高中生物学教材中的科学家第34期 | 摩尔根

人物简介

托马斯·亨特·摩尔根（thomas hunt morgan，1866—1945），美国进化生物学家、遗传学家、胚胎学家，曾任美国全国科学院院长、美国遗传学主席、尝试动物学和实验医学学会会员，发现了染色体的遗传机制，创立了染色体遗传理论，是现代实验生物学奠基人，于1933年获得诺贝尔生理学或医学奖。

生平经历

1866年，摩尔根出生于美国肯塔基州的莱克星顿。1886年，他在肯塔基州立学院获得理学学士学位。毕业后，他进入霍普金斯大学研究生院，开始了自己对胚胎学和遗传学的研究生涯。1890年，他获取了霍普金斯大学医学博士和哲学博士学位。1891-1903年，他在布林马尔学院任教。1904-1928年，他成为哥伦比亚大学教授。1928-1945年，他成为加州理工学院教授。

摩尔根的生物学训练开始于约翰霍普金斯大学，学习形态学。那时候形态学的核心是运用胚胎发育中的特征来构建演化上的关联（系统发育）。形态学概念充满想象又有意思，可以产生出各种不同的解释，但是没有一种能够被严格地检验。像很多同时代人物一样，摩尔根彻底厌倦了本质上是极端臆测的形态学研究工作。特别是在1890年代，到意大利拿波里动物研究所（naples zoological station）访学之后，他熟悉了胚胎生物学中新兴的实验研究工作，很快成为实验生物学的热心支持者。在实验中可以人为干涉，每次控制一个变量，从而严格地检验假说。

1903年，摩尔根在他的《演化与适应》一书中阐明了对达尔文自然选择理论的反对。需要指出的是，摩尔根完全赞同演化过程——也就是逐代改良（descent with modification）。因为在他看来，自然选择的机制，作用于小的、独立的变异，永远不能产生新种。虽然达尔文依赖于把人工选择类比于自然选择，以此强调种的可变性，但现在我们都知道了，经过育种者几百年来的选育，从没形成过任何“新种”。作为一种替代方案，二十世纪初，摩尔根曾经特别着迷荷兰植物学家德佛里斯的突变理论。德佛里斯认为一代的大幅度改变就可以产生新种，我们今天称之为“大突变”（macromutations）。摩尔根对德佛里斯的主张印象深刻，因为他对温室中的模式生物月见草 (oenothera)突变体进行了研究，突变体可以通过实验的方法来检验。

摩尔根认为达尔文观点中还有其他问题。比如任何性状要想有适应性，它必须是完全形成的。如果是不完全形成的器官，比如脊椎动物的眼，就会适应性很低，或完全没有适应性。因此，在这些很多小的步骤中怎么可能实现演化呢，没有哪个微小的突变对个体来说有任何适应性价值。

就像厌恶臆测的方法而反对自然选择一样，摩尔根也反对当时的染色体遗传理论。当时大多数生物学家意识到，有丝分裂和减数分裂中复杂而有规则的染色体运动预示着某些重要的东西，但是这些东西到底是什么则完全不清楚。最流行的观点是这一定跟遗传有些关联，但是直到1909年年摩尔根对这类说法仍然十分怀疑。比如，他指出在两次细胞分裂的间期，棒状染色体消失在视野中。摩尔根问道，如果它们在每次细胞周期的末尾都解体，染色体又如何能维持细胞代际间的遗传稳定？我们怎么知道下一次循环中，染色体构建出了同样的结构呢？

对于摩尔根来说，更加矛盾的地方是当时的另外一个重要案例——性别决定问题。1904到1905年，哥伦比亚大学生物系主任艾德蒙德·威尔森和布林马尔女子学院的奈特·史蒂文斯确定了性别的决定是由一对染色体的分布控制的，就是所说的x染色体或者副染色体。但摩尔根感到这种解释自相矛盾：绝大多数动物中雄性动物有一条x染色体，而雌性个体有两条；但是鸟类、蝴蝶和蛾子三类动物中情形相反。同一种染色体分布如何能够在一类情形时决定雄性，而在另一类又决定雌性？

