第十七章　孟德尔遗传学的成长-2

17．6　性别决定

婴儿的性别是由什么决定的这个问题至少是从古希腊时就有各种各样的猜测。我们现在知道早期的有关学说都是错误的。（详见Lcsky，1950;Stubbe，1965）。有的说是由胚胎在子宫的左边或右侧决定，有的说是由精子来自主睾丸还是右睾丸决定，还有的说是由精子的数量、雄性或雌性体液的“热力”等等决定。这些学说的共同点（也是具有决定意义的一点）是性别并不是由遗传块定而纯粹取决于与受精动作巧合的环境因素。

虽然后来（1900年以后）发现了性别的遗传基础，但是某些着名的胚服学家和内分泌学家则仍然坚持环境决定论达数十年之久。我认在后面还要介绍某些生物的性别确实不是由遗传决定的。

某些明睿的孟德尔主义者并没有忽视这样一个事实，即1：1的性（别）比（值）和一个杂合子（Aa）与一个纯合隐性（aa）杂交所得到的比值完全相同。孟德尔在1870年9月17日给内格里的信中就已经提到这一点。其他学者（strasburger和凯塞尔）在1900年以后也提出了相同的看法，然而柯仑斯却首先提出实验证据指陈雌雄异株植物泻根属（Bryonia）的一半花粉是决定雄株的，另一半是决定雌株的，而所有的卵在性别决定上则不分雌雄。在这种情况下雄性是杂合的，按威尔逊（1910）的术语是异型配子的，雌性是同型配子的。后来证明鸟类和鳞翅目昆虫的雌性是异型配子的，而哺乳类（包括人）和双翅目昆虫（包括果蝇）的雄性也是异型配子的。这样看来，性别是否可能和某一特定的染色体有关？后来逐渐积累了大量证据证实了这种设想。

性染色体

从染色体研究一开始就观察到一切染色体在外观上并不一定必然完全相同。

Henkins于1891年在昆虫红椿（Pyrrhocoris）减数分裂时发现有一半精子具有11个染色体，另一半精子除了这11个染色体外还额外有一个染色很深的物体。由于拿不准它是不是染色体，Henking将之用字母X表示。Henking并没有将这X体与性别联系起来。

在其后的10年中发现了更多的情况表明确实有这样的额外染色体，或者有一对染色体在大小、染色性能或其他特征上与其余的染色体组不同。因为已经观察到红峙的一半精子具有X（附属的）染色体而其他的一半精子没有，McClung（1901）就据此作出如下的推理：“我们知道将一个物种的成员分为两类的唯一性质就是性别，因此我推断这附属染色体就是决定胚胎的生殖细胞继续发育并使略有变化的卵细胞变成高度特化的精子的要素，”也就是说这些多少不寻常的染色体是性染色体，起决定性别的作用。但是McClung这一结论的某些细节是错误的。NettieStevens（1905；见Brush，1978）和威尔逊（E.B.Wilson，1905）不久就正确地确定了性染色体在确定性别中的作用。

性别决定有很多不同的模式，有时涉及多重性染色体，有时雄性是杂合性别而在另一些情况下杂合性别却是雌性。所有这些细节可参考遗传学或细胞学的任何一本教科书（见Wilson，1925；White，1973）。重要的一点是，论证了一种表现型性状、即性别、和某一特定的染色体联系在一起。

这是对这类联系的首次决定性证明。在随后的岁月中大多数遗传学研究都是为了论证其他性状与性染色体或其他染色体（常染色体或普通染色体）之间的关系。这类研究充实了染色体遗传学说，其带头人就是摩根。他们的研究最后否定了一切染色体在遗传功能上都是相同的学说。这一学说在190o年以后还一直很流行，虽然当时已经发现不少物种的染色体的大小极不一致。19世纪八、九十年代有一些生物学家之所以坚持这一（对我们来说）不可信的学说很可能是因为在有些物种中所有的染色体的确很相似。

在染色体的个体性（独立性）已经得到证实、并且至少发现了一种性状（性别）和特定的染色体有关之后，遗传学家便得以集中力量探索更深入的关于染色体和性状的问题，或者用约翰逊的话更具体地说就是染色体与基因之间的关系问题。染色体是不是作为一个整体来控制全套性状（比方说就像一个新开拓战场的指挥中心）？个别的基因是不是位于染色体的特定部位？如果不同的基因处于同一染色体或位于不同的染色体上，它们之间的相互关系怎样？这些问题在一个比较短的时间内（基本上是在1905-1915年10年之间，实际上大部分是在1910年到1915年）都取得了答案，这些答案是通过巧妙的遗传学实验并不断用细胞学证据来检验而取得的。这些实验总是从相当简单的孟德尔现象开始。

17．7　摩根与他的果蝇实验室

摩根于1909年开始培育果蝇。他对德弗里的月见草突变的印像很深并试图通过不同的化学药品、不同温度的处理以及钙和X线辐射在他所培养的果蝇中引起突变，但是都未成功。然而在他的果蝇系谱培养（Pedigreed cultures）中有一个白眼雄蝇出现在红眼果蝇的正常种群中。

这一个简单的事实、在实验室培养（物）中出现了单个异常的个体，却引起了一场名符其实的雪崩式的研究热潮。首先提出的问题是，这个“白眼”性状是怎样产生的。

将这一罕见的白眼雄果蝇与同一代的雌果蝇交配，摩根发现虽然F1代都是红眼，但在F2代又出现白眼雄蝇，这表示白眼的遗传因子是隐性，它必然是由红眼基因骤然变化所产生的。摩根在几年前曾访问过德弗里在荷兰的实验室，也就为这新等位基因的起源采用了德弗里的“突变”这一术语。由于德弗里的进化突变学说以及月见草突变的染色体性质，这一术语的转移引起了不利的后果，在随后的二三十年中造成了一定的思想混乱（Anen，1967；Mayr and Provine，1980）。然而遗传学家和进化论者最后都习惯了摩根赋予“突变”这词的新涵义。

