關(guān)于“基因在染色體上”問(wèn)題的史料分析*

陳紹洲 （廣東省海豐縣彭湃中學(xué) 廣東汕尾 516400）

20 世紀(jì)上半期的經(jīng)典遺傳學(xué)是遺傳學(xué)發(fā)展的基石，其理論的核心為遺傳的染色體學(xué)說(shuō)，即摩爾根發(fā)展、證明和總結(jié)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?！盎蛟谌旧w上”是基因論形成最為核心的實(shí)驗(yàn)。

1 教材對(duì)“基因在染色體上”的簡(jiǎn)述

“基因在染色體上”是人教版普通高中生物學(xué)必修2《遺傳和進(jìn)化》第2 章第2 節(jié)的內(nèi)容?，F(xiàn)行教材的編委依《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》精心編寫，適合新時(shí)代生物學(xué)科學(xué)素養(yǎng)和學(xué)生的認(rèn)知水平。現(xiàn)行教材以詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)科學(xué)性、探究性地反映摩爾根研究“基因在染色體上”的假說(shuō)歷程。因篇幅有限或可讀性的需要，教材對(duì)“基因在染色體上”的某些現(xiàn)象未進(jìn)行詳細(xì)探討。為了更好地體現(xiàn)摩爾根研究“基因在染色體上”的過(guò)程。筆者通過(guò)查閱摩爾根[1]1910 年發(fā)表于《科學(xué)》“果蠅的限性遺傳（Sex-limited inheritance inDrosophila）”論文及摩爾根團(tuán)隊(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其中比較典型、富有思考性的3處實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這3 處實(shí)驗(yàn)結(jié)果是摩爾根研究的原始資料，可幫助學(xué)生更全面理解“基因在染色體上”理論的完善及發(fā)展過(guò)程，有助于激勵(lì)學(xué)生不斷地思考和更多地通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究科學(xué)問(wèn)題的積極性。

2 3 處原始實(shí)驗(yàn)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(xué)用書對(duì)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(xué)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(fā)表于《科學(xué)》“果蠅的限性遺傳”原文的數(shù)據(jù)“這只白眼雄果蠅和其姐妹紅眼果蠅交配產(chǎn)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(chǎn)生是因?yàn)檫M(jìn)一步的變異，在本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(lái)”[2]生動(dòng)、幽默、傳神的描繪。反映科學(xué)研究驚心動(dòng)魄的一幕，白眼雄果蠅命懸一線，科研人員只有把握機(jī)會(huì)，找準(zhǔn)時(shí)機(jī)，科學(xué)發(fā)現(xiàn)才不會(huì)在眼前白白丟失，該白眼雄果蠅與多只紅眼雌果蠅交配，因?yàn)槠浣忝迷谟⑽谋磉_(dá)用復(fù)數(shù)“sisters”，從雌果蠅的繁殖能力推算應(yīng)該是多只紅眼雌果蠅，每只雌果蠅每次產(chǎn)卵有100～150 顆，最多有300 顆。要產(chǎn)生1 240 只果蠅至少需要9 只雌果蠅。實(shí)際上更有趣的是，這只白眼雄果蠅并不像傳說(shuō)中那么虛弱，“戰(zhàn)斗力”極強(qiáng)，后來(lái)還跟其子代雌果蠅進(jìn)行回交，助力摩爾根完成更有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)。摩爾根嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)之一“科學(xué)探究”。生命科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展必須以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行“去偽存真”的“科學(xué)思維”，“后代（F1）3 只白眼雄果蠅”是生命現(xiàn)象中的一種例外，摩爾根沒(méi)有被這種“例外”現(xiàn)象所干擾，用科學(xué)思維做到去偽存真，暫時(shí)忽略不討論，一心一意驗(yàn)證孟德爾遺傳定律。在當(dāng)時(shí)細(xì)胞減數(shù)分裂中的對(duì)染色體數(shù)量分配研究有限的情況下，摩爾根這種做法很高明。20 世紀(jì)40 年代，艾弗里和他的同事用肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）進(jìn)行研究，提出了不同于當(dāng)時(shí)大多數(shù)科學(xué)家觀點(diǎn)的結(jié)論∶DNA 才是使R型細(xì)菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)[2]。因?yàn)榘ダ锾崛〉腄NA 含有極少量的蛋白質(zhì)，于是當(dāng)時(shí)包括沃森在內(nèi)的主流科學(xué)家不認(rèn)可這一結(jié)論[4]。直到1952 年，美國(guó)遺傳學(xué)家赫爾希（Hershey，1908—1997）及其助手蔡斯（Chase，1927—2003）以T2 噬菌體和細(xì)菌為實(shí)驗(yàn)材料，利用放射性同位素標(biāo)記技術(shù)，不以直接的方法證明DNA 是遺傳物質(zhì)。這時(shí)主流科學(xué)家才認(rèn)為DNA 是遺傳物質(zhì)的結(jié)論。這導(dǎo)致生命科學(xué)的發(fā)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(rèn)，也許DNA 分子結(jié)構(gòu)就能早些建立。后來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究中，摩爾根發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象越來(lái)越多。1916 年，摩爾根的學(xué)生布里吉斯因?qū)@種“例外”現(xiàn)象進(jìn)行大量的研究，發(fā)現(xiàn)雌性果蠅少數(shù)卵細(xì)胞減數(shù)分裂異常，從推理和細(xì)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(wú)人懷疑染色體遺傳學(xué)說(shuō)[5]。這種“例外”現(xiàn)象的研究讓摩爾根團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)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(shù)，性指數(shù)是指X 性染色體數(shù)與常染色體組（A）數(shù)的比值。當(dāng)X/A=1 時(shí)為正常雌性或多倍體雌性，當(dāng)該比值大于1 時(shí)為超雌性；X/A=0.5 時(shí)為正常雄性或多倍體雄性，小于0.5 時(shí)為超雄性；當(dāng)該比值為0.5～1.0時(shí)，則表現(xiàn)為中間性[3]。

