回顧“基因在染色體上”的發(fā)現(xiàn)歷程

沈兆瑞

摘 要 高中生物教材通過寥寥數(shù)筆巧妙地概括“基因在染色體上”的發(fā)現(xiàn)過程，然而，教學(xué)中對(duì)該理論的探究歷程依然存在著不少疑惑。依據(jù)20世紀(jì)初相關(guān)論文與科學(xué)史，對(duì)“基因在染色體上”的提出及其所涉及的其他理論進(jìn)行簡要的歸納與概述，為教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞 性別決定 染色體 果蠅 摩爾根

中圖分類號(hào) Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 E

1900年，塵封長達(dá)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(xué)家重新發(fā)現(xiàn)，隨即引發(fā)科學(xué)界的熱議，不同領(lǐng)域的學(xué)者們紛紛開展工作，以驗(yàn)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(xué)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(fā)表《遺傳中的染色體》，文中他提出假說：在減數(shù)分裂形成生殖細(xì)胞的過程中，基因與染色體的行為有明顯的平行關(guān)系。與經(jīng)典的魏斯曼預(yù)言一樣，該假說無疑是另一個(gè)超前智慧與豐富想象力的碰撞產(chǎn)物。然而，即便威爾遜（薩頓的導(dǎo)師）后來都承認(rèn)：“在當(dāng)時(shí)，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(xué)家的公開質(zhì)疑，實(shí)際上多數(shù)矛頭可能指向于薩頓參與的另一個(gè)研究：性別決定因素。

關(guān)于性別決定的爭議由來已久，早在1870年，孟德爾在給卡爾·內(nèi)格利教授的信中就提到：性別決定可能會(huì)被證明是一種遺傳現(xiàn)象。此后若干年內(nèi)，參與爭論的科學(xué)家們逐漸形成不同的陣營。其中一方認(rèn)為性別主要是由染色體所決定，而其余陣營則持有反對(duì)觀點(diǎn)。染色體理論是由美國細(xì)胞學(xué)家麥克郎所提出的，他對(duì)多種昆蟲細(xì)胞中的性別差異進(jìn)行研究，最終明確了性染色體和昆蟲性別之間的聯(lián)系。薩頓對(duì)蝗蟲細(xì)胞的研究工作正是其中之一，因?yàn)辂溈死删褪撬诳八_斯大學(xué)的導(dǎo)師。

在對(duì)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(cuò)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(xì)胞中染色體巨大且清晰，便于觀察，而雌性則不然。這直接導(dǎo)致了薩頓對(duì)染色體數(shù)目的錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)：雄性是23條，而雌性是22條染色體（事實(shí)上雌雄細(xì)胞中都是24條染色體）。該結(jié)論影響并誤導(dǎo)了他的導(dǎo)師，使得染色體理論的提出經(jīng)歷了一段漫長而曲折的道路。

2 摩爾根的懷疑態(tài)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(huì)被譽(yù)為遺傳學(xué)中的“染色體之父”。但在20世紀(jì)初期，摩爾根對(duì)“染色體決定性別”一直持有懷疑、甚至貶低的態(tài)度，這與他當(dāng)時(shí)的研究方向有關(guān)。在成為遺傳學(xué)家之前，摩爾根主要的研究方向是胚胎發(fā)育。當(dāng)時(shí)該領(lǐng)域的熱點(diǎn)為：為何相同的胚胎細(xì)胞，會(huì)在同一環(huán)境下，分化成截然不同的組織細(xì)胞？摩爾根支持漸成論而否認(rèn)先成論的觀點(diǎn)——“胚胎發(fā)育由細(xì)胞核內(nèi)的染色體所主導(dǎo)”。1907年，摩爾根在《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)》中總結(jié)出一系列胚胎發(fā)育的相關(guān)工作，并在討論性別決定因素時(shí)，著重描述了非染色體因素（如受精卵中的細(xì)胞質(zhì)）對(duì)性別的影響。

此外，摩爾根還是實(shí)驗(yàn)學(xué)的崇尚者。他確信，相比單純的形態(tài)學(xué)描述，精確的定量統(tǒng)計(jì)才是研究生物學(xué)的主要方法。因此，他懷疑并討厭一系列“理論先于實(shí)驗(yàn)”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(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)的發(fā)言辭中，摩爾根提到：“這是實(shí)驗(yàn)生物學(xué)的勝利”。言下之意，實(shí)驗(yàn)才是檢驗(yàn)真理的唯一道路。這種對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)的極端推崇在另一事件中表現(xiàn)得尤為突出。

