摩爾根：用果蠅揭開(kāi)遺傳之謎

尹傳紅

托馬斯·亨特·摩爾根創(chuàng)立的基因?qū)W說(shuō)闡明了染色體作為遺傳性狀攜帶者的功能，揭開(kāi)了遺傳之謎，從而為研究和了解人類遺傳性疾病奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也大大推動(dòng)了生物學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

一個(gè)有趣而又讓人困惑不已的問(wèn)題

出生于美國(guó)一個(gè)政治世家的托馬斯·亨特·摩爾根打小就對(duì)博物學(xué)表現(xiàn)出極大的興趣，他最喜歡做的事情就是到野外去捕蝴蝶、捉蟲(chóng)子、掏鳥(niǎo)窩，或是觀察昆蟲(chóng)的筑巢過(guò)程，還制作了許多動(dòng)植物的標(biāo)本。

?1919年摩爾根小組在哥倫比亞大學(xué)“蠅室”里的一次聚會(huì)，后排最左邊為摩爾根

有一次，他因?yàn)榧庇谙胫镭埖纳眢w結(jié)構(gòu)是怎樣的，就與堂兄合謀，給家里養(yǎng)的一只貓喂了一把安眠藥。當(dāng)貓迷迷糊糊地躺在兄弟倆搭建的 “工作臺(tái)”上時(shí)，膽大的摩爾根居然真的拿起刀子開(kāi)膛?？蓱z的小貓一聲慘叫，蹦起來(lái)就跑。

摩爾根科學(xué)事業(yè)的起點(diǎn)，是觀察動(dòng)物的生命如何開(kāi)始、胚胎如何發(fā)育。

這在19世紀(jì)和20世紀(jì)之交，是人們正在討論的兩個(gè)重要的生物學(xué)問(wèn)題之一。另一個(gè)問(wèn)題以進(jìn)化和遺傳作用為中心，探討的是“種瓜得瓜，種豆得豆”這類現(xiàn)象的機(jī)理。

這兩個(gè)重要問(wèn)題其實(shí)由來(lái)已久。早在2300多年前，古希臘著名的哲學(xué)家和科學(xué)家亞里士多德就提出了一個(gè)有趣而又讓人困惑不已的問(wèn)題：“有一個(gè)白色人種的女子嫁給了一個(gè)黑色人種的男子，他們的子女是白色的。但到了孫兒那一代，又有黑色的。那么，他們白色的子女中，如何藏著黑色的血統(tǒng)呢？”

千百年來(lái)，人們注意到生物繁衍的后代都與其親代相似，但在生物體內(nèi)究竟是什么東西能保證其后代與之相像？繁殖的能力到底位于何處？不清楚。同時(shí)，人們又想當(dāng)然地認(rèn)同一種所謂的“混合遺傳”，即近似于“黑+白=灰”，父母的“黑”和“白”簡(jiǎn)單融合，得到了子代的“灰”。

?一只長(zhǎng)兩片翅膀的普通果蠅與長(zhǎng)四片翅膀的果蠅突變體（果蠅之所以成為摩爾根實(shí)驗(yàn)對(duì)象，是因?yàn)槠涮厥獾纳飳傩?，例如繁殖快?/p>

19世紀(jì)中葉，英國(guó)博物學(xué)家達(dá)爾文發(fā)現(xiàn)，在某種植物或者動(dòng)物的特定生活環(huán)境中，同種個(gè)體之間的一些變化會(huì)使某些個(gè)體具有繁殖后代的優(yōu)越性，使得它們比其他欠缺這種優(yōu)越性的個(gè)體具有更多的生存機(jī)會(huì)，并且會(huì)把這種優(yōu)越性傳給下一代。因此，具有這種優(yōu)越性的種類將占有優(yōu)勢(shì)，生物就是這樣通過(guò)“自然選擇”進(jìn)化的。也就是說(shuō)，“物競(jìng)天擇，適者生存”。不過(guò)，達(dá)爾文并不明白物種中的這些變化是如何發(fā)生的，或者說(shuō)，物種中的性狀是如何傳給下一代的。

1856年，即達(dá)爾文發(fā)表其偉大著作《物種起源》的3年前，在奧匈帝國(guó)摩拉維亞（今捷克布爾諾地區(qū)）的圣·托馬斯修道院里，一位時(shí)年34歲、名叫格雷戈?duì)枴っ系聽(tīng)柕男薜朗浚_(kāi)始在修道院的后花園里進(jìn)行一項(xiàng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8年的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)。他根據(jù)結(jié)果推斷，必定有著某種遺傳因子控制著生物的性狀：每代都有一種特征或稱性狀顯現(xiàn)出來(lái)（顯性），而成對(duì)的另一種性狀則隱藏起來(lái)（隱性），即前者在表達(dá)性狀時(shí)對(duì)后者占主導(dǎo)地位。這說(shuō)明，每個(gè)遺傳性狀能夠獨(dú)立遺傳，它們相互之間沒(méi)有關(guān)系，不可能兩者兼而有之，也就是無(wú)法混合或融合。

