关于“基因在染色体上”问题的史料分析*

陈绍洲 （广东省海丰县彭湃中学 广东汕尾 516400）

20 世纪上半期的经典遗传学是遗传学发展的基石，其理论的核心为遗传的染色体学说，即摩尔根发展、证明和总结的基因论。主要证明了基因的存在、基因的位置、基因的传递方式。“基因在染色体上”是基因论形成最为核心的实验。

1 教材对“基因在染色体上”的简述

“基因在染色体上”是人教版普通高中生物学必修2《遗传和进化》第2 章第2 节的内容。现行教材的编委依《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》精心编写，适合新时代生物学科学素养和学生的认知水平。现行教材以详细的实验事实科学性、探究性地反映摩尔根研究“基因在染色体上”的假说历程。因篇幅有限或可读性的需要，教材对“基因在染色体上”的某些现象未进行详细探讨。为了更好地体现摩尔根研究“基因在染色体上”的过程。笔者通过查阅摩尔根[1]1910 年发表于《科学》“果蝇的限性遗传（Sex-limited inheritance inDrosophila）”论文及摩尔根团队后续的实验研究，发现其中比较典型、富有思考性的3处实验结果。这3 处实验结果是摩尔根研究的原始资料，可帮助学生更全面理解“基因在染色体上”理论的完善及发展过程，有助于激励学生不断地思考和更多地通过实验探究科学问题的积极性。

2 3 处原始实验资料

2.1 子一代的果蝇不是全部红眼 人教版教材和教师教学用书对子一代的果蝇性状这样描述“F1全为红眼[2]、子一代不论雌雄都是红眼[3]”；有些教辅资料、教学视频或论文这样描述“子一代1 240 只都是红眼”。摩尔根1910 年发表于《科学》“果蝇的限性遗传”原文的数据“这只白眼雄果蝇和其姐妹红眼果蝇交配产下后代（F1）有1 237 只红眼和3 只白眼雄果蝇，这3 只白眼雄果蝇的产生是因为进一步的变异，在本实验研究中忽略不讨论”[1]。这句话也表明人教版教材的另一处“在实验室，它抖擞精神与一只红眼雌果蝇交配，将突变基因传了下来”[2]生动、幽默、传神的描绘。反映科学研究惊心动魄的一幕，白眼雄果蝇命悬一线，科研人员只有把握机会，找准时机，科学发现才不会在眼前白白丢失，该白眼雄果蝇与多只红眼雌果蝇交配，因为其姐妹在英文表达用复数“sisters”，从雌果蝇的繁殖能力推算应该是多只红眼雌果蝇，每只雌果蝇每次产卵有100～150 颗，最多有300 颗。要产生1 240 只果蝇至少需要9 只雌果蝇。实际上更有趣的是，这只白眼雄果蝇并不像传说中那么虚弱，“战斗力”极强，后来还跟其子代雌果蝇进行回交，助力摩尔根完成更有说服力的实验。摩尔根严谨的科学精神有利于培养学生的核心素养之一“科学探究”。生命科学的进步和发展必须以实验为依据进行“去伪存真”的“科学思维”，“后代（F1）3 只白眼雄果蝇”是生命现象中的一种例外，摩尔根没有被这种“例外”现象所干扰，用科学思维做到去伪存真，暂时忽略不讨论，一心一意验证孟德尔遗传定律。在当时细胞减数分裂中的对染色体数量分配研究有限的情况下，摩尔根这种做法很高明。20 世纪40 年代，艾弗里和他的同事用肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）进行研究，提出了不同于当时大多数科学家观点的结论∶DNA 才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质[2]。因为艾弗里提取的DNA 含有极少量的蛋白质，于是当时包括沃森在内的主流科学家不认可这一结论[4]。直到1952 年，美国遗传学家赫尔希（Hershey，1908—1997）及其助手蔡斯（Chase，1927—2003）以T2 噬菌体和细菌为实验材料，利用放射性同位素标记技术，不以直接的方法证明DNA 是遗传物质。这时主流科学家才认为DNA 是遗传物质的结论。这导致生命科学的发展延滞几年。如果艾弗里及其同事用肺炎链球菌研究的成果早一些被确认，也许DNA 分子结构就能早些建立。后来的实验研究中，摩尔根发现这种现象越来越多。1916 年，摩尔根的学生布里吉斯因对这种“例外”现象进行大量的研究，发现雌性果蝇少数卵细胞减数分裂异常，从推理和细胞显微观察再次直接证明红、白眼基因就是位于X 染色体上。此后，再无人怀疑染色体遗传学说[5]。这种“例外”现象的研究让摩尔根团队发现了果蝇性别决定方式不仅由性染色体决定。果蝇的性别不是取决于是否存在Y 染色体，而是取决于性指数，性指数是指X 性染色体数与常染色体组（A）数的比值。当X/A=1 时为正常雌性或多倍体雌性，当该比值大于1 时为超雌性；X/A=0.5 时为正常雄性或多倍体雄性，小于0.5 时为超雄性；当该比值为0.5～1.0时，则表现为中间性[3]。

