遗传学中的首个诺奖获得者——摩尔根

——纪念T.H.Morgan逝世70周年

冯永康

（四川省特级教师，业余科学史研究者）

   摩尔根(T.H.Morgan，1866～1945)是第一位以遗传学成就而荣获诺贝尔生理学或医学奖的科学家，也是细胞遗传学的主要创始人。在孟德尔遗传学向分子遗传学发展的过程中，摩尔根发挥了“承上启下、继往开来”的作用。

   摩尔根的科学生涯经历了对孟德尔遗传学从“拥护—反对—继承并发展”的3个阶段。这种转变，来自于他对白眼雄果蝇的发现与研究。

1．白眼果蝇的发现与基因定位

   1910年5月，摩尔根从他的“蝇室”果蝇饲养瓶中观察到一种奇怪的变异。他发现了在野生型红眼果蝇群体里，有一只长有白眼而不是正常红眼的雄果蝇。 白眼突变雄果蝇的发现，使摩尔根立刻认识到这只白眼雄果蝇的巨大价值。从此，他将研究的兴趣从进化转移到遗传的研究中。

   摩尔根利用这只白眼雄果蝇与红眼雌果蝇进行了杂交实验。通过杂交实验所进行的眼色遗传分析表明，白眼雄蝇与红眼果蝇杂交，子一代全是红眼果蝇。子一代自交，子二代的结果呈现孟德尔式的性状分离，其中红眼果蝇2688只，白眼果蝇728只，两者比率约为3．4:1。但在子二代，约占1/4的白眼果蝇则全是雄性个性。正是这后一结果（白眼果蝇全是雄性），引起了他的思考。他认为：如果假定控制眼色的基因位于X染色体上，而Y染色体上不带控制眼色的等位基因，那么实验结果就能得到完满的解释。红眼基因（+）是显性，带有红眼基因的X染色体用X+表示；白眼基因（w）是隐性，带有白眼基因的X染色体用Xw表示。基因型为XwY的雄果蝇，由于Y染色体上没有控制眼色的基因，隐性基因得以表现，所以是白眼果蝇。当白眼雄果蝇与野生型雌果蝇X+X+杂交，子一代的基因型是X+Xw和X+Y，即雌雄果蝇都为红色复眼，且雌果蝇是杂合体。子一代个体相互交配，结果是在子二代中有3/4是红眼果蝇，1/4是白眼果蝇。雌果蝇全为红色复眼，但其中有一半是纯合体，另一半为杂合体。雄果蝇则红眼、白眼各占一半。

   这样，摩尔根第一次把一个具体的基因（白眼基因）定位于一个特定的染色体（Ｘ染色体）上，开辟了一条遗传学和细胞学紧密结合的研究道路。

2．孟德尔定律的“例外”──连锁和互换遗传现象的阐释

   摩尔根证明了基因位于染色体上。但一种生物的基因数目远远多于染色体的数目，因而一条染色体上存在着多个基因，就成为一个必然的推论。

   早在1906年,遗传学的早期倡导者、英国遗传学家贝特森（W.Batesen）和他的学生庞尼特(R.C.Punnett)在用香豌豆进行的杂交实验中，就发现了生物性状的连锁遗传现象，但当时他们对这种“例外”遗传学现象没有做出正确的解释。

   1912年，摩尔根和他的学生在果蝇的白眼和红眼、黄体和褐体这两对相对性状的遗传实验研究中，发现了与贝特森在香豌豆杂交实验中同样的连锁遗传现象。到1912年底时，他们一共发现了40种用肉眼可见的异常的果蝇突变。每当发现一个突变体后，立即让其交配，“制造”出大批带有研究者需要的基因的果蝇。摩尔根把培养的带有白眼基因的雌蝇作为 1号染色体(即X染色体)的标记，用带班点的果蝇标记2号染色体，体色为橄榄色的标记3号染色体，弯翅果蝇标记4号染色体。以后,用这些雌蝇与新发现的突变雄蝇交配，摩尔根即可看出雄蝇的新发现的基因同哪个标记基因连锁在一起遗传了。比方说,要是同弯翅基因一起，那么,这个新的突变基因显然是在4号染色体上。摩尔根把所发现的几十个突变性状归纳为4组,这4组性状（基因）与果蝇的4对大染色体是对应的。基因的遗传可分为若干组；同组的基因一道遗传，而基因组的数目与染色体数相同，这就意味着基因很可能是染色体的一部分。

   摩尔根在对连锁现象的进一步研究中，发现另一个事实：小翅和白眼基因都位于性染色体上，是连锁基因。但其后代中仅有白眼小翅的雄蝇，而且还生出一些白眼正常翅或正常眼小翅的后代。这似乎与刚得出的连锁遗传相矛盾。于是，他根据自己的实验结果创造出了“互换”的术语，即指染色体之间交换基因的过程。这种交换当两个连锁基因相隔相近时就不容易发生，当相隔较远时就容易发生。

