基因论（附孟德尔论文）

作者简介

【美国】摩尔根 ---------------------------- 摩尔根（Thomas Hunt Morgan，1866 —1945），美国著名胚胎学家、遗传学家，孟德尔－摩尔根学派的代表人物，1933年获诺贝尔生理学或医学奖。 卢惠霖 ---------------------------- 卢惠霖，中国著名遗传学家，早年曾师从摩尔根。是中国遗传学的创始人之一，中国医学遗传学和人类生殖工程的奠基者。

内容简介

导读 李思孟 （华中科技大学教授） 一、 经典遗传学在科学史上的地位及《基因论》的核心观点 20世纪是科学技术大发展的世纪，生物学（或叫生命科学）是发展最快、影响最大的学科之一。在20世纪后期的科技文献中，大约有1/3是属于生物学方面的。有人曾预言，21世纪将是生物学的世纪，生命现象的秘密将被进一步揭开，生物技术将对社会发展产生重要影响。 生物学分支学科甚多，遗传学是20世纪生物学中发展最迅速的学科之一。19世纪末，科学的遗传学尚未建立起来，人们对遗传的认识还主要基于猜测和思辨。到20世纪末时，对遗传的认识达到分子水平，已经可以用基因工程技术定向地改变生物的遗传性。遗传学由生物学中一个发展滞后的学科一跃成为领先的学科。 遗传学的发展，可以分为两个主要阶段： 经典遗传学阶段和分子遗传学阶段。20世纪上半期的遗传学是经典遗传学，它是分子遗传学的基础。在经典遗传学阶段，其理论的核心是遗传的染色体学说，即基因论。其主要成就是证明了基因的存在、基因的位置、基因的传递方式，然而这时人们对基因本身究竟是什么、它的化学成分如何、它怎样发挥遗传功能等问题还未了解。在20世纪40年代末50年代初，人们认识到脱氧核糖核酸（DNA）是遗传的物质基础，是基因的载体。1953年沃森（J.D.Watson, 1928—）和克里克（F.Crick,1916—2004）提出了DNA双螺旋结构模型，自此开始从分子水平来阐明基因是如何复制、如何发挥功能的，遗传学进入了分子遗传学阶段。 摩尔根是经典遗传学领域中成就最大的人，是基因论的提出者，是经典遗传学的旗帜。由他开创的摩尔根学派是经典遗传学的主流学派，他和助手们的研究成果是经典遗传学的代表，他的学生和学生的学生遍布世界。 《基因论》一书，是摩尔根全面阐述遗传的染色体学说（即基因论）的理论著作。其核心观点概括为以下几个方面： 1. 证实了孟德尔的遗传学说，生物的性状是由遗传因子（即基因）决定的，基因是长期稳定的、颗粒性的，可以区分为一个个单位。 2. 证明了基因是存在于染色体上的。 3. 发现了基因的连锁和交换，只有位于不同染色体上的基因才可能自由组合。孟德尔提出的遗传因子自由组合定律只是遗传上的特例。这犹如在爱因斯坦提出相对论以后，牛顿力学定律成为在一定条件下才能适用的特例。 4. 证明了生物的性别是由其染色体的组成状况决定的。 5. 证明了基因以直线形式排列于染色体上，并根据基因之间的交换率确定了位于同一染色体上的基因的相对位置，绘出了表示染色体上基因排列状况的遗传学图谱。 6. 证明了突变是基因的非连续变化。 7. 发现了染色体畸变（重复、缺失、倒位、易位、三体、多倍体等）对遗传的影响。 8. 发现了基因的多效性（一个基因可以影响多个性状）和多基因遗传（一个性状受多个基因控制）。 二、 遗传学走向科学——经典遗传学的建立 遗传学是一门年轻而又古老的学科。20世纪初孟德尔定律被重新发现后，科学的遗传学才建立起来，但是，从古代起人们就开始思考遗传问题了。“种瓜得瓜，种豆得豆”“好种出好苗”，这些来自生产经验的俗语已经包含了原始的遗传学知识。古代学者关于遗传问题也有很多论述。古希腊的希波克拉底曾提出“泛生说”，认为生物的各个器官中都有决定该器官特征的微小元素，或称之为“胚芽”，各器官的胚芽通过血液运行集中到生殖器官中，遗传给下一代。亚里士多德认为，雄性的精液决定了下一代的特征，母体的作用是给胚胎发育提供营养。 由于遗传问题的复杂性，人们对它的认识长期停留在猜测和思辨水平上，一直未能用严格的科学手段进行研究。19世纪，高尔顿（F.Galton，1822—1911）提出了很有影响的融合遗传理论。这种理论认为，双亲的精子和卵子分别携带了双亲的特征，交配后二者会融合起来，因而后代的各种特征处于双亲的中间状态。融合遗传理论曾给达尔文的生物进化论带来困难，因为按照这一理论，一个生物的性状变异在其后代中会被弱化，难以一代一代加强而导致形成新的物种。 1865年孟德尔通过豌豆杂交试验提出了两条遗传学基本定律。