摩尔根与 遗传学

在孟德尔的成果获得承认后，整个生物界都知道，是孟德尔所说的遗传因子，即后来丹麦遗传学家约翰森进一步清楚界定所提出的基因，决定了生物的遗传。但是，基因究竟在细胞内的什么地方？摩尔根以果蝇为试验对象，把基因与染色体确定无疑地联系在一起。   什么是染色体？ 白眼果蝇的故事果蝇作为实验材料的优点白眼基因在X染色体上第一只白眼果蝇 摩尔根的思想曲线摩尔根生平摩尔根的初期思想     基因连锁图     染色体的变化         什么是染色体？ 不幸的孟德尔最终幸运地得到了承认，被追认为遗传学之父。现在，整个生物界都知道，是孟德尔所说的遗传因子，即后来丹麦遗传学家约翰森进一步清楚界定所提出的基因，决定了生物的遗传。但是，基因或遗传因子究竟在细胞内的什么地方？这是遗传学必须回答的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 早在1883年，鲁克斯（W·Roux）就观察到细胞核内能被染色的丝状体。1888年，沃尔德耶（W·Waldeyer）称这种丝状体为“染色体”（chromosome），并猜测染色体与遗传有关。1902年，博韦里（T·Boveri）和萨顿（W·S·Sutton）指出，染色体在细胞分裂中的行为与孟德尔的遗传因子平行：两者在体细胞中都成对存在，而在生殖细胞中则是成单的；成对的染色体或遗传因子在细胞减数分裂时彼此分离，进入不同的子细胞中，不同对的染色体或遗传因子可以自由组合。因而，博韦里和萨顿认为，染色体很可能是遗传因子的载体。这是一个有科学依据的假说，但假说仍然需要科学实验的证实，这一科学历史使命落到了摩尔根（H·Morgan）的肩上。 在讲摩尔根的故事之前，我们先来认识染色体，了解一下现代关于染色体超微结构的概念。染色体的主要化学成份是脱氧核糖核酸（DNA）和5种称为组蛋白的蛋白质。核小体是染色体结构的最基本单位。核小体的核心是由4种组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）各两个分子构成的扁球状8聚体。现在我们知道，DNA分子具有典型的双螺旋结构，一个DNA分子就像是一条长长的双螺旋的飘带。一条染色体有一个DAN分子。如右图（a）所示，DNA双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1.75圈，其长度相当于140个碱基对。组蛋白8聚体与其表面上盘绕的DNA分子共同构成核小体。在相邻的两个核小体之间，有长约50-60个碱基对的DNA连接线。在相邻的连接线之间结合着一个第5种组蛋白（H1）的分子。密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维，这就是染色体的“一级结构”。在这里，DNA分子大约被压缩了7倍。 染色体的一级结构经螺旋化形成中空的线状体，称为螺线体或核丝，这是染色体的“二级结构”，其外径约300埃，内径100埃，相邻螺旋间距为110埃。螺丝体的每一周螺旋包括6个核小体，因此DNA的长度在这个等级上又被再压缩了6倍。 300埃左右的螺线体（二级结构）再进一步螺旋化，形成直径为0.4μ的筒状体，称为超螺旋体。这就是染色体的“三级结构”。到这里，DNA又再被压缩了40倍。超螺旋体进一步折叠盘绕后，形成染色单体——染色体的“四级结构”。两条染色单体组成一条染色体。到这里，DNA的长度又再被压缩了5倍。从染色体的一级结构到四级结构，DNA分子一共被压缩了7×40×5=8400倍。例如，人的染色体中DNA分子伸展开来的长度平均约为几个厘米，而染色体被压缩到只有几个微米长。 染色体在细胞分裂之前才形成。在细胞的代谢期或间期，染色体分散成一级结构或伸展开的DNA分子，组成细胞核内的染色质或核质。 