郭建崴

上文说到，由德弗里斯提出、经摩尔根发展的突变论在20世纪初形成了一股大有取代达尔文主义的势头。为什么会这样？还要从遗传学的突飞猛进说起。

寻找遗传的物质载体

孟德尔遗传定律的发现与再发现，得益于一批生物学家以实验手段对博物学观察手段的深入和细化。但是决定遗传规律的物质基础，也就是“遗传因子”到底是什么，还需要另外一批学者从另一个研究角度的切入。显微镜的发明和不断改进，为人类逐渐发现遗传的物质载体打开了一扇大门。

早在公元1世纪，罗马帝国的学者就已经开始用简易的玻璃镜片来放大他们的观察对象。到了13世纪，透镜已经在眼镜中被广泛使用。显微镜作为由一个透镜或几个透镜组合构成的一种光学仪器，于1590年由荷兰的詹森父子首创——虽然也有别人在争这个首创权。不过没有争议的是，“显微镜”一词与著名科学家伽利略·伽利雷有关，大约在1610年前后，他发现可以用望远镜近距离聚焦来观察小物体，并在1624年看到由德雷尔制造的复合显微镜后，制造了自己的改进品并将其称之为“小眼睛（occhiolino）”。不久后德国植物学家乔瓦尼·费伯为伽利略于1625年提交给林肯大学的复合显微镜起了“显微镜”这个名字——由“micro（意为‘微小’）”和“scopia（意为‘看见’）”两个词根结合而成。

博物学家们随后迅速地将显微镜用于生物学研究。意大利科学家马尔切洛·马尔皮吉（Marcello Malpighi）从对肺部生物结构的分析开始，用显微镜研究人体的微细结构，发现了肾小球、肾小管、红细胞、毛细血管网等结构，被一些科学史家称为组织学之父；他观察到血液通过毛细血管网，从而证实了哈维的血液循环学说；此外他还对不同植物进行了显微解剖比较研究，发现动、植物结构有相似之处。英国学者胡克（Robert Hooke，1635－1703）则在1663年通过用显微镜观察软木而证明了细胞的存在（虽然最初看到的只是细胞壁）；不久，他的《显微制图》（1665，是英国皇家学会出版的首部著作）更是因其令人印象深刻的显微镜绘图而产生了巨大的影响。荷兰人列文虎克（Antonie Philips van Leeuwenhoek，1632－1723）的重大贡献则在于用简单的单透镜显微镜实现了300倍的放大，因此发现了大量的微生物并且在1676年10月9日报道了这些发现；一年后，他向英国皇家学会提交了“汉姆先生”发现精子的报道。根据对汉姆先生发现的确认以及自己随后进行的更加深入的显微镜下观察，列文虎克坚信精子（“精液中用小尾巴游泳的小生物”）就是男性繁殖后代的“种子”——人类首次找到了遗传的物质载体，虽然当时对其形态和功能的各种解释犹如天方夜谭。

接下来的一个半世纪，众多学者对动、植物的细胞及其内容物进行了广泛的研究，积累了大量资料。1828年，因发现“布朗运动”而至今仍广为人知的罗伯特·布朗（Robert Brown，1773-1858）证实了细胞核的普遍存在并予以命名。1838年，德国植物学家施莱登（Matthias Jakob Schleiden，1804-1881)发表了“植物发生论”，认为无论多么复杂的植物都由形形色色的细胞构成；他认识到了细胞核的重要意义，还在细胞中发现了核仁。德国解剖学家施旺（Theodor Schwann，1810-1882）完全接受了施莱登的学说，并将其在植物中的发现扩展到动物中去，于1838年提出了“细胞学说”（Cell Theory）这个术语；1839年施旺又发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”，把细胞学说扩展至所有生命，提出有机体是由细胞构成的、细胞是构成有机体的基本单位。

细胞学说的创立归功于施莱登和施旺两个人，正式创立年份被定为1839年。后来在1858年，德国病理学家魏尔肖（Rudolf Virchow，1821－1902）提出细胞通过分裂产生新细胞的观点将其进一步完善。细胞学说论证了整个生物界在结构上的统一性，以及在进化上的共同起源，推动了生物学的发展，并为辩证唯物主义提供了重要的自然科学依据。因此，恩格斯把细胞学说、能量守恒和转换定律、达尔文的自然选择学说并誉为19世纪最重要的三大自然科学发现。

著名的进化论学者海克尔在1866年提出遗传物质存在于细胞核内的猜测，这个猜测随后被赫特维奇（Oskar Hertwig，1849-1922）和波弗利（Theodor Boveri，1862-1915）等学者通过研究海胆的受精过程加以证实，并且成为了新达尔文主义的提出者魏斯曼创立种质连续学说的基础。那么细胞核内的什么东西、以何形式构成遗传物质呢？染色体的发现揭开了神秘的面纱。

