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第一位获诺贝尔奖的遗传学家——摩尔根

2012-02-15 21:43阅读：

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第一位获诺贝尔奖的遗传学家——摩尔根
摩尔根

一、遗传学的开始——孟德尔
1865年，孟德尔发表了他的有关豌豆实验的论文。这标志着现代遗传学的开端。在经过30多年的被忽视后，1900年左右，孟德尔的结论被三位植物学家各自独立发现。他的成果也被归纳为两条定律：独立分离定律、自由组合定律。
与孟德尔的发现基本平行，有关细胞的理论也逐步建立起来了。
20世纪初，科学家们已知道精子和卵含有相同数目的染色体；配子内的染色体数目是体细胞染色体数目的一半；染色体的有丝分裂是纵向分裂；分给配子的染色体数目只有一半，这是通过特别的减数分裂实现的。
细胞染色体数目在有
性生殖过程中的减半又复原的过程与孟德尔因子的平行对应关系，促使一些科学家推测染色体可能是孟德尔因子的载体。
二、染色体学说的提出—萨顿
1903年，还是研究生的萨顿提出：“父本和母本的染色体联合成对及它们以后在减数分裂中的分离将构成孟德尔遗传定律的物质基础”。他还提出，不同对的染色体的随机分组可以解释成对基团的独立分离。简单说，萨顿是把染色体与孟德尔因子联系在一起了，他是在推测染色体可能是孟德尔因子的携带者。
萨顿的解释只是一种有启发性的预言呢，还是能通过实验证实的事实呢？这是进入20世纪后，遗传学中有待解决的一个问题。另外，进入20世纪后，研究的深入还带来另一个困惑的问题：独立分配并不是一个普遍现象。似乎有些基因始终是在一起传递的。有人提出连锁的假设：孟德尔因子的数目多于染色体数，那么就会有许多因子处在同一条染色体上。于是，同某一特定染色体相联的一切性状由于位于同一条染色体上，必然会一起遗传。那么，这种分析起来合理的假设是真的吗？这是遗传学研究中另一个有待解决的疑问。
通过实验方法，有力证实上述预言与假设的工作是由摩尔根完成的。他通过实验研究，为遗传的染色体基础和连锁群中基因的排列提供了实验证据。
三、摩尔根研究的开始
摩尔根出生于1866年，但这条生命是1865年开始的。对于一位遗传学家，1865年开始孕育确实是个好兆头。巧合的是1865年正好是孟德尔发表遗传定律论文的那一年。
小时候的摩尔根就对生物学具有浓厚的兴趣，业余时间到处采集生物标本。1886年，他获学士学位，随后进入霍普金斯大学读研究生。这所大学的生物系具有自己的一些鲜明特点。
“传统的课堂讲授或背诵课本几乎完全取消，不过，教师也必定要提出学生阅读的参考书目，而学生们在研究中需要什么书籍，图书馆也尽量购置。低年级学生集中搞实验操作，以便熟悉生物学研究的方法和仪器。在进行任何独创性的研究之前，学生要对新近发表的一些重大研究进行重复实验，以求证实它或批评它。所以霍普金斯大学教育自己的青年科学工作者：学术无禁区，没有任何人的著作是神圣不可侵犯的，霍普金斯大学教授们的文章照样可以批评。”
“一旦学生通过了这种考验，从半吊子变成了严肃的科学家，那么，生物系就会给他提出一个需要研究的课题，放手让他去决定自己的研究方法和实验手段，然后对研究结果进行评价。”
摩尔根很快就接受了霍普金斯大学的“一切通过实验”的原则。这很符合他的口味。他本人就恪守对一切事物都要亲自证明的信条。他在1907年发表的《实验动物学》一书中表达了自己的基本原则。他说：“实验方法的本质在于要求每一种见解（或假说）都必须通过实验的检验，然后才得以承认其科学地位。就实验科学的问题而言，我们要求找出某一事件发生的条件，而且，只要有可能，我们要控制这种条件而人工地重复这一结果。事实上，控制自然现象乃是实验研究的目的，研究者必须养成一种对一切假说（特别是对自己提出的假说）的怀疑心理，而且一旦证明其谬误，要勇于抛弃之。”
摩尔根起初爱好与研究的是胚胎学，到后来才转入到遗传学。可以说，摩尔根既是遗传学家，又是胚胎学家。但由于他在遗传学方面是如此出名，他的有造诣的胚胎学家的形象受到了忽视。这里所要谈的也主要限于他在遗传学方面的贡献。
四、摩尔根的主要贡献
摩尔根在遗传学研究中引入了一种理想的实验材料：果蝇。这种小动物作为实验材料具有许多优点。它的生活周期短、繁殖量大；形体小，容易在实验室中保存；细胞中只有四对染色体，每对的形状、大小都不相同，在引入果蝇后不久，人们就把摩尔根的实验室叫做“蝇室”了。
第一位获诺贝尔奖的遗传学家——摩尔根
红眼和白眼果蝇
摩尔根希望在喂养果蝇中发现突变的果蝇类型。但在最初他却一无所获。然而两年后的一天，命运之神垂顾了他。大约在在1910年5月，在摩尔根的实验室里，产生了一只奇特的雄蝇，它的眼睛不像同胞姊妹那样是红色，而是白的。这显然是个突变体，注定会成为科学史上最著名的昆虫。曾有过这样一段轶闻：摩尔根的太太在医院临产。摩尔根急急忙忙赶到医院，他太太第一句话问的却是：“白眼儿可好？”生下的孩子平安无事，但白眼儿虚弱无比。据说摩尔根晚上把这只果蝇带回家去，装在瓶子里，睡觉时放在身旁，白天又带回实验室。它这样养精蓄锐，终于同一只正常的红眼雌蝇交配以后才死去，留下了突变基因，以后繁衍成一个大家系。十天后，产生了1240个后代，这F1代全是红眼。按照孟德尔的术语，红跟对白眼是“显性”。又过了十天，产生了新的F2代，有3470个红眼，782个白眼，大约有四分之一的后代继承并表现出隐性性状。他的果蝇实验确证了孟德尔遗传定律之正确。
