還原基因在染色體上的探索過程 培養(yǎng)學生的科學認識*

馬晉閩 王玉龍

（廣東實驗中學 廣東廣州 510055）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出生物學課程既要讓學生獲得基礎(chǔ)的生物學知識，又要讓學生領(lǐng)悟生物學家在研究過程中所持有的觀點，以及解決問題的思路和方法。同時指出學習生物科學史，能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質(zhì)和科學探究的思路和方法，學習科學家獻身科學的精神，對提高學生的生物學學科核心素養(yǎng)很有意義［1］。由此可見科學史的教育可更好地培養(yǎng)學生的科學思維。

在遺傳定律的教學與學習上，絕大多數(shù)教師所采用的方法是通過創(chuàng)設(shè)情境和有效引導，讓學生模擬想象成遺傳學家，依據(jù)科學研究數(shù)據(jù)，進行分析和推理，進而理解是如何通過假說-演繹法得出遺傳定律的。摩爾根果蠅實驗是遺傳學上的經(jīng)典實驗，人教版高中《生物》必修2中摩爾根對果蠅雜交實驗（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”，不少教師認為該假設(shè)并不很嚴謹，因為控制白眼的基因在X、Y的同源區(qū)段（圖2），同樣能解釋實驗現(xiàn)象。這不禁讓人產(chǎn)生疑問：摩爾根的實驗設(shè)計不嚴謹嗎？摩爾根當年用什么方法證明了Y染色體上沒有白眼基因？

圖1 果蠅雜交實驗圖解

圖2 白眼基因在X、Y染色體上的可能分布

在“中國知網(wǎng)”搜索2014—2018年摩爾根果蠅實驗科學史的教學設(shè)計，共得到論文4篇，分別是劉曉文的“基于生物科學史的探究課堂構(gòu)建——以《基因在染色體上》一課為例”［2］，屈任務(wù)的“還原經(jīng)典實驗破解學生疑惑——還原一個完整的摩爾根雜交實驗”［3］，李琳的“基于科學史的‘基因在染色體上’一節(jié)教學設(shè)計”［4］，范潔的“例析基于理性思維的科學史教學策略——以‘基因在染色體上’為例”［5］。這些教學設(shè)計均認為摩爾根為解釋其雜交實驗，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，并設(shè)計了相關(guān)實驗，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。因此教師強調(diào)在教學環(huán)節(jié)上，需要引導學生對基因在染色體上的各種可能情況進行分析，從而讓學生領(lǐng)悟摩爾根縝密的思考、嚴謹?shù)耐评?。從參考文獻上可看出，上述教學設(shè)計中教師所還原的科學史探究過程，其設(shè)計依據(jù)幾乎都是來源于教參，個別教師還參考了劉祖洞主編的《遺傳學》。筆者通過閱讀1910年摩爾根發(fā)表在《科學》雜志上的“果蠅的伴性遺傳”論文及其他論著，發(fā)現(xiàn)教師對摩爾根所做的果蠅實驗存在較大的認識偏差。

1 人教版高中《生物》必修2中摩爾根果蠅雜交實驗與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。當時人們對遺傳物質(zhì)的認識是模糊的，無論是孟德爾基于對數(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年薩頓通過觀察指出基因在染色體上，都是假說。摩爾根不喜歡假說，尤其不喜歡必須依賴其他假說的幫助才能成立的假說。摩爾根在1910年發(fā)表的論文中，根據(jù)雜交實驗的實際情況，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驗時，是不知道基因與染色體的關(guān)系的，所以根據(jù)孟德爾的方法在解釋上將顏色因子（R）與決定性別的因子（X）分開考慮，并由此推測出“事實是這個R同X結(jié)合在一起，從不單獨分開”，用現(xiàn)代生物學術(shù)語即為“連鎖”。但即使這樣，摩爾根對控制白眼基因在X染色體上的這一結(jié)論還是保留謹慎態(tài)度。所以摩爾根在書寫上還是將顏色因子（R）與決定性別的因子（X）并列關(guān)系書寫。

其次，由于當時摩爾根用的顯微鏡不過是把一般的放大鏡架起來（圖 4）［7］，受實驗條件及認識的局限，摩爾根沒有考慮到Y(jié)染色體的存在，所以在書寫上，雌性果蠅用XX，雄性果蠅用X表示。

圖4 摩爾根實驗室［7］

因此，目前生物學教師所普遍認為的“摩爾根設(shè)計白眼雌蠅與紅眼雄蠅雜交實驗，判斷白眼基因是否在Y染色體上”，這種認識超出了摩爾根當時的認識水平。

2 摩爾根果蠅雜交實驗的目的是什么？

當時人們對孟德爾遺傳規(guī)律的認識還是存在爭議的，摩爾根并不信孟德爾。1909年，摩爾根在進行果蠅雜交實驗的過程中，還發(fā)表文章抨擊孟德爾的方法。首先，在方法上，摩爾根認為孟德爾是通過對數(shù)字進行分析推理，然后提出理論，該方法是從理論上預測了基因與性狀的關(guān)系，在統(tǒng)計學上“可見”，但并沒有遺傳學的物理基礎(chǔ)。摩爾根認為孟德爾的假說不過是“結(jié)果被很好地解釋了，因為發(fā)明了解釋來解釋它們”，并稱之為“高級雜?！保?］。其次，摩爾根反對染色體遺傳學說，對于遺傳單位是否存在，以及在何處存儲也不感興趣。