在生物学的历史上还很少有像摩根与他的同事一道工作那样亲密无间。因此很难确定摩根实验室的大量研究成果或发现究竟应归功于谁。有些历史学家倾向于将几乎所有的功绩归之于他的学生和同事。这未免太过份。应当记住自从摩根于191O年7月发表他的关于果蝇研究的第一篇文章以后的两年中他连续发表了13篇有关20多个果蝇性连锁（伴性）突变型的发现与行为的文章。在发现白眼后不久又发现了两个性连锁隐性突变型：“翅发育不全”，“黄色体色”。毫无疑问摩根在很早就阐述了孟德尔遗传的大部分机制，这些都是他本人所作的贡献。正如穆勒（Muller，1946）所说的：“无论将来会怎样重写和重新评价果蝇研究开始阶段的历史，摩根对交换现象的论证以及基因相距愈远交换也愈频繁的观点就像一声春雷，其重要意义绝不下于孟德尔学说的发现，这一点必然仍旧会被公认。”我在这里所要强调的是摩根本人单独地对连锁和交换问题作出的贡献，因为以后的讨论重点放在问题上而不是果蝇实验室中每个人的特殊贡献。摩根和他的同事在哥伦比亚大学的“果蝇室”中培养了成千上万的果蝇。他们在仔细审查这些果蝇中发现了新的突变不断出现。摩根很快（191O-1911年冬）从哥伦比亚大学的未毕业学生中挑选了斯特体范特（Alfred H,Sturtevant）和布里奇斯（Calvin B．Bridges）两人到他的实验室工作，后来穆勒（H．J．Muller）也参加了这个研究小组（他还在摩根指导下攻读学位）。这个小组的亲密协作是生物学中的一段轶史佳话；“在科学实验室中过去很少有如此激动人心的气氛和如此的持续热情。这主要是由于摩根本人的态度，他将热情和批判精神融合在一起，大度、胸襟开阔并具有幽默感”

（Stuvtevant，1959;1965a ）。

在短短的几年之内传递遗传学的一切主要方面都被摩根和他的小组阐明清楚。凡是贝特森、德弗里、柯仑斯，凯塞尔（Castle）以及其他早期的孟德尔主义者所没有找到的正确答案（实际上是没有提出正确的问题）都由摩根小组出色地完成了。其所以如此，一个重要的原因是摩根虽然是胚胎学家出身，但是他将基因生理学和个体发生问题扔在一边，审慎地倾注全力于传递遗传学。他没有去臆测遗传定律而是探究事实和这些事实的最简单的可能解释。他是一位彻底的经验主义者。

等位基因

孟德尔充分了解表现型性状是成群出现，在他所选用的性状中则是成对出现。1900年以后的研究工作证实了对应于某个表现型状的物质基础可以有二者择一的表现形式或表达。将之直译成希腊文，这些二择一的（决）定（因）子就是“相对基因”

（allelomorphs，贝特森的术语）或等位基因（alleies）。孟德尔遗传中这样的一些表现型性状的二择一定子的发现便对变异的起因问题能作出完全新的解释。这使人联想起豌豆的光滑对皱皮、黄与绿，或者其他的类似成对性状可能有相同的物质基础。等位基因所表一现的性状应当格好是同一遗传物质的两个译本。

1904年法国库恩奥（Cuenot）在家鼠中发现一组性状可能有两个以上的等位基因；例如在家鼠这一特殊情况下其皮色可能是灰、黄、黑色。贝特森、凯塞尔、Shull、摩根以及其他遗传学家后来也发现了这类复等位基因现象。人类的ABO血型就是人所共知的例子。Sturtevant（1913）首先解释了复等位基因现象，将之归因于同一基因（座位）的各种可供选择到状态。这完全否定了贝特森的基因作用的有或无学说（Presence－absence tbeory）。在某些特殊情况下一个基因有50个以上的等位基因，例如牛的血型基因以及植物的某些亲合性基因（compatibility genes）、脊椎动物的组织亲合性基因。和孟德尔定律相符，在某一配子中永远只有单个等位基因，但在受精时它能够和存在于种群基因库中的许多不同的任何一个等位基因结合。在遗传学历史上后来还发现在某些杂交中基因的行为与等位基因相似而在其他杂交中则并不如此（拟等位现象，pseudoallelism）。Lewis及Green对这类情况的分析使人们对基因本质的认识更深入了一步（见下文）。

摩根研究小组对果蝇的白眼基因以及果蝇的其他突变型的研究明确地证明了一个基因可以突变成另一个等位基因，后者又能突变成第三、第四个等位基因。同样值得注意的是这些突变步骤是可逆的，白眼果蝇偶尔也能产生红眼后代。也许最重要的发现是某个基因一旦产生了新等位基因，这新的等位基因就一直保持不变，除非其后代之一发生了新突变。因此基因的特点是，它的几乎完全稳定性。基因突变的发现并不是退回到软式遗传，恰恰相反，这证实了遗传物质是基本固定不变的。可以这样说，这是硬式遗传的决定性征明，即尽管遗传物质直其内在的稳定性，然而它又具有进化演变所容许的突变能力。

很快就证实了一切其他生物都能突变，从人类和其他哺乳动物到最简单的动物、各种植物、甚至微生物。事实上从1920年直到195O年研究突变似乎是最有希望的、能阐明遗传物质本质的研究路线。突变过程的研究同时也提出了一些难于解答的问题。在突变时基因究竟发生什么变化？能不能在控制条件下（即在实验条件下）产生变异？德弗里早在1904年就提到“X射验和镭射线都能穿透生物细胞，可以用来改变生殖细胞中的遗传颗粒”（Blakeslee，1936）。自从1901年以后一直试图通过X射线，镭射线，温度骤变（温度休克），或化学药品等办法诱发突变。由于各种技术上的缺陷（异源性物质，试样数量小等等），起初都没有得到明确结果。通过穆勒百折不挠和独创精神倾注全部心血进行研究一直到1927年才取得成功。

