關于“基因在染色體上”問題的史料分析*

陳紹洲 （廣東省海豐縣彭湃中學 廣東汕尾 516400）

20 世紀上半期的經典遺傳學是遺傳學發展的基石，其理論的核心為遺傳的染色體學說，即摩爾根發展、證明和總結的基因論。主要證明了基因的存在、基因的位置、基因的傳遞方式。“基因在染色體上”是基因論形成最為核心的實驗。

1 教材對“基因在染色體上”的簡述

“基因在染色體上”是人教版普通高中生物學必修2《遺傳和進化》第2 章第2 節的內容。現行教材的編委依《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》精心編寫，適合新時代生物學科學素養和學生的認知水平。現行教材以詳細的實驗事實科學性、探究性地反映摩爾根研究“基因在染色體上”的假說歷程。因篇幅有限或可讀性的需要，教材對“基因在染色體上”的某些現象未進行詳細探討。為了更好地體現摩爾根研究“基因在染色體上”的過程。筆者通過查閱摩爾根[1]1910 年發表于《科學》“果蠅的限性遺傳（Sex-limited inheritance inDrosophila）”論文及摩爾根團隊后續的實驗研究，發現其中比較典型、富有思考性的3處實驗結果。這3 處實驗結果是摩爾根研究的原始資料，可幫助學生更全面理解“基因在染色體上”理論的完善及發展過程，有助于激勵學生不斷地思考和更多地通過實驗探究科學問題的積極性。

2 3 處原始實驗資料

2.1 子一代的果蠅不是全部紅眼 人教版教材和教師教學用書對子一代的果蠅性狀這樣描述“F1全為紅眼[2]、子一代不論雌雄都是紅眼[3]”；有些教輔資料、教學視頻或論文這樣描述“子一代1 240 只都是紅眼”。摩爾根1910 年發表于《科學》“果蠅的限性遺傳”原文的數據“這只白眼雄果蠅和其姐妹紅眼果蠅交配產下后代（F1）有1 237 只紅眼和3 只白眼雄果蠅，這3 只白眼雄果蠅的產生是因為進一步的變異，在本實驗研究中忽略不討論”[1]。這句話也表明人教版教材的另一處“在實驗室，它抖擻精神與一只紅眼雌果蠅交配，將突變基因傳了下來”[2]生動、幽默、傳神的描繪。反映科學研究驚心動魄的一幕，白眼雄果蠅命懸一線，科研人員只有把握機會，找準時機，科學發現才不會在眼前白白丟失，該白眼雄果蠅與多只紅眼雌果蠅交配，因為其姐妹在英文表達用復數“sisters”，從雌果蠅的繁殖能力推算應該是多只紅眼雌果蠅，每只雌果蠅每次產卵有100～150 顆，最多有300 顆。要產生1 240 只果蠅至少需要9 只雌果蠅。實際上更有趣的是，這只白眼雄果蠅并不像傳說中那么虛弱，“戰斗力”極強，后來還跟其子代雌果蠅進行回交，助力摩爾根完成更有說服力的實驗。摩爾根嚴謹的科學精神有利于培養學生的核心素養之一“科學探究”。生命科學的進步和發展必須以實驗為依據進行“去偽存真”的“科學思維”，“后代（F1）3 只白眼雄果蠅”是生命現象中的一種例外，摩爾根沒有被這種“例外”現象所干擾，用科學思維做到去偽存真，暫時忽略不討論，一心一意驗證孟德爾遺傳定律。在當時細胞減數分裂中的對染色體數量分配研究有限的情況下，摩爾根這種做法很高明。20 世紀40 年代，艾弗里和他的同事用肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）進行研究，提出了不同于當時大多數科學家觀點的結論∶DNA 才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質[2]。因為艾弗里提取的DNA 含有極少量的蛋白質，于是當時包括沃森在內的主流科學家不認可這一結論[4]。直到1952 年，美國遺傳學家赫爾希（Hershey，1908—1997）及其助手蔡斯（Chase，1927—2003）以T2 噬菌體和細菌為實驗材料，利用放射性同位素標記技術，不以直接的方法證明DNA 是遺傳物質。這時主流科學家才認為DNA 是遺傳物質的結論。這導致生命科學的發展延滯幾年。如果艾弗里及其同事用肺炎鏈球菌研究的成果早一些被確認，也許DNA 分子結構就能早些建立。后來的實驗研究中，摩爾根發現這種現象越來越多。1916 年，摩爾根的學生布里吉斯因對這種“例外”現象進行大量的研究，發現雌性果蠅少數卵細胞減數分裂異常，從推理和細胞顯微觀察再次直接證明紅、白眼基因就是位于X 染色體上。此后，再無人懷疑染色體遺傳學說[5]。這種“例外”現象的研究讓摩爾根團隊發現了果蠅性別決定方式不僅由性染色體決定。果蠅的性別不是取決于是否存在Y 染色體，而是取決于性指數，性指數是指X 性染色體數與常染色體組（A）數的比值。當X/A=1 時為正常雌性或多倍體雌性，當該比值大于1 時為超雌性；X/A=0.5 時為正常雄性或多倍體雄性，小于0.5 時為超雄性；當該比值為0.5～1.0時，則表現為中間性[3]。

