回顾“基因在染色体上”的发现历程

沈兆瑞

摘 要 高中生物教材通过寥寥数笔巧妙地概括“基因在染色体上”的发现过程，然而，教学中对该理论的探究历程依然存在着不少疑惑。依据20世纪初相关论文与科学史，对“基因在染色体上”的提出及其所涉及的其他理论进行简要的归纳与概述，为教学提供参考。

关键词 性别决定 染色体 果蝇 摩尔根

中图分类号 Q-49 文献标志码 E

1900年，尘封长达34年之久的孟德尔理论被雨果·德弗里斯、卡尔·柯仑等三位植物学家重新发现，随即引发科学界的热议，不同领域的学者们纷纷开展工作，以验证孟德尔比例的正确性及其适用范围。在众多研究中，最先获得称赞与争议的科学家是年仅25岁的沃尔特·萨顿。

1 萨顿假说与性别决定

1903年，萨顿发表《遗传中的染色体》，文中他提出假说：在减数分裂形成生殖细胞的过程中，基因与染色体的行为有明显的平行关系。与经典的魏斯曼预言一样，该假说无疑是另一个超前智慧与丰富想象力的碰撞产物。然而，即便威尔逊（萨顿的导师）后来都承认：“在当时，并未完全理解该观念的全部份量”。假说提出后，受到了多位科学家的公开质疑，实际上多数矛头可能指向于萨顿参与的另一个研究：性别决定因素。

关于性别决定的争议由来已久，早在1870年，孟德尔在给卡尔·内格利教授的信中就提到：性别决定可能会被证明是一种遗传现象。此后若干年内，参与争论的科学家们逐渐形成不同的阵营。其中一方认为性别主要是由染色体所决定，而其余阵营则持有反对观点。染色体理论是由美国细胞学家麦克郎所提出的，他对多种昆虫细胞中的性别差异进行研究，最终明确了性染色体和昆虫性别之间的联系。萨顿对蝗虫细胞的研究工作正是其中之一，因为麦克郎就是他在堪萨斯大学的导师。

在对性别决定的研究初期（1902年），麦克郎提出的染色体理论是不完善的，甚至是错误的，这可能不得不归因于萨顿的失误。萨顿的研究材料是西苯蝗，其精原细胞中染色体巨大且清晰，便于观察，而雌性则不然。这直接导致了萨顿对染色体数目的错误统计：雄性是23条，而雌性是22条染色体（事实上雌雄细胞中都是24条染色体）。该结论影响并误导了他的导师，使得染色体理論的提出经历了一段漫长而曲折的道路。

2 摩尔根的怀疑态度

在这场漫长争论的初期，摩尔根与麦克朗位于不同的阵营中。尽管在不久的将来，前者会被誉为遗传学中的“染色体之父”。但在20世纪初期，摩尔根对“染色体决定性别”一直持有怀疑、甚至贬低的态度，这与他当时的研究方向有关。在成为遗传学家之前，摩尔根主要的研究方向是胚胎发育。当时该领域的热点为：为何相同的胚胎细胞，会在同一环境下，分化成截然不同的组织细胞？摩尔根支持渐成论而否认先成论的观点——“胚胎发育由细胞核内的染色体所主导”。1907年，摩尔根在《实验动物学》中总结出一系列胚胎发育的相关工作，并在讨论性别决定因素时，着重描述了非染色体因素（如受精卵中的细胞质）对性别的影响。

此外，摩尔根还是实验学的崇尚者。他确信，相比单纯的形态学描述，精确的定量统计才是研究生物学的主要方法。因此，他怀疑并讨厌一系列“理论先于实验”的研究，例如萨顿假说、麦克朗的染色体理论以及魏斯曼的目的论等。1933年，在获得诺贝尔医学和生理学奖的发言辞中，摩尔根提到：“这是实验生物学的胜利”。言下之意，实验才是检验真理的唯一道路。这种对实验学的极端推崇在另一事件中表现得尤为突出。

1903年，摩尔根在《进化与适应》一书中明确表示对孟德尔理论的支持。他认为孟德尔理论建立于扎实的豌豆杂交实验基础之上，并经过严谨的统计与分析，所得出的结论必然是可信的。然而，重复实验的失败，使得他开始怀疑孟德尔比例的适用范围。