性状自由组合与连锁

孟德尔的重要发现之一是“杂种（组合）中的每一对不相同性状的行为与两个亲本植株的所有其他差异无关”（1866：27）。现在我们一般将之称为性状自由组合定律。

例如，孟德尔将含有圆形黄色豆粒（这两个性状都是显性）的豌豆品系与具有皱绿豆粒（两者都是隐性）的另一个豌豆纯育品系杂交。他在几代采得的圆黄豆粒与皱绿豆粒的比值不是3：1。在这个特别试验中他总共采得556个豆粒，其中315个为圆黄，101个皱黄，108个圆绿，32个皱绿，比值接近9：3：3：1。因而每一对性状（圆对皱，黄对绿）的比值为3：1（圆、黄为显性），但是这两个性状却是彼此独立进行分离。孟德尔发现他试验的其他五对性状也是如此，因而一度认为所有性状都遵从这一自由组合定律。

如果细胞核只是一个装满成对微芽的口袋，在配子形成之前这些成对微芽将会分开并独立分配，孟德尔的这一发现就很自然，不值得奇怪。然而由于细胞核物质是组织成染色体的，而染色体在配子形成时又是作为一个整体进行分离，所以就不会有比染色体数目更多的独立性状对。孟德尔的七个性状自由组合这一点和事实相符，因为后来过了很久之后发现豌豆恰好只有七对染色体（见下文）自从重新发现孟德尔定律后进行了越来越多的杂交试验，在这些试验中发现了与自由组合不相符的例外（首先是柯仑斯于1900年在紫罗兰中发现的，其他的是由贝特森小组发现），然而由于下面即将提到的原因这类例外很难解释。在白眼果蝇中性别和眼睛颜色并不自由组合这一情况很快就被摩根发现。当他将F1代果蝇杂交时，F2代果蝇中红眼与白眼的比值为3：1，但所有的白眼都是雄果蝇，而在所有的红眼果蝇中雌雄比2：1（见图2a）。在其他的一些杂交中，结果更出人意料。例如白眼雌果蝇与正常购红眼雄果蝇杂交时，所有的雌性后代都是红眼，所有的雄性后代都是白眼（图2b）。

图2a红眼母本的F1代雄蝇具有母本X染色体为红眼。由于正常孟德尔分离，50％的F1雌蝇的F2雄蝇又为白眼

图2b在互交（正反交）中，F1雌蝇接受了母本的X染色体。如果母本是纯合隐性白眼，其全部雄性后代将均为白眼，尽管其父本为红眼很明显，性基因和眼的颜色基因并不自由组合。

摩根在1910年根据上述观察断定眼睛颜色因子（从红色突变成白色）是和决定性别的X因子互相偶联的。一年以后（1911：384）他特地从染色体的角度来解释这类性状偶联现象：“我们发现的不是孟德尔意义上的随机分离而是在染色体上相处很近的“因子联合”（association of factors）。细胞学提供了实验证据所需要的机制。”其他的一些突变，例如黄体色和小形翅也是：和性别连锁的，也就是说位于性染色体上。其他的性状连锁群和性别无关，显然是处在果蝇的其他染色体上，这些染色体被称为常染色体或普通染色体（和性染色体区分开）。

德弗里、柯仑斯、波弗利和瑟顿实际上也早已从理论上预言过连锁现象。他们是根据染色体的个体性和（通过细胞有丝分裂周期的）连续性进行推理的。

不分离

布里奇斯（摩根小组的成员之一）干1914年为染色体遗传学说提供了一个更有说服力的证明。当一个白眼雌果蝇（在两个X染色体上都具有隐性白色等位基因）和一个正常红眼雄果蝇（在其单个X染色体上带有显性红色等位基因）进行杂交时，F1代产生相同数目的杂合性红眼雌蝇和白眼雄蝇。这是两个亲本的遗传组成所决定的，必然如此。

但是在摩根的实验室中出现了一种异常的果蝇品系，在这样的杂交试验中这一品系的果蝇在其F1代中约有4．3％是白眼雌蝇和红眼雄蝇。关于这试验的细节和解释，在经典遗传学教科书中都有详细介绍，这里不再重复。布里奇斯曾设想这一品系的雌果蝇不仅有两个X染色体还有一个雄性Y染色体。这一XXY雌果蝇可能是当一个具有两个XX染色体的异常卵子（由于减数分裂中的差错）被一个Y精于授精后产生的。当这样的一个具有三个性染色体（两个X，一个Y的个体在形成配子时，或者这两个X染色体进到不同的配子（卵子）中，形成X和XY卵子（实际上所形成的配子中91．8％就是这种情况）多或者是两个X进入一个卵子，Y进到另一个卵子，形成XX和Y卵子（约占8．2％）。经过正常的、带有X或Y的精子授精，XXX和YY合子不能生存而死亡，然而有少数的特殊红眼雄蝇（XY）和白眼雌蝇（XXy）产生（见图3）。布里奇斯的设想后来由细胞学观察证实，即证实了这一品系的果蝇有XXY雌蝇和XYY雄蝇存在。

在此以前（Wilson，1909）和以后，还先后发现了一些不分离现象，包括个体含有额外的常染色体。例如人类中有三个21号染色体，被称为由于不分离的21号染色体三体，它是唐氏先天愚症（Downs Syndrome伸舌白痴）的原因。在很多种植物中有的个体具有额外的染色体（三体）或失去了一个常染色体（单体）。这些个体能够生存并被用来研究同一基因的各种平衡效应。例如曼陀罗属12对染色体的任何一种三体不仅能够存活并且有特殊的形态。烟草属23对染色体的任一种单体也是如此。

布里奇斯这项研究的重要意义在于它第一次提供了性连锁基因是由X染色体携带的直接证明。他的结论在后来一再被证实。自此以后就更加没有理由反对染色体学说，虽然还有少数学者，如贝特森和Goldschmidt，仍然怀疑，甚至摩根也在一定程度上表现模棱两可。