孟德尔幸运地选择豌豆为实验材料。豌豆已经过长期人工栽培，品种多样，可以有多种杂交组合；它又是自花授粉植物，可以避免天然杂交对实验的干扰；它的花朵比较大，人工杂交操作方便。孟德尔在实验方法上也有重大创新，他有严格的数量统计，因而能定量地表述结果。在对实验结果的解释上，他把假设演绎方法引入遗传学研究，提出了遗传因子、显性与隐性等概念，并以这些概念为基础提出了分离定律（每个性状是由一对遗传因子控制的，在形成精子或卵子时互相分离）和自由组合定律（不同性状的遗传因子在生殖时自由组合），从而否定了融合遗传理论。 后来人们将孟德尔尊称为经典遗传学的奠基人，但是在孟德尔提出遗传定律时并没有引起人们多大关注。1900年对遗传学的发展来说是很有意义的一年。在这一年，被忽视了三十多年的孟德尔定律，又被德弗里斯（H.de Vries,1848—1935）、科伦斯（C.Correns,1864—1933）、丘歇马克（E.von Tschermak,1871—1962）等人重新发现。他们在杂交试验中得出了与孟德尔一样的结论，肯定了孟德尔定律。至此，遗传学研究才引起广泛的关注。 1905年，贝特森（W.Bateson,1861—1926）从“生殖”一词的词根（gene）创造了“遗传学”（genetics）这个词，用以概括对生物遗传和变异的研究。1906年，贝特森在第三届国际杂交与育种大会（后改称国际遗传学大会）开幕词中介绍了他关于建立遗传学这一学科的意见，为大会所接受。而在这以前，遗传问题只是进化和育种问题的附属物。1908年，约翰森（W.L.Johannsen,1857—1927）创造了“基因”（gene）一词，取代意义比较宽泛的“因子”（factor）。 三、 摩尔根早年对孟德尔定律的怀疑 孟德尔1865年提出了两条遗传学基本定律，摩尔根的生命也是在这一年孕育的。这是一个很有意思的巧合（这个俏皮话是摩尔根自己讲的。他说他虽是1866年出生的，但他的生命是在1865年开始孕育的，正是孟德尔定律提出的时候，所以他注定要从事遗传学研究）。摩尔根出生在美国肯塔基州列克星敦，他的家族在当地赫赫有名。他的大伯父是美国南北战争时期南军的一位著名将军，他的父亲曾任美国驻意大利外交官。后来摩尔根成为世界著名的遗传学家、诺贝尔奖获得者，他的家族在当地就更有名望了。 摩尔根1886年从肯塔基大学毕业后进入约翰·霍普金斯大学生物学系攻读研究生。按他自己的说法，这个选择似乎是稀里糊涂作出的，他当时是因为不知道该去干什么好才去读研究生的。至于选择约翰·霍普金斯大学，那是因为有同学推荐，而且那里是外祖父家所在地，家里人很支持他去那里读书。1888年，他获得理学硕士学位。这时的摩尔根已经迷恋上生物学研究，也迷恋上了约翰·霍普金斯大学。当时肯塔基大学聘他为博物学教授，但他选择了留在约翰·霍普金斯大学继续读博士。这个决定可不是稀里糊涂作出的，对他一生影响深远，从此他走上了通往生物学家之路。 1890年，摩尔根获得约翰·霍普金斯大学哲学博士学位。1892年，他开始在布林马尔学院任教。这时，他的研究领域是实验胚胎学。在1894—1895年间，他曾经到意大利那不勒斯动物研究所工作10个月，与实验胚胎学奠基人之一德里施（Hans Driesch， 1867—1941）共事。当时，在胚胎学上有预成论和渐成论两种基本观点。德里施是渐成论的代表人物。他用海胆卵为材料做的胚胎发育实验表明，由卵分裂而来的各个细胞具有相同的发育潜力，都可以发育为一个完整的海胆。因此，胚胎中的每个细胞究竟发育成胚胎的哪个部分，并不是预先就确定好的，而是取决于它在胚胎中的相对位置。也许是受了德里施的影响，摩尔根同样支持渐成论观点。他曾说过，如果胚胎发育过程的一切都是预先决定好的，那么生物学家所能做的就只是观察和描述，而渐成论可以提供广阔的研究空间。渐成论的观点曾经影响到摩尔根对孟德尔定律的态度，因为在他看来，孟德尔定律显然是有预成论倾向的，有人称它是预成论的新的表现形式。 孟德尔及孟德尔定律的重新发现者都以植物为材料进行杂交研究，摩尔根欲在动物中检验其真实性，他以小鼠为实验材料，用腹部颜色不同的小鼠杂交。可是实验结果并不符合孟德尔定律，其后代的特征常常是双亲特征的混合。他因此对孟德尔定律的普遍性产生了怀疑，认为有些人把孟德尔定律抬得太高了，甚至把一切杂交试验结果都用孟德尔的方式来解释。在1909年的美国育种家协会会议上，他公开讲了这种观点，说有的人是根据解释的需要去假定某种因子存在，然后又从这种假定出发去解释实验结果，就像在玩魔术一样，实验结果当然解释得很好，但这是根本靠不住的。