還原基因在染色體上的探索過(guò)程 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)認(rèn)識(shí)*

馬晉閩 王玉龍

（廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東廣州 510055）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出生物學(xué)課程既要讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識(shí)，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過(guò)程中所持有的觀點(diǎn)，以及解決問(wèn)題的思路和方法。同時(shí)指出學(xué)習(xí)生物科學(xué)史，能使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)探究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神，對(duì)提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)很有意義［1］。由此可見(jiàn)科學(xué)史的教育可更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

在遺傳定律的教學(xué)與學(xué)習(xí)上，絕大多數(shù)教師所采用的方法是通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境和有效引導(dǎo)，讓學(xué)生模擬想象成遺傳學(xué)家，依據(jù)科學(xué)研究數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和推理，進(jìn)而理解是如何通過(guò)假說(shuō)-演繹法得出遺傳定律的。摩爾根果蠅實(shí)驗(yàn)是遺傳學(xué)上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，人教版高中《生物》必修2中摩爾根對(duì)果蠅雜交實(shí)驗(yàn)（圖1）所作出的假設(shè)為“控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體不含有它的等位基因”，不少教師認(rèn)為該假設(shè)并不很?chē)?yán)謹(jǐn)，因?yàn)榭刂瓢籽鄣幕蛟赬、Y的同源區(qū)段（圖2），同樣能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這不禁讓人產(chǎn)生疑問(wèn)：摩爾根的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)嗎？摩爾根當(dāng)年用什么方法證明了Y染色體上沒(méi)有白眼基因？

圖1 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)圖解

圖2 白眼基因在X、Y染色體上的可能分布

在“中國(guó)知網(wǎng)”搜索2014—2018年摩爾根果蠅實(shí)驗(yàn)科學(xué)史的教學(xué)設(shè)計(jì)，共得到論文4篇，分別是劉曉文的“基于生物科學(xué)史的探究課堂構(gòu)建——以《基因在染色體上》一課為例”［2］，屈任務(wù)的“還原經(jīng)典實(shí)驗(yàn)破解學(xué)生疑惑——還原一個(gè)完整的摩爾根雜交實(shí)驗(yàn)”［3］，李琳的“基于科學(xué)史的‘基因在染色體上’一節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)”［4］，范潔的“例析基于理性思維的科學(xué)史教學(xué)策略——以‘基因在染色體上’為例”［5］。這些教學(xué)設(shè)計(jì)均認(rèn)為摩爾根為解釋其雜交實(shí)驗(yàn)，都分別作出了“控制白眼的基因是位于X染色體的非同源區(qū)段，位于Y染色體的非同源區(qū)段，位于X、Y染色體的同源區(qū)段”3種假說(shuō)，并設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，從而排除了控制眼色的基因位于Y染色體上的可能，得出控制眼色的基因位于X染色體上。因此教師強(qiáng)調(diào)在教學(xué)環(huán)節(jié)上，需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)基因在染色體上的各種可能情況進(jìn)行分析，從而讓學(xué)生領(lǐng)悟摩爾根縝密的思考、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评怼膮⒖嘉墨I(xiàn)上可看出，上述教學(xué)設(shè)計(jì)中教師所還原的科學(xué)史探究過(guò)程，其設(shè)計(jì)依據(jù)幾乎都是來(lái)源于教參，個(gè)別教師還參考了劉祖洞主編的《遺傳學(xué)》。筆者通過(guò)閱讀1910年摩爾根發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的“果蠅的伴性遺傳”論文及其他論著，發(fā)現(xiàn)教師對(duì)摩爾根所做的果蠅實(shí)驗(yàn)存在較大的認(rèn)識(shí)偏差。

1 人教版高中《生物》必修2中摩爾根果蠅雜交實(shí)驗(yàn)與1910年摩爾根發(fā)表論文的區(qū)別

摩爾根關(guān)于“果蠅的伴遺傳”的第1篇研究論文發(fā)表于1910年。當(dāng)時(shí)人們對(duì)遺傳物質(zhì)的認(rèn)識(shí)是模糊的，無(wú)論是孟德?tīng)柣趯?duì)數(shù)據(jù)分析指出遺傳因子的存在（1909年，約翰遜改稱“基因”），還是1903年薩頓通過(guò)觀察指出基因在染色體上，都是假說(shuō)。摩爾根不喜歡假說(shuō)，尤其不喜歡必須依賴其他假說(shuō)的幫助才能成立的假說(shuō)。摩爾根在1910年發(fā)表的論文中，根據(jù)雜交實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，其遺傳圖解如圖 3 所示［6］。

