230｜遗传学：遗传信息到底保存在哪里？

在二十世纪上半叶，遗传学得到了长足发展。

我是孙轶飞，欢迎来到《医学文明300讲》。

在第200讲的时候我们说过，孟德尔离世时，他和他的研究成果几乎被世人遗忘。直到二十世纪初，几位科学家尝试着发现遗传规律时，才惊奇地发现，原来孟德尔早在几十年前就已经漂亮地完成了这项工作。

那这几位科学家是谁呢？二十世纪上半叶，遗传学出现了哪些影响至今的进展呢？今天我们就来看一下遗传学的故事。

德弗里斯重走孟德尔的路

1878年，一个叫德弗里斯的年轻生物学家拜访了达尔文，并和自己的偶像愉快地聊了两个小时。这坚定了年轻人研究遗传学规律的信心。

按照达尔文的遗传学观点，人体中存在一种微小的颗粒，它们漂浮在血液之中，在全身获取遗传信息并传给下一代。但是这些小颗粒遵循怎样的规律，达尔文并不知道，而德弗里斯决定搞清楚这些规律。

然后，德弗里斯对植物进行研究并发现，每种植物都有很多性状，而且互不干扰并传给下一代。不过，德弗里斯不知道，这些不但早就被孟德尔发现了，而且还使用统计学方法归纳出了两大定律。

德弗里斯一度误以为自己成为了遗传学的先行者。直到1900年初，他看到了孟德尔的论文才知道，35年之前已经有人得到了比他出色得多的结论。他赶紧在1900年3月发表论文，对孟德尔的贡献一个字都没提，希望自己能青史留名。

三篇重复的发现

但是，这么做的人不止一个。

德国科学家科伦斯也进行了植物杂交实验，也得出了和孟德尔一样的结论，然后也发现了孟德尔的论文，也急匆匆地发表论文，想要名留青史。

奥地利科学家切尔马克也是类似的经历。

结果在1900年初不到三个月的时间里，三篇内容几乎一模一样的论文发表了，全都是重复孟德尔的发现。

就这样，在十九世纪默默无闻的孟德尔，在二十世纪的第一年里被科学界发现了。而在3年之后，他开创的学科就有了重大突破，因为终于有人搞清楚了遗传信息究竟被保存在哪里。他是谁呢？

萨顿发现遗传因子的位置

美国医生萨顿（Walter Stanborough Sutton, 1877-1916）绝对是一位跨学科人才，大学期间学工程学的他因为弟弟生病去世，立志学医。

考虑到医学跟生物学关系密切，所以他在学医之前顺便学了生物，然后在1903年还没毕业的时候发表了一篇论文，阐明了染色体在遗传过程中的重要意义。

也就是说，孟德尔预测到、但没发现的遗传因子就在染色体上。

做出如此重要的发现之后，萨顿居然退学了，在堪萨斯的油田找了份工作，还发明了不少开采石油的设备。好在两年以后，在父亲的劝告下他想起来自己当初打算学医，这才回到哥伦比亚大学完成学业，并最终成为一代名医。

波弗利与模式生物

大致同一时期，德国科学家西奥多·波弗利（Theodor Boveri,1862-1915）也对染色体进行了研究。他选择了海胆作为模式生物。

什么是模式生物呢？就是被选择的特定物种，它们需要具有这样几个标准：生命周期短、繁殖能力强、饲养和管理方便、代表性强，对于现代遗传学来说，还需要经过明确的基因测序和基因操作方便这两个条件。

有了这些特点，从模式生物上进行的实验结果能很好地进行重复。简单地说，用模式生物可以更方便地发现生物学的一般规律。

波弗利选定了海胆之后想到，既然染色体对遗传至关重要，那破坏了海胆的染色体，一定会影响海胆胚胎发育吧？然后他实验确认了自己的猜测。就这样，波弗利得到了和萨顿一样的结论，遗传信息就藏在染色体里。

波弗利萨顿理论

之后，爱德蒙·威尔逊（Edmund Beecher Wilson, 1856-1939）对这一重大发现进行了命名。

他既是波弗利的好朋友，更是萨顿的老师，所以把他俩的发现命名为“萨顿-波弗利理论”，但是今天通常被称为“波弗利-萨顿理论”。

这个理论包含的内容很多，其中最核心的两条是：

• 第一，染色体是遗传的基础；
• 第二，遗传信息就在染色体里。

摩尔根从怀疑到研究

但是，波弗利-萨顿理论是不是尽善尽美呢？并不是。这就不得不提美国科学家托马斯·摩尔根（Thomas Hunt Morgan, 1866—1945）的研究。

摩尔根出生于1866年9月，这意味着他母亲很可能是在1865年底怀孕的，而这正是孟德尔公布自己伟大发现的年份。摩尔根本人对这个巧合津津乐道，似乎想说明自己注定要成为遗传学家。