把基因的显隐性关系说成是先天确定的，摩尔根也不同意，他认为这也明显是预成论的观点。摩尔根认为显隐性关系是可以由于后天发育条件的影响而发生转换的。关于基因存在于细胞核内，存在于染色体上，摩尔根这时也有怀疑，他认为原生质在遗传上可能也起作用。 20世纪的头10年中，遗传学在迅速发展，摩尔根也一直在关注着遗传学。在他看来，遗传问题是发育和进化问题的关键。摩尔根称自己为实验生物学家，他不喜欢思辨式的讨论，而主张一切结论皆应以实验结果为依据。对于孟德尔定律，因为它有实验基础，摩尔根是比较欣赏的。 四、 摩尔根遗传学研究的关键点——发现果蝇的伴性遗传 摩尔根观点的转变开始于1910年，转变的起点是他通过对白眼果蝇所做的杂交试验发现了伴性遗传。 果蝇是摩尔根研究遗传问题的主要材料，它作为研究材料有很多优点： 它的体长只有几毫米，一个牛奶瓶中就可以养数百只；它又不太小，在放大镜或低倍显微镜下可清楚地观察它的各种形态性状；它容易饲养，用香蕉或其他水果就足够；它繁殖迅速，在合适条件下十几天就能繁殖一代；一只雌蝇一次能产生数百只甚至上千只后代，可以为遗传统计提供足够的数量。以果蝇为研究材料，还有一个优点是遗传学家起初未曾考虑到、但后来表明是非常重要的，那就是它只有4对染色体，而且它的幼虫唾液腺细胞中的染色体非常大，观察方便。在《基因论》一书中可以看到，摩尔根一直是把对染色体的形态观察和对杂交结果的遗传学分析紧密结合起来的。 杂交试验需要有稳定的相对性状作为杂交材料。以果蝇为遗传研究材料时，关键是发现它的性状变异，这种变异的性状可以和正常（即野生型）果蝇的性状构成相对性状，用作杂交试验材料。在摩尔根实验室里， 起初是用果蝇做近亲繁殖实验，观察其后代生活力是否下降，再观察果蝇的性状是否发生了突变，还用射线照射果蝇的成虫、幼虫和卵，希望增加突变的可能性。可是早期的结果令摩尔根很失望，他曾跟朋友说，两年的功夫白费了。 1910年时终于得到了一只白眼雄果蝇（野生型果蝇眼睛为红色），它的出现是一系列富有成果的研究的开始。 摩尔根用这只白眼雄果蝇与野生型雌果蝇交配，杂交后产生的第一代（子一代）都是红眼；子一代的雌雄果蝇交配，生出的子二代中红眼与白眼的比例接近于3∶1，这与孟德尔定律一致。但是，令摩尔根惊奇的是，子二代中的白眼果蝇都是雄性的。他又做了回交试验，用子一代红眼雌果蝇与最初的那只白眼雄蝇交配（父女交配），其后代白眼与红眼比例接近1∶1，而且雌蝇与雄蝇中白眼与红眼的比例也接近1∶1，这也符合孟德尔定律《基因论》一书的第5章和第14章中，讲述了这些实验。摩尔根是个非常强调一切结论皆应以实验结果为依据的人，这些实验结果使他改变了对孟德尔定律的态度，从怀疑变为相信。 为什么子二代中只有雄蝇中有白眼？这是一个新问题。如果假定眼睛颜色基因存在于性染色体上，这一实验结果就得到了合理解释。把某个基因定位于一条特定的染色体上，这是第一次。这也使摩尔根在之后的研究中非常注意观察染色体，为染色体遗传学说的形成奠定了基础。 达尔文曾经创造了“限性遗传”(sexlimited inheritance)这个术语，指的是某些性状的遗传要受性别的制约，只会在雄性或只会在雌性个体上表现出来，例如雄鸟的艳丽的羽毛。摩尔根起初曾把果蝇白眼性状的遗传称为“限性遗传”，但是之后又感到它并不符合这个术语的意思，于是创造了“伴性遗传”(sexlinked inheritance)一词，它成为遗传学上的专门术语。过去曾有人对人类的色盲、血友病等疾病患者进行过家系调查，但调查结果令人疑惑不解。为什么患者多是男性？为什么患者的子女很少患病，却在患者的外孙身上又表现出来？诸如此类难以解释的问题，现在用伴性遗传理论都得到了很好的解释。 五、 发现基因的连锁与交换 基因存在于染色体上是萨顿（W.S.Sutton,1877—1916）在1903年提出的观点。那时证据只是孟德尔所假定的遗传因子在生殖过程中的行为与染色体的行为一致——二者都是在成体细胞中成对存在，形成精子或卵子时分离，受精后又恢复成对状态。虽然人们认为这个推测是合理的，但是没有直接证据。伴性遗传的发现，第一次把特定基因与特定染色体联系起来。更加直接的证明则来自摩尔根的助手布里奇斯（C.B.Bridges，1889—1938），他在用白眼果蝇做的杂交试验中发现了性染色体不分离现象。个别果蝇由于多了或少了一条性染色体，就有了与平常果蝇不一样的性状，这清楚地证明染色体上携带着遗传基因。《基因论》一书的第4章论述了这个问题。 发现伴性遗传之后，进一步的研究使摩尔根又发现了基因的连锁与交换，这是对孟德尔定律的重要发展。