還原基因在染色體上的探索過程 培養學生的科學認識*

馬晉閩 王玉龍

（廣東實驗中學 廣東廣州 510055）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出生物學課程既要讓學生獲得基礎的生物學知識，又要讓學生領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點，以及解決問題的思路和方法。同時指出學習生物科學史，能使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質和科學探究的思路和方法，學習科學家獻身科學的精神，對提高學生的生物學學科核心素養很有意義［1］。由此可見科學史的教育可更好地培養學生的科學思維。

在遺傳定律的教學與學習上，絕大多數教師所采用的方法是通過創設情境和有效引導，讓學生模擬想象成遺傳學家，依據科學研究數據，進行分析和推理，進而理解是如何通過假說-演繹法得出遺傳定律的。摩爾根果蠅實驗是遺傳學上的經典實驗，人教版高中《生物》必修2中摩爾根對果蠅雜交實驗（圖1）所作出的假設為“控制白眼的基因在X染色體上，而Y染色體不含有它的等位基因”，不少教師認為該假設并不很嚴謹，因為控制白眼的基因在X、Y的同源區段（圖2），同樣能解釋實驗現象。這不禁讓人產生疑問：摩爾根的實驗設計不嚴謹嗎？摩爾根當年用什么方法證明了Y染色體上沒有白眼基因？

圖1 果蠅雜交實驗圖解

圖2 白眼基因在X、Y染色體上的可能分布

在“中國知網”搜索2014—2018年摩爾根果蠅實驗科學史的教學設計，共得到論文4篇，分別是劉曉文的“基于生物科學史的探究課堂構建——以《基因在染色體上》一課為例”［2］，屈任務的“還原經典實驗破解學生疑惑——還原一個完整的摩爾根雜交實驗”［3］，李琳的“基于科學史的‘基因在染色體上’一節教學設計”［4］，范潔的“例析基于理性思維的科學史教學策略——以‘基因在染色體上’為例”［5］。這些教學設計均認為摩爾根為解釋其雜交實驗，都分別作出了“控制白眼的基因是位于X染色體的非同源區段，位于Y染色體的非同源區段，位于X、Y染色體的同源區段”3種假說，并設計了相關實驗，從而排除了控制眼色的基因位于Y染色體上的可能，得出控制眼色的基因位于X染色體上。因此教師強調在教學環節上，需要引導學生對基因在染色體上的各種可能情況進行分析，從而讓學生領悟摩爾根縝密的思考、嚴謹的推理。從參考文獻上可看出，上述教學設計中教師所還原的科學史探究過程，其設計依據幾乎都是來源于教參，個別教師還參考了劉祖洞主編的《遺傳學》。筆者通過閱讀1910年摩爾根發表在《科學》雜志上的“果蠅的伴性遺傳”論文及其他論著，發現教師對摩爾根所做的果蠅實驗存在較大的認識偏差。

1 人教版高中《生物》必修2中摩爾根果蠅雜交實驗與1910年摩爾根發表論文的區別

摩爾根關于“果蠅的伴遺傳”的第1篇研究論文發表于1910年。當時人們對遺傳物質的認識是模糊的，無論是孟德爾基于對數據分析指出遺傳因子的存在（1909年，約翰遜改稱“基因”），還是1903年薩頓通過觀察指出基因在染色體上，都是假說。摩爾根不喜歡假說，尤其不喜歡必須依賴其他假說的幫助才能成立的假說。摩爾根在1910年發表的論文中，根據雜交實驗的實際情況，其遺傳圖解如圖 3 所示［6］。

圖3 1910年摩爾根論文中的遺傳圖解［6］

由此可知，摩爾根在做果蠅雜交實驗時，是不知道基因與染色體的關系的，所以根據孟德爾的方法在解釋上將顏色因子（R）與決定性別的因子（X）分開考慮，并由此推測出“事實是這個R同X結合在一起，從不單獨分開”，用現代生物學術語即為“連鎖”。但即使這樣，摩爾根對控制白眼基因在X染色體上的這一結論還是保留謹慎態度。所以摩爾根在書寫上還是將顏色因子（R）與決定性別的因子（X）并列關系書寫。

其次，由于當時摩爾根用的顯微鏡不過是把一般的放大鏡架起來（圖 4）［7］，受實驗條件及認識的局限，摩爾根沒有考慮到Y染色體的存在，所以在書寫上，雌性果蠅用XX，雄性果蠅用X表示。

圖4 摩爾根實驗室［7］

因此，目前生物學教師所普遍認為的“摩爾根設計白眼雌蠅與紅眼雄蠅雜交實驗，判斷白眼基因是否在Y染色體上”，這種認識超出了摩爾根當時的認識水平。

2 摩爾根果蠅雜交實驗的目的是什么？

當時人們對孟德爾遺傳規律的認識還是存在爭議的，摩爾根并不信孟德爾。1909年，摩爾根在進行果蠅雜交實驗的過程中，還發表文章抨擊孟德爾的方法。首先，在方法上，摩爾根認為孟德爾是通過對數字進行分析推理，然后提出理論，該方法是從理論上預測了基因與性狀的關系，在統計學上“可見”，但并沒有遺傳學的物理基礎。摩爾根認為孟德爾的假說不過是“結果被很好地解釋了，因為發明了解釋來解釋它們”，并稱之為“高級雜耍”［7］。其次，摩爾根反對染色體遺傳學說，對于遺傳單位是否存在，以及在何處存儲也不感興趣。

