遗传科学历史与真相：摩尔根团队和昆虫遗传学

美国的一批科学家：卡农、威尔逊（E.B.Wilson）和他们的学生萨顿（W.S.Sutton）在观察生殖细胞成熟过程时，发现了和孟德尔的发现非常相似的现象。

萨顿观察了一种大蚱蜢的精原细胞的染色体。 他发现，减数分裂后的精子和卵子各自携带两个染色单体之一，如A或a；而子代细胞的染色体就有3种类型：AA、Aa、aa，分别占有总数的1∶2∶1。 这正好与孟德尔在豌豆中发现的情形一样。 结合其他的观察，萨顿给出结论：生殖细胞分裂中的现象和遗传现象具有相同的特点，即性状和染色体都是自由传代的。 在这些观察的基础上，萨顿等人提出：控制生物性状遗传的物质可能就存在于细胞核的染色体上。 他们的假说以后获得了多方面的证实。 这样，科学家们向着寻找基因的目标迈出了决定性的一步。

另一个重要的发现是基因的“连锁”现象。 英国贝特逊等人发现，香豌豆花的蓝花基因和长花粉粒基因总喜欢一起显现，这两者在子代同时显现的次数（也就是开带长花粉粒的蓝色花），比按孟德尔自由组合定律应该有的次数多得多，或者用比较“专业”的话说，出现的“频率”高得多。这就使人想到这两者似乎存在特别的联系，就像是有根线把它们连在一起。 这个现象被他们叫做“合子偶联”，现在叫“连锁”。 连锁现象暗示，基因似乎是成线状排列的。 当然，到底这根“线”是什么，是真有还是想象，那时都还是个谜。

基因和细胞核染色体的关系，是通过研究果蝇的性状遗传和突变而最终确定的。

果蝇到处都有，是一种娇小的“苍蝇”，比普通的苍蝇小得多，也比苍蝇“干净”得多。 它们不吃粪便。 它们身体是棕黄色的，长着两只大复眼——一般是红色的，其身体的特征性状很明显。 它们喜欢吃各种腐烂的果子，在果园中落地烂掉的果子上经常可以看到它们。 果蝇很容易养，只要拿熟烂了的香蕉加水搅成糊给它们吃就行。 它们繁殖也很快，因而发生性状变化（“突变”，如眼睛的红色变浅）的可能性也很大（见下页图11）。 这些都比豌豆和其他植物好得多。 在美国，20世纪初，就有人已经开始饲养果蝇供实验用。 那时研究者们已经确定果蝇细胞有4对染色体（还记得吧，前面讲过，体细胞的染色体都是成双成对的）。 而孟德尔用来做实验的豌豆有7对染色体。 果蝇的染色体数目比较少，意味着做数学分析可能比较容易。 这些特点都使得拿果蝇做实验材料来寻找基因本质非常合适。

图11 果蝇及其突变：注意眼睛颜色由深变浅

1904年，美国哥伦比亚大学教授摩尔根（T.H.Morgan）注意到了果蝇的特点，开始在实验室里用玻璃瓶大量饲养果蝇，人工让它们交配繁殖，观察它们的性状变异，从而开创了基因研究的新阶段。 不过，虽然说起来简单，观察果蝇也不是一件容易的事。 要在几千只粗看都差不多的小虫中找出突变的性状，例如哪只果蝇眼睛颜色变浅了、翅膀卷起来了，非得长时间“目不转睛”地盯着它们不可。 而且，还得准确地统计出后代果蝇的总数和发生每种突变的果蝇的数目，计算分析每种性状出现的频率，算错了一点，结论就可能极不相同。 而且，孟德尔只观察了很少几种性状，摩尔根等人却观察了好几十种性状，显然摩尔根等的工作量比孟德尔大得多。 因此，这件事如果不是有浓厚的兴趣——打个不太恰当的比喻，就像迷恋上网的少年那样——是绝对做不好的。