一种生物的基因数目是很大的，但染色体的数目要小得多。例如，现在认为人体大约有2.1万个基因，但只有23对染色体。就摩尔根当年的研究来说，果蝇只有4对染色体，而经他发现和研究了的果蝇基因就有几百个。显然，1条染色体上存在着多个基因，在生殖过程中只有位于不同染色体上的基因才可以自由组合，而同一染色体上的基因应当是一起遗传给后代，这就是基因的连锁。在表现上就是有一些性状总是相伴出现的，它们组成一个连锁群。这样看来，孟德尔发现的遗传因子自由组合只是特例。豌豆有7对染色体，他研究的7对性状恰好各在1对染色体上，否则他就不能发现自由组合了。从理论上认识基因连锁似乎不太难，关键是拿出实验证据。1914年，摩尔根研究了果蝇的几百个性状，也就是几百个基因，发现它们是4个连锁群，这与果蝇有4对染色体正好一致。在这4个连锁群中，有1个群明显很小，只发现了3个基因，而其他3个群已知的基因都有一百多个。相应的，在果蝇的4对染色体中也有1对形态上明显地小于其他3对，在显微镜下只是一个圆点而不是呈条状。以后又在其他生物中发现了基因连锁群，但连锁群的数目都没有超过染色体数目，证明细胞学观察和遗传学研究的结果是完全一致的。 在发现基因连锁的同时，摩尔根还发现，同一连锁群基因的连锁并不是绝对的，而且不同基因之间的连锁强度不同。也就是说，不同连锁群之间可能发生基因交换。初看这似乎与基因连锁相矛盾，但是细胞学的观察发现，在形成生殖细胞的过程中，不同染色体之间有交叉、缠绕、交换一段染色体的现象。这样一来，基因的交换就得到了解释，细胞学观察与遗传学研究的结果又是一致的。 六、 绘出基因连锁图 1911年摩尔根指出，基因之间的连锁强度是不同的。联系到染色体的行为，他又指出，基因连锁强度不同是由于在染色体上距离不同，距离越近则连锁强度越大，越远则发生交换的概率越大。因此，根据连锁强度的大小，就能够确定同一连锁群各个基因在染色体上的排列顺序。 首先需要确定基因在染色体上是直线排列还是网状排列的。因为染色体的形态是线状或棒状，似乎直线排列的可能性更大。摩尔根小组设计了一个“三点试验”来证明这个问题，其思路是这样的： 假定有A、B、C三个基因，它们属于同一连锁群，已知A、B之间的交换率为a，A、C之间的交换率为b，a大于b。若三者为直线排列，则B、C之间的交换率或是(a+b)(基因A在B、C之间)，或是(a-b)(基因C在A、B之间)。如果是网状分布，则显示不出这种关系。实验结果证明了直线排列的设想。 从这种思想出发，摩尔根小组花费了巨大的时间和精力，测定了果蝇许多基因之间的连锁强度，以此为据画出了表示果蝇基因在染色体上相对位置的基因连锁图，或叫作遗传学图。《基因论》第1章的“基因的直线排列”部分中，绘出了这种基因连锁图。图中表示的是相对距离，1%的交换率就是相距一个单位，最前端的基因的位置为零。需要说明的是，基因交换频率在0~50%之间，从遗传学图查两个基因之间的交换频率只限于距离较近者。 七、 讨论突变的起源与进化 孟德尔的遗传研究，是以成对的相对性状为研究对象的。他所用的豌豆经过长期的人工选择和培养，已存在很多稳定的相对性状，如植株高与矮、种皮黄与绿、种子圆与皱等，所以不需要考虑性状的起源问题。摩尔根就不同了，他以果蝇为研究材料，而果蝇是野生的，首先必须发现它的性状突变，才能与野生型构成可供研究的相对性状。因此，必然要关注突变性状的起源问题，关注如何增加突变。 达尔文进化论的核心是自然选择，先有突变，即先有不同性状才能进行选择。但达尔文没有谈到突变的起源问题，而摩尔根的基因论涉及了。在《基因论》的第5、6章中，摩尔根阐述了他对突变性状的起源与进化问题的思考。他认为基因突变是选择的材料，因为只有基因突变所引起的性状改变才能遗传下去。 关于基因突变，德弗里斯在他1901年出版的《突变论》一书中认为，突变有两种作用： 一是增加一种新的基因；二是使原有的基因失去活动，产生一个“退化的变种”。摩尔根注意的是基因的第二种作用。例如，他认为白眼突变的发生，可能使产生眼色素的功能丧失。1935年，比德尔(G.W.Beadle，1903—1989)和伊弗鲁斯(B.Ephrussi，1901—1979)曾研究过果蝇眼睛色素的合成过程，希望解决基因作用机制问题。其结论也认为眼睛颜色的突变是由于缺失了合成某种物质的能力，使得色素合成的化学过程不能进行下去。这种研究的进一步发展，最终提出了“一个基因一个酶”的学说。 认为基因突变的结果是原有的基因失去作用，这又引发另一个重要问题： 使得生物进化的新性状是如何发生的？这个问题关系到达尔文进化论的生存。