施莱登和施旺创立细胞学说以后，对于细胞内部结构与作用的研究停滞了相当长的一段时间，原因是由于细胞比较透明，在显微镜下难以看清其内部的详细情况。19世纪中叶以后合成染料时代的来临为揭开细胞核的秘密带来了机遇，弗莱明（Flemming Walther）等细胞学家用这类染料（例如洋红）给细胞染色，发现细胞中一些部分吸收某些染料，另一些部分不吸收，结果透明的细胞会被染成带颜色的图案，内部结构得以被分辨。施特拉斯堡格（Edouard Strasburger，1844-1912）用这种方法观察并描述了植物细胞在分裂时的变化过程。弗来明则在研究动物细胞时发现，细胞核中的一些物质大量吸收一种叫做苏木精的染料而被染色最深，他将此物质称为染色质；他给一段正在生长着的组织染色，观察到了细胞分裂的各个阶段——细胞分裂即将开始时，包裹细胞核的核膜消失，染色质凝缩成数条短短的线状物体——它们后来被称为染色体，有规律地排列在细胞的“赤道”平面上，当细胞分裂开始进行时，染色体的数目增加一倍，随后缠绕在一种被弗来明称之为星状体的结构细丝中，这时分成两半，分别移到细胞的“两极”并被新形成的核膜包裹形成两个新的细胞核，染色体在新的细胞核内又恢复成丝状的染色质，细胞分裂开、形成两个子细胞，各分得相等的染色质。弗来明称此过程为有丝分裂，其最重要的生物学意义体现在，由于在细胞分裂前染色体增加了一倍，所以每个子细胞获得了与原来未分裂的细胞同样多的染色质，从而保证了染色体数量在细胞分裂过程中代代相传。作为对自己观察的总结，弗来明在1882年出版了著作——《细胞质、细胞核与细胞分裂》。

比利时细胞学家贝内登（Beneden，Edouard Joseph Louis Marie van，1846-1910）在详细地解读弗来明的著作后，于1887年成功地论述了两个关于染色体的基本事实，即除了生殖细胞外体内的不同细胞内的染色体数目不变，各种生物各有一定数目的染色体（例如人的每一个细胞含有46条染色体）。此外，他发现在形成卵细胞和精子的过程中，细胞的第一次分裂时染色体在分裂前并不复制，每一个卵细胞和精细胞所含的只为通常数目的一半。这一点实际上与孟德尔的遗传定律恰好吻合——如果染色体成对地存在，同时每一个遗传因子也是成双地存在（一对固定的染色体中的每一个染色体上各有一个），那么每一个亲本都会向一个生殖细胞传输一个这样的因子，在受精过程中当卵细胞同精子结合时，染色体又会恢复到正常的数目，子代也就会再次有一对遗传因子，其中一个来自父本，另一个来自母本。

弗来明和贝内登当时都不知道孟德尔的研究工作，所以他们均没有意识到所有这些现象在遗传学上的意义。十几年后，当德弗里斯等人重新发现孟德尔的研究之时，蓦然回首，弗来明和贝内登已经给孟德尔依据生物性状的统计所发现的遗传法则提供了细胞学“背书”。

在前人工作的基础上，美国遗传学家萨顿（Sutton，Walter Stanborough）通过对蝗虫生殖细胞的研究进一步探明了染色体的遗传过程，以1903年发表的《遗传中的染色体》一文加以了总结：

1）双倍体染色体由两套形状相似的单倍染色体组成，一套来源于父本、一套来源于母本（它们后来被称为同源染色体）；

2）同源染色体配对产生减数分裂过程中的联会现象；

3）减数分裂使生殖细胞（配子）只得到同源染色体其中的一套；

4）包括减数分裂在内的有丝分裂，尽管在其过程中染色体形状发生变化，但其个体性不变；

5）减数分裂过程中每一对同源染色体的分配与其他对同源染色体的分配相互独立，每个配子随机地得到每对同源染色体中的一条。

萨顿认为，如果遗传因子包含在染色体中，并且一对因子如Aa分别位于一对同源染色体上，那么减数分裂就会使含有Aa的细胞产生出分别含有A和a的配子，而且两种配子产生的比例相同，这正是孟德尔分离定律的体现。再考虑到另一对同源染色体上的另一对遗传因子Bb的情况，那么产生的分别含有AB、Ab、aB和ab因子的配子比例也相同，这又是孟德尔自由组合定律的体现。萨顿进而推测，由于相对于大量的遗传因子而言染色体数目有限，因此必然形成许多遗传因子位于同一条染色体上并一起遗传下去的情况，这些因子就不能够发生自由组合，从而解释了“遗传学”这一名词的创立者、英国生物学家贝特森（Wiliam Bateson，1861～1926）发现的连锁现象，也说明只有那些位于不同染色体上的遗传因子的遗传才符合孟德尔自由组合定律。

