回顧“基因在染色體上”的發現歷程

沈兆瑞

摘 要 高中生物教材通過寥寥數筆巧妙地概括“基因在染色體上”的發現過程，然而，教學中對該理論的探究歷程依然存在著不少疑惑。依據20世紀初相關論文與科學史，對“基因在染色體上”的提出及其所涉及的其他理論進行簡要的歸納與概述，為教學提供參考。

關鍵詞 性別決定 染色體 果蠅 摩爾根

中圖分類號 Q-49 文獻標志碼 E

1900年，塵封長達34年之久的孟德爾理論被雨果·德弗里斯、卡爾·柯侖等三位植物學家重新發現，隨即引發科學界的熱議，不同領域的學者們紛紛開展工作，以驗證孟德爾比例的正確性及其適用范圍。在眾多研究中，最先獲得稱贊與爭議的科學家是年僅25歲的沃爾特·薩頓。

1 薩頓假說與性別決定

1903年，薩頓發表《遺傳中的染色體》，文中他提出假說：在減數分裂形成生殖細胞的過程中，基因與染色體的行為有明顯的平行關系。與經典的魏斯曼預言一樣，該假說無疑是另一個超前智慧與豐富想象力的碰撞產物。然而，即便威爾遜（薩頓的導師）后來都承認：“在當時，并未完全理解該觀念的全部份量”。假說提出后，受到了多位科學家的公開質疑，實際上多數矛頭可能指向于薩頓參與的另一個研究：性別決定因素。

關于性別決定的爭議由來已久，早在1870年，孟德爾在給卡爾·內格利教授的信中就提到：性別決定可能會被證明是一種遺傳現象。此后若干年內，參與爭論的科學家們逐漸形成不同的陣營。其中一方認為性別主要是由染色體所決定，而其余陣營則持有反對觀點。染色體理論是由美國細胞學家麥克郎所提出的，他對多種昆蟲細胞中的性別差異進行研究，最終明確了性染色體和昆蟲性別之間的聯系。薩頓對蝗蟲細胞的研究工作正是其中之一，因為麥克郎就是他在堪薩斯大學的導師。

在對性別決定的研究初期（1902年），麥克郎提出的染色體理論是不完善的，甚至是錯誤的，這可能不得不歸因于薩頓的失誤。薩頓的研究材料是西苯蝗，其精原細胞中染色體巨大且清晰，便于觀察，而雌性則不然。這直接導致了薩頓對染色體數目的錯誤統計：雄性是23條，而雌性是22條染色體（事實上雌雄細胞中都是24條染色體）。該結論影響并誤導了他的導師，使得染色體理論的提出經歷了一段漫長而曲折的道路。

2 摩爾根的懷疑態度

在這場漫長爭論的初期，摩爾根與麥克朗位于不同的陣營中。盡管在不久的將來，前者會被譽為遺傳學中的“染色體之父”。但在20世紀初期，摩爾根對“染色體決定性別”一直持有懷疑、甚至貶低的態度，這與他當時的研究方向有關。在成為遺傳學家之前，摩爾根主要的研究方向是胚胎發育。當時該領域的熱點為：為何相同的胚胎細胞，會在同一環境下，分化成截然不同的組織細胞？摩爾根支持漸成論而否認先成論的觀點——“胚胎發育由細胞核內的染色體所主導”。1907年，摩爾根在《實驗動物學》中總結出一系列胚胎發育的相關工作，并在討論性別決定因素時，著重描述了非染色體因素（如受精卵中的細胞質）對性別的影響。

此外，摩爾根還是實驗學的崇尚者。他確信，相比單純的形態學描述，精確的定量統計才是研究生物學的主要方法。因此，他懷疑并討厭一系列“理論先于實驗”的研究，例如薩頓假說、麥克朗的染色體理論以及魏斯曼的目的論等。1933年，在獲得諾貝爾醫學和生理學獎的發言辭中，摩爾根提到：“這是實驗生物學的勝利”。言下之意，實驗才是檢驗真理的唯一道路。這種對實驗學的極端推崇在另一事件中表現得尤為突出。

1903年，摩爾根在《進化與適應》一書中明確表示對孟德爾理論的支持。他認為孟德爾理論建立于扎實的豌豆雜交實驗基礎之上，并經過嚴謹的統計與分析，所得出的結論必然是可信的。然而，重復實驗的失敗，使得他開始懷疑孟德爾比例的適用范圍。