摩尔根生平 摩尔根生平 摩尔根（T·H·Morgan，1866-1945）1866年9月25日生于美国肯塔基州列克星敦的一户名门望族家庭。摩尔根自幼热爱大自然。童年时代即漫游了肯塔基州和马里兰州的大部分山村和田野，还曾经和美国地质勘探队进山区实地考察，采集化石。14岁（1880年）时，考进肯塔基州立学院（现为州立大学）预科，两年后升入本科。1886年春以优异成绩获得动物学学士学位，同年秋天，进入霍普金斯大学学习研究生课程。报到前，摩尔根曾在马萨诸塞州安尼斯奎姆的一家暑期学校中接受短期训练，学到了不少海洋无脊椎动物知识和基本实验技术。读研究生期间，系统地学习了普通生物学、解剖学、生理学、形态学和胚胎学课程，并在布鲁克斯（W·K·Brooks，1848-1908）指导下从事海蜘蛛的研究。1888年，摩尔根的母校肯塔基州立学院对摩尔根进行考核后，授予他硕士学位和自然史教授资格，但摩尔根没有应聘，继续攻读博士学位。1890年春，摩尔根完成“论海蜘蛛”的博士论文，获霍普金斯大学博士学位。1891年秋，摩尔根受聘于布林马尔学院，任生物学副教授，1985年升为正教授，从事实验胚胎学和再生问题的研究。1903年摩尔根应威尔逊之邀赴哥伦比亚大学任实验动物学教授。从1904年到1928年，摩尔根创建了以果蝇为实验材料的研究室，从事进化和遗传方面的工作。1928年，62岁的摩尔根不甘心颐养天年的清闲生活，应聘为帕萨迪纳加州理工学院的生物学部主任。他将原在哥伦比亚大学工作时的骨干布里奇斯、斯图蒂文特和杜布赞斯基（T·H·Dobzhansky，1900-1975）再次组织在一起，重建了一个遗传学研究中心，继续从事遗传学及发育、分化问题的研究。1945年12月4日，因动脉破裂，摩尔根在帕萨迪纳逝世，享年78岁。 摩尔根是第一位以遗传学成就而荣获诺贝尔生理学医学奖的科学家，是染色体遗传学的创始人，在孟德尔遗传学向分子遗传学发展的过程中，起着承上启下、继往开来的作用。 什么是染色体？  摩尔根的初期思想 摩尔根的初期思想 然而，摩尔根早期的思想对用染色体行为解释遗传现象极为反感，从而导致他怀疑孟德尔学说，并在许多场合公开表示他的反对意见。这是遗传学思想史中一段十分有趣的插曲。当然，摩尔根并非一开始就是反对派，他对孟德尔学说的态度大致可分为：“拥护—反对—继承并发展”3个阶段。 从达尔文、海克尔、耐格里到魏斯曼，长期以来遗传学完全是一门高度思辨的学科。所谓泛子、种质、遗子等，都是想象出来的，缺乏实验证据。孟德尔则用实验手段研究遗传学，他的原始论文似乎只提供了一些“纯粹的事实”，并且极为谨慎地解释这些事实。他的统计结果又是那样简洁、完美，既能被重复，又可根据这些结果对新 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的实验作出预见。这对当时注重实验，反对臆测和纯推理的实验胚胎学家摩尔根来说，无疑具有极大的说服力。所以，摩尔根在1903年出版的《进化与适应》中写道：“从近年来的结果看，孟德尔实验结果所作的理论解释是如此简洁明了，没有什么值得怀疑的，他已找到了真正的解释。” 然而，时隔不久摩尔根就疑窦丛生。起因也许来自摩尔根的动物遗传实验，由于实验材料选取不当，他几乎从未得到像孟德尔那样简单的3：1结果。例如，摩尔根曾用腹部为白色、两侧为黄色的家鼠与野鼠杂交，结果发现，毛色的遗传毫无规律，好像生殖细胞中还带有其它颜色。毛色性状的遗传实验虽然不能推翻孟德尔学说，但却使摩尔根对孟德尔学说的广泛适用性产生了怀疑。当越来越多的动物遗传实验产生了难以用孟德尔学说解释的结果时，怀疑就变成了成见。 1904年秋，摩尔根从布林马尔学院转入名牌哥伦比亚大学，研究方向也从再生问题转向性别决定问题。对摩尔根来说，性别决定研究是胚胎学研究的继续，性别决定与再生一样也是胚胎的发育和分化问题。摩尔根开始接触性别决定时，实际上是以一个胚胎学家的眼光看待遗传问题，所以，他无法理解孟德尔学说与性别决定的关系，并为此彷徨达7年之久，直至1910年。 