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，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。“基因在染色體上”是基因論形成最為核心的實驗。

1 教材對“基因在染色體上”的簡述

“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，適合新時代生物學(xué)科學(xué)素養(yǎng)和學(xué)生的認(rèn)知水平?，F(xiàn)行教材以詳細的實驗事實科學(xué)性、探究性地反映摩爾根研究“基因在染色體上”的假說歷程。因篇幅有限或可讀性的需要，教材對“基因在染色體上”的某些現(xiàn)象未進行詳細探討。為了更好地體現(xiàn)摩爾根研究“基因在染色體上”的過程。筆者通過查閱摩爾根[1]1910 年發(fā)表于《科學(xué)》“果蠅的限性遺傳（Sex-limited inheritance inDrosophila）”論文及摩爾根團隊后續(xù)的實驗研究，發(fā)現(xiàn)其中比較典型、富有思考性的3處實驗結(jié)果。這3 處實驗結(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)展過程，有助于激勵學(xué)生不斷地思考和更多地通過實驗探究科學(xué)問題的積極性。

2 3 處原始實驗資料

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)生是因為進一步的變異，在本實驗研究中忽略不討論”[1]。這句話也表明人教版教材的另一處“在實驗室，它抖擻精神與一只紅眼雌果蠅交配，將突變基因傳了下來”[2]生動、幽默、傳神的描繪。反映科學(xué)研究驚心動魄的一幕，白眼雄果蠅命懸一線，科研人員只有把握機會，找準(zhǔn)時機，科學(xué)發(fā)現(xiàn)才不會在眼前白白丟失，該白眼雄果蠅與多只紅眼雌果蠅交配，因為其姐妹在英文表達用復(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。實際上更有趣的是，這只白眼雄果蠅并不像傳說中那么虛弱，“戰(zhàn)斗力”極強，后來還跟其子代雌果蠅進行回交，助力摩爾根完成更有說服力的實驗。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)的進步和發(fā)展必須以實驗為依據(jù)進行“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，暫時忽略不討論，一心一意驗證孟德爾遺傳定律。在當(dāng)時細胞減數(shù)分裂中的對染色體數(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）進行研究，提出了不同于當(dāng)時大多數(shù)科學(xué)家觀點的結(jié)論∶DNA 才是使R型細菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)[2]。因為艾弗里提取的DNA 含有極少量的蛋白質(zhì)，于是當(dāng)時包括沃森在內(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 噬菌體和細菌為實驗材料，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。后來的實驗研究中，摩爾根發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象越來越多。1916 年，摩爾根的學(xué)生布里吉斯因?qū)@種“例外”現(xiàn)象進行大量的研究，發(fā)現(xiàn)雌性果蠅少數(shù)卵細胞減數(shù)分裂異常，從推理和細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，再無人懷疑染色體遺傳學(xué)說[5]。這種“例外”現(xiàn)象的研究讓摩爾根團隊發(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 時為正常雌性或多倍體雌性，當(dāng)該比值大于1 時為超雌性；X/A=0.5 時為正常雄性或多倍體雄性，小于0.5 時為超雄性；當(dāng)該比值為0.5～1.0時，則表現(xiàn)為中間性[3]。

2.2 測交的后代不是規(guī)律完美的25% 人教版教參第119 頁“摩爾根等人通過測交的方法，進一步驗證了其假說。將F1的紅眼雌果蠅與白眼雄果蠅進行測交實驗，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。從而用實驗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”實驗數(shù)據(jù)有些相差。摩爾根的實驗數(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 種表型的個體數(shù)大致相等（約25%）[1]。摩爾根的實驗數(shù)據(jù)并“不完美”，但摩爾根做過該實驗證明其真實性。正如孟德爾的豌豆雜交實驗的數(shù)據(jù)很完美，以至后來有些科學(xué)家懷疑孟德爾修改了真實數(shù)據(jù)。實際上孟德爾不一定修改數(shù)據(jù)。摩爾根沒有為了發(fā)表論文而修改實驗數(shù)據(jù)，而是選擇尊重科學(xué)探究原則，真實反映客觀現(xiàn)象。這個實驗再次證明孟德爾分離定律是對的，測交的預(yù)期結(jié)果正確。摩爾根做這個實驗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爾文曾經(jīng)創(chuàng)造的“限性遺傳”術(shù)語。通過這個實驗表明，這種新性狀白眼可通過回交傳遞給雌性，因此，在這個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染色體的問題 人教版教師教學(xué)用書第119 頁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，有意對果蠅的白眼基因在染色體的位置進行全方位的思考。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]。”很多教師也許采用這樣的策略上課，出發(fā)點是好的。但是這種假設(shè)進行科學(xué)思維的演繹，可能會加重學(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，因為摩爾根所做的動物雜交實驗沒有再現(xiàn)孟德爾規(guī)律現(xiàn)象，所以懷疑孟德爾遺傳學(xué)說僅限于豌豆等植物，沒有普遍性。摩爾根起初懷疑薩頓染色體遺傳是可理解的，因為“染色體遺傳”原是個假設(shè)，沒有直接的實驗證明。孟德爾遺傳學(xué)說至少有實驗，還有另3 位科學(xué)家的重新發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，正是從懷疑到實驗探究，摩爾根證明了薩頓的假說（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）。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)和實驗推論，其野生紅眼雄果蠅用RWX 表示。對于這種表示方法，摩爾根心里充滿矛盾，很難與薩頓染色體遺傳假說相聯(lián)系。將遺傳因子與X 染色體當(dāng)作獨立個體對待，以現(xiàn)代科學(xué)分析，這種表示方法有點像自由組合。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。細胞生物學(xué)家威爾森（Wilson，1856—1939）建議摩爾根，最簡單的解釋就是假設(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太過臆測，不太贊同。

1910 年7 月后，摩爾根實驗室培養(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像白眼一樣是“性別限定”的性狀。這時摩爾根意識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[6]代替“限性遺傳”。這時摩爾根心中產(chǎn)生了染色體上具有多個孟德爾因子的想法，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，這既是測交也是反交，既證明孟德爾分離定律適用于動物的遺傳，染色體學(xué)說的正確性，又讓人類第1 次認(rèn)識孟德爾進行正、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)說到相信、準(zhǔn)確科學(xué)表達伴性遺傳和基因連鎖現(xiàn)象，歷經(jīng)5 年（1910—1915 年）；摩爾根及其團隊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。摩爾根及其團隊成員，不迷信權(quán)威，以科學(xué)實驗為標(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。