巴巴拉·麦克林托克

生平

芭芭拉·麥克林托克於1902年6月16日出生於康乃狄克州哈特福市，父親湯姆仕·麥克林托克（Thomas Henry McClintock）為英國移民是一名醫生，母親薩拉·漢迪·麥克林托克（Sara Handy McClintock）乳名葛蕾絲（Grace），是五月花號移民的後裔。芭芭拉的乳名為埃琳娜（Eleanor），是家中第三個孩子，分別有兩個姐姐馬喬裏（Majorie，1898年生）和米尼安（Mignon，1900年生）和一個弟弟湯姆（Malcolm Rider，1903年生）。後其父母覺得「埃琳娜」的名字過於女性化，便名為「芭芭拉」。芭芭拉自幼便十分獨立，非常善於獨處。大約從三歲起，芭芭拉都和姑姑及叔叔住在紐約布魯克林，以減輕父母的經濟負擔，因為當時她的父親正籌備建立診所而急需用錢。許多人形容芭芭拉是一位獨立的男人婆。她和父親的關係親密且緊扣，然而卻與母親關係不佳。
1908年麥克林托克全家前往紐約市布魯克林區，因此芭芭拉得以在紐約市繼續上學。她於1919年從伊拉茲瑪斯殿堂高級中學（Erasmus Hall High School）畢業。在讀高中期間，她對自然科學的興趣和求知慾不斷增長，畢業後順利考入康納爾大學農學院。但芭芭拉的母親受當時保守的氛圍影響，認為女孩子上大學會讓其擇偶困難，因此不願意讓女兒去念大學。但是由於父親的堅持，芭芭拉還是得以成功進入大學學習。

康乃爾大學

芭芭拉·麥克林托克於1919年考入康乃爾大學，於1923年順利畢業並獲植物學學士學位。芭芭拉在大學期間起初加入了一系列學生自治組織和姊妹會，但是她發現她的性格不適合加入這類組織。課餘之外她對音樂，特別是爵士樂深感興趣。芭芭拉對植物遺傳學的興趣始於1921年，當時她選修了由著名植物遺傳學和育種家克勞德·B·哈欽森（C. B. Hutchison）教授的遺傳學。哈欽森對芭芭拉的求知慾感動，在1922年專程打電話給她勸說她攻讀遺傳學研究生。芭芭拉後來回憶起這個電話時說：「毫無疑問，這個電話讓我確定了我的未來，我將要成為一名遺傳學家。」 本科畢業後，芭芭拉繼續在康乃爾大學攻讀碩士和博士學位，分別於1925年和1927年獲得植物學碩士和博士學位。
從博士研究生期間開始，終身致力於玉米細胞遺傳學研究。1927年在康乃爾大學獲得植物學博士學位後，即成為該領域的先驅者。早期開創性工作有玉米染色體在減數分裂中的行為，如何利用細胞顯微技術觀察玉米染色體並從細胞學角度揭示遺傳學定律，以及生殖細胞在減數分裂中的基因重組和染色體互換行為。芭芭拉·麥克林托克繪製了第一張玉米遺傳圖譜，將表現型性狀定位到染色體上，並揭示了端粒和著絲粒的在穩定和保存遺傳物質上的角色。基於以上研究，芭芭拉·麥克林托克榮獲數項學術獎項並於1944年選為美國國家科學院院士。
1940年代至50年代，芭芭拉·麥克林托克首次發現並重點研究了玉米轉座子，並利用轉座理論解釋了玉米親代和子代間某些基因的開啓和關閉。由於轉座理論過於超前，在當時廣受質疑，因此芭芭拉·麥克林托克在1953年後即停止繼續發表相關研究結果。並轉而從事繼續研究南美洲玉米的細胞遺傳和民族植物學。10年後分子生物學最終證明了她的理論的正確性與前瞻性，並得到廣泛的認同。基於此，芭芭拉·麥克林托克被授予1983年諾貝爾生理學或醫學獎，為迄今為止唯一單獨獲此殊榮的女科學家。
在芭芭拉攻讀研究生和博士後/講師階段，細胞遺傳學是一門新興學科。芭芭拉一開始為植物細胞遺傳學先驅羅威爾·廊道夫（ Lowell Fitz Randolph）和萊斯特·夏普（Lester W. Sharp）的研究助理。後和當時一些著名的科學家在康乃爾一起從事玉米細胞遺傳學的研究。她所在的研究小組有許多當時非常有名的遺傳學家和植物育種家，如育種家馬庫斯·羅玆（Marcus Rhoades），遺傳學家喬治·韋爾斯·比德爾（George Beadle，後獲諾貝爾醫學或生理學獎），當時女遺傳學家哈麗特·克萊登（Harriet Creighton）亦是這個研究組的博士研究生。當時植物育種系主任羅林斯·A·愛默生（Rollins A. Emerson，遺傳學家，孟德爾定律的重新發現者）雖然對細胞遺傳學不甚瞭解，但對他們的研究工作給予很大的支持。
芭芭拉的早年工作重點是能在顯微鏡下觀察並區分不同玉米染色體的顯微技術。芭芭拉用洋紅染色液對玉米小孢子細胞進行染色，從而得以從形態學上描述玉米的一套完整染色體（n＝10）。通過大量觀察染色體型態，染色帶和玉米表現型，芭芭拉成功將部分性狀定位到染色體上並確定了其連鎖關係。同時芭芭拉還對三倍體玉米的染色體性狀進行描述，並在期刊《Genetics》上發表了研究成果。該研究成果被馬庫斯·羅玆評為康乃爾大學1929－1935年科研重大突破之一。
1930年，芭芭拉在實驗中首次觀察到減數分裂時同源染色體交叉，芭芭拉和研究生哈麗特·克萊登共同對此現象進行了一系列研究，並於次年用實驗證明了染色體互換和連鎖基因的基因重組的關係。她們進一步研究揭示染色體互換能產生新性狀。在此之前，染色體交換導致基因重組只是托馬斯·亨特·摩根提出的假說。麥克林托克和克萊登通過實驗首次證明了這個觀點的正確性。在此基礎上，芭芭拉於1931年發表了首張玉米連鎖遺傳圖譜，儘管這張圖譜非常簡單，僅僅是玉米9號染色體上三個基因的排列和相互距離。兩人其他研究成果還有發現染色體交換不僅發生在同源染色體，也發生在同一個著絲粒相連的兩個姐妹染色單體之間。隨後，芭芭拉於1938年對染色體著絲粒進行了研究，描述了其結構和染色體分裂時的細節過程。
由於芭芭拉·麥克林托克的以上突破性研究，她獲得了美國國家科學研究委員會提供的數項獎勵和研究經費。她先後在康乃爾大學，密蘇里大學和加利福尼亞理工學院（導師E.G.安德森）從事博士後研究。1931年至32年，她加入密蘇里大學植物遺傳專業，和路易斯·斯塔德勒為同僚。斯塔德勒向她傳授了其剛剛研究成功的X-射線誘變技術。麥克林托克利用X-射線處理其實驗玉米後，發現了環狀染色體是由於X-射線將染色體部分破壞後，兩條染色體融合而來。因此她設想染色體的端粒應該是維持其穩定的重要部件。

