 埃弗鲁斯（Boris Ephrussi1901~）作为洛克菲勒基金会的研究成员来到加利福尼亚理工学院，研究遗传学和胚胎学之间的关系。虽然摩尔根对这个问题非常感兴趣，但他在实验上解决这个问题只取到很少进展。原因是这些最适合于遗传学研究的生物体（果蝇或玉米）对于胚脍学研究来说是很不适合的；相似地，那些最适合于胚胎学工作的生物体（海胆、两栖动物）被证明是不适合于遗传学工作的。埃弗鲁斯和比德尔对于在遗传学和胚胎学之间的鸿沟上架起桥梁的尝试并不感到满意，于是他们商定花一年时间一起试做果蝇胚胎学的研究工作。1935年间，他们在巴黎的埃弗鲁斯实验室做这项工作。
比德尔和埃弗鲁斯的工作的实质，是要试验和发现研究有关果蝇性状的胚胎发育的某种方法，而果蝇的遗传方式（和染色体连锁）早已了解了。最初，他们试验在活体外培养果蝇组织（成虫、幼虫的组织等），以便研究不同物质对特定性状发育的影响。比德尔描写了他的最初尝试和后来幸运的突破。
“我于1935年6月到达巴黎、我们立即开始试着培养果蝇组织。但这在技术上是困难的，于是，根据埃弗鲁斯的建议，我们移植了注定要变为成体器官的幼体胚芽的移植物。我们征求巴黎大学理学院的Ch. 佩雷（Ch. Perez）教授的意见，他在研究苍蝇变态方面是普遍公认的权威。他说我们选择了一种可能最不适合的生物体，他的意见是要退回去并忘掉它。但我们是固执的，而且在许多星期以前已想出了成功的移植方法。第一个完全发育的移植物是眼睛。这是非常喜悦的日子，我们在附近咖啡店里庆祝这一胜利。”
埃弗鲁斯和比德尔运用这种技术，把一种遗传构造的果蝇的眼睛芽体移植到不同遗传构造的幼虫体内。结果，眼睛移植物的颜色按照芽体和寄主的遗传构造变化。色素分子的增长似乎不仅取决于移植物中的基因，而且依赖于在眼睛芽体周围环境的（即眼睛芽体在躯体中所处的部位的）、为眼睛芽体可用的物质。通过制作许多不同种类的移植物，埃弗鲁斯和比德尔能够设计出一种简单的生物化学的方法，用这种方法，眼睛颜色色素合成的单个步骤可以用特定的中间物质来鉴定，如下所表示的：
V+基因控制V+物质的产生，而cn+基因控制cn+物质的产生。两种基因都存在于野生型果蝇之中，产生带棕色的红色的色素，这是野生型眼睛颜色的特征。如果cn+基因突变，只有V+物质产生，那么超出这点以外的过程被阻断。如果V+基因，或V+和cn+基因都突变，那么眼睛颜色是白色的。于是，如果一个取自于V+基因起作用（而cn+基因不起作用）的果蝇的眼睛芽体，被移植到cn+基因起作用（而V+基因不起作用）的幼虫体中，那么移植物会形成野生型眼睛的颜色。在埃弗鲁斯和比德尔看来，这些材料表明基因控制有关色素产生的生化途径的某些步骤。可是，埃弗鲁斯和比德尔当时并没有假定基因是如何实现这种控制的。
埃弗鲁斯和比德尔的方法有许多问题；它是麻烦的，同时，它对于容易辨认的性状例如眼睛的颜色（这里的色素分子是终端产物）来说是很起作用的，但对于更复杂的性状（这里的终端产物是一种构造而不是一种化学物质）来说是不适用的。
在埃弗鲁斯看来，比德尔的工作已向他表明，果蝇对于研究基因如何起作用的何题来说并不是最适合的生物体。正如所有比较高等的生物体那样，果蝇具有代表每种性状的两个基因，以至于显性基因常常掩盖了隐性基因。对于不能很直接地研究的无数的代谢途径来说，这种生物体也是非常复杂的形态。回到美国后，比德尔最后在斯坦福德大学找到了工作，在那里，他遇到了微生物学家E. L. 塔特姆（E—L. Tatum1909 ~ ）。他们的结交在生化遗传学史上引出一个非常富有成果的领域。
塔特姆熟悉微生物，表明应用某种简单的形态诸如霉菌的可能性，这些微生物代谢的特征可能比较容易研究。他和比德尔一起决定研究红色面包霉，主要是由于比德尔早已熟悉它便于在实验室使用。红色面包霉的优点是很多的；其中主要有：（1）产生有性子代的世代时间比较短；（2）易于在实验室里生长和培养（它们在试管中靠简单的培养基生长）；（3）易于鉴定代谢的（即生化的）突变；（4）成体时期是单倍体（只有一组染色体），因此能使所有突变基因显示出它们表现型的表现度。对于生化遗传学实验室研究来说，红色面包霉在所有这些方面都比果蝇更为优越。