摩尔根认为，异倍体的产生，也就是染色体由于不正常的分裂或分离而使得生物的染色体数量发生了变化。在《基因论》的第12章，他专门讨论了这个问题。 八、 讨论性别决定的机制 《基因论》一书的第14、15章，讨论的是性别决定问题，第16、17章的内容也与此相关。这个问题的解决，也是摩尔根在遗传学上的一个重要贡献。 性别是如何决定的，一直是生物学上关心的问题。古人对此曾经有过许多猜测。古希腊流传很广的一种说法是“左右”学说，认为来自男性右侧睾丸的精液生男孩，来自左侧睾丸的精液生女孩。古代印度则有另一种“左右”学说，认为在女性子宫右侧受孕会生男孩，在子宫左侧受孕会生女孩。还有一种说法则认为生男生女决定于子宫的温度，较热的子宫生男孩，较凉的子宫生女孩，因此劝告想多获得母羊的牧羊人要在刮北风时给羊配种，而且要让母羊臀部向着北方。亚里士多德注意到，只有一个睾丸的男子也能既有儿子又有女儿，因此他不相信“左右”学说。他认为生男生女决定于精液的性质，稀薄的、水样的精液生女孩，黏稠的、富有生命热的精液生男孩，而精液的性质则受年龄、体质、营养、气候等多种因素的影响。例如，青年男子还没有足够的生命热，老头子则生命热衰退，这都较容易生女孩。一直到19世纪，关于性别决定问题，仍然盛行着种种猜测性的说法。 孟德尔也关注过性别决定问题。他推测，像其他性状是由遗传因子决定的一样，可能也存在决定性别的遗传因子，雌与雄是一对相对性状。摩尔根对这种说法曾提出疑问，他说，如果有性别决定遗传因子，那么雌雄哪一方是显性的呢？ 细胞学研究使关于性别决定机制的问题有了实质性进展。20世纪初，也就是孟德尔定律被重新发现之后不久，细胞学家注意到，生物雌雄个体的染色体中，有一对有差别。他们认为可能就是这一对染色体决定了性别，因此称之为性染色体。这种说法是有道理的，但细胞学家没能给出实验证据。还有一个问题给性染色体学说带来了麻烦，那就是性染色体决定性别的方式是不一样的。有的细胞学家发现，雌性的一对性染色体是由相同的两条染色体构成，称为XX；雄性的性染色体是由不同的两条染色体构成，称为XY。可是还有细胞学家发现相反的情况，雌性的两条性染色体不同，称之为ZW；而雄性的两条性染色体相同，称之为ZZ。后来人们知道，性染色体决定生物性别的形式有两种： 哺乳动物、多数昆虫、某些鱼类和两栖类以及很多雌雄异株植物，都是XX—XY型；鸟类、爬行类、少数昆虫、某些鱼类和两栖类是ZW—ZZ型。但是在20世纪初时，这种不同增加了对性染色体学说的怀疑。先发现的决定方式是XX—XY型，在人们正对它将信将疑时又发现了ZW—ZZ型决定方式，怀疑自然就进一步加强了。 摩尔根从白眼果蝇发现了伴性遗传，使他相信性别是由染色体决定的，果蝇的性染色体是XX—XY型；从对白眼果蝇的遗传研究又发现了性染色体不分离现象，进一步为性染色体学说提供了有力证据。 用白眼雌蝇与红眼雄蝇交配，子代雌蝇都像其父一样是红眼，而雄蝇都像其母一样是白眼，这叫作“交叉遗传”。根据果蝇性别决定方式以及红眼是显性性状、白眼是隐性性状，假定白眼雌蝇的基因型是XwXw,产生的卵子是Xw，红眼雄蝇的基因型是X+Y，产生的精子是X+或Y。Xw型卵子和X+型精子结合是XwX+型，为红眼雌蝇；和Y型精子结合是XwY型，为白眼雄蝇，这样就解释了交叉遗传。但是也有个别例外，大约2000个后代中会有一个白眼雌蝇和红眼雄蝇，而且这样的红眼雄蝇都是不育的。 问题是会有这些例外吗?摩尔根的助手布里奇斯进行了深入研究。他假定，亲本白眼雌果蝇生成卵子时发生了罕见的性染色体不分离现象，产生了Xw Xw型和不含性染色体的O型卵子，XwXw型卵子与Y型精子结合生出了XwXwY型个体，它因具有成对的X染色体和成对的隐性白眼基因而表现为白眼雌性，O型卵子和X+型精子结合发育为雄性，因缺少Y染色体而不育。O型卵子和Y型精子结合，合子的基因型是YO，因为Y染色体很小，所携带的基因很少，YO型接近于性染色体缺失，不能成活。X+型精子和XwXw型卵子结合，合子的基因型是XwXwX+，因基因数目太多也不能成活。细胞学观察证实了布里奇斯的这一推断。他又进一步预言，基因为XwXwY型的白眼雌蝇，有可能形成Xw、XwY、XwXw和Y四种卵子，与正常红眼雄蝇交配，合子基因型可能有XwX+、XwX+Y、XwXwX+、X+Y、XwY、XwYY、XwXwY和YY共8种形式。其中XwX+和XwX+Y发育为红眼雌蝇，XwXwY发育为白眼雌蝇，XwY和XwYY发育为白眼雄蝇，X+Y发育为红眼雄蝇，XwXwX+和YY型合子死亡。交配实验结果及细胞学观察与布里奇斯的预言一致。