研究發展

芭芭拉畢業後仍留在康乃爾大學擔任植物學的講師，她集合好幾個研究員進一步研究有關玉米的細胞遺傳學。在研究期間她發明了用胭脂紅色素去染玉米染色體的方法，使她成為第一位能染出玉米10條染色體的專家。1929年她在「遺傳學報」發表了玉米有三倍體染色體的文章，令當時的科學家開始對玉米的研究有興趣。接著在1930年她又成為第一個提出在減數分裂時染色體有交換現象發生的假設，由此她更觀察出染色體透過重組會形成新的特徵。1931年她發表了玉米的遺傳譜。在朋友及其他學術同伴支持下，他終於得到國家研究委員會的研究經費，使她更致力於相關領域的研究。
之後她在密蘇里學到使用X射線使基因突變的方法，透過此技術她成為第一個發現環狀染色體的專家，更知道了染色體不穩定而形成此因的理論。她利用X射線來研究染色體的裂—合—橋週期。在1938年證明了端粒和著絲粒扮演了保存染色體遺傳訊息的角色。
她在密蘇里大學時因為身為女性，因此薪資只有極為不公平的3000美元，遠少於其他男性研究員。所以到了1941年她終於受到了邀請去一個更好的「冷泉港實驗室」，這裡有更好的資源及支援供她繼續從事研究工作。在1944年她在遺傳上的傑出成就獲得承認，芭芭拉成為「美國國家科學院」的院士，而當時她是史上第三位獲得這項榮譽的女性。一年之後的1945年她更當選為「美國遺傳學會」（Genetics Society of America）的首位女性主席。
接著她繼續在冷泉港實驗室研究為什麼玉米種子會有不同顏色的主題，而且這顏色的遺傳是不一定的。經過一番研究，她找到了兩個新的基因座，她將其命名為「Dissociator」（Ds）與「Activator」（Ac）。她找到的「Dissociator」不只是能打斷染色體，當「Activator」存在時還能使鄰近的基因改變。這突破性的發現使所有科學家大吃一驚。因為當時分子生物學技術並不發達，她只能用雜交的方法，再透過顯微鏡的觀察才得到結論。她觀察到當「Ds」移動時，「粒狀蛋白色彩基因」（aleurone-color gene）就會不受抑制的釋放出來，進而得到活化而合成色素。但前提是「Ac」要能先控制「Ds」的進行，更神奇的是「Ds」的轉換是隨意的，不同的玉米種子會有不同顯色狀態，因此顏色就會有所不同。綜合研究觀察後她提出一個理論－就是「Ds」與「Ac」這種活動元素，會調節基因的抑制力以及控制它的活性。她更稱「Ds」和「Ac」是一種「調節單位」（controlling units），她大膽假設這種基因的調控解釋了為什麼在多細胞生物中，單一的基因組卻能使不同細胞具有不同功能。但她這個新觀念卻和當時多數人一基因一功能的想法有所衝突，而且這理論在一時間很難被人了解及接受。但即使如此她卻不理會世人的眼光，繼續她的研究。一直到1953年大家既然仍不相信她，因此她決定不再把資料及論文對外發表。
直到1960年代，法國科學家方斯華·賈克柏與賈克·莫諾發現了「乳糖操縱子」（lac operon），從而認定乳糖操縱子與基因的調控有關。但其實早在十多年前芭芭拉就已經有類似發現，接著她將自己的研究應用到細菌及酵母菌上。隨著時代的進步與分子生物學的發展，在1970年代，「Ds」與「Ac」終於被其他科學家複製繁殖成功，並且知道它是「II型轉座子」，更清楚的了解其相關的機制。終於証明芭芭拉當時的假設是正確的，因此她終於得到世人的認同並獲得來自於各界的殊榮，而最大讚揚莫過於1983年諾貝爾的生理醫學獎。