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摩尔根:用果蝇揭开遗传之谜

2017-06-29尹传红

知识就是力量 2017年6期
关键词:摩尔根孟德尔遗传学

尹传红

托马斯·亨特·摩尔根创立的基因学说阐明了染色体作为遗传性状携带者的功能,揭开了遗传之谜,从而为研究和了解人类遗传性疾病奠定了基础,同时也大大推动了生物学和现代医学的发展。

一个有趣而又让人困惑不已的问题

出生于美国一个政治世家的托马斯·亨特·摩尔根打小就对博物学表现出极大的兴趣,他最喜欢做的事情就是到野外去捕蝴蝶、捉虫子、掏鸟窝,或是观察昆虫的筑巢过程,还制作了许多动植物的标本。

 1919年摩尔根小组在哥伦比亚大学“蝇室”里的一次聚会,后排最左边为摩尔根

有一次,他因为急于想知道猫的身体结构是怎样的,就与堂兄合谋,给家里养的一只猫喂了一把安眠药。当猫迷迷糊糊地躺在兄弟俩搭建的 “工作台”上时,胆大的摩尔根居然真的拿起刀子开膛。可怜的小猫一声惨叫,蹦起来就跑。

摩尔根科学事业的起点,是观察动物的生命如何开始、胚胎如何发育。

这在19世纪和20世纪之交,是人们正在讨论的两个重要的生物学问题之一。另一个问题以进化和遗传作用为中心,探讨的是“种瓜得瓜,种豆得豆”这类现象的机理。

这两个重要问题其实由来已久。早在2300多年前,古希腊著名的哲学家和科学家亚里士多德就提出了一个有趣而又让人困惑不已的问题:“有一个白色人种的女子嫁给了一个黑色人种的男子,他们的子女是白色的。但到了孙儿那一代,又有黑色的。那么,他們白色的子女中,如何藏着黑色的血统呢?”

千百年来,人们注意到生物繁衍的后代都与其亲代相似,但在生物体内究竟是什么东西能保证其后代与之相像?繁殖的能力到底位于何处?不清楚。同时,人们又想当然地认同一种所谓的“混合遗传”,即近似于“黑+白=灰”,父母的“黑”和“白”简单融合,得到了子代的“灰”。

 一只长两片翅膀的普通果蝇与长四片翅膀的果蝇突变体(果蝇之所以成为摩尔根实验对象,是因为其特殊的生物属性,例如繁殖快)

19世纪中叶,英国博物学家达尔文发现,在某种植物或者动物的特定生活环境中,同种个体之间的一些变化会使某些个体具有繁殖后代的优越性,使得它们比其他欠缺这种优越性的个体具有更多的生存机会,并且会把这种优越性传给下一代。因此,具有这种优越性的种类将占有优势,生物就是这样通过“自然选择”进化的。也就是说,“物竞天择,适者生存”。不过,达尔文并不明白物种中的这些变化是如何发生的,或者说,物种中的性状是如何传给下一代的。

1856年,即达尔文发表其伟大著作《物种起源》的3年前,在奥匈帝国摩拉维亚(今捷克布尔诺地区)的圣·托马斯修道院里,一位时年34岁、名叫格雷戈尔·孟德尔的修道士,开始在修道院的后花园里进行一项持续时间长达8年的豌豆杂交实验。他根据结果推断,必定有着某种遗传因子控制着生物的性状:每代都有一种特征或称性状显现出来(显性),而成对的另一种性状则隐藏起来(隐性),即前者在表达性状时对后者占主导地位。这说明,每个遗传性状能够独立遗传,它们相互之间没有关系,不可能两者兼而有之,也就是无法混合或融合。

摩尔根起初对孟德尔提出的遗传原理持怀疑态度,也希望能通过实验来验证达尔文提出的自然选择理论。

“看到照亮生物进化过程的新光芒”

1900年,被忽视了30多年的孟德尔理论(文章)被三位科学家几乎在同一时间发现。其中一位,是荷兰植物学家雨果·马里奥·德弗里斯。他在这一年接待来访的摩尔根时,谈到了他的一个发现:一种名叫月见草的植物产生新遗传类型的能力非常强,能在很短时间内冒出性状迥异的后代,这表明一个品种可以突然产生另一个能够传之久远的新品种。

事实上,德弗里斯检查了大约5万棵月见草,从中发现了7种突变型,共约800棵,有的甚至只需一个世代就能产生出差异程度达到“种”一级的变化。他把这种发生在一个世代的可遗传的突然性改变称为“突变”,并且提出了一个通过突然跳跃(即突变)而实现进化的新学说。

这样看来,进化就不再是只能喻于理论而不能观察到的无限缓慢的进程了。摩尔根就此评述说:“我认为已经可以看到照亮生物进化过程的新光芒了。自然界中,新物种是突然形成的……进化并不是把其他所有生物当作对手的生存竞争过程,很多新物种是自然界在本来不大有生物栖息的场所创造出的具有适应性的新种。”

时隔不久,摩尔根熟悉的一位同行朋友的学生、哥伦比亚大学研究生萨顿,发现细胞核内的一种细长线状物质染色体——其主要物质成分是蛋白质和脱氧核糖核酸(DNA),跟孟德尔所报告的控制着生物性状的某种遗传因子(即现在所说的基因)有许多相同之处,进而在1903年发表论文《遗传中的染色体》,提出了染色体是基因的物质载体的假设,并明确指出:“父本与母本染色体将构成孟德尔遗传定律的物质基础。”