1903年，摩爾根在《進(jìn)化與適應(yīng)》一書中明確表示對(duì)孟德爾理論的支持。他認(rèn)為孟德爾理論建立于扎實(shí)的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，并經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)與分析，所得出的結(jié)論必然是可信的。然而，重復(fù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)來證實(shí)孟德爾的分離比例，然而結(jié)果并不盡如人意。在深褐色與黑色家鼠雜交實(shí)驗(yàn)中，少數(shù)子代呈現(xiàn)出融合遺傳的特點(diǎn)——前半身為深褐色而后半身為黑色；無獨(dú)有偶，另一組黑眼與粉紅眼的雜交實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了一只眼睛為黑色，而另一只為粉紅色的子代。上述結(jié)果讓摩爾根多次公開質(zhì)疑孟德爾的理論及其擁護(hù)者。

正當(dāng)摩爾根與孟德爾理論逐漸遠(yuǎn)離的同時(shí)，一種模式生物的興起為遺傳學(xué)的發(fā)展帶來新的契機(jī)。

3 果蠅雜交實(shí)驗(yàn)

黑腹果蠅是研究遺傳學(xué)的理想材料，這取決于它的較短的繁殖周期，在適宜的環(huán)境中，果蠅平均每個(gè)世代僅10 d左右。在出現(xiàn)那只著名的白眼果蠅之前，摩爾根已經(jīng)“浪費(fèi)”2年多的時(shí)間用于果蠅的人工誘發(fā)突變實(shí)驗(yàn)，結(jié)果一無所獲。

1910年，一只特殊的白眼雄蠅出現(xiàn)在摩爾根的蠅室中。關(guān)于它的來源存在爭議，但絲毫沒有影響它在遺傳學(xué)史上的地位。隨后，為世人所熟知的幾組果蠅雜交實(shí)驗(yàn)在短短2個(gè)月內(nèi)完成，同年7月，摩爾根在《科學(xué)》雜志中發(fā)表了第一篇關(guān)于果蠅的論文：Sex-Limited Inheritance In Drosophila。可能因?yàn)橥陡鍟r(shí)間過于緊促，該論文中的細(xì)節(jié)并不完美——例如標(biāo)題中的限性遺傳（sex-limited）很快因?yàn)榘籽鄞葡壍某霈F(xiàn)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(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，其推理過程也被證實(shí)是錯(cuò)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(xué)的新時(shí)代將由此拉開帷幕。

果蠅雜交實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)典的3∶1遺傳比例無疑證實(shí)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(xué)生們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讓他重新成為孟德爾最堅(jiān)定的擁護(hù)者。誠如加文·德比爾所述，“摩爾根及其同事所進(jìn)行的大量的果蠅實(shí)驗(yàn)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(jiān)持決定性別的是X因子，而不是染色體。但越來越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明X因子可能位于X染色體上。對(duì)此，摩爾根提出假設(shè)，“決定性狀的基因遠(yuǎn)多于染色體數(shù)目，如果基因位于染色體上，那么一條染色體上的多個(gè)基因（性狀）應(yīng)該組合在一起，共同呈現(xiàn)孟德爾遺傳規(guī)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(xiàn)。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(nèi)的性狀組合在一起，呈現(xiàn)相似的孟德爾比例。1913年，摩爾根的學(xué)生斯特蒂文特繪制出第一幅基因的分布圖，他通過復(fù)雜且精確的統(tǒng)計(jì)，將基因交換的頻率與基因在染色體上位置關(guān)系對(duì)應(yīng)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(yuǎn)。同年，基因位于染色體上的直接證據(jù)被摩爾根的另一位杰出的學(xué)生——布里奇斯所發(fā)現(xiàn)。

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(fā)現(xiàn)，子代中不僅有正常的白眼雄性和紅眼雌性果蠅，還出現(xiàn)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(chǎn)生過程中X染色體分離異常所致。顯微鏡下的核型鑒定發(fā)現(xiàn)，異常白眼雌蠅的體細(xì)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(xì)胞學(xué)證據(jù)。

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(shí)驗(yàn)證據(jù)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)結(jié)果，證實(shí)基因在染色體上呈線性排列。據(jù)此，摩爾根被稱為遺傳學(xué)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(tǒng)稱為遺傳學(xué)的三大定律。

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