1.2　摩尔根和他的基因学说

1.2.1　摩尔根小传

美国学术界在20世纪初终于摆脱了欧洲人带来的智力上的束缚，认识到自身的实力。权威主义在美国已经没有以前那样有威力，现实主义探索才是绝对需要的。最先将果蝇置于遗传学研究视野内的是美国遗传学家摩尔根（Morgan，T.H.），另外，美国的科学环境也为摩尔根提供了这种现实主义探索的可能性。他最初在故乡肯塔基州立学院念书时，并没有明确的人生志向，对从商不感兴趣，终日沉浸于自然史研究中，同时对形态学和生理学情有独钟。

生机论者认为，用单纯的科学定律来解释或理解发育机理是徒劳无益的，如此复杂的生命过程一定是受到科学以外的某种创造力支配的；机械论者则确信，所有生命现象一定是可以用通常的物理化学规律加以解释的。当寻求用严格的物理化学来解释胚胎发育时，摩尔根不由自主地把探索方向转到发育机理方面，宣称现行的机械论不失为一种朴素的哲学。

他早年在那不勒斯动物园从事动物形态学研究时就已认识到，依靠形态描述进行某些比较时，以上两种理论都存在着巨大的局限性，且不精确；只有通过对生物体进行实验，才能获得可靠而又严密的结果。摩尔根对20世纪的普通生物学从简单的表观描述、推论上升到以实验方法、定量分析法为依托的遗传学研究，无疑具有巨大贡献。

到了20世纪初，人们还普遍接受这样一种观点：“只有环境才是导致生物中那些缓慢变化的原因，并且这些因素最终肯定会导致一个新种形成。”但这种观点并不能令人信服。比如说，我国人民在长达数个世纪中给女孩从小缠脚，使之成为小脚女人。在那样一种封建统治下的社会里，三寸金莲的小脚女人被认为是美的。只是到民国以后，此类强加在女人身上的丑规恶习才从根本上被废除了。如今女士们个个发育正常，踢足球满场跑，打排球跃得高，打篮球抢得欢。

由此可以断定，认为人为环境的作用会导致新性状遗传，就像小脚会遗传到后代，这显然是错误的，是没有科学根据的，获得性性状亦即人为环境的作用导致的新性状遗传在化学上是不可能的。那么，是否有另一种作用或途径可以解释新性状能够遗传的呢？在达尔文逝世18年后，关于生物新性状的出现才有了初步的解释，但是，这位解释者把那些被认为是最纯的种群中也会不断出现的细微的、偶然的变异，也视为自然选择的原始材料，这显然是错误的，因为这些变异是不遗传的^[7]。

后来一位荷兰生物学家德弗里斯种了5万粒月见草种子，结果长成的植株中出现了变异植株，通过再繁殖，终于在同种植物中出现了全新类型。这个试验表明一个物种可以突然变成另一个能保存自身特性的物种，于是便有了“突变（mutation）”这个名词。

1.2.2　摩尔根的基因学说

摩尔根接受了这一概念，确信“突变是在生命类型的进化中起作用”，提出“决定胚胎发生过程的不是环境因素，而是由胚胎自身决定的”。1909年摩尔根43岁，他先后试过用小鼠、大鼠、鸽子、月见草、果蝇做材料，比来比去，只有果蝇符合他的要求。主意拿定，方法也对路，果蝇从此便成为他研究实验的理想材料。摩尔根称它们是“世界上最著名的实验生物材料”。有人说：“果蝇一定是上帝特意为摩尔根创造的。”

摩尔根的高明之处，在于他有着敏锐的洞察力，并且能找到合适的观察方法，而他的判断力正是来源于他对现象深入的观察。他将白眼果蝇与红眼果蝇进行杂交，一如50年前孟德尔用一种食用黄豌豆与绿豌豆杂交一样，所不同的是，孟德尔是在修道院后花园内风餐露宿，而摩尔根可以在实验室内舒适地观察。他将1237只第一代（F1）红眼型杂种中的一些果蝇进行近缘繁殖，10天后获得4000多只第二代（F2）杂种。这些第二代杂种中红眼蝇与白眼蝇的数量比接近3：1，差不多证实了孟德尔得出的结果。接着他又发现多个突变型，到这一年底，共发现25个新突变型，总数达到40个。

后人证实，每一性状都是多个基因联合作用产生的。例如，红眼果蝇至少是由50个基因共同作用的结果。决定雌性或雄性也绝非某一个特定基因的产物，而是由数个基因共同决定着的。值得一提的是，在用红白复眼果蝇进行杂交试验获得的F2子代中发现，凡是白眼型果蝇均为雄性。据此推断，决定果蝇性别的遗传因子和决定果蝇眼睛是什么颜色的遗传因子是连锁在一起的，这正是摩尔根作为一位杰出科学家有着非凡眼力的所在，从细微处能窥见一般现象^[8]。