“萨顿假设”引起了生物学界的广泛关注。这意味着,要证实染色体是基因载体,就得把某个特定的基因与某条具体的染色体联系起来。可这个时候,摩尔根心中还有怀疑:基因到底是真实地存在,还是纯属想象?但他深信突变在生命体的进化过程中起着作用。

1904年,摩尔根来到纽约哥伦比亚大学,就任全美国设置最早的实验动物学教授。他主要的研究兴趣集中在遗传学和进化论,以及它们与突变的关系(后来他自嘲说,他能成为他那个政治世家中唯一的科学家,可能就是家族基因突变的结果吧)。他注意从整体上研究生物,却又强调实验方法,笃信任何一种想法或假说,必须经过实验的检验,才能在科学上得到立足之地。

那一时期,摩尔根的工作重心是研究动物的突变阶段。他开始用老鼠、豚鼠和鸽子做实验。由于这类实验动物繁殖缓慢,相应的研究工作进展也不快。“飞跃”的偶发机遇在1908年开启:摩尔根建议他的学生佩恩做一些实验来研究法国生物学家拉马克提出的“用进废退”和“获得性状遗传”学说是否有道理。

佩恩早前研究过没有眼睛的洞穴鱼。此次的研究对象,他找的是嗡嗡乱飞、随处可见的果蝇。他把这些小生物关在暗室里饲养,以观察它们在黑暗的环境里会不会因为长时间不用眼睛而产生没有眼睛的后代。结果,到69代果蝇羽化时,还是没有任何事情发生,而摩尔根由此却发现了一种极好的实验有机体,用于研究遗传和进化。

“果蝇是上帝专为摩尔根创造的”

摩尔根把他的果蝇实验室建在了哥伦比亚大学的一栋大楼里。他设想通过培育出有用的突变个体,从而能在其后代中跟踪一个特性,把某个特定的基因跟某条具体的染色体联系起来。

为此他和助手们把果蝇折腾得够呛:或将果蝇置于高温和低温下饲养,或喂给它们不同寻常的食物,或用酸、碱、盐、糖处理蝇卵,或用X射线辐射处理果蝇的幼虫、蛹、成虫。然而,一两年时间过去,似乎也没有什么特异的事情发生。

1910年1月,研究小组终于发现有一只果蝇的胸部显出一种奇怪的三叉形;3月,又有两个突变体出现;5月,最富戏剧性的突变体出现了—那是一只白眼睛的雄性果蝇(果蝇通常都是红眼睛的)。

摩尔根如获至宝,马上把这只果蝇精心地供养起来,每天上下班都把它带回家中,放在床边观察,第二天一早再把它带回实验室,生怕它出现“不测”。不久,他让这只白眼睛果蝇同一只正常的红眼雌蝇交配,留下突变基因。随后发现,这个家系的子一代全是红眼的,显然红对白表现为显性。接着,让子一代交配,结果发现子二代中红、白果蝇的比例正好是3︰1,这完全符合孟德尔通过对豌豆的研究所总结出的遗传规律。

摩尔根对这一突变特征的传递做了详细的分析,发现了性连锁现象(伴性遗传)。这是遗传学领域第一次把一个具体的基因(白眼)定位于一条特定的X染色体上,证实染色体就是遗传特征的载体,基因是实际存在的物质实体(亦可视为有遗传效应的DNA片段)。一条染色体上通常只有一个DNA分子。接下来,摩尔根与他的得力助手开尔文·布里奇斯、阿尔弗雷德·斯特蒂文特和·赫尔曼穆勒又推算出各种基因在染色体上的位置。

看起来就是这样:每条染色体都包含一批称为基因的小单元,它们如串珠般有序地排列在染色体上。摩尔根还证明:染色体在分裂时偶尔会交换染色质—他称之为“交换”,这是自然界动植物之所以呈现出多样性的另一个原因。1913年,斯特蒂文特发现,每个基因都能被分派于染色体图谱的特定位置上,这为绘制人类基因组图奠定了基础。

“果蝇是上帝专为摩尔根创造的。”后来有人调侃说。

摩尔根也讲过一句俏皮话,大意是:他虽然出生于1866年,但他的生命是在1865年开始孕育的—孟德尔正是在那一年提出了遗传学的基本原理,所以他注定要从事遗传学研究。

对孟德尔的遗传学说和达尔文的进化论而言,基因是缺失的一环,而摩尔根的染色体遗传学说填补了这处空白,并且把物理学和化学的实验分析方法引入生物学,从而使后者再也不是单纯依靠观察和描述的学科了。

1933年,摩尔根获得了诺贝尔生理学或医学奖。如今,染色体图上表示基因之间的遗传距离单位被命名为“摩”,以纪念这位杰出的遗传学家。

摩尔根小传

托马斯·亨特·摩尔根(Thomas Hunt Morgan,1866-1945年),美国遗传学家、胚胎学家、实验生物学家。1866年毕业于肯塔基州立学院(现在的肯塔基大学),1890年在约翰·霍普金斯大學获博士学位。先后执教于布林马尔学院、哥伦比亚大学和加州理工学院。曾任美国国家科学院院长、美国遗传学会主席。著有《进化的科学基础》《胚胎学与遗传学》《基因论》等书。因阐明了染色体作为遗传性状携带者的功能而获得1933年诺贝尔生理学或医学奖。

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