2.2 測交的后代不是規律完美的25% 人教版教參第119 頁“摩爾根等人通過測交的方法，進一步驗證了其假說。將F1的紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅進行測交實驗，得出如下數據：紅眼雌果蠅為126，紅眼雄果蠅為132，白眼雌果蠅為120，白眼雄果蠅為115。從而用實驗證明了基因位于染色體上”[3]。這一組數據很完美，但與摩爾根“果蠅的限性遺傳”實驗數據有些相差。摩爾根的實驗數據：紅眼雌果蠅129 只，紅眼雄果蠅132 只，白眼雌果蠅88 只，白眼雄果蠅86 只。4 種表型的個體數大致相等（約25%）[1]。摩爾根的實驗數據并“不完美”，但摩爾根做過該實驗證明其真實性。正如孟德爾的豌豆雜交實驗的數據很完美，以至后來有些科學家懷疑孟德爾修改了真實數據。實際上孟德爾不一定修改數據。摩爾根沒有為了發表論文而修改實驗數據，而是選擇尊重科學探究原則，真實反映客觀現象。這個實驗再次證明孟德爾分離定律是對的，測交的預期結果正確。摩爾根做這個實驗也可能想證明白眼這種突變性狀是否僅僅在雄性才有，于是論文的題目用達爾文曾經創造的“限性遺傳”術語。通過這個實驗表明，這種新性狀白眼可通過回交傳遞給雌性，因此，在這個意義上不限于一種性別[1]。

2.3 摩爾根不需要考慮XY 染色體同源片段和Y染色體的問題 人教版教師教學用書第119 頁采用陳廷華老師的教學案例，陳老師可能為了更好培養學生科學思維，有意對果蠅的白眼基因在染色體的位置進行全方位的思考。陳老師引導學生“由于白眼的遺傳和性別相關聯，可能存在以下假設。假設1：控制白眼的基因在Y 染色體上，而X 染色體上不含有它的等位基因。假設2：控制白眼的基因在X、Y 染色體上。假設3：控制白眼的基因在X 染色體上，而Y 染色體上不含有它的等位基因[3]。”很多教師也許采用這樣的策略上課，出發點是好的。但是這種假設進行科學思維的演繹，可能會加重學生學習負擔和難度。摩爾根知道果蠅XY 染色體的發現至少是1913 年以后。摩爾根1910 年以前并未輕易認同孟德爾遺傳學說，因為摩爾根所做的動物雜交實驗沒有再現孟德爾規律現象，所以懷疑孟德爾遺傳學說僅限于豌豆等植物，沒有普遍性。摩爾根起初懷疑薩頓染色體遺傳是可理解的，因為“染色體遺傳”原是個假設，沒有直接的實驗證明。孟德爾遺傳學說至少有實驗，還有另3 位科學家的重新發現。當然，正是從懷疑到實驗探究，摩爾根證明了薩頓的假說（遺傳的染色體理論）。