17．8　减数分裂（成熟分裂，Meiosis）

1902年以后，虽然有一些生物学家随意谈论染色体遗传学说，但是它的准确涵义究竟是什么当时并不十分清楚。大多数人指的是茹（Roux）提出的意见，即各个不同的遗传因子（现在应当说基因）在染色体上的直线排列。然而这并不是问题的全部。细胞学家在1870年代到1890年代发现了许多肯定与遗传有关的染色体现象。1900年以后对这些现象进行了系统研究，尤其是摩根研究小组在1910年以后的研究，这大大促进了染色体学说的发展。

下面从染色体在配子形成时的行为开始介绍。卵子的细胞核和精子都是“单倍体”，也就是说它们具有的染色体数目是（二倍体）体细胞染色体数目的一半。在配子形成时染色体数目是怎样减成一半的而且这又怎样会影响遗传？

减数分裂（Reduction division）

Van Beneden（1883）发现当蛔虫的卵在受精时雄虫精子的两个染色体和卵子细胞核的两个染色体联合，形成具有四个染色体的合子的新细胞核。这个受精后的卵细胞在随后的卵裂中所产生的每个细胞都含有四个染色体；这每个细胞是“二倍体”，其染色体数目是配子的二倍。如果在每次受精中染色体数目都增加一倍，则子代的染色体数将比亲代多一倍，如此一来，每个细胞很快就会具有成千上万的染色体。很明显，在受精作用中必然有某种过程抵销染色体数量的成倍增长。Strasburger（1884）和魏斯曼曾先后提出在配子形成以前必须进行“减数分裂”。波弗利（1887－1888）也同意魏斯曼的意见，后来赫特维克在1890年对这减数分裂过程作了详尽而又正确的描述。

细胞学者发现动物在形成配子时发生两次连续的细胞分裂，它们和正常的有丝分裂十分不同，后来将之称为减数分裂或成熟分裂（me1os1s）。在减数分裂时究竟发生了什么勒化（或者更确切地说染色物质是怎样减少的）这个问题却长期争论不休无法解决。

当时很快就被大家公认的唯一事实是卵母细胞和精母细胞（即最后发育成卵子和精子的细胞）的染色体数目和一般的体细胞相同，都是二倍体；而由减数分裂产生的配子（卵子和精子）的染色体数则只有原来的一半，是单倍体。当减数分裂的实质被充分了解了以后才知道卵细胞的细胞核的成熟和精子的完全相似；但是乍一看这两类细胞的成熟过程却十分不同，因而在下面将之分别介绍。

每个细胞核的染色体组是由一对同源染色体组成，其中一个来自父本，另一个来自母本。在第一次减数分裂时，这一对同源染色体彼此从侧面贴得很紧，这种配合成对的过程称为“联会”。起初对这种配对过程所发生的一切细节完全不清楚；两者彼此贴合得如此密切，以致显微镜观察分析无法确定在第一次减数分裂；的前期究竟是怎样一回事。几乎又过了30年才通过遗传学分析对这过程基本研究清楚（见下文）。波弗利和赫特维克所观察到的是终变期（浓缩期）之后的染色体分开，正像正常有丝分裂时那样。

在卵细胞中这分裂是在卵的外周进行，有一组子染色体（daughter chromosomes）以单个极体的形式被排除。

减数分裂的第二次细胞核分裂很特殊，因为只是核分裂而染色体并不分裂。结果是有一半染色体进入子核，另一半进入另一个细胞核。在蛔虫，染色体数目就因而从四个减少到二个。这第二次分裂被魏斯曼称为减数分裂（reduction division）。在卵细胞中的两个子核之一又作为第二个极体被排除。

雄配子形成时也发生同样的两次核分裂，所不同的是没有子核以极体形式被排出。

反倒是形成了一组四个精子，它们是从进．人减数分裂过程的精母细胞中的一个细胞核产生的，这一点赫特维克（1890）早已指出过。由于在第二次减数分裂中染色体数目并没有增加一倍，所以这四个精子的染色体数目同样也只是二倍体的体细胞的一半。我在这里所介绍的只是减数分裂中所发生事态的最后解释，全部过程的细节是由VanBeneden，赫特维克，魏斯曼以及其他人的发现和解释联缀而成；Churchill（1970）曾就对这一问题的认识发展过程作过精采的阐述。起初，赫特维克和魏斯曼在解释上彼此意见分歧很大，这有两个重要原因。赫特维克多少相信融合遗传，父本和母本的染色体在受精时彼此融合，他认为在每次细胞分裂后染色体被溶解，在下一轮细胞分裂前又重新由染色颗粒组成。就地看来，极体的排除单纯是染色物质的量的减少。相反，魏斯曼则认为受精后父本和母本的染色体一直分开，他还认为每个染色体在有丝分裂、减数分裂以及随后的静止期的全部过程中都保持连续性。在这两个问题上魏斯曼的设想后来都证明是正确的。从上述争论中得出的最重要结论是，被卵排出的极体所含的染色体的含量和存留在卵细胞核中的完全相同。因而在形成雌、雄配子时的细胞核分裂（减数分裂）也完全相同，尽管在雌性中最后结果是形成一个卵和三个极体，在雄性中是形成四个精子。虽然赫特维克和魏斯曼公开争论的是细胞学方面的技术性细节，但正如Churchill（1970）很有见地地指出的那样，实质上却是由他们的立场、概念不同所决定的。赫特维克代表了物理主义者生理学阵营，魏斯曼则代表形态学颗粒论分子学派。

我们也可以用遗传学的术语来表达减数分裂的细胞学内容。假定新合子的形成是由于父本和母本染色体组汇合的结果，其中一个染色体具有等位基因A（来自父本）和一个具有等位基因a的染色体（来自母本）相匹配产生合子Aa。从这个新合子的第一次卵裂开始，这两个同源染色体就将一直保持配对，在发育中的生物的所有体细胞都将是杂合的Aa。只有在配子形成时的第二次成熟分裂（减数分裂）时这两个同源染色体才分开，形成同等数目的具有基因A的配子和具有基因a的配子。至干哪一个染色体进入到子细胞中去则纯属偶然（见下文）。这样一来孟德尔的分离定律就能被受精作用和配子形成时所观察到的染色体行为圆满地加以说明。减数分裂介绍到这里可以很好地解释连锁和分离现象，但是到此，问题还没有结束，还不能解释前面所指出的不完全连锁现象。但这可以用减数分裂中的另一种过程、交换来说明。植物的减数分裂就染色体而言和动物的相同，但通常发生在生活史的一个不同阶段（孢子形成之前）。