圖3 1910年摩爾根論文中的遺傳圖解［6］

由此可知，摩爾根在做果蠅雜交實(shí)驗(yàn)時(shí)，是不知道基因與染色體的關(guān)系的，所以根據(jù)孟德?tīng)柕姆椒ㄔ诮忉屔蠈㈩伾蜃樱≧）與決定性別的因子（X）分開(kāi)考慮，并由此推測(cè)出“事實(shí)是這個(gè)R同X結(jié)合在一起，從不單獨(dú)分開(kāi)”，用現(xiàn)代生物學(xué)術(shù)語(yǔ)即為“連鎖”。但即使這樣，摩爾根對(duì)控制白眼基因在X染色體上的這一結(jié)論還是保留謹(jǐn)慎態(tài)度。所以摩爾根在書(shū)寫(xiě)上還是將顏色因子（R）與決定性別的因子（X）并列關(guān)系書(shū)寫(xiě)。

其次，由于當(dāng)時(shí)摩爾根用的顯微鏡不過(guò)是把一般的放大鏡架起來(lái)（圖 4）［7］，受實(shí)驗(yàn)條件及認(rèn)識(shí)的局限，摩爾根沒(méi)有考慮到Y(jié)染色體的存在，所以在書(shū)寫(xiě)上，雌性果蠅用XX，雄性果蠅用X表示。

圖4 摩爾根實(shí)驗(yàn)室［7］

因此，目前生物學(xué)教師所普遍認(rèn)為的“摩爾根設(shè)計(jì)白眼雌蠅與紅眼雄蠅雜交實(shí)驗(yàn)，判斷白眼基因是否在Y染色體上”，這種認(rèn)識(shí)超出了摩爾根當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平。

2 摩爾根果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的目的是什么？

當(dāng)時(shí)人們對(duì)孟德?tīng)栠z傳規(guī)律的認(rèn)識(shí)還是存在爭(zhēng)議的，摩爾根并不信孟德?tīng)枴?909年，摩爾根在進(jìn)行果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，還發(fā)表文章抨擊孟德?tīng)柕姆椒āＪ紫龋诜椒ㄉ希柛J(rèn)為孟德?tīng)柺峭ㄟ^(guò)對(duì)數(shù)字進(jìn)行分析推理，然后提出理論，該方法是從理論上預(yù)測(cè)了基因與性狀的關(guān)系，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上“可見(jiàn)”，但并沒(méi)有遺傳學(xué)的物理基礎(chǔ)。摩爾根認(rèn)為孟德?tīng)柕募僬f(shuō)不過(guò)是“結(jié)果被很好地解釋了，因?yàn)榘l(fā)明了解釋來(lái)解釋它們”，并稱之為“高級(jí)雜耍”［7］。其次，摩爾根反對(duì)染色體遺傳學(xué)說(shuō)，對(duì)于遺傳單位是否存在，以及在何處存儲(chǔ)也不感興趣。

因此，1909年摩爾根所做的果蠅雜交實(shí)驗(yàn)并不是為了證明孟德?tīng)枌W(xué)說(shuō)，而是為了推翻孟德?tīng)枌W(xué)說(shuō)。直到1911年，摩爾根才在《科學(xué)》上發(fā)表論文聲明果蠅的突變符合孟德?tīng)柕睦碚摚兂闪嗣系聽(tīng)枌W(xué)說(shuō)的堅(jiān)定支持者。他說(shuō)：“凡是密切觀察這些新類型發(fā)展史的人，都會(huì)對(duì)以下事實(shí)留下一個(gè)深刻的印象：性狀確實(shí)會(huì)‘分離’，而且在多數(shù)情況下無(wú)中間類型發(fā)生”。所以，1909年摩爾根對(duì)果蠅的雜交方案的設(shè)計(jì)，首先是基于對(duì)孟德?tīng)柗椒ǖ馁|(zhì)疑驗(yàn)證，其次是材料白眼雄性果蠅的獲得。在此基礎(chǔ)上，摩爾根設(shè)計(jì)了一系列雜交組合，試圖通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析否定孟德?tīng)柗椒ǎ罱K通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，摩爾根成為了孟德?tīng)枌W(xué)說(shuō)的堅(jiān)定支持者。

據(jù)此，教學(xué)設(shè)計(jì)中“摩爾根判斷基因的位置”各種假設(shè)確實(shí)能起到訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維的作用，但是必須明確的是，事實(shí)上該前提偏離了摩爾根進(jìn)行果蠅雜交實(shí)驗(yàn)的目的。

3 1910年摩爾根發(fā)表論文時(shí)到底做了哪些實(shí)驗(yàn)？

1910年摩爾根在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題階段和演繹推理階段一共做了如下幾組實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 1910年摩爾根果蠅雜交實(shí)驗(yàn)

