摩尔根：遗传领域的开拓者

如果说孟德尔是遗传学的开山鼻祖，那么摩尔根^[1]则是遗传学的真正创立者。虽然他在胚胎学上有很大的贡献，但因为他发现了染色体的遗传机制，创立了染色体遗传理论而名垂千古，并由此获得1933年的诺贝尔生理学或医学奖。

南北战争双方谈论场景

虽然许多人都认识到，“帝王将相，宁有种乎”，但良好的家庭环境，对一个人的成长还是非常重要的。试想，一个衣不蔽体、食不果腹，整日为生计奔波的人，怎么可能还有时间和精力去“拯救世界”？但过度富庶的物质生活，也会消磨一个人奋斗的意志。所以那些在各个领域成名成家者，大多出身于中产阶级，就是这个道理。

摩尔根的家庭出身，很符合这样的特征。1866年9月25日，摩尔根出生在美国肯塔基州列克星敦的一个曾是美国南北战争之前南方奴隶主的家庭里。不过在南北战争中随着南方的战败，摩尔根家族家道中落一蹶不振，但这个家族也是出过许多外交官、律师、军人、议员和政府官员的，摩尔根的父母也希望小摩尔根能够重振家风。但似乎摩尔根是个异类，偏偏喜欢上了家族中从来无人染指过的科学。

摩尔根从小就对科学充满好奇，而且是有名的“小博物学家”。小摩尔根最大的爱好就是到肯塔基的山区和农村漫游，在野外捕蝴蝶、捉虫子、掏鸟窝和采集奇形怪状、色彩斑斓的石头。摩尔根就像法布尔^[2]在《昆虫记》里描述的一样，专注于昆虫是如何采食、如何筑巢的，有时还会把昆虫和鸟带回家去解剖。每逢夏天，摩尔根都到马里兰西部母亲的老家去做客，这让他能探寻和收集到更多的化石。摩尔根还曾与美国地质调查队一起在肯塔基山区工作过两个夏天。10岁时，摩尔根得到了两个专门给他自己用的房间，他把它们装饰成自己的小收藏室，用来收藏和展示自己收集制作的鸟、鸟蛋、蝴蝶、化石、矿石等各种标本。这两个房间里的摆设，一直保持到摩尔根逝世。当然，摩尔根也酷爱阅读，在他喜欢的阅读书目中，关于大自然和生物学方面的书成为首选。摩尔根阅读时非常专注，如果不受打扰，他可以沉浸在书籍的海洋中，静坐一整天，废寝忘食。所有这些行为，让摩尔根成为一名对大自然有浓厚兴趣的求学者，对他后来成为一位遗传学家有着重大的影响。

摩尔根

1880年，刚满14岁的摩尔根进入肯塔基州立学院的预科学习。两年后，转入肯塔基州立学院的大学本科。虽然他选择的是理科专业，但在所有需要研修的学科当中，他最感兴趣的还是博物学。

大学毕业后，摩尔根有点“无所适从”，因为他根本不知道自己可以去做什么，所以只好继续读书，就去报考了研究生。由于他的母亲的娘家在马里兰州，又因为生物学与自己喜爱的博物学有很大的关系，所以他选择了霍普金斯大学研究生院的生物学系。虽然当时的霍普金斯大学刚刚创办没多久，也没有什么名气，但它注重实效的实践教学，让这所学校的教学质量异军突起，这也为摩尔根日后的科学研究打下了良好基础。两年后，摩尔根获得了硕士学位，同时也收到母校肯塔基州立学院的博物学教授的聘书，但他还是决定留在霍普金斯大学继续攻读博士学位。

1890年，摩尔根完成了对海蜘蛛的研究，并获得了博士学位。依靠奖学金，摩尔根又能继续留在霍普金斯继续做博士后。1891年秋天，摩尔根受聘于布林马尔学院，一直工作到1904年。其后的24年，摩尔根一直在哥伦比亚大学实验动物系工作。1928年，摩尔根离开了哥伦比亚大学，去了加州理工大学筹建生物系，并留在那里积极从事科学和管理工作，一直到1941年退休。

霍普金斯大学

摩尔根的一生，全是在大学教学和实验研究中度过。但他胸怀社会，参加了许多专业的社会组织活动。摩尔根还是美国遗传学会的会员，也是美国形态学会会员，并于1900年担任该学会主席；同时也是美国博物学家学会会员，并于1909年任该学会主席；也是美国实验生物学和医学学会会员，并在1910～1912年任该学会主席；是美国科学进展学会会员，并在1930年任该学会主席；还是美国哲学学会会员和美国国家科学院的成员。此外，摩尔根还担任了1932年在纽约举行的第六届国际遗传学会议的主席。摩尔根还通过国家科学院，直接参与国家研究委员会的活动。