从1901年摩尔根转向遗传学研究的这段时间内，遗传学家开始证实基因理论，并且一些生物学家开始确信基因是确定无疑的实体。虽说基因还是看不见、摸不着，然而它和电子、原子及医学界的众多病毒粒子一样，人们是无法否认其客观存在的。达尔文的“芽球”说、海克尔（Haeckel,E.）的“质粒”说、耐格里的“微胞”说、德弗里斯的“胚芽”说，经实验证实这些都是基因以前的一些说法。然而摩尔根的基因学说与上列的几种都不同，这里所说的基因可能指一些亚显微实体，也可能是由蛋白质组成的非常复杂的有机分子，每一种基因与另外的基因在化学性质上都是不相同的。天然状态下它们被认为是在染色体上排成线性的一串，它们决定着包括人类在内的所有生物的命运。假如说命运正在编织我们的生命，那么它们则是用自己纺织出来的挂满基因的线状染色体编织成的。

摩尔根又根据当时发展起来的细胞学成果，确认决定生命机体性别的遗传因子是在性染色体上的，所以，决定果蝇眼睛颜色的遗传因子也必然是位于性染色体上的，这就是伴性遗传。它不同于孟德尔的豌豆实验中相对性状的自由组合，它是许多性状互相连锁在一起。当细胞进行减数分裂时，它们作为一个整体传递下去。细胞减数分裂初期，其染色体是一个缠绕着另一个的。据此，他认为，染色体片段会发生交叉，一个片段与另一个相对片段相交换替代。染色体交叉导致基因发生有序交换，最终使基因重新发生组合，从而增加了遗传变异性。交换率低，证明它们靠得很近；交换率高，则相距远，此即为遗传学“连锁交换定律”。该定律连同孟德尔的“分离定律”和“自由组合定律”，构成经典遗传学中著名三大定律，成为现代遗传学研究的理论基础。这些定律不断被充实、修改和发展，又成为现代生物学基本理论的重要组成部分。摩尔根及其合作者还绘制出一张果蝇的4条染色体图，建立了基因—染色体理论^[9]。

说摩尔根是“现代遗传学之父”一点也不过分，既然如此，则孟德尔岂不就是现代遗传学的爷爷了吗？

1.2.3　后基因学说及其影响

随着科学和技术的发展，诱导突变的手段也越来越多样化，紫外线、超声波、高温、干燥、超速离心和X射线等，都可以用于处理生殖细胞。另外，还有其他方法可使基因缺失、易位，从而导致生物产生新突变型。果蝇的自发突变率较低，但把温度提高10℃，则突变率增加5倍。电离辐射诱发突变的概率与所用剂量、射线波长及辐射期间的温度呈线性关系。一位来自摩尔根实验室的研究高手曾经突发奇想，将染色体打断，分成几截，并实现重新排列，竟使突变率提高180倍。

还有报道说，有一种果蝇，发生单基因突变后仍然有两只巨大的复眼，但是，该长出触角的部位却长出了一条完好的腿，也就是一次单基因突变就使一个触角变成一条腿。这真是一件令人叫绝的成果，还有什么比这件事更能让人惊异的呢？可惜人们尚不能对此作出解释。我们也不知道有效基因的作用，兴许若干年后，科学家会弄清楚这种基因的DNA序列，弄清楚它们在生物化学上的作用。其实，在摩尔根时代就有发现，果蝇中有一个基因称为无眼（eyeless）基因，在脊椎动物体内有类似的称为Pax6的基因，动物若没有这种基因，则眼睛会小很多。1995年，瑞士科学家成功克隆出这种基因，通过转基因技术将它表达到身体其他部位后，可以在触角、大腿、翅膀多个部位长岀眼睛来。这表明，通过单个基因可以改变一些细胞的命运，导致一个器官的形成，至少在果蝇中是如此。

可惜的是，在脊椎动物、哺乳动物中还没有找到用单个基因或多个基因制造组织、器官的方法，要实现人造生物器官的梦想尚需一些时日^[10，11]，例如，通过分子生物学途径，会弄清楚有效基因的作用和这种基因的DNA序列，还要弄清楚它们在生物化学上的作用。人脑有成百亿个神经细胞，而果蝇总共仅有几十万个细胞，何愁不能将这些问题弄清楚？例如，1933年、1947年、1995年及2011年四年诺贝尔奖中有六位诺贝尔奖得主是研究果蝇而获奖的。