至此，染色体作为遗传因子的携带者实现遗传的事实已经成为遗传学家的共识。1909年，丹麦遗传学家约翰逊（W. Johansen，1859～1927）在《精密遗传学原理》一书中正式提出“基因”概念替代传统用语“遗传因子”；同一年，摩尔根开始培养果蝇用以进行遗传学研究，数年后结出硕果——发现遗传学“第三定律”。

遗传学第三定律的发现

摩尔根在其学术生涯的头10年主要从事实验胚胎学的研究。孟德尔定律被重新发现之初摩尔根是持怀疑态度的，他认为这些定律可能只适合于豌豆而不适用于其他生物。他曾用一般的野生家鼠与腹部白色体侧黄色的饲养家鼠进行杂交，结果后代出现五花八门的体色。不过，德弗里斯的突变论却对他产生了深深的吸引力，促使他用果蝇进行诱发突变的实验——尝试用化学药剂、冷热处理、放射性辐射等各种手段来诱发果蝇突变。

经历了无数次的失败，1910年5月，他的妻子兼实验员终于发现了一只白色眼睛的奇特雄性果蝇，而它的同胞姊妹、父母以及所有先辈眼睛都是红色的（也有一个说法认为真正的发现者另有其人）。这显然是一个突变体，摩尔根对这只果蝇关怀备至精心饲养，并使它同一只正常的红眼雌蝇交配产下后代，终于留下了突变基因并随后繁衍出一个大家系。

这个家系的子一代眼睛都是红色的，显然眼色的红对白来说表现为显性，与孟德尔当初进行豌豆实验的结果一致，让摩尔根暗吃一惊。他又将子一代雌雄交配，结果发现子二代中的红眼、白眼果蝇的比例竟然是3：1——摩尔根彻底信服了孟德尔。

钦佩之余，摩尔根坐回显微镜旁再次观察这些白眼果蝇时，发现了一个孟德尔在豌豆上观察不到的现象——子二代白眼果蝇竟然全部都是雄性。这一新发现的现象促使摩尔根继续进行实验和分析，最终认识到，果蝇的4对染色体当中有一对是决定性别的，其中雌性果蝇的这两条性染色体完全一样，记为XX染色体，雄性果蝇中的性染色体却是一大一小，记为XY染色体，而决定眼睛颜色的基因就位于X染色体上。因此，当第一只突变体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；当进行子一代间的杂交时，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，含白眼基因的一条X染色体就与一条Y染色体结合，产生子二代果蝇中的白眼类型，而且都是雄性的。这种眼色基因随同X染色体遗传的现象正是“连锁”——决定眼色的基因和决定性别的基因就像锁链一样铰合在一起，当染色体对分裂时一起联动，组合时也一起与另外的染色体结合。

第一个突变果蝇的发现似乎是打开了水坝的闸门，摩尔根团队在随后不到3年时间内发现了40多个基因突变的果蝇。其中，摩尔根的学生发现的一种突变——果蝇的小翅基因，给摩尔根带来了新的挑战。这种突变基因与白眼基因一样位于X染色体上伴性遗传，但是当染色体配对时，这两个基因却并不完全连锁——根据连锁原理，携带白眼基因和小翅基因的果蝇杂交产生的下一代应该只有白眼小翅和红眼正常翅两种类型，但是他们发现一些白眼正常翅和红眼小翅的类型也出现了。如何解释呢？摩尔根分析指出，染色体上的基因连锁群并不像锁链那样牢靠，染色体有时会断裂，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，它们之间发生变故的几率就越大，染色体交换基因的频率就越高。白眼基因与小翅基因虽然同在X染色体上，但因相距较远而会互换部分基因，于是后代中自然就会出现新的类型。摩尔根将“互换”现象与连锁现象结合在一起提出了“连锁与互换定律”，它和孟德尔的分离定律、自由组合定律一道，被称为遗传学三大定律。基因学说从此诞生，遗传学告别了纯理论推演时代，重大发现雨后春笋般出现，成为20世纪最为活跃的研究领域。

就遗传学以至于整个科学体系的发展来说，摩尔根居功至伟；也因如此，经他推向高潮的突变论在那个时代对达尔文主义而言的确是“压力山大”。有意思的是，后来将这种压力转化为动力，推动进化论上升到新高度的主力军，恰恰又是摩尔根的“弟子”们。这些，我们下回接叙。