摩尔根对孟德尔学说的怀疑，有些是出于误解，有些出于孟德尔学说本身不够完善，有些出于科学发展水平的局限，但都是有一定根据的。 摩尔根曾指出：孟德尔所说的“显性”和“隐性”的概念并不总是像豌豆中的“高茎”和“矮茎”那样泾渭分明，有的生物后代常常表现出介于假定的显性与隐性之间的中间类型，而追随孟德尔的研究者们总是将它们按主观需要归类，以满足他们预期的比率，这样实验结果就失去了科学性。有些孟德尔信徒为了回答反对者的非难，为了证明孟德尔学说的普遍适用性，往往将错误的结论加以强调，而用增加或减少遗传因子（如随意加上多因子控制某些性状的假设）来加以说明。这些做法无疑进一步激化了摩尔根等科学家的反感情绪，以致1909年在美国育种家协会的一次著名会议上，摩尔根终于将这种情绪爆发出来，对孟德尔学说“迎头痛击”，他指出：“……如果一种因子不能解释一些事实，那么就引用两种因子来解释，如果两种因子还不够，那么用3种因子有时就可以完满解释了。有时，对需要说明的一些极为混淆的结果，常常能解释得非常完满，因为这种解释是虚构出来专用于解释那些混淆的事实的。……我不得不担心，目前正在迅速地发展着一类用以解释其它非寻常的、可能的遗传事实的孟德尔式的教条。” 可见，摩尔根对孟德尔学说从相信转为怀疑，除了他多年的研究不能证实孟德尔学说等原因以外，思想根子还在于对思辨式研究方法的排斥。孟德尔虽然未对他的实验结果作任何引伸，然而，为了解释他的实验，他提出的遗传因子却是思辨的产物。到1910年为止，没有任何证据表明遗传因子是客观存在的物质实体。 从孟德尔到摩尔根，正是基因概念、性状概念从模糊到明确，从易变到基本确定的历史时期。摩尔根对孟德尔学说先是相信，继而怀疑，最后又相信的态度变化，反映出他的科学思想的易变性，而摩尔根的科学思想的易变性又是基因概念、性状概念的不确定性的一个折射。通过科学实验，摩尔根的科学思想逐渐从不确定而趋于确定，这是摩尔根科学生涯的一大特征。科学家的思维应该是发散的，而实验结果则是限制思维的边界，它们使发散的思维向真理的极限点收敛。摩尔根则正是这样一位善于思考和实验研究的科学家。 摩尔根生平  白眼果蝇的故事 白眼果蝇的故事 对待孟德尔的遗传因子学说，摩尔根似乎走过了头，连孟德尔谨慎而必要的推理也加以反对，那就完全否定了思辨在科学发现中的作用。当然，摩尔根后来认识到自己的偏激，竟然成了一位比魏斯曼还要思辨的遗传学家。 1910年，这是遗传学史上值得大书一笔的关键性的一年。在这一年里，摩尔根经历了从反对孟德尔学说到相信、支持、证实并发展孟德尔学说的重大转变。就是在这一年，摩尔根甚至写了一篇孟德尔因子不可能由染色体携带的论文投寄给《美国博物学家》杂志。可是，在这篇论文发表之前，事情却发生了戏剧性变化：摩尔根自己竟然通过实验证明，果蝇的白眼基因居然是由性染色体携带的！关于该实验的报道，很快就由美国《科学》杂志发表，而发表的时间竟然先于前一篇论文。前后两篇论文的观点截然相反，给摩尔根的学术生涯平添了一层戏剧性的色彩。 下面我们就来细说这个白眼果蝇的故事。 摩尔根的初期思想  果蝇作为实验材料的优点 果蝇作为实验材料的优点 果蝇这种实验材料是1908年在纽约冷泉港卡内基实验室工作的卢茨（F·E·Lutz）向摩尔根推荐的。这是一种常见的果蝇，学名称为“黑腹果蝇”（Drosophila melanogaster）。 实验材料的选取往往是决定研究工作成功与否的关键，它在遗传学发展史中表现得尤为突出，不仅摩尔根在选用果蝇前后的局面生动地表明了这一点，而且孟德尔选用豌豆，以及后来分子遗传学家们选用真菌、细菌（特别是大肠肝菌）和噬菌体都证明了这一点。可以说，遗传学发展史中，每一次适合实验材料的选取都导致了一次学科发展的飞跃。以哺乳动物为实验材料，饲养管理一般都较复杂，生长期又长，而且由单基因控制的性状少而难寻，所以，一般不适合遗传学理论研究。