第一位获诺贝尔奖的遗传学家——摩尔根
摩尔根进行的果蝇杂交实验
不过，首次果蝇实验的结果也有不正常之处。按照孟德尔式预期值，在第二代中有四分之一雄蝇表现出隐性性状，四分之一雌蝇继承白眼基因。然而，摩尔根却发现雄蝇中有一半为红眼，一半为白眼，而雌蝇全是通常的红眼，没有一个继承了白眼。
摩尔根提出了一种解释：眼色基因（R）与决定性别的因子（X）是结合在一块的，用现在的术语来说，是“连锁的”。
随着实验的深入，摩尔根得到了越来越多的突变型果蝇。到1912年底时，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。
第一位获诺贝尔奖的遗传学家——摩尔根
摩尔根的“蝇室”
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。这即是说：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，摩尔根根据自己的实验结果创造出了一个术语：互换，它指的是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。
第一位获诺贝尔奖的遗传学家——摩尔根
果蝇的连锁互换杂交实验
摩尔根与他的学生还进一步提出了一种独到的见解：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经常性（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。这确实是一个美妙的想法。他的一个学生斯特蒂文特写道： “1911年下半年，我突然想到，连锁紧密程度的差异（摩尔根当时已经指出是由于基因空间分布的不同造成的）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。”
斯特蒂文特做出这项了不起的贡献时，年仅21岁。事实上，摩尔根不但自己是一位伟大的遗传学家，他还是一位极其出色的老师。在他的周围聚合了一群才华出众的学生。他们聪明能干，既善于独立开展工作，又有集体主义精神。在蝇室的所有人员之间，似乎存在一种一般的实验室或教室难得有的无拘无束、互相尊重的气氛。欧洲来的第一个博士后研究生O.L.莫尔的妻子托维·莫尔为她看到的第一个场面大为震惊。她走进买验室时，看见斯特蒂文特这小子斜倚在椅子上，嘴里叼着烟斗，双脚翘在桌子上面，正在大声地同摩尔根争论。斯特蒂文特的口齿最为伶俐，也是最崇拜摩尔根的学生。他曾经这样描述实验室里的情形：“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。”凡是在摩尔根手下工作过的人，谁都不会不提及他费了多少心血培养年青人以及他对人的平易与友善。
下面罗列的是以摩尔根为其无可争议的“老板”的整个集体的成就：
（1）他们证明基因是存在于染色体上的实实在在的东西；
（2）他们证实了孟德尔定律的可靠性；
（3）他们重新发现了孟德尔定律的例外情况——连锁，又发现了连锁的例外情况——互换和双互换；
（4）他们发现基因是呈直线排列的，其相对位置是可以确定的，可以测定基因的距离。
除此外，他们证明了生物的性别决定于染色体；他们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；他们发现了位置效应、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。
摩尔根的研究成果，为他赢得了极高的名声。如H.J.马勒说：“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霖雨。”摩尔根本人对自己的工作也甚为得意：“自从1900年重新发现了孟德尔的工作之后，生物学发展史上已取得了一个最惊人的进展。”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的贡献，摩尔根被授予诺贝尔“医学或生理学奖”，成为遗传学界第一个诺贝尔奖金获得者。
在回顾自己的成功时，摩尔根认为自己的成功来自四个条件：运气好，实验材料选用得当，怀疑一切，勤学苦干。或许我们还需要添加上一点：他的个性的魅力。他对待学生和同事具有民主作风，不计较别人的文凭和私生活。此外，摩尔根是那种只顾自己的研究而不计较其它得失的科学家之典范：他头发不梳理，有时没找到皮带，就在裤子上扎一根绳子；有时来上班，穿的上衣钮扣全脱光了。还有一次，他发现衬衫上有个大洞，就请办公室里的人拿张白纸给糊上。摩尔根一贯把那些荣誉证书胡乱塞在书桌抽屉里，让精心制作的奖状掉在写字台后面。对诺贝尔奖这一崇高无比的荣誉，他同样不当回事。他的同事看到记者到摩尔根的实验室来采访，才得知他获得了诺贝尔奖。而他家里的人只是从报纸上才看到他得奖这条消息。当时报上登着他的一张照片，是他随便拉着几个在附近看热闹的孩子一起照的。

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