   摩尔根与他的学生还进一步提出了一种独到见解：断裂发生在两个特定基因之间的机会，将随两基因间距离的增加而增加。于是，两个遗传特性之间的距离，可以根据它们的连锁遗传被重组分离的机会来估计。也就是说，既然基因之间的交换与其间的距离密切相关。那么，我们就可以通过实验结果中交换发生的情况，反过来估计出基因间的距离，并由此可以制作出基因在染色体上的排列图。他的学生斯特蒂文特（A．H．Sturtevant）曾回忆道：“1911年下半年……我突然想到，连锁紧密程度的差异也许可以用来测量染色体上呈直线分布的基因的顺序。我回到家里，顾不上做我大学课程的作业，花了大半夜时间画出了第一张染色体图，其中包括伴性基因y（黄体色）、w（白眼）、v（硃砂眼）、m（小翅）和r（残翅）。这张图上的基因顺序和后来的标准染色体图一样，它们的相对距离也和标准图大体一致。”

   通过这样一个具有创新意义的大胆设想和一系列精密设计的杂交实验，运用染色体理论，摩尔根成功地揭示出了第三个遗传规律──连锁互换律。

3．遗传学的“圣经”──《基因论》

   在摩尔根的周围，聚合了一群才华出众的学生，尤以斯特蒂文特(A.Sturtevant)、布里奇斯(C.Bridges)和穆勒（H.J.Muller）最为聪明能干。这个研究集体，既善于独立开展工作，又有合作精神。斯特蒂文特描述“蝇室”里的情形：“我们是一个集体。每人都有他自己的实验要做，但谁对别人正在做什么都了如指掌，对每一项新的结果都自由讨论。我们不大管谁的实验是优先的课题，我们也不大在乎一种新的想法或新的解释是谁最先想到的。”

   正是这样的通力合作，摩尔根和他的学生以果蝇为实验材料，取得了遗传学研究中一系列成果。这包括：证实了孟德尔定律的可靠性；揭示了连锁互换律；证明了基因是存在于染色体上实实在在的物质，而且呈直线排列。他们还证明了生物的性别决定于染色体；发现了染色体的重复、缺失、易位、倒位、三体性、三倍性和并连X染色体；发现了位置效应、基因多效性、复等位基因以及受复等位基因影响的单一性状等。

   1926年，摩尔根总结自己20余年来研究果蝇遗传学的成果，出版了集染色体遗传学之大成的名著《基因论》（《The Teory of the Gene》），系统地阐述了遗传学在细胞水平上的基因理论，丰富和发展了孟德尔遗传学说，使遗传学获得了前所未有的大发展。在这部称为遗传学的“圣经”中，摩尔根写道：“只有当这些理论能帮助我们作出特种数字的和定量的预测时，它们才有存在的价值，这便是基因论同以前许多生物学理论的主要区别。我们仍然很难放弃这个可爱的假设：基因之所以稳定，是因为它具有一个有机的化学实体。”

   这些研究成果，为摩尔根赢得了极高的声誉。穆勒曾说到：“摩尔根得出的关于基因互换的证据和他提出的基因相距越远互换频率越高的意见是一声惊雷，比之孟德尔定律的发现毫不逊色，它迎来了滋润我们整个现代遗传学的春雨。”

   果蝇研究的成果确立了摩尔根“20世纪的孟德尔”的地位。1933年，鉴于对遗传的染色体理论之贡献，摩尔根被授予了诺贝尔生理学奖或医学奖，从而成为遗传学研究领域中第一个诺贝尔奖金获得者。

主要参考文献：

1．（美）伊恩·夏因、西尔维亚·罗贝尔著，庚镇城译，摩尔根传，上海·复旦大学出版社，1986

2．（美）加兰·艾伦著，梅兵译《遗传学的冒险者──摩尔根》，上海科学技术出版社，2003

附:果蝇作为“培养”诺贝尔奖得主的“明星昆虫”,已先后有5次获得诺贝尔生理学或医学奖。

第1次：1933年，遗传学大师摩尔根(T．H．Morgan)第一个获诺贝尔生理学或医学奖。

第2次：1946年，美国遗传学家穆勒(H．J．Muller)证明了X射线能使果蝇的突变率提高150倍，同时，辐射也

       会引起染色体畸变，获诺贝尔生理学或医学奖。

第3次：1995年，美国生物学家刘易斯（E．B．Lewis）和发育遗传学家维绍斯（E．Wieschaus）以及德国发

      育遗传学家福尔哈德（C． N．Volhard）一起分享了当年的获诺贝尔生理学或医学奖。他们发现了果

      蝇中的特定基因，并且表明了果蝇基因在染色体上与人类的相似之处。

第4次：2004年，美国科学家理查德·阿克塞尔（R．Axel）和琳达·巴克（L．B．Buck），发现了果蝇在嗅

      觉功能上有个特定的大脑区域，获得当年的获诺贝尔生理学或医学奖。

第5次：2011年，诺贝尔生理学或医学奖授予在免疫学研究领域“先天免疫激活方面的发现”的三位科学家。

      其中卢森堡出生的法国科学家霍夫曼（J．A．Hoffmann）发现了一种称为Toll的基因参与了果蝇胚胎

      发育，同时也在构建果蝇的防御病毒和真菌的先天性免疫中扮演了关键角色。