從摩爾根的不同版本的著作可發現其背后的故事。1908 年，摩爾根開始研究果蠅，美國生物學家史蒂文斯（Stevens，1861—1912）發現果蠅性染色體為XY 型[3]，即精母細胞中除了有一條X 染色體之外，還有一條和它同源的Y 染色體。但摩爾根不知道這一發現（也是幸運）。摩爾根知道雌果蠅由常染色體和XX 染色體組成，雄果蠅由常染色體和X 染色體組成。所以，摩爾根在1910 年7 月“果蠅的限性遺傳”論文中采用不科學的表示方法：紅眼雌果蠅用RRXX 表示，白眼雄果蠅用WWX 表示[1]，根據自己的假設和實驗推論，其野生紅眼雄果蠅用RWX 表示。對于這種表示方法，摩爾根心里充滿矛盾，很難與薩頓染色體遺傳假說相聯系。將遺傳因子與X 染色體當作獨立個體對待，以現代科學分析，這種表示方法有點像自由組合。這種表示方法也帶給摩爾根一處不能自圓其說的地方。假設野生紅眼雄果蠅RWX 產生的精子只能是這2 種類型RX 和W，不能是WX和R。細胞生物學家威爾森（Wilson，1856—1939）建議摩爾根，最簡單的解釋就是假設眼色因子與X 染色體在物理上相聯系。但摩爾根覺得這種觀點太過臆測，不太贊同。

1910 年7 月后，摩爾根實驗室培養出更多的突變體，出現了截翅和黃身。這些新突變性狀遺傳特點像白眼一樣是“性別限定”的性狀。這時摩爾根意識到新遺傳性狀的因子的確是X 染色體上的一部分，就順理成章地解釋了為何與性別相關聯。于是摩爾根在以后的著作中創造了“伴性遺傳”術語[6]代替“限性遺傳”。這時摩爾根心中產生了染色體上具有多個孟德爾因子的想法，從而為發現新的遺傳規律“基因連鎖和互換”作準備。至1913 年摩爾根采用新的方法表示白眼基因和X 染色體的關系（圖1）。

圖1 紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅雜交圖解［7］

1915 年摩爾根發展了伴性遺傳的想法，而且擴展到了更廣泛的聯系，采用更準確的方式標示白眼基因和性染色體的關系（圖2）。

圖2 紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅雜交圖解［7］

綜上所述，果蠅白眼的遺傳只需考慮其中一種情況即可，白眼基因位于常染色體還是X 染色體。如果親代紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅雜交，子一代全部是紅眼（忽略3 只白眼雄果蠅）為正交。而摩爾根為了驗證其假設，用白眼雌果蠅與紅眼雄果蠅雜交，后代雌果蠅全部是紅眼，雄果蠅全部是紅眼，這既是測交也是反交，既證明孟德爾分離定律適用于動物的遺傳，染色體學說的正確性，又讓人類第1 次認識孟德爾進行正、反交的作用。歷經44 年（1866—1910 年），人們才真正明白正、反交的意義，原來正、反交還用于確定基因位于常染色體還是X 染色體上。

3 摩爾根的偉大之處

摩爾根從懷疑孟德爾遺傳和染色體學說到相信、準確科學表達伴性遺傳和基因連鎖現象，歷經5 年（1910—1915 年）；摩爾根及其團隊成員找到了基因的物理位置，為探究遺傳的物質基礎鋪平了成功之路。摩爾根及其團隊成員，不迷信權威，以科學實驗為標準探索真理，從復雜的生命“例外”現象找到生命規律的本質，是后繼者的光輝榜樣。