2.2 測(cè)交的后代不是規(guī)律完美的25% 人教版教參第119 頁(yè)“摩爾根等人通過(guò)測(cè)交的方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了其假說(shuō)。將F1的紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅進(jìn)行測(cè)交實(shí)驗(yàn)，得出如下數(shù)據(jù)：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(shí)驗(yàn)證明了基因位于染色體上”[3]。這一組數(shù)據(jù)很完美，但與摩爾根“果蠅的限性遺傳”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有些相差。摩爾根的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：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(gè)體數(shù)大致相等（約25%）[1]。摩爾根的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并“不完美”，但摩爾根做過(guò)該實(shí)驗(yàn)證明其真實(shí)性。正如孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)很完美，以至后來(lái)有些科學(xué)家懷疑孟德爾修改了真實(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)際上孟德爾不一定修改數(shù)據(jù)。摩爾根沒(méi)有為了發(fā)表論文而修改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而是選擇尊重科學(xué)探究原則，真實(shí)反映客觀現(xiàn)象。這個(gè)實(shí)驗(yàn)再次證明孟德爾分離定律是對(duì)的，測(cè)交的預(yù)期結(jié)果正確。摩爾根做這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(dá)爾文曾經(jīng)創(chuàng)造的“限性遺傳”術(shù)語(yǔ)。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，這種新性狀白眼可通過(guò)回交傳遞給雌性，因此，在這個(gè)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(wèn)題 人教版教師教學(xué)用書第119 頁(yè)采用陳廷華老師的教學(xué)案例，陳老師可能為了更好培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，有意對(duì)果蠅的白眼基因在染色體的位置進(jìn)行全方位的思考。陳老師引導(dǎo)學(xué)生“由于白眼的遺傳和性別相關(guān)聯(lián)，可能存在以下假設(shè)。假設(shè)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(shè)2：控制白眼的基因在X、Y 染色體上。假設(shè)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]?！焙芏嘟處熞苍S采用這樣的策略上課，出發(fā)點(diǎn)是好的。但是這種假設(shè)進(jìn)行科學(xué)思維的演繹，可能會(huì)加重學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)和難度。摩爾根知道果蠅XY 染色體的發(fā)現(xiàn)至少是1913 年以后。摩爾根1910 年以前并未輕易認(rèn)同孟德爾遺傳學(xué)說(shuō)，因?yàn)槟柛龅膭?dòng)物雜交實(shí)驗(yàn)沒(méi)有再現(xiàn)孟德爾規(guī)律現(xiàn)象，所以懷疑孟德爾遺傳學(xué)說(shuō)僅限于豌豆等植物，沒(méi)有普遍性。摩爾根起初懷疑薩頓染色體遺傳是可理解的，因?yàn)椤叭旧w遺傳”原是個(gè)假設(shè)，沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證明。孟德爾遺傳學(xué)說(shuō)至少有實(shí)驗(yàn)，還有另3 位科學(xué)家的重新發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，正是從懷疑到實(shí)驗(yàn)探究，摩爾根證明了薩頓的假說(shuō)（遺傳的染色體理論）。