1904～1910年，摩爾根希望利用家鼠的花色、眼色等雜交實驗來證實孟德爾的分離比例，然而結果并不盡如人意。在深褐色與黑色家鼠雜交實驗中，少數子代呈現出融合遺傳的特點——前半身為深褐色而后半身為黑色；無獨有偶，另一組黑眼與粉紅眼的雜交實驗中，出現了一只眼睛為黑色，而另一只為粉紅色的子代。上述結果讓摩爾根多次公開質疑孟德爾的理論及其擁護者。

正當摩爾根與孟德爾理論逐漸遠離的同時，一種模式生物的興起為遺傳學的發展帶來新的契機。

3 果蠅雜交實驗

黑腹果蠅是研究遺傳學的理想材料，這取決于它的較短的繁殖周期，在適宜的環境中，果蠅平均每個世代僅10 d左右。在出現那只著名的白眼果蠅之前，摩爾根已經“浪費”2年多的時間用于果蠅的人工誘發突變實驗，結果一無所獲。

1910年，一只特殊的白眼雄蠅出現在摩爾根的蠅室中。關于它的來源存在爭議，但絲毫沒有影響它在遺傳學史上的地位。隨后，為世人所熟知的幾組果蠅雜交實驗在短短2個月內完成，同年7月，摩爾根在《科學》雜志中發表了第一篇關于果蠅的論文：Sex-Limited Inheritance In Drosophila。可能因為投稿時間過于緊促，該論文中的細節并不完美——例如標題中的限性遺傳（sex-limited）很快因為白眼雌蠅的出現被改為伴性遺傳（sex-related）。此外，摩爾根嘗試在文中解釋果蠅雜交實驗的本質，其推理過程也被證實是錯誤的。但是，瑕不掩瑜，摩爾根最終還是抓住了真相：“決定眼色性狀的R因子與決定性別的X因子始終在一起，從未分離”。毋庸置疑，遺傳學的新時代將由此拉開帷幕。

果蠅雜交實驗中，經典的3∶1遺傳比例無疑證實了孟德爾理論的正確性。不僅如此，直至1912年底，摩爾根與他的學生們已經發現了40多種果蠅的突變性狀，都無一例外地遵循孟德爾定律，這些實驗數據讓他重新成為孟德爾最堅定的擁護者。誠如加文·德比爾所述，“摩爾根及其同事所進行的大量的果蠅實驗一掃過去之疑云，確證了孟德爾遺傳定律之正確”。

4 基因位于染色體上

盡管在果蠅的首篇論文中，摩爾根依然堅持決定性別的是X因子，而不是染色體。但越來越多的實驗證據表明X因子可能位于X染色體上。對此，摩爾根提出假設，“決定性狀的基因遠多于染色體數目，如果基因位于染色體上，那么一條染色體上的多個基因（性狀）應該組合在一起，共同呈現孟德爾遺傳規律”。那么，決定性狀的基因究竟是不是位于染色體上呢？

隨著果蠅研究體系的日益成熟，真相逐漸浮現。正如摩爾根所想，40多種果蠅的突變性狀可被歸納為三組連鎖群，相同連鎖群內的性狀組合在一起，呈現相似的孟德爾比例。1913年，摩爾根的學生斯特蒂文特繪制出第一幅基因的分布圖，他通過復雜且精確的統計，將基因交換的頻率與基因在染色體上位置關系對應起來。簡而言之，交換頻率越大，則基因在染色體上位置相距越遠。同年，基因位于染色體上的直接證據被摩爾根的另一位杰出的學生——布里奇斯所發現。

1913年，布里奇斯在研究白眼雌蠅（XwXw）與紅眼雄蠅（XWY）的雜交過程中發現，子代中不僅有正常的白眼雄性和紅眼雌性果蠅，還出現令人疑惑的“例外”——白眼雌蠅。他推測例外的基因型為XwXwY，由雌配子產生過程中X染色體分離異常所致。顯微鏡下的核型鑒定發現，異常白眼雌蠅的體細胞中的確含有三條性染色體。這為白眼基因w位于X染色體上提供了最直接的細胞學證據。

1915年，摩爾根及其同事合作出版《孟德爾遺傳原理》，該書中提供了大量的實驗證據與嚴謹的統計結果，證實基因在染色體上呈線性排列。據此，摩爾根被稱為遺傳學中的“染色體之父”，他所提出的連鎖與交換定律，與孟德爾分離、自由組合定律一起被統稱為遺傳學的三大定律。

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