还原基因在染色体上的探索过程 培养学生的科学认识*

马晋闽 王玉龙

（广东实验中学 广东广州 510055）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出生物学课程既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点，以及解决问题的思路和方法。同时指出学习生物科学史，能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学探究的思路和方法，学习科学家献身科学的精神，对提高学生的生物学学科核心素养很有意义［1］。由此可见科学史的教育可更好地培养学生的科学思维。

在遗传定律的教学与学习上，绝大多数教师所采用的方法是通过创设情境和有效引导，让学生模拟想象成遗传学家，依据科学研究数据，进行分析和推理，进而理解是如何通过假说-演绎法得出遗传定律的。摩尔根果蝇实验是遗传学上的经典实验，人教版高中《生物》必修2中摩尔根对果蝇杂交实验（图1）所作出的假设为“控制白眼的基因在X染色体上，而Y染色体不含有它的等位基因”，不少教师认为该假设并不很严谨，因为控制白眼的基因在X、Y的同源区段（图2），同样能解释实验现象。这不禁让人产生疑问：摩尔根的实验设计不严谨吗？摩尔根当年用什么方法证明了Y染色体上没有白眼基因？

图1 果蝇杂交实验图解

图2 白眼基因在X、Y染色体上的可能分布

在“中国知网”搜索2014—2018年摩尔根果蝇实验科学史的教学设计，共得到论文4篇，分别是刘晓文的“基于生物科学史的探究课堂构建——以《基因在染色体上》一课为例”［2］，屈任务的“还原经典实验破解学生疑惑——还原一个完整的摩尔根杂交实验”［3］，李琳的“基于科学史的‘基因在染色体上’一节教学设计”［4］，范洁的“例析基于理性思维的科学史教学策略——以‘基因在染色体上’为例”［5］。这些教学设计均认为摩尔根为解释其杂交实验，都分别作出了“控制白眼的基因是位于X染色体的非同源区段，位于Y染色体的非同源区段，位于X、Y染色体的同源区段”3种假说，并设计了相关实验，从而排除了控制眼色的基因位于Y染色体上的可能，得出控制眼色的基因位于X染色体上。因此教师强调在教学环节上，需要引导学生对基因在染色体上的各种可能情况进行分析，从而让学生领悟摩尔根缜密的思考、严谨的推理。从参考文献上可看出，上述教学设计中教师所还原的科学史探究过程，其设计依据几乎都是来源于教参，个别教师还参考了刘祖洞主编的《遗传学》。笔者通过阅读1910年摩尔根发表在《科学》杂志上的“果蝇的伴性遗传”论文及其他论著，发现教师对摩尔根所做的果蝇实验存在较大的认识偏差。

1 人教版高中《生物》必修2中摩尔根果蝇杂交实验与1910年摩尔根发表论文的区别

摩尔根关于“果蝇的伴遗传”的第1篇研究论文发表于1910年。当时人们对遗传物质的认识是模糊的，无论是孟德尔基于对数据分析指出遗传因子的存在（1909年，约翰逊改称“基因”），还是1903年萨顿通过观察指出基因在染色体上，都是假说。摩尔根不喜欢假说，尤其不喜欢必须依赖其他假说的帮助才能成立的假说。摩尔根在1910年发表的论文中，根据杂交实验的实际情况，其遗传图解如图 3 所示［6］。

图3 1910年摩尔根论文中的遗传图解［6］

由此可知，摩尔根在做果蝇杂交实验时，是不知道基因与染色体的关系的，所以根据孟德尔的方法在解释上将颜色因子（R）与决定性别的因子（X）分开考虑，并由此推测出“事实是这个R同X结合在一起，从不单独分开”，用现代生物学术语即为“连锁”。但即使这样，摩尔根对控制白眼基因在X染色体上的这一结论还是保留谨慎态度。所以摩尔根在书写上还是将颜色因子（R）与决定性别的因子（X）并列关系书写。

其次，由于当时摩尔根用的显微镜不过是把一般的放大镜架起来（图 4）［7］，受实验条件及认识的局限，摩尔根没有考虑到Y染色体的存在，所以在书写上，雌性果蝇用XX，雄性果蝇用X表示。

图4 摩尔根实验室［7］

因此，目前生物学教师所普遍认为的“摩尔根设计白眼雌蝇与红眼雄蝇杂交实验，判断白眼基因是否在Y染色体上”，这种认识超出了摩尔根当时的认识水平。

2 摩尔根果蝇杂交实验的目的是什么？

当时人们对孟德尔遗传规律的认识还是存在争议的，摩尔根并不信孟德尔。1909年，摩尔根在进行果蝇杂交实验的过程中，还发表文章抨击孟德尔的方法。首先，在方法上，摩尔根认为孟德尔是通过对数字进行分析推理，然后提出理论，该方法是从理论上预测了基因与性状的关系，在统计学上“可见”，但并没有遗传学的物理基础。摩尔根认为孟德尔的假说不过是“结果被很好地解释了，因为发明了解释来解释它们”，并称之为“高级杂耍”［7］。其次，摩尔根反对染色体遗传学说，对于遗传单位是否存在，以及在何处存储也不感兴趣。