摩尔根和他的研究生们在观察分析果蝇的性状遗传和突变的时候发现，果蝇有四组基因各自同时出现的频率很高，也就是说各自连锁着，而组与组间同时出现的频率很低，即连锁程度小得多。 这和果蝇的四对染色体暗暗相合。 他们对果蝇的突变发现得越多，这种组内连锁的现象就越明显。 因而他们提出了一个非常大胆但完全合乎逻辑的假说：果蝇基因的每个连锁组都对应于一对染色体，也就是说，基因就是染色体上的某种结构。 而且，他们对此作了进一步的深入研究：既然基因是染色体上的结构，那么每种性状的基因都应该在某个染色体上有自己固定的位置。因此，摩尔根研究团队就企图根据他们所发现的基因的连锁程度（以频率数值表示），来把基因在每个染色体上的位置确定下来。 他们把这叫作“作图（mapping）”，定位后画出来的图就叫“遗传图（genetic map）”。 这里还有一些复杂情况，如交叉（cross-over），笔者就不讲了。 总之，运用自己的头脑和眼睛，摩尔根研究团队成功地解释了一系列复杂的现象，终于在1915年发表了《孟德尔遗传的机制》一文，第一次绘出了果蝇的50个基因在4个染色单体上的定位遗传图。 以后他们又把新发现的突变的位置添加到遗传图上去，基因图上的基因越来越多。 现在仅1号染色体就已经知道含有五百多个基因。 这样，基因和染色体的关系就确定下来了：基因就在染色体上，或者说，基因是一段染色体。(www.xing528.com)

摩尔根研究团队的另一个强项，就是他们同时进行着遗传学和细胞学的研究，这就使得他们能即时对实验结果进行分析和得出结论。在英国，贝特逊做了20年的孟德尔遗传学研究，都没有和染色体沾过边。 后来在1921年他到摩尔根那里去访问，才大吃一惊。 他后来写道：“我在主要点上没法不投降……细胞学在这里如此普通，每个人都熟悉它。 我们也这样就好了。”1935年，摩尔根获得了诺贝尔生理学或医学奖。

研究微观现象的科学家应当具有的一种本领或素质，就是要能根据对宏观现象的定性和定量的分析，推论出决定这些宏观现象的微观原因。和孟德尔的研究方法一样，摩尔根及其研究团队从果蝇基因的连锁现象推出基因是染色体上的结构，也是这种本领的一个光辉的范例。 这只有彻底地实事求是，依靠对事实的精细观察，同时善于进行准确的定量数学分析，才可能达到。

在20世纪20年代，在果蝇遗传学的研究中还有两个重要发现。 一个是：有时一整个染色体或一个长的染色体节段会从原来的位置折断下来，转移到别处去。 染色体或染色体节段的这种“转位”是由布里吉斯（C.B.Bridges）等人发现的。 另一个发现是X射线辐射对小鼠性状遗传的影响。 李窦（C.C.Little）和巴格（H.J.Bagg）发现，大剂量的X射线辐射能打断染色体。 染色体的断片有些会重新连回到原处，但多数会连错地方。 而且被打断了的染色体碎片在细胞核分裂时很容易丢失。 因此，放射线对细胞的遗传学效应就是大大提高下一代的突变率（所以放射线会致畸形或致恶性肿瘤）。 至此，基因就是细胞核染色体上的某种结构，已经得到证实。

下一个问题是：染色体又是一种什么样的东西呢？ 当时（1934年）在美国，摩尔根研究团队已经对果蝇的染色体做出了遗传图，也就是基因定位图。 得克萨斯大学的彭特（T.S.Painter）等人就拿我们在本章第三节讲过的福根染色法，去染果蝇唾液腺细胞的染色体。 他们惊讶地发现，在染色体上已经定位的基因区带的位置，染上了红色！ 这就证明，作为遗传的物质基础的基因，就是DNA！ 就这样，经过不同国家许多遗传学家、细胞学家和医化学家（我们最好还是把他们叫做“生物化学家”）的共同努力，基因的物质基础终于被找到了。

现在我们可以解释孟德尔分离定律和孟德尔自由组合定律了。 原来，孟德尔的“遗传因子”就是染色体上的一段DNA，这一段DNA负责生物体的一种性状。 染色体上的各段DNA可以在各种功能蛋白质的作用下断下来，并跟别的DNA节段相互交换，这种交换就发生在生殖细胞形成过程也就是减数分裂的过程中。 DNA的断开和再连接都是完全自由的，这就在后代造成了各种性状的彼此分离和自由组合。

孟德尔的遗传定律孤单地躺在图书馆里，一躺就是34年；而从孟德尔定律被重新发现到确认基因的具体物质，也正好是34年。 从此以后，孟德尔遗传学的正确性和科学基础已成为无可争辩的事实。 基因及其功能的作用机制和分子基础的研究，乃至以此为基础的分子生物学的研究，就开始了蓬勃发展的时期。