这也许是遗传学基本定律首先从植物中发现的主要原因。而果蝇体型小，体长不到半厘米；饲养管理容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养基饲料；一个牛奶瓶里可以养上成百只。果蝇繁殖系数高，孵化快，只要1天时间其卵即可孵化成幼虫，2-3天后变成蛹，再过5天就羽化为成虫。从卵到成虫只要10天左右，一年就可以繁殖30代。果蝇的染色体数目少，仅3对常染色体和1对性染色体，便于分析。作遗传分析时，研究者只需用放大镜或显微镜一个个地观察、计数就行了，从而使得劳动量大为减轻。 白眼果蝇的故事  白眼基因在X染色体上 白眼基因在X染色体上 在野外采集到的果蝇，眼睛都是红色的，称为“野生型”。1910年5月，摩尔根在实验室里饲养的一群红眼野生型果蝇中，发现了一只白眼果蝇。摩尔根独具慧眼，立刻认识到这只白眼果蝇的巨大价值。晚上他把这只珍贵的白眼果蝇带回家，放进床边的广口瓶里之后，才安心睡觉，白天再把它送回实验室去。在实验室里，摩尔根使这只白眼果蝇（它是雄性的）与尽可能多的野生型红眼雌果蝇交配，十天后产生了1240个子裔，形成了一个庞大的果蝇株系。 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，子二代的结果完全是孟德尔式的，其中红眼果蝇2688只，白眼果蝇728只，两者比率约为3.4：1，而约占1/4的白眼果蝇则全是雄性个性。摩尔根的这一结果，以“果蝇的限性遗传”为题发表在1910年7月22日出版的《科学》第32卷第120页上。如果没有后面的结果（白眼果蝇全是雄性），则摩尔根的发现只不过是孟德尔学说的又一例证，说明孟德尔学说也适用于昆虫。而后面的结果表明，白眼基因与性别有关，这里面就有新的东西了。摩尔根在论文中没有急于宣布眼色基因一定与性染色体相关联，只不过说，眼色基因的分离与两条性染色体的分离一致。他在该论文中的解释略显复杂，也存在一些细节上的错误，但结论是正确的。同年及翌年，摩尔根又连续发表了两篇论文，终于把基因与染色体的关系确定无疑地联系在一起了。 摩尔根指出：如果假定控制眼色的基因位于X染色体上，而Y染色体上则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。 前面已经谈到，将遗传物质与染色体联系在一起，在耐格里、魏斯曼时就早已有之，鲍维里、德弗里斯和萨顿甚至把这种联系描述得十分详细。但这些人所谈的联系都仅仅是推测，并没有将某一个具体的基因定位在某一条染色体上。摩尔根却做到了这一点，他把红眼等位基因和白眼等位基因定位在X染色体上，并用实验证实这些基因是由X染色体携带着遗传的，这就使基因在染色体上的假说有了坚实的基础，而且还是把一个特定的基因（白眼基因）归属到一条特定的染色体（X染色体）上，更有甚者，这条特定的染色体还与性别有关。 果蝇作为实验材料的优点  第一只白眼果蝇 第一只白眼果蝇 白眼果蝇在基因学说的发展史上起了不可估量的作用，以致引起关于最初那只白眼果蝇来历的争论。向摩尔根推荐果蝇作为实验材料的卢茨，曾出版过一本富有魅力的书《多样性的昆虫》（A Lot of Insects）。他在该书中声称：“摩尔根教授访问我们研究所时，我曾对他提及，在我繁衍的一个血统清楚的果蝇株系中，出现了一只白眼果蝇。但因忙于异常翅脉果蝇的研究而无暇顾及白眼果蝇。摩尔根要走了这只活的白眼果蝇并使之繁殖，终于使白眼果蝇在后代重新出现。我讲这些话，绝非自夸。如果我当时意识到那只白眼果蝇会成为价值无比的珍品，也许就不会把它赠送给别人了。然而，我是把它送给了一位杰出的研究者。实际上，黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）应该称为摩尔根的遗传果蝇。” 