摩爾根起初對(duì)孟德?tīng)柼岢龅倪z傳原理持懷疑態(tài)度，也希望能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證達(dá)爾文提出的自然選擇理論。

“看到照亮生物進(jìn)化過(guò)程的新光芒”

1900年，被忽視了30多年的孟德?tīng)柪碚摚ㄎ恼拢┍蝗豢茖W(xué)家?guī)缀踉谕粫r(shí)間發(fā)現(xiàn)。其中一位，是荷蘭植物學(xué)家雨果·馬里奧·德弗里斯。他在這一年接待來(lái)訪的摩爾根時(shí)，談到了他的一個(gè)發(fā)現(xiàn)：一種名叫月見(jiàn)草的植物產(chǎn)生新遺傳類型的能力非常強(qiáng)，能在很短時(shí)間內(nèi)冒出性狀迥異的后代，這表明一個(gè)品種可以突然產(chǎn)生另一個(gè)能夠傳之久遠(yuǎn)的新品種。

事實(shí)上，德弗里斯檢查了大約5萬(wàn)棵月見(jiàn)草，從中發(fā)現(xiàn)了7種突變型，共約800棵，有的甚至只需一個(gè)世代就能產(chǎn)生出差異程度達(dá)到“種”一級(jí)的變化。他把這種發(fā)生在一個(gè)世代的可遺傳的突然性改變稱為“突變”，并且提出了一個(gè)通過(guò)突然跳躍（即突變）而實(shí)現(xiàn)進(jìn)化的新學(xué)說(shuō)。

這樣看來(lái)，進(jìn)化就不再是只能喻于理論而不能觀察到的無(wú)限緩慢的進(jìn)程了。摩爾根就此評(píng)述說(shuō)：“我認(rèn)為已經(jīng)可以看到照亮生物進(jìn)化過(guò)程的新光芒了。自然界中，新物種是突然形成的……進(jìn)化并不是把其他所有生物當(dāng)作對(duì)手的生存競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程，很多新物種是自然界在本來(lái)不大有生物棲息的場(chǎng)所創(chuàng)造出的具有適應(yīng)性的新種?！?/p>

時(shí)隔不久，摩爾根熟悉的一位同行朋友的學(xué)生、哥倫比亞大學(xué)研究生薩頓，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)的一種細(xì)長(zhǎng)線狀物質(zhì)染色體——其主要物質(zhì)成分是蛋白質(zhì)和脫氧核糖核酸（DNA），跟孟德?tīng)査鶊?bào)告的控制著生物性狀的某種遺傳因子（即現(xiàn)在所說(shuō)的基因）有許多相同之處，進(jìn)而在1903年發(fā)表論文《遺傳中的染色體》，提出了染色體是基因的物質(zhì)載體的假設(shè)，并明確指出：“父本與母本染色體將構(gòu)成孟德?tīng)栠z傳定律的物質(zhì)基礎(chǔ)。”

“薩頓假設(shè)”引起了生物學(xué)界的廣泛關(guān)注。這意味著，要證實(shí)染色體是基因載體，就得把某個(gè)特定的基因與某條具體的染色體聯(lián)系起來(lái)?？蛇@個(gè)時(shí)候，摩爾根心中還有懷疑：基因到底是真實(shí)地存在，還是純屬想象？但他深信突變?cè)谏w的進(jìn)化過(guò)程中起著作用。

1904年，摩爾根來(lái)到紐約哥倫比亞大學(xué)，就任全美國(guó)設(shè)置最早的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)教授。他主要的研究興趣集中在遺傳學(xué)和進(jìn)化論，以及它們與突變的關(guān)系（后來(lái)他自嘲說(shuō)，他能成為他那個(gè)政治世家中唯一的科學(xué)家，可能就是家族基因突變的結(jié)果吧）。他注意從整體上研究生物，卻又強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)方法，篤信任何一種想法或假說(shuō)，必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，才能在科學(xué)上得到立足之地。

那一時(shí)期，摩爾根的工作重心是研究動(dòng)物的突變階段。他開(kāi)始用老鼠、豚鼠和鴿子做實(shí)驗(yàn)。由于這類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物繁殖緩慢，相應(yīng)的研究工作進(jìn)展也不快?！帮w躍”的偶發(fā)機(jī)遇在1908年開(kāi)啟：摩爾根建議他的學(xué)生佩恩做一些實(shí)驗(yàn)來(lái)研究法國(guó)生物學(xué)家拉馬克提出的“用進(jìn)廢退”和“獲得性狀遺傳”學(xué)說(shuō)是否有道理。

佩恩早前研究過(guò)沒(méi)有眼睛的洞穴魚(yú)。此次的研究對(duì)象，他找的是嗡嗡亂飛、隨處可見(jiàn)的果蠅。他把這些小生物關(guān)在暗室里飼養(yǎng)，以觀察它們?cè)诤诎档沫h(huán)境里會(huì)不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間不用眼睛而產(chǎn)生沒(méi)有眼睛的后代。結(jié)果，到69代果蠅羽化時(shí)，還是沒(méi)有任何事情發(fā)生，而摩爾根由此卻發(fā)現(xiàn)了一種極好的實(shí)驗(yàn)有機(jī)體，用于研究遺傳和進(jìn)化。