除了获得诺贝尔奖之外，摩尔根在1924年获得了达尔文奖章，1939年获得美国皇家学会的科普莱奖章。

1904年，摩尔根与桑普森^[3]结婚。桑普森也是一位技术高超的细胞学家，他对自己丈夫的研究非常感兴趣，虽然是四个孩子的母亲，但桑普森坚持在摩尔根实验室工作，为丈夫的果蝇研究工作作出重要贡献，是真正的“贤内助”。

早年，摩尔根曾通过比较解剖学、胚胎学和细胞学，以及生理学的研究，力图找到生物物种之间的进化关系，这就是形态学研究。大约在1901年前后，摩尔根也进行实验胚胎学研究，并出版了他的第一部著作《再生》。

其实摩尔根早期所做的形态学、胚胎学研究与遗传学还是有千丝万缕的联系，但真正与遗传学有直接关系的，是摩尔根所做的性别决定研究。

桑普森

生物的性别是由什么决定的？在19世纪末到20世纪初，对这个问题的认识主要分为两派：一派认为由环境、温度或在发育过程中供给胚胎或母亲的食物数量来决定。他们的证据是，包括昆虫在内的许多物种，他们在繁殖过程中，各种环境因素的变化，都可能会影响性别比率，我们把这种观点称为“环境论”；另一派认为由卵子或精子等内在因素决定，或者是在受精的一瞬间决定，与环境无关，我们称之为“遗传论”。摩尔根对两派的观点都不完全赞同，因为他发现，这两种理论只能解释大多数物种在繁殖过程中出现的1∶1的雌雄比率。然而，在复杂多样的自然界，繁殖过程中出现了一些“异常现象”：通过自然或人工诱导产生的孤雌生殖^[4]现象；一半为雄性一半为雌性的雌雄同体的昆虫；一些物种（如鸡）中出现的性反转现象，像中国古代的“牝（pìn）鸡司晨”（“牝鸡”就是雌鸡，即母鸡，它是不会打鸣的，但由于性反转，它在早上也打鸣了）等。这些繁殖现象，“环境论”和“遗传论”都无法给予完美的解释，而“性决定论”必须要能解释自然界中任何一种繁殖现象。为此，为了建立这样一种理论，摩尔根就对蚜虫的孤雌生殖现象进行研究。我们现在知道，蚜虫在产卵之前，会产生卵原细胞。这种卵原细胞是直接由体细胞分化而来的，拥有和母体一样数目的染色体^[5]（二倍体）。卵原细胞经过一系列的变化和分裂，形成极体和卵母细胞，它们都拥有与母体一半的染色体（单倍体）。在正常情况下，缺乏营养的极体很知趣地消失了，而卵子日后可能会与来自雄性的精子结合，形成受精卵，从而发育成新个体，这是正常的有性生殖。但蚜虫的卵原细胞正常进行分裂后，其中的卵细胞也可能与任意极体随机结合，形成“极体—卵细胞”，并由此细胞发育成后代个体（也是二倍体）。摩尔根正是对蚜虫的卵形成期间进行研究，特别是针对蚜虫的染色体的移动和位置做了细胞学研究，最后证实，孤雌生殖时产生的雄体与二倍体^[6]卵在发育过程中丢失一条染色体有关。这样，摩尔根已经开始意识到，染色体可能与性决定有关，但他还是不能肯定附加的X染色体是性别的决定者。其实，摩尔根能形成这样的认识，是受到了哥伦比亚大学同事威尔逊^[7]和女遗传学家史蒂文斯^[8]研究的影响，因为他们都积累了相当多的证据，说明附加的那个X染色体是决定性别的。

卵细胞的形成过程

在霍普金斯大学学习期间，摩尔根深受动物学家布洛克斯^[9]的影响，也由于博士期间对“再生”的研究，对达尔文的“自然选择学说”产生了兴趣。摩尔根一直想弄清楚一个问题，那就是高等生物的再生能力是不是通过自然选择的机制而演化的。经过几年的研究之后，1903年，摩尔根出版了《进化与适应》一书，对达尔文的“自然选择学说”进行了基于实证的批判。摩尔根认为，达尔文本人确实是一位出色的自然科学家，但达尔文的追随者们把达尔文的“自然选择”演变为“超选择主义”，无限夸大自然选择的力量。在摩尔根看来，自然界中的生物进化尽管是一个普遍现象，但导致生物进化的机制用当时的达尔文的“自然选择理论”来解释，确实存在许多漏洞。现在看来，摩尔根的认识是非常科学的，因为达尔文虽然也强调了自然选择对于个体微小变异的作用，但生物学家们发现，那些微小的变异通常是不会遗传的。所以，摩尔根认为，对进化有意义的变异必然是大幅度的变异，是可遗传的变异。用我们现在的话来表达，只有可遗传的变异，才能为自然选择提供基础条件。