基因概念的变化是浏览现代遗传学历史的一条线索。孟德尔在19世纪证明了生殖细胞中的遗传“因子”决定着生物体的性状。丹麦生物学家约翰逊（Johannsen，W.）将这些因子称为基因。20世纪初，又将基因定义为以线性次序排列在染色体上的独立的因子。现代分子生物学则又提出来以300~2000个碱基对（平均为1000个）组成的一个功能单位就叫作基因。

运用孟德尔和摩尔根这两位遗传学先驱的著名理论，来讨论舞蹈家邓肯和戏剧作家萧伯纳他们婚后的子女是集“男才女貌”或者“女才男貌”于一身的臆想，显然是徒劳的。因为当时人们还受到科学、技术和知识的限制，在包括人类自身在内的一切生命机体内，哪些基因会发生接合、哪些不会发生接合还不清楚；而且最终决定基因表型和基因功能的，不仅仅是基因型，还更多地涉及基因转录、翻译和翻译后的修饰，以及表观遗传修饰、调节和一个人所处的环境，包括他（她）在母体腹中的发育状况。究竟人体哪些部位像父亲，哪些器官像母亲，智商如何？人们是预测不出来的。

摩尔根的基因学说遭受到了来自苏联米丘林（Michurin，I.V.）学派代表人物的抵制，他们肆意践踏科学，将纯学术观点政治化，污蔑基因学说是唯心主义的反动学术观点。他们面对原子、量子、电子也是细小到肉眼看不见、手也摸不着的客观事实，无视它们已成为举世公认的学科或带头学科，反过来却武断地说，基因是看不见、摸不着的，不算是科学。另一方面，他们还运用强力行政手段，倡导所谓的米丘林学说，到头来使得苏联的遗传学发展水平与西方先进国家相比，落后了一大截。中国也有这样的例子，李森科提岀的“春化作用”的概念，实际是在播种之前，先将麦种浸湿和冷冻以加速其生长。这一办法对实际生产有一定价值，但将它当作一般生物遗传规律，则是毫无科学根据的。西方学者嘲笑这样的愚蠢行为，讥笑李森科“可以从棉花种子中培育出骆驼来”。

当许多西方国家在分子生物学、分子遗传学取得一个个重大突破性进展时，苏联直到1963年才宣布成立微生物遗传学实验室，而我们中国科学院微生物研究所遗传学实验室早在1960年5月就建立了。

1.2.4　基因的内涵物问题

摩尔根获得了1933年的诺贝尔奖，晚年他又投身到与果蝇遗传不相干的课题，热心于海鞘研究。他想弄清楚普通海鞘的精子为何极少或者从不使同一个体的卵子受精，但却能使所有其他海鞘的全部卵子受精。他的研究进展是缓慢的，也没有什么突出的成就，一直到他逝世也没有找到答案。不过我们还是应当承认，经典遗传学家仅仅是考虑整体上的机体或机体的种群，他们不是想方设法去解析动植物以了解它们的组成部分和这些成分的功能，他们只是满足于调查动植物的表观特征，并通过这些表观特征来探索它们的细胞内部的物质基础。

基因学说的兴起只用了几年时间，就使生命世界的面貌焕然一新。动植物的表观特征及其变异，归根结底是来源于细胞内的某种结构及其行为。但是人们立刻感受到动植物的性状与基因之间有一段脱节，一段空白，因为这段脱节和空白，人们尚不能将它们联系起来考虑。一位生物学家早在1880年就曾说过：“基因是化学分子，且大部分孟德尔理论家们也都同意这一假设。^[2]”但64年过去了，人们仍将它视为一个假说。遗传学凭借大堆的符号和公式，把机体面貌描绘得愈来愈抽象，这使人们误认为基因是某种没有物质基础的实体。这就提出一个问题，要求科学家必须在染色体内找到一种具体的内涵物，代替他们在研究中常用的这种抽象的基因概念。这个内涵物必须具备两种罕见的功能：第一种是能够准确地自我繁殖，第二种是由于自身的活性而能影响整个机体特性。要解释遗传机理，是离不开这两种功能的。

研究这种内涵物的性质、剖析基因的作用方式、填平生物性状和基因两者间的空白，这就是那个时期遗传学家梦寐以求的目标。但就当时的遗传学发展水平，这个学科研究所使用的材料、它的概念以及它所运用的测试手段，都达不到这样的分析水平。要掌握、驾驭遗传基因的结构细节，仅仅靠观察某些生物性状、研究材料，如豌豆植株花的颜色、果蝇翅膀的长短，追踪一代代性状选配和测算它们的组合频度，已经证明是远远不够的了。这就需要遗传学和其他学科的紧密配合。

我们且看化学家是怎么想的。