由于性染色体不分离而形成的性染色体异常，是细胞学家不曾观察到的。布里奇斯的这一系列实验，清楚地说明了性染色体在性别决定中的作用，学术界认为是无可怀疑的。 至于染色体决定性别的方式有XX—XY型和ZW—ZZ型两种，摩尔根认为，虽然形式上看起来似乎是相反的，但从原则上说它们是一致的。后来在ZW—ZZ型决定的动物中也发现了伴性遗传，证明了摩尔根的这种观点。 九、 研究染色体畸变的遗传影响 染色体畸变包括染色体数目的改变和结构的改变。一般的生物体细胞中含有分别来自精子和卵子的两套染色体，叫作二倍体，数目的改变是指形成了单倍体、多倍体或非整倍体。结构的改变是指染色体的某一片段缺失、重复、易位、倒位等。基因存在于染色体上，染色体畸变必定使基因的组成发生变化，引起生物性状的变化。 在摩尔根之前就曾有细胞学家观察到一些染色体畸变，但是摩尔根首次把染色体畸变和遗传学研究紧密结合起来，阐明了它在遗传上的影响。事实上，有许多染色体畸变的发现是由于摩尔根实验室先发现了它的遗传学作用，推知有染色体畸变发生，而后才找到的。 果蝇的性染色体不分离也是染色体数目改变的一种，结果是形成了非整倍体。果蝇第4染色体的缺失与所发现的果蝇基因第4连锁群密切相关。《基因论》第6章第1部分中讲到了这个问题。更有意思的则是这一部分中讲到的果蝇缺翅突变与相应的染色体缺失。第一只缺翅突变果蝇是德克斯特（Dexter）1914年发现的，缺翅突变是伴性遗传，存在于性染色体上。可令人疑惑不解的是，它在雌性个体上是显性性状，在雄性个体上又像是一个隐性致死基因。1916年布里奇斯又发现了缺翅果蝇，用它和具有一个也是存在于性染色体上的隐性基因（小眼不齐）的果蝇交配，结果小眼不齐基因成了显性。他因此推断，缺翅突变是由于性染色体缺失了一段，缺失的位置是在与小眼基因相当的地方，隐性的小眼基因因为没有配对的基因而表现为显性。通过进一步的研究，他还能够指出丢失的那一段染色体上都有哪些基因，因此也可以指出它应是性染色体的哪一段。由于当时没有办法对果蝇染色体进行足够细致的观察，布里奇斯的推断一直无法证实。十几年以后，人们发现果蝇幼虫唾液腺细胞的染色体特别大，果蝇染色体结构的观察有了好材料，布里奇斯的推断才得以证实。摩尔根写《基因论》的时间在这之前，所以书中说布里奇斯的这一推断尚无细胞学上的证明。 染色体畸变可能引起生物性状的明显改变，例如，三倍体西瓜是无籽的，多倍体小麦的产量高，三倍体杜鹃花的花期特别长，等等。对染色体畸变及其在遗传上的影响以及引起染色体畸变的原因的研究，为育种工作提供了理论指导。 十、 《基因论》问世和摩尔根遗传学派的建立 摩尔根非常强调实验的重要性，强调理论思考必须以实验事实为依据，反对超出实验事实可以检验的范围而作无根据的推测，他曾戏言自己是实验室中的一条虫。同时他也很重视理论思考，反对仅仅描述实验结果。他还经常对已有的成果进行系统总结，形成比较完整的理论认识发表出来。 1915年，摩尔根和助手布里奇斯、斯特蒂文特（A.H.Sturtevant,1891—1970）、马勒（H.J.Muller,1890—1967）合著的《孟德尔式遗传的机制》出版。此书是他们几年来以果蝇为主要实验材料的遗传学研究的总结，阐述了伴性遗传、基因连锁与交换、基因在染色体上直线排列等重要问题。染色体遗传学说即基因论的主要观点，在这部书中都已经提出来了。此书出版后极受重视，被认为是新的、科学的遗传学的入门书。摩尔根实验室的研究方法，被认为是遗传学研究的楷模。摩尔根实验室被看作遗传学研究的圣地，很多人慕名前往求学和求教。经典遗传学的主流学派——摩尔根学派，或叫孟德尔摩尔根学派，开始逐渐形成和壮大。我国的著名遗传学家陈桢是摩尔根实验室培养出来的硕士，李汝祺、陈子英、谈家桢是摩尔根实验室培养出来的博士。《基因论》中文版译者卢惠霖，也曾在摩尔根实验室学习过。 1925年出版的《遗传学文献》第二卷第一期，是摩尔根及其助手历年来在多家刊物上发表的论文专集。有人说此书如同遗传学界的《圣经》，有志于遗传学的研究人员非读不可。 1926年，摩尔根的《基因论》一书出版。此书总结了摩尔根以及助手们的研究成果，是自孟德尔定律提出以来遗传学研究的系统总结，用基因理论对当时已经发现的几乎所有重要遗传成果作出了阐述，标志着基因论的成熟，是经典遗传学最重要的理论著作。1928年，《基因论》又出了增订与修正版。中文版的《基因论》就是由这个增订与修正版译出的。卢惠霖先生1949年就完成了此书的翻译工作，但由于多种原因直到1959年才得以出版。 