用生命科学史发展科学思维的一点看法3——T. H. Morgen等的果蝇杂交实验

高中生物学教学中，广大教育工作者已普遍接受这样的事实：科学史资料具有丰富的科学思维、科学方法、科学世界观、科学精神和科学态度等内容。

实际教学过程中有一种倾向，打着依托科学史发展学生科学思维的口号，却置科学思维应尊重事实和证据于不顾。下面以几个广泛使用的科学史资料谈一下其中存在的罔顾事实和证据的现象。

3.1事实与证据

摩尔根根据白眼果蝇的杂交实验，第一次将控制生物性状的基因定位到特定的染色体上，在建立遗传的染色体理论中具有重要的价值。这里先介绍一下摩尔根的这个实验的完整过程。

3.1.1白眼果蝇杂交实验的现象

1910年摩尔根利用偶然发现的一只白眼雄果蝇与野生型雌果蝇进行杂交得到F₁，F₁ 果蝇全部表现为红眼。摩尔根用F₁雌雄果蝇互交得到F₂，F₂结果如下：

2459 红眼雌果蝇

1011 红眼雄果蝇

782  白眼雄果蝇

3.1.2白眼果蝇杂交实验的解释

控制眼色遗传的基因W（红眼）和w（白眼）位于X染色体上，Y染色体上没有相应的等位基因。

亲代中白眼雄果蝇和野生型雌果蝇的杂交可以表示为：

F₁互交可以表示为：

3.1.3对解释的初步验证

摩尔根采用了四个实验进行初步验证，其中最关键的验证实验是白眼雌果蝇与红眼雄果蝇杂交。

这一组实验，摩尔根在1911年并没有给出具体数据，只表示了实际实验结果和预期符合。

3.1.4初步验证时出现的新问题

最关键也是最具说服力的验证实验中，理论上该杂交实验的子代应该表现为雌果蝇全部红眼（X^WX^W），雄果蝇全部白眼（X^wY），但是实验中发现雌果蝇中总有一定比例的白眼个体，同时雄果蝇中也总有一定比例的红眼个体，并且异常个体出现的频率很稳定，这就表明异常并不是偶尔的因素所导致的。

3.1.5用染色体不分离解释初次异常

1913年，摩尔根的团队幸运地先在异常雌果蝇（XXY，如X^wX^wY）中发现了Y染色体，并随后明确了正常雄果蝇都含有Y染色体。他们用雌蝇染色体不分离去解释上述验证实验时出现的异常：

设亲本雌果蝇X^wX^w发生染色体不分离的概率为p，则不发生的概率为（1-p），则亲本雌果蝇产生的配子为：

而亲本雄果蝇产生的配子为：

这样亲本杂交子代可表示为：

因此，我们看到杂交子代中出现初次异常的概率相对稳定，大小约为:

（布里奇斯的原文这个数据是1/1700，具体数据是20484只中发现了12只初级异常）。

3.1.6二次异常的分析

摩尔根选择初次异常雌果蝇（XXY）与野生型雄蝇（XY）杂交。统计得知二次异常发生的概率为4.3%（多个杂交结果的平均值）。据此可以推知XXY发生XX配对（Y独立）的概率为83.5%，发生XY配对（另一个X独立）的概率为16.5%。计算过程如下：

设XXY发生XY配对（另一个X独立）的概率为p，则发生XX配对（Y独立）的概率为（1-p）。可推知（详细过程略），所有子代中死亡个体和二次异常个体的比例均为p/4，因此有：

解之，得p≈16.5%。

3.2误解与问题

3.2.1第一个误解：摩尔根的团队起初是否知道果蝇具有Y染色体？

很多人都默认摩尔根的团队在实验前已经明确地知道果蝇含有Y染色体。

我们看到摩尔根在1911年及其学生布里奇斯在1913年的论文中都没有提及果蝇具有Y染色体，他们将正常雄果蝇的性染色体组成写成XO，而把正常雌果蝇的性染色体组成写成XX。针对这种情况，摩尔根及其团队在1915年和1916年对这种表示方法做出了解释。

这就要从Stevens的工作说起，Stevens也是摩尔根的博士生，她最主要的贡献在于动物性染色体的研究，当然其中也包括了果蝇。我们来看一下Stevens当年论文中的附图。

图61为雄果蝇精原细胞的有丝分裂，图69、70和71为雄果蝇的减数分裂Ⅰ。在图61和69中，Stevens将h1和h2处理成一对不相等的同源染色体（a clearly unequal pair）。图70和71中，那一对不相等的同源染色体不见了，代之以X和另一对“常染色体”，我们看到图示的X染色体与一条“常染色体”相连（The X chromosome was supposed to be attached to an autosome ），之所以这样理解是因为Ascaris中也发现过类似的情况。