1904～1910年，摩尔根希望利用家鼠的花色、眼色等杂交实验来证实孟德尔的分离比例，然而结果并不尽如人意。在深褐色与黑色家鼠杂交实验中，少数子代呈现出融合遗传的特点——前半身为深褐色而后半身为黑色；无独有偶，另一组黑眼与粉红眼的杂交实验中，出现了一只眼睛为黑色，而另一只为粉红色的子代。上述结果让摩尔根多次公开质疑孟德尔的理论及其拥护者。

正当摩尔根与孟德尔理论逐渐远离的同时，一种模式生物的兴起为遗传学的发展带来新的契机。

3 果蝇杂交实验

黑腹果蝇是研究遗传学的理想材料，这取决于它的较短的繁殖周期，在适宜的环境中，果蝇平均每个世代仅10 d左右。在出现那只著名的白眼果蝇之前，摩尔根已经“浪费”2年多的时间用于果蝇的人工诱发突变实验，结果一无所获。

1910年，一只特殊的白眼雄蝇出现在摩尔根的蝇室中。关于它的来源存在争议，但丝毫没有影响它在遗传学史上的地位。随后，为世人所熟知的几组果蝇杂交实验在短短2个月内完成，同年7月，摩尔根在《科学》杂志中发表了第一篇关于果蝇的论文：Sex-Limited Inheritance In Drosophila。可能因为投稿时间过于紧促，该论文中的细节并不完美——例如标题中的限性遗传（sex-limited）很快因为白眼雌蝇的出现被改为伴性遗传（sex-related）。此外，摩尔根尝试在文中解释果蝇杂交实验的本质，其推理过程也被证实是错误的。但是，瑕不掩瑜，摩尔根最终还是抓住了真相：“决定眼色性状的R因子与决定性别的X因子始终在一起，从未分离”。毋庸置疑，遗传学的新时代将由此拉开帷幕。

果蝇杂交实验中，经典的3∶1遗传比例无疑证实了孟德尔理论的正确性。不仅如此，直至1912年底，摩尔根与他的学生们已经发现了40多种果蝇的突变性状，都无一例外地遵循孟德尔定律，这些实验数据让他重新成为孟德尔最坚定的拥护者。诚如加文·德比尔所述，“摩尔根及其同事所进行的大量的果蝇实验一扫过去之疑云，确证了孟德尔遗传定律之正确”。

4 基因位于染色体上

尽管在果蝇的首篇论文中，摩尔根依然坚持决定性别的是X因子，而不是染色体。但越来越多的实验证据表明X因子可能位于X染色体上。对此，摩尔根提出假设，“决定性状的基因远多于染色体数目，如果基因位于染色体上，那么一条染色体上的多个基因（性状）应该组合在一起，共同呈现孟德尔遗传规律”。那么，决定性状的基因究竟是不是位于染色体上呢？

随着果蝇研究体系的日益成熟，真相逐渐浮现。正如摩尔根所想，40多种果蝇的突变性状可被归纳为三组连锁群，相同连锁群内的性状组合在一起，呈现相似的孟德尔比例。1913年，摩尔根的学生斯特蒂文特绘制出第一幅基因的分布图，他通过复杂且精确的统计，将基因交换的频率与基因在染色体上位置关系对应起来。简而言之，交换频率越大，则基因在染色体上位置相距越远。同年，基因位于染色体上的直接证据被摩尔根的另一位杰出的学生——布里奇斯所发现。

1913年，布里奇斯在研究白眼雌蝇（XwXw）與红眼雄蝇（XWY）的杂交过程中发现，子代中不仅有正常的白眼雄性和红眼雌性果蝇，还出现令人疑惑的“例外”——白眼雌蝇。他推测例外的基因型为XwXwY，由雌配子产生过程中X染色体分离异常所致。显微镜下的核型鉴定发现，异常白眼雌蝇的体细胞中的确含有三条性染色体。这为白眼基因w位于X染色体上提供了最直接的细胞学证据。

1915年，摩尔根及其同事合作出版《孟德尔遗传原理》，该书中提供了大量的实验证据与严谨的统计结果，证实基因在染色体上呈线性排列。据此，摩尔根被称为遗传学中的“染色体之父”，他所提出的连锁与交换定律，与孟德尔分离、自由组合定律一起被统称为遗传学的三大定律。

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