达尔文的自然选择学说在这段时间受到的攻击最为严重，这与他的理论中本身缺乏遗传理论有关。其后，达尔文的追随者们吸收了遗传学知识，形成了以“过度繁殖、生存斗争、遗传变异、适者生存”为核心的学说，才使自然选择学说更具有科学性，这当然是后话了。

在20世纪初，生物学家们一般都掌握包括如下的遗传知识：一是孟德尔定律；二是根据动植物配子形成期间染色体运动的研究而建立的染色体遗传学说^[10]；三是荷兰植物学家和遗传学家德弗里斯对遗传、变异和进化的研究而建立的突变理论。

自1900年孟德尔的遗传学研究被重新发现后，摩尔根就不断地获得遗传学发展的新信息。摩尔根曾提出过一个时人无法回答的问题：既然性别是由基因控制的，那么决定性别的基因是显性还是隐性^[11]？很明显，不论性别基因是显性还是隐性，都不会出现“绝大部分生物两性比例趋于1∶1”的现象。所以，摩尔根非常怀疑孟德尔定律的科学性，也不太相信遗传的染色体理论。摩尔根通过实验，用家鼠与野生老鼠杂交，结果与孟德尔定律并不完全相同。最重要的是，当时关于染色体上有基因的说法也只是猜测。在摩尔根看来，用猜测的理论来解释孟德尔定律，肯定是不可信的，这需要通过实验来证实。

为了研究生物遗传性状中的突变现象，检验德弗里斯的突变理论是否是科学的，1908年，摩尔根开始培育黑腹果蝇作为实验材料。

摩尔根在哥伦比亚大学的果蝇实验室

日常生活中，我们经常在夏天的水果店里见到果蝇，因为它们非常喜欢吃腐烂的水果。果蝇比苍蝇小，体长约0.5厘米，在一个牛奶瓶中就可以装成百上千只；并且适合作为实验材料，因为它们非常容易饲养，一点点香蕉浆就可以让它们饱食终日；同时，它们的繁殖能力特别强，卵孵化为蛆只需要1天时间，2到3天后就变成蛹，再过5天羽化为成虫，一年可以繁殖30代！最重要的还在于，果蝇细胞内的染色体很简单，只有4对8条，在显微镜下清晰可辨。

为了繁殖大量的果蝇，摩尔根和他的研究生们经过做“梁上君子”，去实验室附近的居民区去“偷”牛奶瓶。以致于在那段时间，附近的居民都非常奇怪：放在家门口让送奶工人回收的空牛奶瓶都跑到哪里去了？

为了使果蝇出现突变现象，摩尔根把第一批果蝇放在了阴暗的环境里饲养，以期望培育出视力消失，或眼睛萎缩、移位的品种。但令人遗憾的是，在连续繁殖了68代后，那些终不见天日的果蝇还是瞪着大眼睛，毫无变瞎的迹象。当第69代果蝇刚刚羽化出来时，看见一时睁不开眼睛的果蝇，高兴坏了那个负责培育的研究生，他兴奋地叫来摩尔根。但还没等几分钟，那些“不争气”的果蝇便张开了双眼，恢复了常态。这让摩尔根师徒二人懊恼不已。

看果蝇“被关禁闭”起不了突变的效果，摩尔根又想出了其他花样来“折磨”果蝇，以期望获得突变品种。为了提高实验效率，摩尔根经常几十个实验同时进行。1910年5月，摩尔根夫人桑普森在红眼的果蝇群中发现了一只白眼的雄性果蝇。这是摩尔根利用X光照射、激光照射，用不同的温度，加糖、加盐、加酸、加碱，甚至不让果蝇睡觉等各种各样的手段，整整“折磨”了那批果蝇无数代，历时两年的结果。这个异常的现象，是之前从来没有见过的，也就是说，这只果蝇是罕见的突变品种。