在他批评染色体学说的同一年，他还写文章猛烈批判快速发展的孟德尔遗传理论（morgan 1909）。他发现孟德尔学派像其他老一派形态学家一样，随意地毫无节制地臆测。例如，为了解释预期的孟德尔比例中出现的异常（比如上位作用），孟德尔主义者简单引入不同的因子：“如果一个因子不能解释现象，那就引入两个因子；如果两个还不够用，三个也许就管用了……”，摩尔根称之为“高级杂耍”。并且，摩尔根还注意到，决定性状的孟德尔主义“因子”散发着就形态学预成论的气息，把发育过程（包括分化）归结为假定的“完全决定的”微小个体，或者来自精子，或者来自卵子，以此回避了成体中的性状到底是如何形成的问题。显然摩尔根的这一质疑是对的。孟德尔最初的理论完全没有提到胚胎发育，只是一个描述一代传给另一代的杂交过程中性状分布的理论。

为了检验孟德尔的遗传定律，摩尔根亲自做起了实验，他用家鼠与野生老鼠杂交，得到的结果五花八门，根本无奈用遗传定律来解释。虽然心中的疑虑更重了，但他依然在实验室里继续着相关的实验。

1904年，美国生物学家萨顿证明了染色体总是成对存在的，而每个性细胞只具有每一对染色体中的一个，这就指明了染色体与孟德尔遗传因子的平行性。染色体显然不是“基因”，但可以肯定基因就存在于染色体内。它们是如何排列的呢？摩尔根对此深感疑惑。1909年，摩尔根开始用果蝇做遗传学实验。后来证明，用果蝇做实验是十分有利的，因为它们的生命周期只有十到14天，又易于饲养，而且染色体不多，只有4对，很适合做实验分析。摩尔根的实验室位于哥伦比亚大学某幢建筑的三层，他花了一年时间在装满腐烂水果的牛奶瓶里饲养了上千只果蝇。于是学生们便将他的实验室称为“蝇室”。摩尔根的实验室面积和形状都与孟德尔的花园类似，而这里很快也将成为遗传学历史上同样具有标志性意义的场所。

图1 摩尔根的蝇室（仿造）

为了得到眼睛变异的果蝇，摩尔根让自己的一名研究生将实验室所有的窗户都用厚布挡住，希望在实验室漆黑的环境里培育出的果蝇由于长期不用眼睛而使眼光消失，甚至眼睛萎缩或移位。然而，黑暗的“果蝇室”里虽然连续繁殖了69代果蝇，却始终未见眼睛发生变异的果蝇。

用黑暗来诱发果蝇眼睛发生遗传性状突变的实验失败了，摩尔根和他的学生改用x光照射、激光照射、不同的温度、加糖、加盐、加酸、加碱乃至不让果蝇睡觉等方法进行实验。就这样做了2年实验，可依然没有任何发现。摩尔根没有气馁，继续忙碌于“果蝇室”里。

1910年5月的一天，他终于在红眼的果蝇群中发现了一只异常的白眼雄性果蝇（有一种说法是，一名刷瓶子的本科生布里奇斯发现了这只罕见白眼突变体果蝇）。摩尔根激动万分，将这只突变的果蝇放在单独的瓶子里饲养。当白眼果蝇在与一只红眼雌性果蝇交配后，将突变的基因传给了下一代果蝇。十天后，第一代杂交果蝇长大了，全部是红眼果蝇。根据孟德尔的遗传学说，红眼基因相对于白眼基因是显性的，因此突变的基因此刻应该是被隐藏了起来。摩尔根终于有了检验孟德尔的遗传理论的机会。他用第一代杂交果蝇互相交配，于第十天得到了第二代杂交果蝇，其中红眼的与白眼的比例基本符合3：1的比例，实验结果完全符合孟德尔从豌豆中总结出的规律。

图2 白眼果蝇模式图

摩尔根通过显微镜仔细观察白眼果蝇时，发现了一个新的现象。按照孟德尔的自由组合规律，那些白眼果蝇的性别应当有雄有雌。然而，这些白眼果蝇却全是雄的，说明突变的白眼基因伴随着雄性个体遗传。