交换

由于任何生物的性状及决定这些性状的遗传因子远远超过它所含染色体的数目，所以从一开始就有人（Correns，1902；Sutton，1903，）认为每个染色体必定携带有几个（如果不是许多）基因。这一点很快就被摩根研究小组证实。然而连锁群（每个连锁群和某个特定的染色体有关联）的发现又提出了新问题。如果一个染色体上的所有基因都紧密地连锁在一起，那么一个生物将会只有它所含有的染色体的数目那样多的独立遗传单位。这就会对重组施加极大的约束。德弗里（1903）在研究F2代杂种时所得出的结论是，F2杂种的重组的可能机会远不符合全面连锁的观点。因此他提出在减数分裂的第一前期中成对的亲本染色体发生“单位交换”（exchange of units）。至于“有多少和哪一些（单位将会交换）则可能纯属偶然”（1910：243），这表明交换总是相互交换。波弗利也曾预言过这类交换（1904：118）。遗传学分析很快就证明了同一个染色体上的基因连锁是不完全的。贝特森，Saunders，Punnett（1905）首先进行了这类观察研究。在香豌豆（Lathyrus）的两个变种（花色和花粉粒形状彼此不同）杂交后的F2中，他们既没有得到预期的9：3：3:1的比值，也没有发现简单的3：1比值，却发现了69．5％的双显性个体，19．3％双隐性个体，以及两类5．6％杂合子。显然这两个性状的基因既不自由组合又非完全连锁（有11％例外）。贝特森曾提出过一个特别假说来解释这一现象，但由于他不相信染色体学说，所以也就没有考虑交换。

过去常常有人提起孟德尔没有遇到连锁现象真是一件怪事。豌豆（Pisum sativum）只有7对染色体，孟德尔也正好研究了7对性状。它们没有连锁起来是不是运气好从而为孟德尔减少了一项额外的麻烦？看来并不是这样。我们知道孟德尔在正式着手他的豌豆试验之前曾经花了几年时间进行预备杂交试验，他很可能将在几代不显示自由组合的一些性状（或至少是成对性状中的一个性状）弃置不顾。也可能是他由之取得试验材料的种子商偏爱自由组合的那些性状。最后，某些基因的基因图距（离）足够大，即使是都处在同一个染色体上也能显示自由组合现象。

当摩根研究小组开始集中力量分析果蝇的遗传结构时，不符合完全连锁的例外情况成为一个严重问题。摩根及其同事发现，断裂连锁的幅度很大．有时可以低至1%，这样的变异性怎样解释？

举一个特殊情况为例。有一组三个隐性基因-黄（体）色（y），白眼（w），小翅（m）-位于果蝇的X染色体上。如果一个具有这三个基因的雄蝇和一个正常雌果蝇杂交，可以预料这三个隐性基因将以连锁群的形式在F2代中出现。实际上黄色和白眼的连锁在果蝇中有1．3％断裂，白眼小翅连锁有32．6％断裂，黄色小翅连锁有33．8％断裂。怎样解释这些数字？

这些例外情况的数值通常多是按德弗里提出的单位交换的随意性这种偶然过程来解释。但是根据1900年代早期的细胞学研究可以作出不同的答案。自从波弗利和赫特维克的开拓性工作以后的20年对减数分裂细节的研究已取得长足进展。在第一前期中染色体（染色物质）的变化至少可以分为6个阶段。其中有一个阶段两个成对的染色体仍然很细，但是每个染色体已分开成染色质丝（染色单体），即所谓四线期。这两个染色单体彼此反复交叉形成波状环。

比利时细胞学家Janssens（1909）指出，当四个染色单体彼此盘绕在一起时，一个父本的和一个母本的染色单体可以在它们彼此交叉处断裂，断头在重新连结时总是父本单体的断头连在母本单体的断头处，反过来也是如此。另两个染色单体仍然保持完整。

这样一来就形成了一个“交叉”（chiasma），在减数分裂第一前期的后期阶段是成对的两个染色体保持接触的地点。按Janssens的观点交叉表示一个父本的和一个母本的染色体的交换。最后结果将是一个由父本和母本染色体的片段组成的新染色体。摩根小组所研究的不完全连锁和Janssens的观点相符。

交换过程是如此复杂以致差不多花了30年时间最后才能决定哪一种解释是正确的（见Whitehouse，1965。这是值得一读的一本书）。然而现在已充分证实交换发生在四线期，涉及四个染色单体中的两个单体。另外还证实在四线期一开始就发生交换（Gred，1978）。

摩根和他的助手斯特体范特LewiS，1961）认为源于交换的不完全连锁的份额表示遗传因子在染色体上所处位置之间的．直线距离。染色体在两个基因之间断裂的机会（也是交换的机会）取决于这两个基因在染色体上的距离；距离愈近，断裂机会愈少。

根据这一推理斯特体范特（当时年仅19岁！）推算了基因在染色体上的位置和顺序并制出了普通果蝇（Drosophilamelanogaster）的X染色体的第一份染色体图（发表于1913年）。他由之证实了当时所知道的这一染色体上的基因是沿着染色体作线性排列的。

在早期的实验中有一些结果相互矛盾。穆勒（Muller，1916）指出在一个长染色体上可能发生双交换而且交叉的存在将干扰在染色体上与交叉邻近处的进一步交换。考虑到这两种新发现的现象（双交换与干扰）就排除了上述矛盾，摩根的一些反对者正是利用这些矛盾来怀疑交换学说的正确性。

遗传现象的染色体学说现在已经可以用基因学说（Morgan，1926）来补充。1915年前后摩根及其同事研究了一百多种突变型基因。它们分成四个连锁群，和果蝇的四个染色体非常一致。连锁群的染色体实质的间接证明至此便告完整。然而一直到1931年Stern才运用某些异常基因（X基因片段贴附在第四个小染色体上）为交换提供了细胞学证明。同一年Creighton和麦克林托克（1931）在植物（玉米）方面也提出了类似证据。