“果蠅是上帝專為摩爾根創(chuàng)造的”

摩爾根把他的果蠅實(shí)驗(yàn)室建在了哥倫比亞大學(xué)的一棟大樓里。他設(shè)想通過(guò)培育出有用的突變個(gè)體，從而能在其后代中跟蹤一個(gè)特性，把某個(gè)特定的基因跟某條具體的染色體聯(lián)系起來(lái)。

為此他和助手們把果蠅折騰得夠嗆：或?qū)⒐壷糜诟邷睾偷蜏叵嘛曫B(yǎng)，或喂給它們不同尋常的食物，或用酸、堿、鹽、糖處理蠅卵，或用X射線輻射處理果蠅的幼蟲(chóng)、蛹、成蟲(chóng)。然而，一兩年時(shí)間過(guò)去，似乎也沒(méi)有什么特異的事情發(fā)生。

1910年1月，研究小組終于發(fā)現(xiàn)有一只果蠅的胸部顯出一種奇怪的三叉形;3月，又有兩個(gè)突變體出現(xiàn);5月，最富戲劇性的突變體出現(xiàn)了—那是一只白眼睛的雄性果蠅（果蠅通常都是紅眼睛的）。

摩爾根如獲至寶，馬上把這只果蠅精心地供養(yǎng)起來(lái)，每天上下班都把它帶回家中，放在床邊觀察，第二天一早再把它帶回實(shí)驗(yàn)室，生怕它出現(xiàn)“不測(cè)”。不久，他讓這只白眼睛果蠅同一只正常的紅眼雌蠅交配，留下突變基因。隨后發(fā)現(xiàn)，這個(gè)家系的子一代全是紅眼的，顯然紅對(duì)白表現(xiàn)為顯性。接著，讓子一代交配，結(jié)果發(fā)現(xiàn)子二代中紅、白果蠅的比例正好是3︰1，這完全符合孟德?tīng)柾ㄟ^(guò)對(duì)豌豆的研究所總結(jié)出的遺傳規(guī)律。

摩爾根對(duì)這一突變特征的傳遞做了詳細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)了性連鎖現(xiàn)象（伴性遺傳）。這是遺傳學(xué)領(lǐng)域第一次把一個(gè)具體的基因（白眼）定位于一條特定的X染色體上，證實(shí)染色體就是遺傳特征的載體，基因是實(shí)際存在的物質(zhì)實(shí)體（亦可視為有遺傳效應(yīng)的DNA片段）。一條染色體上通常只有一個(gè)DNA分子。接下來(lái)，摩爾根與他的得力助手開(kāi)爾文·布里奇斯、阿爾弗雷德·斯特蒂文特和·赫爾曼穆勒又推算出各種基因在染色體上的位置。

看起來(lái)就是這樣：每條染色體都包含一批稱為基因的小單元，它們?nèi)绱榘阌行虻嘏帕性谌旧w上。摩爾根還證明：染色體在分裂時(shí)偶爾會(huì)交換染色質(zhì)—他稱之為“交換”，這是自然界動(dòng)植物之所以呈現(xiàn)出多樣性的另一個(gè)原因。1913年，斯特蒂文特發(fā)現(xiàn)，每個(gè)基因都能被分派于染色體圖譜的特定位置上，這為繪制人類基因組圖奠定了基礎(chǔ)。

“果蠅是上帝專為摩爾根創(chuàng)造的?！焙髞?lái)有人調(diào)侃說(shuō)。

摩爾根也講過(guò)一句俏皮話，大意是：他雖然出生于1866年，但他的生命是在1865年開(kāi)始孕育的—孟德?tīng)栒窃谀且荒晏岢隽诉z傳學(xué)的基本原理，所以他注定要從事遺傳學(xué)研究。

對(duì)孟德?tīng)柕倪z傳學(xué)說(shuō)和達(dá)爾文的進(jìn)化論而言，基因是缺失的一環(huán)，而摩爾根的染色體遺傳學(xué)說(shuō)填補(bǔ)了這處空白，并且把物理學(xué)和化學(xué)的實(shí)驗(yàn)分析方法引入生物學(xué)，從而使后者再也不是單純依靠觀察和描述的學(xué)科了。

1933年，摩爾根獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。如今，染色體圖上表示基因之間的遺傳距離單位被命名為“摩”，以紀(jì)念這位杰出的遺傳學(xué)家。

摩爾根小傳

托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan，1866-1945年），美國(guó)遺傳學(xué)家、胚胎學(xué)家、實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家。1866年畢業(yè)于肯塔基州立學(xué)院（現(xiàn)在的肯塔基大學(xué)），1890年在約翰·霍普金斯大學(xué)獲博士學(xué)位。先后執(zhí)教于布林馬爾學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)和加州理工學(xué)院。曾任美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院長(zhǎng)、美國(guó)遺傳學(xué)會(huì)主席。著有《進(jìn)化的科學(xué)基礎(chǔ)》《胚胎學(xué)與遺傳學(xué)》《基因論》等書(shū)。因闡明了染色體作為遺傳性狀攜帶者的功能而獲得1933年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。