其中，在演繹推理階段，白眼雌性和紅眼雄性的雜交組合最為關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)完全吻合，假設(shè)得到完美證實(shí)，摩爾根據(jù)此確定了控制眼色的基因在X染色體上。

隨著實(shí)驗(yàn)條件的改善和實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入，摩爾根的學(xué)生布里吉斯為基因在染色體上提供了無(wú)可辯駁的證據(jù)。1916年布里吉斯發(fā)現(xiàn)，白眼雌蠅和紅眼雄蠅交配，理論上子代應(yīng)該是白眼雄蠅和紅眼雌蠅。但觀察大量子代后發(fā)現(xiàn)，大約每2 000只子代個(gè)體中，有1個(gè)紅眼雄蠅或白眼雌蠅。對(duì)此現(xiàn)象的解釋，布里吉斯提出如圖5所示的假設(shè)：雌果蠅卵原細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程，極少數(shù)細(xì)胞X染色體不分離，導(dǎo)致卵細(xì)胞或含有2條X染色體，或不含有X染色體。異常卵細(xì)胞與精子結(jié)合得到的XXY個(gè)體為白眼雌蠅，XO個(gè)體為紅眼雄蠅，這樣就可解釋異常果蠅的出現(xiàn)。

圖5 初級(jí)不分離，XX卵子與Y精子受精，產(chǎn)生XXY雌性個(gè)體［8］

圖6 白眼XXY雌果蠅與紅眼XY雄果蠅雜交［8］

布里吉斯進(jìn)一步推測(cè)該異常出現(xiàn)的白眼雌蠅與正常紅眼雄蠅雜交，預(yù)期得到的后代應(yīng)如圖6所示：會(huì)產(chǎn)生8種個(gè)體，其中8號(hào)為YY，因無(wú)X染色體而不能存活。圖6中4號(hào)紅眼雄果蠅和7號(hào)白眼雌果蠅則是正常白眼雌果蠅與正常紅眼雄果蠅雜交所不能產(chǎn)生的，但事實(shí)上在布里吉斯的雜交實(shí)驗(yàn)中卻同時(shí)“例外”的出現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與布里吉斯的預(yù)期相吻合，證實(shí)了布里吉斯假說(shuō)的正確性。通過(guò)進(jìn)一步檢查該“例外的”白眼雌果蠅的染色體，證明了其體內(nèi)含有2條X染色體和1條Y染色體。最終布里吉斯的實(shí)驗(yàn)無(wú)可辯駁地證明了基因在染色體上［8］。1916年摩爾根再次以“果蠅的伴性遺傳”為題發(fā)表論著，對(duì)上述認(rèn)識(shí)作出總結(jié)。

綜上所述，由于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平，摩爾根1910年的論文在細(xì)節(jié)上是有所瑕疵的。但是他采用了孟德?tīng)柕耐评砑皩?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，證實(shí)了孟德?tīng)枌W(xué)說(shuō)的正確性；并借助薩頓等科學(xué)家對(duì)性染色體的理解，敏銳地發(fā)現(xiàn)果蠅伴性遺傳的存在，將孟德?tīng)柕睦碚撏茰y(cè)與染色體進(jìn)行了具體聯(lián)系；并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了連鎖互換定律，為現(xiàn)代遺傳學(xué)奠定了細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。人教版高中《生物》所介紹的摩爾根實(shí)驗(yàn)是對(duì)遺傳規(guī)律的總結(jié)認(rèn)識(shí)，是在對(duì)基因與染色體的關(guān)系有了發(fā)展性認(rèn)識(shí)后所作的現(xiàn)代生物學(xué)解釋。

2018年10月在北京召開(kāi)的中學(xué)生物學(xué)研討會(huì)上，何奕琨教授指出：“進(jìn)行科學(xué)史教育需要教師多讀原著，盡量還原真正的科學(xué)史”。科學(xué)史蘊(yùn)含著科學(xué)家研究問(wèn)題的思路，是很好的教學(xué)素材。運(yùn)用科學(xué)史進(jìn)行教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、做出假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)的能力。通過(guò)對(duì)摩爾根果蠅實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)可以看出，人教版教材在編寫(xiě)時(shí)考慮了諸多因素，例如學(xué)生的接受水平、素材所占的篇幅、科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展。因此，教材中對(duì)摩爾根的果蠅實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的科學(xué)史進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，這樣有利于新授課時(shí)學(xué)生掌握“基因在染色體上的實(shí)驗(yàn)證據(jù)”這部分教學(xué)內(nèi)容。教師在備課時(shí)適當(dāng)了解真實(shí)的摩爾根果蠅實(shí)驗(yàn)，能清楚自己帶領(lǐng)學(xué)生還原的究竟是最初的科學(xué)史，還是科學(xué)發(fā)展到一定新的階段之后的新認(rèn)識(shí)。