《基因论》第1章第6部分“基因论”中说： “基因论认为个体上的种种性状都起源于生殖质内的成对的要素（基因），这些基因互相联合，组成一定数目的连锁群；认为生殖细胞成熟时，每一对的两个基因依孟德尔第一定律而彼此分离，于是每个生殖细胞只含一组基因；认为不同连锁群内的基因依孟德尔第二定律而自由组合；认为两个相对连锁群之间有时也发生有秩序的交换；并且认为交换频率证明了每个连锁群内诸要素的直线排列，也证明了诸要素的相对位置。”这是基因论的最权威表述。 十一、 从经典遗传学到分子遗传学 基因论“使我们在最严格的数字基础上研究遗传学问题，又容许我们以很大的准确性来预测在任一情形下将会发生什么事件。在这几方面，基因论完全满足了一个科学理论的必要条件”（《基因论》第1章第6部分）。 基因论解决了许多遗传学问题，同时也提出了很多它没能解决、需要进一步研究的问题，而且这些问题的解决必须超越孟德尔摩尔根式研究方式，采用新的研究方法。摩尔根对此有清醒的认识，在《基因论》中他也讲到了，主要有以下几个方面。 1. 基因论讨论的是基因在上下各世代间的分布，没有涉及基因如何影响发育过程，也没有涉及基因同其最后产物即性状是如何联系的。这是由于“这方面知识的贫乏，并不是说它对于遗传学不重要。明确基因对发育中的个体如何产生影响，毫无疑义地将会使我们对于遗传的认识进一步扩大，对于目前不了解的许多现象也多半会有所阐明。”（《基因论》第2章） 2. “基因论是由纯粹数据推演而来，并没有考虑在动物或植物体内是否有任何已知的或假定的变化，能按照所拟定的方法来促成基因的分布。不论基因论在这方面如何满意，基因在生物体内如何进行其有秩序的重新分配，仍会是生物学家力求发现的一个目标。”（《基因论》第3章） 3. 基因只是一种“可爱的假设”，它本身的性质不明。事实上，摩尔根学派的研究方式是若发现一个性状突变，就假定一个相应基因存在，然后通过杂交试验看它在后代中如何分布，进而作出许多关于它的推断。究竟有无基因，有人对这种假设的价值表示怀疑。摩尔根争辩说，像物理学家和化学家假定了电子和原子一样，遗传学家假定了基因，因为在这种假定的基础上形成的理论能够帮助我们作出科学预测，所以它有存在的价值。从基因的行为表现可以认为它是一定数量的物质，但是，不知道什么物质能有如此特殊的功能和性质。“如果我们认为基因只是一定数量的物质，那么，我们便不能圆满地解答为什么基因历经异型杂交中的变化而依然如此恒定，除非我们求助于基因以外另一种保证它们恒定的神秘的组织力量。这个问题目前还没有解决的希望。”（《基因论》第19章第3部分）摩尔根曾经试图计算基因的大小，但没有得出有把握的结果，不过他估计出基因的大小和大型有机分子接近，这已经可以称为英明预见了。 朱砂眼和朱红眼是果蝇眼睛颜色的两种隐性突变，它们的眼睛颜色比野生型果蝇浅。1935年，比德尔把朱砂眼和朱红眼突变体幼虫的胚胎眼组织移植到野生型果蝇幼虫体内，发现在这些幼虫发育为成虫的过程中，移植的眼组织发育成了眼色为野生型的额外眼。由此推断，眼色突变体幼虫的眼组织是可能发育为野生型眼的。进一步研究发现，眼色突变果蝇之所以眼色不正常，是由于它缺少了合成一种酶的能力，而由这种酶所产生的物质对于眼色的正常发育是不可缺少的。这样就把基因的作用同酶的合成联系起来了。 对基因本身的化学成分和性质进行研究，是由研究兴趣不同的科学家从以下三个方面，或者说从三个角度进行的： 1. 从信息传递的角度，研究什么物质是遗传信息的携带者，即基因的物质基础是什么。经典遗传学已确定基因位于染色体上，染色体的主要物质成分是蛋白质和DNA，所以争论集中在遗传物质基础是蛋白质还是DNA。20世纪30年代，倾向于认为是蛋白质。40年代中期和50年代初，埃弗里（O.T.Avery,1877—1955）等人关于肺炎双球菌类型转化的实验和赫尔希(A.Hershey)等人关于噬菌体侵入细菌过程的实验，证明了DNA是遗传的物质基础。 2. 对蛋白质和DNA的分子结构进行研究，从它们的结构认识它们是怎样发挥功能的。这类研究主要是由有着物理学基础的科学家进行的。摩尔根关于基因的研究成果，引起了著名物理学家玻尔（N.Bohr,1885—1962）、薛定谔（E.Schrdinger,1887—1961）等人对生物遗传问题的巨大兴趣。基因一代一代遗传下来是那么稳定，各个基因产生的效果是那样特定专一，用已知的物理学定律难以解释，但他们又坚信基因作为一种物质，应该服从物理学定律，因此他们希望通过研究基因即遗传物质来发现新的物理学定律。薛定谔还预言，遗传物质应当是一种非周期性晶体，遗传信息就储存在它的晶体结构之中。