摩尔根马克思 托马斯·亨特·摩尔根

继承和发展了孟德尔以豌豆杂交实验为基础的遗传理论,为生物学发展为实验科学奠定了基础。获1933年诺贝尔生理医学奖。

“发现遗传中染色体所起的作用”

托马斯·亨特·摩尔根1866年出生于肯塔基州的列克星敦,他的叔叔是美国南北战争时南方联邦军的著名将领,在美国南方声誉很高,因此摩尔根一家在当地也颇受左邻右舍敬重。不过摩尔根在他的一生中很少提到那位名声显赫的叔叔,这一方面是因为叔叔并没有给他的家庭带来经济上的帮助,摩尔根的父亲在内战后受南方战败的影响,一直未能谋得一官半职改善家境;另一方面摩尔根在年纪还小的时候,就觉得上辈人的辉煌与他没多少关系,他很小就有自己的兴趣和爱好,例如捕蝴蝶、偷鸟蛋和往家里捡化石和矿物标本等等。在他父亲和母亲的家族中,出过富商、军人、外交官、律师,摩尔根以前的家谱中惟独没有科学家。借用现在的遗传学术语,摩尔根可以算是家中的“突变”产物。

1886年,摩尔根在肯塔基州立学院获得了理学学士学位,由于成绩优秀,他被选为毕业生代表在毕业典礼上致告别词。在获得理学学位后,摩尔根有点烦恼,他不知道自己应该到社会上去做什么。他似乎天生不喜欢经商,因此决定还是留在学校中继续读书,这一次他进入了霍普金斯大学的研究生院。他应该庆幸自己偶然的选择,因为这所大学以学术自由而著称,尤其重要的是,霍普金斯大学十分重视生物学。摩尔根受大学中学术气氛的影响很深,例如他一辈子都不相信价格昂贵的设备,而相信脚踏实地的作风更为重要;摩尔根几乎终生在实践着大学里“一切通过实验”的原则。

在霍普金斯大学读书和留校任教的岁月里,摩尔根始终保持着对生物学界进展的高度关注。当1900年孟德尔的遗传学研究被重新发现后,不断有遗传学的新消息传到摩尔根的耳朵里。摩尔根一开始对孟德尔的学说和染色体理论表示怀疑。他提出一个非常尖锐的问题:生物的性别肯定是由基因控制的。那么,决定性别的基因是显性的,还是隐性的?不论怎样回答,都会面对一个难以收拾的局面,在自然界中大多数生物的两性个体比例是1:1,而不论性别基因是显性还是隐性,都不会得出这样的比例。为了检验孟德尔定律,摩尔根曾亲自做了实验,他用家鼠与野生老鼠杂交,得到的结果五花八门,根本无法用定律解释;而且,关于染色体上有基因的说法,当时还只是猜测,用猜测的理论来解释孟德尔的遗传学说,坚持“一切通过实验”原则的摩尔根认为那是不可信的。

果然,关于果蝇的另一项实验最终轰动了全世界。这批果蝇遭到了摩尔根的“严刑拷打”,使用X光照射、激光照射,用不同的温度,加糖、加盐、加酸、加碱,甚至不让果蝇睡觉。各种手段都使用了,目的是诱发果蝇发生突变。一晃两年过去了,1910年摩尔根的一位朋友来拜访他,摩尔根面对实验室中一排排的果蝇实验瓶,略带伤感地慨叹:“两年的辛苦白费了。过去两年我一直在喂果蝇,但是一无所获。”有时希望总在绝望的时候诞生,1910年5月,摩尔根在红眼的果蝇群中发现了一只异常的白眼雄性果蝇。他以前从来没有见过这样的类型,因此这只果蝇是罕见的突变品种。

摩尔根激动万分,将这只宝贝果蝇放在单独的瓶子中饲养。每天晚上,摩尔根带着这只果蝇回家,睡觉时将实验瓶放在身边,白天又带着它去上班,生怕果蝇出现意外。在他的精心照料下,原本虚弱的白眼果蝇终于在与一只红眼雌性果蝇交配后才寿终正寝,将突变的基因留给了下一代果蝇,留给了苦心栽培它的摩尔根。十天后,第一代杂交果蝇长大了,全部是红眼果蝇。不要为白眼基因的缺席担心,按照孟德尔的学说,红眼基因相对白眼基因是显性,因此珍贵的突变基因只是躲到了后台。摩尔根当然不会放过检验前人理论的机会,他用第一代杂交果蝇互相交配,产生第二代杂交果蝇。焦急地等待了十天,摩尔根得到了第二代杂交果蝇,其中有3470个红眼的,782个白眼的,基本符合3:1的比例。这下,摩尔根对孟德尔真正服气了,实验结果完全符合孟德尔从豌豆中总结出的规律。

当摩尔根坐在显微镜旁边,再次定睛观察这些瞪着白眼的果蝇时,他发现了一个不同于孟德尔规律的现象。按照孟德尔的自由组合规律,那些长着白眼的果蝇,它们的性别应当是有雄性的,也有雌性的。然而这些白眼果蝇居然全部是雄性,没有一只是雌性的。

也就是说,突变出来的白眼基因伴随着雄性个体遗传。摩尔根终于从果蝇身上看到了孟德尔在豌豆上观察不到的现象。对特殊现象的解释,就是建立新的定律。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;雄性果蝇中的性染色体一大一小,记为XY染色体。摩尔根判断,白眼基因位于X染色体上。因此,当他的那只宝贝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”,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,在细胞中的染色体对分裂时一同行动,组合时也一同与另外的染色体结合。

发现突变的白眼果蝇,花费了摩尔根和他的学生整整两年的时光。而第一个突变果蝇发现后,另外的突变类型便接踵而至。在几个月内,他们又发现了四种眼色突变,例如果蝇中出现了粉红眼,这个形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。

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。又需要解释现象了。摩尔根提出,染色体上的基因连锁群并不像铁链一样牢靠,有时染色体也会发生断裂,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距离越远,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。

“连锁与互换定律”是摩尔根在遗传学领域的一大贡献,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。虽然摩尔根是个讨厌空谈理论,注重实验的人,但是为他赢得声誉最多的论文,却不是关于实验的描述,而是他发表在《科学》杂志上的一篇阐述连锁与互换定律的理论文章,中间没有列举任何实验数据。

1933年的一天下午,摩尔根正坐在家中院子里看一本当年流行的小说,悠然自得。这时,家里收到了一份电报,内容说的是正值诺贝尔诞辰一百周年之际,“托马斯·亨特·摩尔根由于对遗传的染色体理论的贡献而被授予诺贝尔奖”。摩尔根并没有到瑞典去出席颁奖仪式,借口是自己工作太忙。其实是因为他本人不喜欢一本正经地在公众集会中出现,除了科学讨论会,他对于政治和其他集会均不感兴趣。在得到奖金后,摩尔根执意一分为三,自己留下一份,两个实验室的学生每人一份。在摩尔根看来,荣誉和奖金应该属于大家。

中国遗传学家谈家桢早年曾在美国加州理工学院摩尔根实验室攻读研究生,获博士学位,后来成为中国现代遗传学的奠基人之一。