这让两年来被实验失败折磨得焦头烂额的摩尔根激动万分，心中的成功之火又熊熊燃烧起来。摩尔根将这只梦寐以求的果蝇放在单独的瓶子中饲养，每天上下班后都要带着它，不管是睡觉还是休息，与这只果蝇寸步不离。在摩尔根的精心照料下，这只原来非常虚弱的白眼雄果蝇终于在与一只红眼雌果蝇交配后安然逝去，也将它突变的基因传给了下一代果蝇。10天后，第一代杂交的果蝇长大了，但全部是红眼果蝇。那白眼基因怎么没有体现出来？其实这根本不用担心，如果按照孟德尔定律，果蝇的红眼基因相对白眼基因是显性的，所以果蝇才会显示出全部红眼的表现型。当然，此时的摩尔根还是在怀疑孟德尔定律的科学性，当然不会放过检验它是否科学的机会。(www.xing528.com)

摩尔根继续进行实验。他用第一代杂交果蝇互相交配，在度过了“漫长”的10天果蝇成长期后，摩尔根终于等到了第二代杂交果蝇，其中有2470只红眼，782只白眼，基本符合3∶1的比例，这说明孟德尔定律是正确的。

到此，摩尔根的两个实验目的都达到了，既验证了孟德尔定律的正确性，也验证了德弗里斯突变理论的可能性。但摩尔根并没有就此“罢休”。当摩尔根用显微镜仔细观察这些瞪着白眼的突变后代时，他惊异地发现，这些白眼果蝇居然全部都是雄性，没有一只雌性！这个现象可与孟德尔定律不符：按照孟德尔的自由组合规律，那些突变后代的白眼果蝇，它们之中应该既有雄性，也有雌性。那么只能用一个事实来解释实验结果与孟德尔定律的不同，那就是果蝇在突变时，白眼基因是伴随着雄性个体遗传的，即伴性遗传！

摩尔根知道，果蝇有4对染色体，其中有一对是决定性别的。雌性果蝇中的两条性染色体完全一样，可记为XX染色体；雄性果蝇中的性染色体一大一小，可记为XY染色体。摩尔根判断，白眼基因位于X染色体上。因此，当摩尔根将第一只突变的白眼果蝇与正常的红眼果蝇交配后，由于红眼是显性基因，所以后代不论雌雄都是红眼果蝇；当第二次进行杂交时，体内含有白眼基因的雌性红眼果蝇与正常的雄性红眼果蝇交配，就会出现含白眼基因的一条X染色体与一条Y染色体结合，生成第二代杂交果蝇中的白眼类型，而且都是雄性。摩尔根把这种白眼基因跟随X染色体遗传的现象，好像锁链一样铰合在一起，叫做“连锁”，它们的染色体在分裂时一同行动，组合时也一同与另外的染色体结合。

白眼突变基因的伴性遗传

雌雄果蝇体细胞的染色体图解

摩尔根的学生还发现了果蝇的短翅突变，这种短翅的突变基因也是伴性遗传的，与白眼基因一样位于X染色体。但他发现了一个异常现象，即当染色体配对时，这两个基因有时不是连锁在一起的。比如有时会出现这样的现象：携带白眼基因与短翅基因的果蝇杂交后，后代果蝇中除了白眼短翅和红眼正常翅两种之外，还出现了白眼正常翅和红眼短翅这两种类型；这种现象明显不符合连锁原理，因为按照连锁原理，后代只能是白眼短翅和红眼正常翅两种。所以，摩尔根对原来建立的“连锁原理”进行了修正。在摩尔根看来，染色体上的基因连锁群并不一定牢靠，有时染色体也会发生断裂，甚至与另一条染色体互换部分基因；如果两个基因在染色体上的位置很远，它们之间更有可能出现变故，染色体交换基因的频率就更大；白眼基因与短翅基因虽然在同一条染色体上，但是相距较远，当染色体彼此互换部分基因时，果蝇产生的后代中就会出现新的类型。这就是“互换”定律。

染色体交叉互换

摩尔根的果蝇连锁遗传图谱。这是第一次成功的基因定位工作，为染色体遗传理论提供了重要依据。该图显示了第二条果蝇染色体上等位基因特征的相对位置。基因之间的距离等于不同等位基因之间发生的互换事件的百分比。

中国的摩尔根——谈家桢

这样，摩尔根发现了遗传学中的第三大定律，即“连锁与互换定律”。之后，摩尔根又培养和带领一批志同道合的研究者深入开展了遗传学研究。比如在1911年前后，摩尔根把还在哥伦比亚大学读书的斯特蒂文特和布里奇斯^[12]先后抽调到果蝇实验室，开创了遗传学研究的新局面；后来又把动物学家和遗传学家威尔逊的研究生穆勒^[13]招收为自己的博士研究生，由于穆勒的加入，又把细胞学研究理论带入果蝇实验室，使遗传学与细胞学研究得到了进一步结合。1928年夏，应诺贝尔物理学奖获得者密立根^[14]的邀请，摩尔根以68岁的高龄接受邀请，从哥伦比亚大学移师加州理工学院筹建生物系，开始了他人生的“二次创业”，继续他的细胞遗传学研究，创立了被后世称为遗传学的“摩尔根学派”。