后来玉米成了细胞遗传学的优良研究材料。虽然它没有后来在果蝇研究中非常有利的巨型染色体，但是它所含有的全部十个染色体在形态上都不同，而且有时还有额外的染色体存在。麦克林托克利用玉米的这些特点进行了30多年艰苦而又出色的研究来解释基因的作用；这一解释虽然内容丰富而又具有独到见解却一直等了很多年在分子遗传学家得到了相同结论之后才被举世公认。

这里所介绍的有关交换现象的历史是过于简化的，漏掉了很多复杂问题。例如交叉（由交换产生的染色体断片之间的桥梁）的实质一直长期争论不休。每一染色体臂上的交叉数目极不一致，事实上在某些情况下并没有交换现象，例如雄果蝇。关于第一次减数分裂中染色体的确切复制时间以及形成交叉（染色单体断裂及癒合）的确切时间，甚至交叉的存在是否总是表示交换现象都有很多争议。最重要的是，染色体中不同的染色单体的行为更是众说纷坛莫衷一是。因而作为解释交换现象的Janssens和摩根的断裂并合学说（breakase－fusion theory）并不被某些学者接受，例如Belling又另行提出了“副本选择”学说（copy-choice theory），Winkler提出“基因转变”学说（gene－con－version theory）。虽然这两种学说最后都没有得到公认，却促使人们进行了大量试验从而对交换现象以及基因的本质有了更深入的了解。现在还没有这三种学说的比较研究历史着作。对这些技术上的详细情况必须参阅细胞学和遗传学教科书。（另见Grell，1974）。重要的是，一切看来是例外的情况最终都能按经典染色体学说加以解释。

对进化过程来说由交换而实现的染色体重建非常重要。它是父本和母本基因相混合的有效机制，并通过产生基因在染色体内的新组合来提供非常丰富的新遗传型（其数量远远超过由突变所提供的）以便自然选择发挥作用。

染色体另外一个作用是能促进重组（recombination），即在成熟分裂的减数分裂中父本和母本染色体的独立运动。1902年以前普遍认为父本和母本的染色体组作为各自的单独单位运动。例如某些学者以为在卵细胞的成熟分裂时所有的父本染色体都以极体的形式被排除，然后通过受精由来自父本的新染色体组代替。如果真是这样，单性生殖卵在成熟时就不会产生极体，然而波弗利证明单性生殖卵不仅产生极体而且极体形成的方式和有性生殖卵的没有任何不同。另外，杂合的雌体产生具有父本基因的配子。最后，CarotherS（1913）发现在具有大小不同的（异形性）染色体组的物种中，较大的染色体随意向两极运动。这是父本的和母本的染色体组并不作为单一的单位进行分离的决定性证据。然而有一种罕见的遗传现象、“减数分裂驱动”（mciotic drive），阻止染色体任意移向两极。这能说明在某些情况下种群中保存了在其他情况下有害基因的现象。

染色体重排

染色体在形成交叉时偶尔会完全断裂，然后再按新的方式重新组装而不仅仅是在断裂处并合在一起。如果发生了两次断裂，中间的一段可以倒转过来，这就是染色体“倒位”。如果着丝粒不在倒位的染色体节上就是臂内倒位；如果着丝粒包括在这个染色体节内就称为臂间倒位。当染色体的某一片段断裂下来后附着在（或插入）另一个不是同源的染色体上就出现“易位”（现象）。有时也发生“不（相）等交换”，形成两个子染色体，其中一个染色体有重复，而另一个有缺失。两个（具有近端着丝粒的）染色体可能并合或一个（具有中间着丝料的）染色体可能进行分裂，这样的变化称为罗伯逊重排”（Robertsonian rearrangements）。最后，“多倍性”指的是多于染色体组基本数目两倍以上的染色体。所有这些染色体变化在进化上都具有潜在的重要意义，但丝毫也没有降低染色体遗传学说的价值。具有遗传影响的染色体重排往往称为“染色体突变”。我在这里没有逐一介绍这些染色体突变的发现历史，因为这对了解染色体进化并无意义。

17．9　摩根与染色体学说

某些历史学家声称摩根及其研究小组是染色体遗传学说的创始人这种说法显然并不正确。染色体个体性的证实（这主要是波弗利的贡献）、茹的关于染色体必定是由不同性质的遗传颗粒直线排列而成的论点、以及孟德尔分离现象的发现，可以说必然会在1902－1904年导致瑟顿-波弗利的染色体遗传学说。这一学说提出后几乎立即就被大多数细胞学家接受，因为这只不过是以前20年细胞学发展的必然产物。

鉴于这学说的说服力极强却又遭到强烈反对（甚至包括最着名的遗传学家如贝特森·约翰逊，起初还有摩根），这不能不使历史学家感到相当迷惘。这显然涉及到生物学中两个主要学派之间根深蒂固的概念分歧。由于染色体学说是间接地根据许多不同的事实推论而得，而反对者所要求的则是证据，特别是实验证据。后来摩根小组及其他学者虽然提供了这些证据，但已是1910年以后的事，发生在摩根从染色体学说的反对者转变成支持者的时候。

摩根从1903年到1910年在一些着作和论文中曾尖刻地攻击染色体学说（Allen，1966）。他的反对论点很多，首先一点是这学说只是“推论”，缺乏实验根据。摩根认为凡是没有被实验证实的就算不上科学。他非常轻视“哲理化”。尤其重要的是，提出性状是由颗粒控制而且这些颗粒又位于各个不同的染色体上是和他的生物现象学说（见下）完全冲突的。

然而到了1910年摩根几乎在隔夜之间转变成染色体学说的主要支持者之一并提供了一些具有决定性的有利证据。怎样解释摩根的这一急剧转变？这一急剧变化从他在转变前后所发表文章的日期得到证明。