比德尔和塔特姆的基本实验设计是简单的。他们用放射线照射正常红色面包霉的孢子以增加突变率（虽然它们不能引起任何特定种类的突变）。由于大多数突变是有害的，实验者预期许多用放射线照射过的孢子不能在称为“最低限度的培养基”中发芽。这种培养基包括为正常的（即野生型）红色面包霉的生存和生长所必需的最低限度的原料和养料。依靠人们提供的最低限度的原料，这种生物体能合成它为正常代谢所需要的其他东西。所有用放射线处理过的孢子最初在“完全”的培养基中生长，这种培养基包含所有的物质，既有原料也有那些由生物体正常地制造的物质。在获得大量的各种类型的孢子之后，让它们在最低限度的培养基中生长，以测定已经发生突变的原种。那些不能生长的孢子被假定为至少有一个由突变引起的代谢障碍。当那些来自已知包含某些突变的原种的孢子在许多“改变了的培养基”中生长时，每个孢子缺乏一种特定的物质（但包含其他所有物质）。例如，如果来自原种A的孢子能够在所有改变了的完全的只除了缺乏维生素B之外的培养基中生长，那么能够推断原种A在这种维生素合成的途径中有一个代谢障碍。
比德尔和塔特姆在鉴定了许多这样的突变之后，对每个菌株的孢子的形成作了遗传学的分析。结果表明代谢障碍与基因分离是直接相关的。由此看来，可观察到的代谢障碍与基因突变是相联系的。但是，更准确地说，由于已知代谢途径中的每个步骤是通过一个特定的酶催化的，比德尔和塔特姆推断基因突变引起酶的变化和每个基因必然控制某个特定的酶的合成。根据这项工作，他们提出了称为“一个基因一个酶”的假设：即每个基因产生一个特定的酶的概念。比德尔和塔特姆从事他们的工作，完全不知道加罗德在三十年以前的相似的发现。然而，实际上正如他们承认的，他们只是证实了他们的前辈已经很雄辩地阐述过的东西。
今天生物学家倾向于把一个基因一个酶的假设看作仅仅是对这些事描述的一部分，因为它表明一个基因密码代表一个多肽链，而不代表整个酶或蛋白质分子。比德尔和塔特姆的工作最重要的一点也许是他们找到了一种能够以实验方法研究基因功能的生物体。红色面包霉不仅易于在实验室培育，而且它的孢子易于做遗传学上的分析，还有运用放射线照射技术，能够非常容易地产生突变。最重要的是，正常状态的有机体只有一个而不是两个基因决定每—个性状，因此不存在隐性基因被显性基因掩盖的问题；每个基因显现出它的效果。代表红色面包霉的代谢特征的基因型，能够根据它是否在特定的培养基中生长来直接地检验。红色面包霉引入生物学，它适用于生化遗传学就像果蝇适用于染色体遗传学那样。
基因的功能是特定的多肽链结构的控制者，在比德尔和塔特姆工作以后的十年里得到了大量的证实。有一个例子可以说明有关这个问题的概念是如何发展的。虽然这里的目的不是把发现者的名单载入编年史，但这点是重要的，了解分子遗传学的发展以便知道什么样的概念和事实根据在分子遗传学发展时期是适用的。
1949年，J. V. 尼尔（J. V. Neel1915—）证明，人的遗传性疾病镰形血球贫血症，是按照简单的孟德尔方式遗传的。同年，林奈斯· 波林（Linus Pauling1901 ~ ）和几位同事说明丁镰形血球的病人的血红蛋白在结构上如何不同于正常的血红蛋白（他们运用电泳技术鉴别这两种血红蛋白）。波林根据他的蛋白质结构的知识，推断这两种血红蛋白的不同应归结为氨基酸构成的某些不同。几年以后，1957年V. M. 英格拉姆（V. M. Ingran1924~）对镰形血球和正常血红蛋白作了详细的氨基酸分析，证明两种血红蛋白的不同，只是由于一个氨基酸不同而造成的。但这种不同足以严重地影响患者的健康（患有镰形血球贫血症的人，在血液中氧气压力低的状况下，缺乏把氧携带到他们的组织中去的有效手段）。镰形血球贫血症是一种孟德尔式的突变的结果，它表明了基因以何种方式决定多肽链中的氨基酸序列。因此，到了四十年代晚期和五十年代早期，这点变得明显：基因通过控制特定的蛋白质的产生来控制细胞的新陈代谢。看来，蛋白质是由有机体的基因型产生的最直接的表现型。
（待续）