摩尔根不承认最初这只活的白眼果蝇来自卢茨，一个相信卢茨的读者在美国《遗传杂志》上发表对卢茨一书的书评，摩尔根立即作出了回答，但却是略带暖昧的回答。他写道，自己确实向卢茨要过果蝇的饲养品系，但是，其中并没有卢茨所说的白眼果蝇，卢茨虽然发现过一只白眼果蝇，但当时就是死的；也不包括白眼果蝇的先代。如果先代中带有白眼果蝇基因，虽然先代本身是红眼，但后裔中总有可能分离出白眼果蝇来。实际上，卢茨所赠的果蝇株系，其后代中未出过白眼果蝇。后来也了解，白眼是果蝇中最常见的一种突变型。“与应用这一突变型材料作出科学发现相比较，发现白眼突变型本身则并不是那么重要”。 上述摩尔根所说的最后这一句话无疑是对的，且不论最初那只白眼果蝇的来历如何，摩尔根以它作为实验材料，在遗传学史上第一次证明了基因位于染色体上，并且发现了伴性遗传规律。因此，这个白眼果蝇的故事不仅仅是一个戏剧性的插曲，而是值得大书特书的一项重大的研究进展，它开创了摩尔根基因学说的先河。 白眼基因在X染色体上  基因连锁图 基因连锁图 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多个基因，就成为一个必然的推论。很多基因存在于同一条染色体上，称为基因连锁（linkage）。这就合理地解释了生物性状的连锁遗传现象。 1906年贝特森和庞尼特（R·C·Punnett）就已经在甜豌豆中发现了生物性状的连锁遗传现象，但当时他们无法对此做出解释。1911年摩尔根提出，果蝇的白眼、黄身和小翅基因连锁于X染色体上，以染色体遗传学说解释了生物性状的连锁遗传现象。由于在生殖细胞形成过程中，细胞中配对的染色体之间发生片段的交换，使后代出现少量不同亲代的连锁类型，交换类型总是以一定的比例（称为交换值）出现。1913年，摩尔根的学生，当时21岁的斯特蒂文特（A·H·Stutervant）提出以交换值作为染色体上基因相对距离的想法。在此基础上，制作了关于染色体上基因之间位置关系及其距离的“基因连锁图”。由于对染色体遗传理论的贡献，摩尔根于1933年荣获诺贝尔生理学医学奖。 第一只白眼果蝇  染色体的变化 染色体的变化 染色体是基因的载体，染色体的任何变化都将产生显著的遗传效应。染色体的变化包括染色体数目的变化与染色体结构的变化。 染色体数目的变化又可分为倍数性变化与非整倍性变化两类。各种生物的染色体数目恒定。除了细菌、蓝藻等原核生物之外，一般的真核生物，它的体细胞产生生殖细胞（配子）时，都会经过“减数分裂”，即染色体数目减半的细胞分裂。因此，一般生物的体细胞中染色体数目为生殖细胞中染色体数目的两倍，称为“二倍体”。遗传学上把生殖细胞中所包含的全部染色体称为一个“染色体组”。体细胞中的染色体组数目发生变化，即倍数性变化。例如体细胞中仅含有一个染色体组，则称为“单倍体”。蜜蜂的雄蜂就是单倍体。对于植物，可以用花药培养法来获得单倍体植株。单倍体再经过秋水仙碱处理诱导染色体加倍，又成为二倍体。花药培养法主要用于植物杂交育种的后代培育。杂交子一代先培育成单倍体，再诱导加倍，它的全部基因都是纯合的，其后代不再发生孟德尔式的性状分离，可迅速稳定遗传性，成为一个新品种。 二倍体经诱导染色体加倍，就成为“四倍体”。四倍体植物一般茎粗、叶大、花大、果实大，在生产实践中颇有利用价值。但四倍体植物的种子少，不适合利用种子的农作物（如禾谷类）。 二倍体与四倍体杂交，可以得到“三倍体”。三倍体的减数分裂不正常，不能产生种子。无籽西瓜就是这样杂交得到的三倍体。香蕉是自然产生的三倍体（其祖先也可能是由二倍体与四倍体杂交而来）。 染色体的结构变化包括缺失、重复、倒立和易位。 如右图所示，1、缺失（缺失中间黄色所示的一段）；2、重复（中间红色所示的一段重复）；3、倒位（绿色与红色所示的一段倒转180°）；4、易位（下面较短染色体蓝色的一段移接到上面较长的一条染色体上）。 人类的许多遗传病都是由染色体的结构变化引起的。 基因连锁图