從摩爾根的不同版本的著作可發(fā)現(xiàn)其背后的故事。1908 年，摩爾根開始研究果蠅，美國(guó)生物學(xué)家史蒂文斯（Stevens，1861—1912）發(fā)現(xiàn)果蠅性染色體為XY 型[3]，即精母細(xì)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(fā)現(xiàn)（也是幸運(yùn)）。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(xué)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(jù)自己的假設(shè)和實(shí)驗(yàn)推論，其野生紅眼雄果蠅用RWX 表示。對(duì)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(shuō)相聯(lián)系。將遺傳因子與X 染色體當(dāng)作獨(dú)立個(gè)體對(duì)待，以現(xiàn)代科學(xué)分析，這種表示方法有點(diǎn)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(shuō)的地方。假設(shè)野生紅眼雄果蠅RWX 產(chǎn)生的精子只能是這2 種類型RX 和W，不能是WX和R。細(xì)胞生物學(xué)家威爾森（Wilson，1856—1939）建議摩爾根，最簡(jiǎn)單的解釋就是假設(shè)眼色因子與X 染色體在物理上相聯(lián)系。但摩爾根覺得這種觀點(diǎn)太過(guò)臆測(cè)，不太贊同。

1910 年7 月后，摩爾根實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出更多的突變體，出現(xiàn)了截翅和黃身。這些新突變性狀遺傳特點(diǎn)像白眼一樣是“性別限定”的性狀。這時(shí)摩爾根意識(shí)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(guān)聯(lián)。于是摩爾根在以后的著作中創(chuàng)造了“伴性遺傳”術(shù)語(yǔ)[6]代替“限性遺傳”。這時(shí)摩爾根心中產(chǎn)生了染色體上具有多個(gè)孟德爾因子的想法，從而為發(fā)現(xiàn)新的遺傳規(guī)律“基因連鎖和互換”作準(zhǔn)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(guān)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(fā)展了伴性遺傳的想法，而且擴(kuò)展到了更廣泛的聯(lián)系，采用更準(zhǔn)確的方式標(biāo)示白眼基因和性染色體的關(guān)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(yàn)證其假設(shè)，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(cè)交也是反交，既證明孟德爾分離定律適用于動(dòng)物的遺傳，染色體學(xué)說(shuō)的正確性，又讓人類第1 次認(rèn)識(shí)孟德爾進(jìn)行正、反交的作用。歷經(jīng)44 年（1866—1910 年），人們才真正明白正、反交的意義，原來(lái)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(xué)說(shuō)到相信、準(zhǔn)確科學(xué)表達(dá)伴性遺傳和基因連鎖現(xiàn)象，歷經(jīng)5 年（1910—1915 年）；摩爾根及其團(tuán)隊(duì)成員找到了基因的物理位置，為探究遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)鋪平了成功之路。摩爾根及其團(tuán)隊(duì)成員，不迷信權(quán)威，以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn)探索真理，從復(fù)雜的生命“例外”現(xiàn)象找到生命規(guī)律的本質(zhì)，是后繼者的光輝榜樣。