1910年8月“美国博物学家”杂志发表了一篇摩根（1910a）激烈攻击染色体学说的长达48页的论文（论文收到日期是2月），这正是在摩根的着名“白眼”论文（1910b）发表（7月27日，收到日期7月23B）之后的三个星期，这后一篇文章有助于摩根放弃他对染色体学说的反对态度。

1910年摩根是48岁，素以坚持己见着称；和贝特森相反，当新的实验表明他原先的解释不合适时他能够改变自己的想法（在一定程度上！）。然而摩根的思想显然还受到他周围智力（理智）环境的影响。他的一些发现证实了几乎10年前他的朋友和同事威尔逊（E．B．Wilson）向他陈述的意见。威尔逊的论点又被摩根出色的青年合作者队伍所深化。这些年轻人的特色是天资和性格的多样化，没有摩根的19世纪偏执。摩根小组成员的主要特点曾由Jack Schultz（1967）——他也是摩根小组的后期成员之一——作过如实的刻画：“摩根的怀疑态度和穆勒的系统观点……斯特体范特的卓越分析能力和布里奇斯的出色实验技巧。”这个小组的所有年轻成员，其中大多数人成天关在那小“果蝇室”内，都在摩根的领导下工作。在这个小组的四个成员中究竟是谁在哪些特殊方面强化或充实了染色体学说已无从查考，而且也无关紧要。研究摩根的史料专家是斯特体范特（1965a）和Allen（1967；1978），研究穆勒的是Carlson（1966；1974）和Roll-Hansen（1978b）。由于这些“果蝇室的居民”的多样性，他们非常融洽妥贴地相互补充并且作为一支队伍十分自如地运用假说一演经法。1911年以后很可能是穆勒，布里奇斯和斯特体范特提出大部分假说，而摩根则一如既往地坚决要求这些假说必须通过实验彻底地加以检验。

虽然摩根本人曾经发现（并正确地进行解释）交换现象以及基因学说的其他必需证据，然而也有很多间接证据表明他多少是一个勉强的“转变者”，有时还愿意溜回到他原先在1910年以前的思想中去。一直迟至1926年他放弃了物理主义者的偏见却又声称研究遗传现象的学者关于基因的一切结论皆来自“数字的和定量的数据……基因学说……完全由数字数据求出基因的性质（就这学说所赋予基因的性质而言）”，就好像，在染色体上的位置就是基因的唯一性质！

关于染色体学说的发展和迅速累积的遗传学数据的一致性早在1915年就由摩根、斯特体范特，穆勒和布里奇斯在他们合着的《孟德尔遗传学的机制》一书中非常明确地阐述过。因此为什么贝特森、约翰逊等还继续反对染色体学说就令人费解，为什么摩根的两个最亲密助手、斯特体范特和布里奇斯不仅没有忽视这学说反而感到需要用更新的实验来论证染色体学说的正确性。他们醉心于探索各种表面上的例外或矛盾情况，以便证明这些情况他们都可以用染色体学说加以解释。有人曾感到奇怪，他们为什么不像穆勒那样阖上书本去研究新问题。就我看来，从1915年到1930年在果蝇遗传学上具有高度创见和一丝不苟的研究工作基本上并没有对瑟顿-波弗理学说提出任何重要修正。反而这些研究却论证了这学说的正确性并指陈了它在生物学上的重要意义。

至于染色体学说为什么道到如此激烈的反对这个问题从研究当时的文献资料就可以找到答案（Coleman，1970；Roll-Han sen，1978b）。染色体学说不仅仅是生物学知识大厦的只石片瓦，更重要的倒是它是检验生物学中两种根本不同的哲学或两种对立的世界观的一个例证。在受精作用的实质上（接触或融合）以及19世纪的一些其他争论（例如细胞核的起源）上也都表明了这两种学派的分歧（另见Coleman，1965；Churchill，1971）。按1910年当时的情况很难说清这两个对立阵营。我有这样一种印象，即一方是物理主义者一后生论者一胚胎学家阵营，另一方是颗粒论者—先成论者—细胞学家阵营。

我这样划分时所用的称呼与1910年时的情况可能并不贴切。例如在1800年以后对任何一个人贴上先成论者的标签就十分容易引起误解。物理主义者原则上是极端的还原论者，但在这里他们分析入微的程度还不及颗粒论者。物理主义者也是机械论者，颗粒论者亦复如此。物理主义者总是搜索运动和力；他们偏好“动态”解释；他们企图将一切（定）量化并用数值表示。颗粒论者则按性质上不同的颗粒来解释生物学现象，按结构、形态、独特性、历史变化以及种群方面来解释。他们的“物质性”解释促使他们求助于分子（因而是化学）而不是力（从而不是物理学）。

人们在怎样称呼这两个阵营最确切这一点上可能有争议，但对它们在解释生物现象本质这个问题上根本不同这一点上则都是一致无疑的。贝特森、约翰逊以及摩根起初都是物理主义者，如果染色体遗传学说是正确的，这就意味着要否定他们自己的概念结构。

我将试图说明这在总体上或特殊问题上都是如此。

物理主义者对必须承认或接受颗粒（性）基因观点感到惊诧不安。对他们来说这无异于先成论以现代打扮复活。先成论与后生论之间的争论如果是以雏型人（homunculus）与活力（visviva）的形式相争当然早已结束。虽然在胚胎学诞生（1816－1828年左右）之后先成论的雏型人观点由于过于荒谬已不再被人考虑，但是自从生物学家意识到遗传现象的精确性后，后生论的一般化活力或发育力也同样站不住脚。对茹，魏斯曼和波弗利来说，遗传的精确性显然要求提出种质的结构，即遗传物质在结构上的复杂性，后来表现为瑟顿-波弗利染色体学说。物理主义者难于理解如果不是返回到Bonnet的朴素先成论怎么可能相信这样的观点。

对立面的一个比较充分的反对理由来自胚胎学。1883年茹提出的遗传物质等量分裂学说从表面上看来很快就被茹本人的镶嵌发育论点以及细胞谱系研究的结果所否定。

1890年代一个又一个的胚胎学发现似乎更容易被魏斯曼的种质不等分裂学说解释清楚，而孟德尔的均等分裂却难于解释。发育现象与瑟顿—波弗里学说之间的表面矛盾经过几十年的分析研究和概念更新才最后解决。