摩尔根知道，果蝇的4对染色体中，有一对是决定性别的。其中雌性果蝇中的两条性染色体完全一样，记为XX染色体；雄性果蝇中的两条性染色体一大一小，记为XY染色体。摩尔根认定白眼基因位于X染色体上，所以当白眼果蝇与正常的红眼果蝇交配后，由于红眼是显性基因，因此后代不论雌雄，都是红眼果蝇；当第二次进行杂交时，体内含有白眼基因的雌性红眼果蝇与正常的雄性红眼果蝇交配，就会出现含白眼基因的一条X染色体与一条Y染色体结合，生成第二代杂交果蝇中的白眼类型，而且都是雄性的。摩尔根把这种白眼基因跟随X染色体遗传的现象，叫做“连锁”，即两类基因——白眼基因和决定性别的基因好像锁链一样铰合在一起。

在接下来的几个月内，摩尔根和他的学生又发现了四种眼色突变，例如出现了粉红眼，这个性状的分离和组合与性别无关，也与白眼基因无关，显然粉红眼基因位于另外的染色体上，而且不在性染色体上；朱砂眼果蝇的遗传特点与白眼果蝇完全一致，也是伴性遗传的，说明两个基因都位于X染色体上。

后来，摩尔根的学生发现了一种突变性状——果蝇的小翅基因，给摩尔根新创立的理论带来了挑战。这种突变基因是伴性遗传的，与白眼基因一样位于X染色体。但是当染色体配对时，这两个基因有时却并不像是连锁在一起的。例如，携带白眼基因与小翅基因的果蝇，根据连锁原理，产生的下一代应该只有两种类型，要么是白眼小翅的，要么是红眼正常翅的。但是摩尔根却发现，还出现了一些白眼正常翅和红眼小翅的类型。

图3 小翅果蝇

面这这种现象，摩尔根指出，染色体上的基因连锁群并不像铁链一样牢靠，有时也会发生断裂，甚至与另一条染色体互换部分基因。两个基因在染色体上的位置相距越远，它们之间出现变故的可能性就越大，染色体交换基因的频率就越大。白眼基因与小翅基因虽然同在一条染色体上，但是相距较远，因此当染色体彼此互换部分基因时，果蝇产生的后代中就会出现新的类型，这就是“互换”定律。就这样，摩尔根建立了遗传学的第三定律——连锁与互换定律。

高中生物学教材中的科学家第34期 | 摩尔根

图4 1933年诺贝尔生理学或医学奖获奖成果，

票图为摩尔根实验用的果蝇和染色体遗传基因的连锁与互换示意图

摩尔根毕生从事胚胎学和遗传学研究，在孟德尔定律的基础上，创立现代遗传学的“基因理论”。曾对多种生物（包括许多种海洋生物）和生物学问题进行研究；利用果蝇进行遗传学研究，发现了染色体是基因的载体，确立了伴性遗传规律。并发现位于同一染色体上的基因之间的连锁、交换和不分开等现象，建立了遗传学的第三定律——连锁交换定律。把400多种突变基因定位在染色体上，制成染色体图谱，即基因的连锁图。于1928年出版了《基因论》（The Theory of the Gene）专著，对基因这一遗传学基本概念进行了具体而明确的描述。

他创立的基因理论实现了遗传学上的第一次理论综合。在胚胎学和进化论之间架设了遗传学桥梁，推动了细胞学的发展，并促使生物学研究从细胞水平向分子水平过渡，以及遗传学向生物学其它学科的渗透，为生物学实现新的大综合奠定了基础。此外，还荣获英国皇家学会授予的达尔文奖章（1924年）和科普勒奖章（1939年）。其作品涉及生物学的几个重要领域，主要有《进化与适应》、《实验胚胎学》和《胚胎学与遗传学》、《基因论》等。

1933年，摩尔根被授予诺贝尔生理学或医学奖。后来，为了纪念摩尔根对遗传学的贡献，遗传学界使用他的名字“摩尔根”作为衡量基因之间距离的单位，并且将遗传学领域的最高奖也命名为“摩尔根奖”。