根据上述图像，我们就不难理解为什么摩尔根及其团队成员在早期都认为：在果蝇中，有一条X染色体的是雄性，有两条X染色体的为雌性。

1914年布里奇斯最初在初次异常的雌果蝇（XXY）中发现果蝇含有Y染色体（The new type of figure which I found differs from the normal only by the addition of this chromosome. Fortunately, there are several good figures in each of four or five of the XXY females……），并在随后确定了Y染色体在雄果蝇中是普遍存在的。那么，我们怎么解释当初Stevens的图像呢？

原来果蝇在细胞分裂时，Y染色体的长臂比断臂要先分开（in the male such a split in the long arm of the Y chromosomes appears relatively early while the short arm split later)，这样就会产生一个错觉，即Stevens的“X染色体和一个常染色体相连”，实际是：Y染色体的长臂分开后被视作了一条染色体，而保持为分开状态的断臂则被视作X染色体的一部分。因此，上述图像实际应该是下图表述的那样：

3.2.2第二个误解：果蝇的Y染色体对性别决定起决定性作用？

之所以有这个误解源自于根深蒂固的对人类性别决定的认识，但果蝇XY型性别决定和人类不同。在人类的性别决定中Y染色体起着决定性的作用。在果蝇中，XY和XO表现为雄性，XX和XXY表现为雌性，即果蝇的性别取决于X染色体的数量（实际应该是X染色体份数和常染色体份数的比值），而不是Y染色体。后来，用XO雄果蝇杂交不能产生后代，表明Y染色体对于雄果蝇的育性是必须的。

3.2.3第三个误解：摩尔根所提出的假说究竟是什么？

按照摩尔根当时的处理方式，他先借助孟德尔的方式以及人们当时对果蝇性别决定的认识（注意是当时的认识）对实验现象就行分析。为了更好的理解摩尔根怎样提出其假说，我这里换用摩尔根当时的遗传符号表述方式。

决定白眼的遗传因子用“W”表示；雄果蝇是杂合的，产生的精子有两种类型：一种含有一条 X 染色体，另一种不含有X染色体，因此白眼雄果蝇可以表示为WWX(WX—W)。决定红眼的遗传因子用“R”表示；雌果蝇是纯合的，产生的卵细胞都含有一条X染色体，因此红眼雌果蝇可以表示为RRXX（RX—RX）。

P→F₁：

F₁→F₂：

对于F₁→F₂，我们考虑一下摩尔根原文中没有深入分析的一个情况。在原文给出的解释中，摩尔根假定X和R是连在一起的。此处，我们不妨按照还是按照孟德尔的方式，将性染色体的遗传与眼色基因的遗传视作是自由组合的，那么就会出现一定比例的下图所示结果：

F₂并没有发现白眼雌果蝇，因此这种情况就被否定了。实验结果就只能用X和R是在一起的来解释，这个解释换用现代语言就是：眼色基因位于X染色体上。（这里摩尔根并没有直接提出眼色基因位于X染色体上，而是使用了“R and X go together”，这一方面是因为谨慎，另一个方面可能有向萨顿致敬的意味。摩尔根因为威尔逊的帮助获得了教职，而萨顿则是威尔逊的学生，萨顿最先注意到基因行为和染色体行为的一致性，R and X go together是对基因行为和染色体行为一致性的充分肯定。但是摩尔根早期的工作很多都是强烈反对威尔逊和萨顿，这种反对一直持续到1910年。）

做为一个现代人，可能在理解摩尔根的解释时存在困难，尤其其遗传符号表示方式和现代差异太大，但这里我仍然建议将摩尔根的实验放在当时的时代背景下进行理解。我们可以将后人对果蝇性别决定的认识呈现给学生，让学生明确果蝇的性别决定取决于X染色体（数量）与Y染色体无关，而实验现象表明白眼性状的遗传与果蝇性别有关，在这样的条件下，我们所能提出的合理假说只能：控制眼色遗传的基因位于X染色体上。也只有这样的假说才是基于事实和证据的，在果蝇性别决定与Y染色体无关的事实面前，还坚持控制眼色遗传的基因可能位于Y染色体上就是对科学事实和证据的最大不尊重。

个人认为，基于事实和证据提出假说是高级的思维训练，这远比分类排除（分别排除细胞质基因、Y染色体上的基因等）的训练更有价值。教学中，我们应该是发展学生的高级思维为重要目标，而不是将高阶思维发展降阶为低级思维的简单训练。