另外的一个反对理由来源于第一个颗粒遗传学说过于简单。在1900年代早期对遗传型和表现型之间的区别还并不清楚。虽然先成论的雏型人学说已被彻底否定，但在某些胚胎学家和遗传学家的思想中它却被另一种模式代替，即生物的每一个性状是由种质中的某一个特定遗传因子代表的。遗传型可以说成是微型的表现型，虽然不是雏型人却是遗传颗粒（不论是微芽、泛子或其它）的镶嵌，每个镶嵌相对于表现型的特定部分。这种想法表现在早期孟德尔主义者的“单位性状”概念中。德弗里（1889）特别指出泛子从细胞核移入细胞质，并在细胞质中发挥发育作用。因此体质是由发育后的泛子组成。

就物理主义者来说，这就是遗传现象的形态学说明，在原则上和古老的雏型人概念并没有什么不同。贝特森和约翰逊按照他们自己的观点特地批判了染色体学说的形态学解释。

曾经使魏斯曼、赫特维克以及德国胚胎学家困惑不解的传递与发育之间的关系也起了作用。摩根及其小组决定将这两个问题分开进行研究并从传递遗传学着手。贝特森和其他反对细胞学说的学者则继承了魏斯曼传统，需要有一种同时能够解释传递和发育的遗传学说。在身体各种各样的组织和器官中含有完全相同的染色体（具有直线排列的颗粒性基因）就他们看来和所观察到的发育现象并不相符。

只要无法区分遗传型和表现型，颗粒论者就不得不按遗传因子和体质性状之间一对一的关系的某种先成论考虑问题。某些承认单位性状学说的学者认为某个生物有多少性状就有多少遗传因子。因而以一贯性和逻辑性着称的魏斯曼主张在一切发育阶段中不同的性状必然有不同的定子，例如不仅是成蝶翅膀上的可以独立变化的每一性状而且同样还有毛虫的每个性状都有其定子。由于或多或少地认为遗传物质通过繁殖与生长直接转变成表现型是理所当然的事，所以这不单是一种逻辑结论而且可以说是一种必然的结论。

因此当凯塞尔发现表现型发生变化时（现在知道这是由于修饰基因的作用），他就只能按与一个基因一个性状假说相一致的观点来解释，并促使他提出了“污染学说”（见前）。

基因多效性（Pleiotropy）和多基因（Polygeny）的发现（见下文）最终导致了“单位性状”学说被否定（或至少是被大大修正）。这就使得染色体学说的追随者摆腕了粗俗的先成论影响从而有利于缩小两个阵营之间的鸿沟。然而这场论战毫无疑问是以颗粒论者轻而易举地取得胜利而结束。颗粒论者的学说最后被称为遗传的分子学说。

Carlson（1971）坚持认为穆勒在概念上是一位分子遗传学家，这当然是正确的，但穆勒并不是第一人。在穆勒以前的魏斯曼，德弗里和其他人早在1880年代就毫不含糊地提到遗传现象的分子基础。

必须强调的是这只是对两个阵营的争论和立场的极其简略的介绍。每个参与者，例如贝特森、约翰逊、赫特维克和摩根都各有自己的特殊混合观点，实际上有时是相当不合逻辑的、彼此矛盾的混合观点。然而染色体学说或者与他们的生物概念相一致，或者不一致。如果不一致，他们就必须或者反对或者放弃长期珍视的信念。贝特森和约翰逊无疑是最顽固的科学家。

染色体研究

在波弗利和E．B．威尔逊以后，染色体研究仍然非常富有成果。细胞遗传学、即染色体研究的发现和遗传学研究的发现两者的集成综合，由于下列工作而迅速发展：麦克林托克（1929）对玉米粗线期染色体的分析研究，Heitz与Bauer（1933）重新发现双翅目昆虫的巨大多线染色体，C．D．Darlinston对遗传系统的研究，M．J．D．White的研究，以及日益扩大的细胞学者队伍的研究。1970年代染色体研究又进入了一个新的活跃时期。

这一领域的重要进展是采用了各种新技术的结果。例如目前通过组织培养（使细胞扩增），浸于低渗溶液（同样使细胞增大），秋水仙素处理（抑制纺锤体形成和使染色体收缩）等技术决定染色体数目远比过去的压片法精确可靠。又例如通过新技术使人类染色体数目从48个修正为46个。在很多研究中，诸如与人类遗传病有关基因的定位，正确鉴别个别染色体都非常重要。染色体在组成上很复杂，某些化学处理对其中不同组分的影响有区别因而在染色体上出现不同的带。根据所采用的显带技术不同可以分辨Q带、G带、R带、T带和C带（参阅Caspersson andZech 1972）。用放射性物质（氚）将活组织的染色体加以标记可以得到另一类重要信息。

这些研究中最重要的发现可能是了解到原核生物（细菌、蓝绿藻）和高等生物具有相同的遗传物质（核酸），但是由核酸组成的染色体的类型和高等生物的不一样。然而正是因为这些原核生物的DNA（或RNA）的组织结构非常简单，所以特别适合于进行某些类型的遗传学分析，尤其是基因功能和基因调节控制。因此一直到1970年早期分子遗传学的大部分研究都是采用原核生物作实验材料。

虽然目前对许多原核生物的DNA组织结构有了较多的了解，但是真核生物的染色体还很不容易分析（Cold Sprins HarborSymposia 1978）。目前还只知道DNA附着在（埋入？）蛋白质（特别是组蛋白）基质上，而且有迹象表明这些蛋白质在基因活性上具有决定性作用。然而尽管近年来已经发现了大量有关事实，就我看来，真核生物染色体作为一个整体，我们要提出一个解释它的结构和功能的完整学说还为时过早，还有很多工作要做。因此，承认遗传现象的染色体学说决不是染色体研究的结束，倒毋宁说是刚刚跨入染色体研究的一个新时代。