1941年，摩尔根以75岁的高龄宣布退休，并于1945年底因病去世。

为了纪念这位在遗传学上作出重大贡献的遗传学家，人们将果蝇染色体图中基因之间的单位距离叫做“摩尔根”。也许将他的名字作为基因研究的一个单位而长存于世，就是对这位遗传学的巨星最好的纪念。

【注释】

[1]托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan，1866～1945）是美国进化生物学家、遗传学家和胚胎学家，因“发现遗传中染色体所起的作用”获得1933年诺贝尔生理学或医学奖。

[2]让·亨利·法布尔（Jean-Henri Fabre，1823～1915）是法国博物学家和昆虫学家。

[3]莱恩·沃恩·桑普森（Lillian Vaughan Sampson，1870～1952）原是摩尔根在布林马尔学院任教时的学生。

[4]孤雌生殖现象是一种普遍存在于一些较原始动物身上的生殖现象。简单来说，孤雌生殖就是生物不需要雄性个体，单独的雌性也可以通过复制自身的DNA进行繁殖。

[5]染色体是1879年德国生物学家和细胞遗传学创始人瓦尔特·弗莱明（Walther Flemming，1843～1905）发现的。他把细胞核中的丝状和粒状的物质，用染料染红，观察发现这些物质平时散漫地分布在细胞核中，当细胞分裂时，散漫的染色物体便浓缩，形成一定数目和一定形状的条状物，到分裂完成时，条状物又疏松为散漫状，这就是染色体。

[6]简单地说，精子和卵子里的染色体为单倍体，而受精卵和体细胞内的染色体为二倍体。

[7]埃德蒙·贝切尔·威尔逊（Edmund Beecher Wilson，1856～1939）是美国动物学家和遗传学家。

[8]内蒂·玛丽亚·史蒂文斯（Nettie Maria Stevens，1861～1912）是美国早期女性遗传学家。

[9]威廉·基思·布洛克斯（William Keith Brooks，1848～1908）是美国动物学家。

[10]德国进化论生物学家魏斯曼（August Weismann，1834～1914）首先提出，要在细胞水平研究遗传的观点，断然否定获得性遗传，提出种质连续理论。德国动物学家赫特维希（Oscar Hertwig，1849～1922）研究海胆受精作用，确认动物细胞在形成配子过程中要发生减数分裂。德国动物学家和实验胚胎学先驱威廉·鲁（Wilhelm Roux，1850～1924）在1883年提出了遗传物质均等分配的观点。美国遗传学家萨顿（Walter Sutton，1877～1916）证明了染色体的连续性，并指出，父本与母本的染色体以配对的方式联系，减数分裂时彼此分开，这就是孟德尔遗传的物质基础。德国生物学家鲍维里（Theodor Boveri，1862～1915）研究马蛔虫受精作用，证实了染色体的个体性。他认为：从受精卵衍生出来的一切细胞，其中的染色体一半来自父方，一半来自母方。至此，遗传学家们对染色体与遗传之间的关系，已经有了一些朦胧的认识，但它们之间到底存在什么样的关系，这有待于摩尔根的果蝇研究。

[11]等位基因中有显性和隐性之分，一般来说，最终能看到的特征是显性基因表达的结果，而看不到的是隐性基因表达的结果。隐性基因习惯以小写英文字母表示，对应的显性基因则以相应的大写字母表示。

[12]阿尔弗雷德·亨利·斯特蒂文特（Alfred Henry Sturtevant，1891～1970）和卡尔文·布莱克曼·布里奇斯（Calvin Blackman Bridges，1889～1938）后来都成为美国遗传学家。

[13]赫尔曼·约瑟夫·穆勒（Hermann Joseph Muller，1890～1967）后来成为美国遗传学家、教育家，并因“发现用X射线辐射的方法能够产生突变”获得1946年诺贝尔生理学或医学奖。

[14]罗伯特·安德鲁斯·密立根（Robert Andrews Millikan，1868～1953）是美国实验物理学家。密立根曾在美国芝加哥大学进行了一系列测定电子电荷以及光电效应的实验，包括著名的油滴实验，因此获得1923年诺贝尔物理学奖。