摩尔根16岁就上了大学，24岁取得了博士学位，几经辗转之后在1903年成为了哥伦比亚大学的教授。

此时，孟德尔已经得到了遗传学界的重视，萨顿也指出了遗传信息藏在染色体里，那么摩尔根对这些成果是什么态度呢？完全不信。

摩尔根一开始认为，遗传信息应该保存在细胞的各个角落里，而不是集中在染色体里。

不过后来他认真地阅读了其他科学家的研究记录，最后不得不承认孟德尔是对的，波弗利-萨顿理论也很有道理，但是他觉得这些理论还不够完善，自己肯定能更上层楼。

果蝇实验室与白眼变异

然后摩尔根选定果蝇作为研究对象。从1905年开始，摩尔根用了一年时间养了大量果蝇，因为喂果蝇的香蕉腐烂以后非常难闻，以至于摩尔根的实验室很快就在学校出名了。

当时还没人知道，这几间充满恶臭的房间将来会跟孟德尔的修道院一样，成为遗传学极具纪念意义的场所。

摩尔根在繁殖了大量果蝇之后，发现了罕见的变异，一只果蝇的眼睛从红色变成了白色。

摩尔根立刻对这只白眼果蝇进行了实验，然后发现，白眼果蝇繁殖出来的下一代全都是红眼，但再下一代又出现了白眼，而且红眼和白眼的比例是3:1。这个结论完全符合孟德尔从豌豆上得出的结论。

白眼与性染色体

但是，也有和孟德尔的结论不符合的现象。孟德尔认为，生物的性状都是完全独立存在的，相互之间绝对不会影响和干扰。

可摩尔根发现，所有的白眼果蝇都是雄性的，这意味着，眼睛颜色和性别被牢牢锁定到了一起。

为了解释这个现象，摩尔根想到了其他科学家发现的性染色体，也就是能决定生物性别的染色体。既然白眼和性别有关系，那肯定和性染色体有关系。

摩尔根继续用果蝇做试验并发现，假设跟白眼相关的基因就在性染色体上，那么白眼这个性状的遗传表现是完全符合遗传学规律的。于是他得出了跟波弗利和萨顿一样的结论：基因就在染色体上。

锁定在一起的性状

但这不是摩尔根研究的终点。

摩尔根把几万只果蝇的颜色、翅膀长短、绒毛形态等等信息全都记录了下来，分析以后发现，原来两个性状的基因被锁定在一起不是特例，而是普遍存在。比如，果蝇身体是黑色是一种性状，而这个性状跟翅膀的某个性状是锁定在一起的。

项链比喻与基因连锁定律

接下来，摩尔根需要解释这种现象的原因。

他认为只有一种可能性，有些基因在染色体上是连在一起的，基因之间的关系越密切，说明它们在染色体上离得越近。

按照他的解释，染色体就像一串项链，而基因就是项链上的珠子，因为有些基因离得近，所以在遗传过程中就被同时表达了出来。

孟德尔当初运气实在太好，选定的七个性状恰好分布在不同的染色体上，就算在同一条染色体上的距离也比较远。所以，他虽然错误地认为性状之间没关系，但发现的遗传定律是正确的。

简单地说，孟德尔的两大遗传定律和摩尔根的发现并不冲突，而是相辅相成的同一个体系，而摩尔根的发现也被称为“基因连锁定律”。

基因分离与距离

在这个基础上摩尔根发现，被锁定的基因其实也能发生分离，而且分离的难度也各不相同。这意味着，锁得越紧密的基因，它们在染色体上离得就越近。同样道理，容易分离意味着在染色体上距离稍远。

第一张基因图谱

这个发现有什么用呢？

既然知道了基因之间距离的远近，就可以根据远近关系把基因在染色体上分布的位置画成图，这就是基因图谱。

1911年冬天的一个晚上，摩尔根的学生阿尔弗雷德·斯特蒂文特（Alfred Henry Sturtevant，1891-1970）把果蝇的实验数据带回了宿舍，用了12个小时画出了世界上第一张果蝇染色体的基因图谱，为遗传学家绘制包括人类在内的生物的基因图谱做出了巨大贡献。

这就是人类基因组计划的基础。

诺贝尔奖与新的问题

22年后，摩尔根因为遗传学的伟大发现获得了诺贝尔医学奖，这也是和遗传学有关的第一个诺贝尔奖。

但是关于基因还有一个大问题，既然基因的作用是传递遗传信息，怎么证明基因可以被传递呢？明天我们讲这个故事。

总结

在二十世纪初期，生物学家意识到了孟德尔遗传定律的正确性。萨顿和波弗利发现染色体是遗传信息的载体。摩尔根确定基因在染色体上，并发现了基因连锁定律，他的学生基于此画出了第一张基因图谱。

因为对遗传学的巨大贡献，摩尔根获得了1933年诺贝尔医学奖。

思考题

你认为遗传学对医学的意义有多大呢？

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好啦，今天的内容就到这里，明天见！