因此，1909年摩尔根所做的果蝇杂交实验并不是为了证明孟德尔学说，而是为了推翻孟德尔学说。直到1911年，摩尔根才在《科学》上发表论文声明果蝇的突变符合孟德尔的理论，变成了孟德尔学说的坚定支持者。他说：“凡是密切观察这些新类型发展史的人，都会对以下事实留下一个深刻的印象：性状确实会‘分离’，而且在多数情况下无中间类型发生”。所以，1909年摩尔根对果蝇的杂交方案的设计，首先是基于对孟德尔方法的质疑验证，其次是材料白眼雄性果蝇的获得。在此基础上，摩尔根设计了一系列杂交组合，试图通过对实验现象的分析否定孟德尔方法，但最终通过对实验结果的分析，摩尔根成为了孟德尔学说的坚定支持者。

据此，教学设计中“摩尔根判断基因的位置”各种假设确实能起到训练学生科学思维的作用，但是必须明确的是，事实上该前提偏离了摩尔根进行果蝇杂交实验的目的。

3 1910年摩尔根发表论文时到底做了哪些实验？

1910年摩尔根在发现问题阶段和演绎推理阶段一共做了如下几组实验，如表1所示。

表1 1910年摩尔根果蝇杂交实验

其中，在演绎推理阶段，白眼雌性和红眼雄性的杂交组合最为关键，实验结果与预测完全吻合，假设得到完美证实，摩尔根据此确定了控制眼色的基因在X染色体上。

随着实验条件的改善和实验研究的不断深入，摩尔根的学生布里吉斯为基因在染色体上提供了无可辩驳的证据。1916年布里吉斯发现，白眼雌蝇和红眼雄蝇交配，理论上子代应该是白眼雄蝇和红眼雌蝇。但观察大量子代后发现，大约每2 000只子代个体中，有1个红眼雄蝇或白眼雌蝇。对此现象的解释，布里吉斯提出如图5所示的假设：雌果蝇卵原细胞减数分裂过程，极少数细胞X染色体不分离，导致卵细胞或含有2条X染色体，或不含有X染色体。异常卵细胞与精子结合得到的XXY个体为白眼雌蝇，XO个体为红眼雄蝇，这样就可解释异常果蝇的出现。

图5 初级不分离，XX卵子与Y精子受精，产生XXY雌性个体［8］

图6 白眼XXY雌果蝇与红眼XY雄果蝇杂交［8］

布里吉斯进一步推测该异常出现的白眼雌蝇与正常红眼雄蝇杂交，预期得到的后代应如图6所示：会产生8种个体，其中8号为YY，因无X染色体而不能存活。图6中4号红眼雄果蝇和7号白眼雌果蝇则是正常白眼雌果蝇与正常红眼雄果蝇杂交所不能产生的，但事实上在布里吉斯的杂交实验中却同时“例外”的出现，该实验结果与布里吉斯的预期相吻合，证实了布里吉斯假说的正确性。通过进一步检查该“例外的”白眼雌果蝇的染色体，证明了其体内含有2条X染色体和1条Y染色体。最终布里吉斯的实验无可辩驳地证明了基因在染色体上［8］。1916年摩尔根再次以“果蝇的伴性遗传”为题发表论著，对上述认识作出总结。

综上所述，由于当时的认识水平，摩尔根1910年的论文在细节上是有所瑕疵的。但是他采用了孟德尔的推理及实验设计，证实了孟德尔学说的正确性；并借助萨顿等科学家对性染色体的理解，敏锐地发现果蝇伴性遗传的存在，将孟德尔的理论推测与染色体进行了具体联系；并通过大量实验发现了连锁互换定律，为现代遗传学奠定了细胞学基础。人教版高中《生物》所介绍的摩尔根实验是对遗传规律的总结认识，是在对基因与染色体的关系有了发展性认识后所作的现代生物学解释。

2018年10月在北京召开的中学生物学研讨会上，何奕琨教授指出：“进行科学史教育需要教师多读原著，尽量还原真正的科学史”。科学史蕴含着科学家研究问题的思路，是很好的教学素材。运用科学史进行教学，可以培养学生发现问题、做出假设、验证假设的能力。通过对摩尔根果蝇实验的再现可以看出，人教版教材在编写时考虑了诸多因素，例如学生的接受水平、素材所占的篇幅、科学认识的发展。因此，教材中对摩尔根的果蝇实验所对应的科学史进行了适当的简化处理，这样有利于新授课时学生掌握“基因在染色体上的实验证据”这部分教学内容。教师在备课时适当了解真实的摩尔根果蝇实验，能清楚自己带领学生还原的究竟是最初的科学史，还是科学发展到一定新的阶段之后的新认识。