2.2 测交的后代不是规律完美的25% 人教版教参第119 页“摩尔根等人通过测交的方法，进一步验证了其假说。将F1的红眼雌果蝇与白眼雄果蝇进行测交实验，得出如下数据：红眼雌果蝇为126，红眼雄果蝇为132，白眼雌果蝇为120，白眼雄果蝇为115。从而用实验证明了基因位于染色体上”[3]。这一组数据很完美，但与摩尔根“果蝇的限性遗传”实验数据有些相差。摩尔根的实验数据：红眼雌果蝇129 只，红眼雄果蝇132 只，白眼雌果蝇88 只，白眼雄果蝇86 只。4 种表型的个体数大致相等（约25%）[1]。摩尔根的实验数据并“不完美”，但摩尔根做过该实验证明其真实性。正如孟德尔的豌豆杂交实验的数据很完美，以至后来有些科学家怀疑孟德尔修改了真实数据。实际上孟德尔不一定修改数据。摩尔根没有为了发表论文而修改实验数据，而是选择尊重科学探究原则，真实反映客观现象。这个实验再次证明孟德尔分离定律是对的，测交的预期结果正确。摩尔根做这个实验也可能想证明白眼这种突变性状是否仅仅在雄性才有，于是论文的题目用达尔文曾经创造的“限性遗传”术语。通过这个实验表明，这种新性状白眼可通过回交传递给雌性，因此，在这个意义上不限于一种性别[1]。

2.3 摩尔根不需要考虑XY 染色体同源片段和Y染色体的问题 人教版教师教学用书第119 页采用陈廷华老师的教学案例，陈老师可能为了更好培养学生科学思维，有意对果蝇的白眼基因在染色体的位置进行全方位的思考。陈老师引导学生“由于白眼的遗传和性别相关联，可能存在以下假设。假设1：控制白眼的基因在Y 染色体上，而X 染色体上不含有它的等位基因。假设2：控制白眼的基因在X、Y 染色体上。假设3：控制白眼的基因在X 染色体上，而Y 染色体上不含有它的等位基因[3]。”很多教师也许采用这样的策略上课，出发点是好的。但是这种假设进行科学思维的演绎，可能会加重学生学习负担和难度。摩尔根知道果蝇XY 染色体的发现至少是1913 年以后。摩尔根1910 年以前并未轻易认同孟德尔遗传学说，因为摩尔根所做的动物杂交实验没有再现孟德尔规律现象，所以怀疑孟德尔遗传学说仅限于豌豆等植物，没有普遍性。摩尔根起初怀疑萨顿染色体遗传是可理解的，因为“染色体遗传”原是个假设，没有直接的实验证明。孟德尔遗传学说至少有实验，还有另3 位科学家的重新发现。当然，正是从怀疑到实验探究，摩尔根证明了萨顿的假说（遗传的染色体理论）。

从摩尔根的不同版本的著作可发现其背后的故事。1908 年，摩尔根开始研究果蝇，美国生物学家史蒂文斯（Stevens，1861—1912）发现果蝇性染色体为XY 型[3]，即精母细胞中除了有一条X 染色体之外，还有一条和它同源的Y 染色体。但摩尔根不知道这一发现（也是幸运）。摩尔根知道雌果蝇由常染色体和XX 染色体组成，雄果蝇由常染色体和X 染色体组成。所以，摩尔根在1910 年7 月“果蝇的限性遗传”论文中采用不科学的表示方法：红眼雌果蝇用RRXX 表示，白眼雄果蝇用WWX 表示[1]，根据自己的假设和实验推论，其野生红眼雄果蝇用RWX 表示。对于这种表示方法，摩尔根心里充满矛盾，很难与萨顿染色体遗传假说相联系。将遗传因子与X 染色体当作独立个体对待，以现代科学分析，这种表示方法有点像自由组合。这种表示方法也带给摩尔根一处不能自圆其说的地方。假设野生红眼雄果蝇RWX 产生的精子只能是这2 种类型RX 和W，不能是WX和R。细胞生物学家威尔森（Wilson，1856—1939）建议摩尔根，最简单的解释就是假设眼色因子与X 染色体在物理上相联系。但摩尔根觉得这种观点太过臆测，不太赞同。

1910 年7 月后，摩尔根实验室培养出更多的突变体，出现了截翅和黄身。这些新突变性状遗传特点像白眼一样是“性别限定”的性状。这时摩尔根意识到新遗传性状的因子的确是X 染色体上的一部分，就顺理成章地解释了为何与性别相关联。于是摩尔根在以后的著作中创造了“伴性遗传”术语[6]代替“限性遗传”。这时摩尔根心中产生了染色体上具有多个孟德尔因子的想法，从而为发现新的遗传规律“基因连锁和互换”作准备。至1913 年摩尔根采用新的方法表示白眼基因和X 染色体的关系（图1）。

图1 红眼雌果蝇与白眼雄果蝇杂交图解［7］

1915 年摩尔根发展了伴性遗传的想法，而且扩展到了更广泛的联系，采用更准确的方式标示白眼基因和性染色体的关系（图2）。

图2 红眼雌果蝇与白眼雄果蝇杂交图解［7］

综上所述，果蝇白眼的遗传只需考虑其中一种情况即可，白眼基因位于常染色体还是X 染色体。如果亲代红眼雌果蝇与白眼雄果蝇杂交，子一代全部是红眼（忽略3 只白眼雄果蝇）为正交。而摩尔根为了验证其假设，用白眼雌果蝇与红眼雄果蝇杂交，后代雌果蝇全部是红眼，雄果蝇全部是红眼，这既是测交也是反交，既证明孟德尔分离定律适用于动物的遗传，染色体学说的正确性，又让人类第1 次认识孟德尔进行正、反交的作用。历经44 年（1866—1910 年），人们才真正明白正、反交的意义，原来正、反交还用于确定基因位于常染色体还是X 染色体上。

3 摩尔根的伟大之处

摩尔根从怀疑孟德尔遗传和染色体学说到相信、准确科学表达伴性遗传和基因连锁现象，历经5 年（1910—1915 年）；摩尔根及其团队成员找到了基因的物理位置，为探究遗传的物质基础铺平了成功之路。摩尔根及其团队成员，不迷信权威，以科学实验为标准探索真理，从复杂的生命“例外”现象找到生命规律的本质，是后继者的光辉榜样。