受他们的影响，很多受过良好物理学训练的人，使用最现代的仪器，投入对蛋白质和分子结构的研究中。 3. 研究生物体内发生的化学反应，以及引起这些化学反应的酶。比德尔采用红色面包霉的生化突变体为材料，提出“一个基因一个酶”的学说，已从生物化学角度阐明基因如何发挥功能，把基因的作用同特定的酶的产生联系起来。 以上三个方面研究成果的会合，导致分子遗传学的诞生。1953年，沃森和克里克提出DNA双螺旋结构模型，是分子遗传学诞生的标志，从此开始在分子水平上研究遗传学问题。分子遗传学的发展非常迅速，短短20年的时间，就破译了遗传密码即DNA携带遗传信息的方式，明确了遗传信息的传递方式是从DNA到RNA（核糖核酸）再到蛋白质，并且能通过改变生物的遗传物质从而定向地改变生物的遗传性，这就是基因工程。 十二、 对摩尔根遗传学派的“批判” 摩尔根及其助手的出色工作，使得遗传学界多数人接受了基因论，摩尔根学派成为经典遗传学的主流学派。但是，也有一些人怀疑或不同意基因论，影响较大的主要是当时苏联和社会主义国家中的米丘林学派，或称米丘林李森科学派。 米丘林学派的基本观点是： 遗传性是生物与其生存条件的矛盾统一，一方面表现为生物对外界环境条件有一定的要求，满足它的要求它才能正常地生长发育；另一方面表现为生物对外界环境条件能作出一定的反应，也就是说，如果它所要求的条件不能得到，它会发生相应的反应。各种生物的遗传性的这两个方面，都是它在长期的发展历史中逐渐形成的。这样认识的遗传性，是与整个生物体都有关系的，是生物体表现出来的属性。因此米丘林学派否认生物体内有特殊的、专门决定遗传的物质存在，即否定基因的存在。 从理论渊源上说，米丘林学派承认拉马克的后天获得性遗传理论，而摩尔根学派从基因论出发，认为只有基因发生了变化才能够遗传。米丘林学派还认为，遗传学的根本任务是为生产实践服务，当掌握了生物的遗传特性以后，一方面要尽力满足它对生活条件的要求以提高产量，另一方面可以有意识地改变它的生活条件，定向地改变它的遗传性，使它产生符合人的要求的新特性和新特征，培育出新的动植物品种。他们反对摩尔根式的研究，认为那样的研究只是关注生物子代与亲代相似与否，关注各种特性在后代中如何分布，却脱离了生产实践。米丘林学派在实践上的主要成就是培育出来一些农作物新品种，在理论上主要是提出了驯化理论、植物阶段发育理论等。 学术上有不同观点是正常现象，不同学派之间的争论对科学发展是有利的，但是这场争论却被政治化了。20世纪30年代至50年代，以李森科为代表的米丘林学派，把摩尔根学派说成是唯心主义的，理由是基因是假设出来的东西。他们还认为摩尔根学派以果蝇为研究对象，不是结合生产需要进行研究，不是为发展生产服务；不是为劳动人民服务，而是为帝国主义服务；不是无产阶级的科学，而是资产阶级的科学。李森科依靠斯大林政治上的支持成为学阀学霸，苏联当时的摩尔根学派科学家因此受到了残酷的打击和迫害，甚至被当作犯人关押起来。苏联的做法也影响到中国，摩尔根学派在中国也曾受到批判和压制，所幸的是不像苏联打击迫害得那样厉害，也比苏联纠正得早。 苏联领导人这样做，有其深刻的思想和政治原因。在当时，他们看一切问题，包括科学问题，都是从阶级斗争的观点出发，从社会主义和资本主义的斗争出发，从美苏两国的斗争出发。米丘林学派与摩尔根学派之间的争论，被他们说成是无产阶级与资产阶级、社会主义与资本主义之间的斗争，是美国科学与苏联科学之间的斗争。他们要用社会主义的、无产阶级的、苏维埃的科学压倒帝国主义的、资产阶级的、美国的科学，以证明社会主义的优越性。苏联当时急于发展农业生产，增强国力，把希望寄托在米丘林学派身上，因为该学派直接致力于培育农作物新品种，而摩尔根学派以果蝇为主要研究材料，与农业似乎关系遥远。可是，历史发展却与他们的愿望相反。摩尔根学派通过研究果蝇发现了遗传规律，指导杂交育种取得了重要成果，基础科学的进步转化成了巨大的生产力，而被他们寄予很大希望的李森科却没有什么建树，成了学术界耻笑的对象。看起来似乎没有实际意义的研究在实践中却发挥了重要作用，与实际需要似乎关系很直接的研究却难以有所成就，这样的教训是发人深省的。虽然摩尔根学派与米丘林学派的争论已经成为历史，以政治干涉学术问题的做法如今已经很少见，但是，对于发生这一事件的深刻原因，还值得我们进一步思考。 连续列入“十一五”到“十四五”国家重点图书出版规划 科学元典丛书，销量超过100万册 入选2020年全国中小学生阅读指导目录 入选2023年全国中小学图书馆（室）推荐书目 著名遗传学家卢惠霖教授翻译，华中科技大学李思孟教授导读 附赠孟德尔划时代论文《植物杂交的试验》