因此，1909年摩爾根所做的果蠅雜交實驗并不是為了證明孟德爾學說，而是為了推翻孟德爾學說。直到1911年，摩爾根才在《科學》上發表論文聲明果蠅的突變符合孟德爾的理論，變成了孟德爾學說的堅定支持者。他說：“凡是密切觀察這些新類型發展史的人，都會對以下事實留下一個深刻的印象：性狀確實會‘分離’，而且在多數情況下無中間類型發生”。所以，1909年摩爾根對果蠅的雜交方案的設計，首先是基于對孟德爾方法的質疑驗證，其次是材料白眼雄性果蠅的獲得。在此基礎上，摩爾根設計了一系列雜交組合，試圖通過對實驗現象的分析否定孟德爾方法，但最終通過對實驗結果的分析，摩爾根成為了孟德爾學說的堅定支持者。

據此，教學設計中“摩爾根判斷基因的位置”各種假設確實能起到訓練學生科學思維的作用，但是必須明確的是，事實上該前提偏離了摩爾根進行果蠅雜交實驗的目的。

3 1910年摩爾根發表論文時到底做了哪些實驗？

1910年摩爾根在發現問題階段和演繹推理階段一共做了如下幾組實驗，如表1所示。

表1 1910年摩爾根果蠅雜交實驗

其中，在演繹推理階段，白眼雌性和紅眼雄性的雜交組合最為關鍵，實驗結果與預測完全吻合，假設得到完美證實，摩爾根據此確定了控制眼色的基因在X染色體上。

隨著實驗條件的改善和實驗研究的不斷深入，摩爾根的學生布里吉斯為基因在染色體上提供了無可辯駁的證據。1916年布里吉斯發現，白眼雌蠅和紅眼雄蠅交配，理論上子代應該是白眼雄蠅和紅眼雌蠅。但觀察大量子代后發現，大約每2 000只子代個體中，有1個紅眼雄蠅或白眼雌蠅。對此現象的解釋，布里吉斯提出如圖5所示的假設：雌果蠅卵原細胞減數分裂過程，極少數細胞X染色體不分離，導致卵細胞或含有2條X染色體，或不含有X染色體。異常卵細胞與精子結合得到的XXY個體為白眼雌蠅，XO個體為紅眼雄蠅，這樣就可解釋異常果蠅的出現。

圖5 初級不分離，XX卵子與Y精子受精，產生XXY雌性個體［8］

圖6 白眼XXY雌果蠅與紅眼XY雄果蠅雜交［8］

布里吉斯進一步推測該異常出現的白眼雌蠅與正常紅眼雄蠅雜交，預期得到的后代應如圖6所示：會產生8種個體，其中8號為YY，因無X染色體而不能存活。圖6中4號紅眼雄果蠅和7號白眼雌果蠅則是正常白眼雌果蠅與正常紅眼雄果蠅雜交所不能產生的，但事實上在布里吉斯的雜交實驗中卻同時“例外”的出現，該實驗結果與布里吉斯的預期相吻合，證實了布里吉斯假說的正確性。通過進一步檢查該“例外的”白眼雌果蠅的染色體，證明了其體內含有2條X染色體和1條Y染色體。最終布里吉斯的實驗無可辯駁地證明了基因在染色體上［8］。1916年摩爾根再次以“果蠅的伴性遺傳”為題發表論著，對上述認識作出總結。

綜上所述，由于當時的認識水平，摩爾根1910年的論文在細節上是有所瑕疵的。但是他采用了孟德爾的推理及實驗設計，證實了孟德爾學說的正確性；并借助薩頓等科學家對性染色體的理解，敏銳地發現果蠅伴性遺傳的存在，將孟德爾的理論推測與染色體進行了具體聯系；并通過大量實驗發現了連鎖互換定律，為現代遺傳學奠定了細胞學基礎。人教版高中《生物》所介紹的摩爾根實驗是對遺傳規律的總結認識，是在對基因與染色體的關系有了發展性認識后所作的現代生物學解釋。

2018年10月在北京召開的中學生物學研討會上，何奕琨教授指出：“進行科學史教育需要教師多讀原著，盡量還原真正的科學史”。科學史蘊含著科學家研究問題的思路，是很好的教學素材。運用科學史進行教學，可以培養學生發現問題、做出假設、驗證假設的能力。通過對摩爾根果蠅實驗的再現可以看出，人教版教材在編寫時考慮了諸多因素，例如學生的接受水平、素材所占的篇幅、科學認識的發展。因此，教材中對摩爾根的果蠅實驗所對應的科學史進行了適當的簡化處理，這樣有利于新授課時學生掌握“基因在染色體上的實驗證據”這部分教學內容。教師在備課時適當了解真實的摩爾根果蠅實驗，能清楚自己帶領學生還原的究竟是最初的科學史，還是科學發展到一定新的階段之后的新認識。