因此，1909年摩爾根所做的果蠅雜交實驗并不是為了證明孟德爾學說，而是為了推翻孟德爾學說。直到1911年，摩爾根才在《科學》上發(fā)表論文聲明果蠅的突變符合孟德爾的理論，變成了孟德爾學說的堅定支持者。他說：“凡是密切觀察這些新類型發(fā)展史的人，都會對以下事實留下一個深刻的印象：性狀確實會‘分離’，而且在多數(shù)情況下無中間類型發(fā)生”。所以，1909年摩爾根對果蠅的雜交方案的設(shè)計，首先是基于對孟德爾方法的質(zhì)疑驗證，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)計了一系列雜交組合，試圖通過對實驗現(xiàn)象的分析否定孟德爾方法，但最終通過對實驗結(jié)果的分析，摩爾根成為了孟德爾學說的堅定支持者。

據(jù)此，教學設(shè)計中“摩爾根判斷基因的位置”各種假設(shè)確實能起到訓練學生科學思維的作用，但是必須明確的是，事實上該前提偏離了摩爾根進行果蠅雜交實驗的目的。

3 1910年摩爾根發(fā)表論文時到底做了哪些實驗？

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

表1 1910年摩爾根果蠅雜交實驗

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，實驗結(jié)果與預測完全吻合，假設(shè)得到完美證實，摩爾根據(jù)此確定了控制眼色的基因在X染色體上。

隨著實驗條件的改善和實驗研究的不斷深入，摩爾根的學生布里吉斯為基因在染色體上提供了無可辯駁的證據(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只子代個體中，有1個紅眼雄蠅或白眼雌蠅。對此現(xiàn)象的解釋，布里吉斯提出如圖5所示的假設(shè)：雌果蠅卵原細胞減數(shù)分裂過程，極少數(shù)細胞X染色體不分離，導致卵細胞或含有2條X染色體，或不含有X染色體。異常卵細胞與精子結(jié)合得到的XXY個體為白眼雌蠅，XO個體為紅眼雄蠅，這樣就可解釋異常果蠅的出現(xiàn)。

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

圖6 白眼XXY雌果蠅與紅眼XY雄果蠅雜交［8］

布里吉斯進一步推測該異常出現(xiàn)的白眼雌蠅與正常紅眼雄蠅雜交，預期得到的后代應(yīng)如圖6所示：會產(chǎn)生8種個體，其中8號為YY，因無X染色體而不能存活。圖6中4號紅眼雄果蠅和7號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，但事實上在布里吉斯的雜交實驗中卻同時“例外”的出現(xiàn)，該實驗結(jié)果與布里吉斯的預期相吻合，證實了布里吉斯假說的正確性。通過進一步檢查該“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。最終布里吉斯的實驗無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，對上述認識作出總結(jié)。

綜上所述，由于當時的認識水平，摩爾根1910年的論文在細節(jié)上是有所瑕疵的。但是他采用了孟德爾的推理及實驗設(shè)計，證實了孟德爾學說的正確性；并借助薩頓等科學家對性染色體的理解，敏銳地發(fā)現(xiàn)果蠅伴性遺傳的存在，將孟德爾的理論推測與染色體進行了具體聯(lián)系；并通過大量實驗發(fā)現(xiàn)了連鎖互換定律，為現(xiàn)代遺傳學奠定了細胞學基礎(chǔ)。人教版高中《生物》所介紹的摩爾根實驗是對遺傳規(guī)律的總結(jié)認識，是在對基因與染色體的關(guān)系有了發(fā)展性認識后所作的現(xiàn)代生物學解釋。

2018年10月在北京召開的中學生物學研討會上，何奕琨教授指出：“進行科學史教育需要教師多讀原著，盡量還原真正的科學史”?？茖W史蘊含著科學家研究問題的思路，是很好的教學素材。運用科學史進行教學，可以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、做出假設(shè)、驗證假設(shè)的能力。通過對摩爾根果蠅實驗的再現(xiàn)可以看出，人教版教材在編寫時考慮了諸多因素，例如學生的接受水平、素材所占的篇幅、科學認識的發(fā)展。因此，教材中對摩爾根的果蠅實驗所對應(yīng)的科學史進行了適當?shù)暮喕幚恚@樣有利于新授課時學生掌握“基因在染色體上的實驗證據(jù)”這部分教學內(nèi)容。教師在備課時適當了解真實的摩爾根果蠅實驗，能清楚自己帶領(lǐng)學生還原的究竟是最初的科學史，還是科學發(fā)展到一定新的階段之后的新認識。