現(xiàn)代遺傳學(xué)的開山之作——“分離規(guī)律”、“自由組合規(guī)律”和“連鎖與互換規(guī)律”，分別由孟德爾和摩爾根所發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)代基因工程就是在這三個(gè)定律的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的。

一. 孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)

孟德爾（Gregor Johann Mendel）出生于奧地利帝國(guó)西里西亞海因策道夫村，在布隆(今捷克布爾諾)的修道院擔(dān)任神父，是遺傳學(xué)的奠基人，被譽(yù)為現(xiàn)代遺傳學(xué)之父。

1840年，孟德爾考入奧爾米茨大學(xué)哲學(xué)院，主攻古典哲學(xué)，還學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)。1856年，孟德爾開始了長(zhǎng)達(dá)8年的豌豆實(shí)驗(yàn)。他從種子商那里弄到34個(gè)豌豆品種，從中挑選出22個(gè)品種用于實(shí)驗(yàn)。這些品種都具有某種可以相互區(qū)分的穩(wěn)定性狀（植株高矮、種子圓粒或皺粒、種皮灰色或白色等）。孟德爾通過(guò)培植、雜交這些豌豆，觀察研究不同代豌豆的性狀變化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了生物遺傳的基本規(guī)律——遺傳分離規(guī)律和基因自由組合規(guī)律。

孟德爾豌豆實(shí)驗(yàn)的初衷并不是研究遺傳，而是希望獲得優(yōu)良品種。在試驗(yàn)過(guò)程中，他才逐步轉(zhuǎn)向探索遺傳規(guī)律。豌豆屬于具有穩(wěn)定品種特性的自花授粉植物，容易栽種和逐一分離統(tǒng)計(jì)，是孟德爾研究遺傳規(guī)律的理想樣本。除了豌豆，孟德爾還對(duì)玉米、紫羅蘭和紫茉莉等植物作了類似比較研究。

1865年，孟德爾在布魯恩科學(xué)協(xié)會(huì)第一次宣讀研究成果，他只簡(jiǎn)單地介紹了試驗(yàn)的目的、方法和過(guò)程，使聽眾如墜入云霧中。第二次宣讀研究成果，孟德爾著重根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論證明。也許是孟德爾的思維和實(shí)驗(yàn)太超前了，與會(huì)者包括化學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、生物學(xué)家，植物學(xué)家、藻類學(xué)家都對(duì)他的論證分析毫無(wú)興趣。

豌豆雜交實(shí)驗(yàn)從1856年至1864年共進(jìn)行了8年，孟德爾將研究結(jié)果整理成《植物雜交試驗(yàn)》發(fā)表。由于此前在1859年達(dá)爾文出版了《物種起源》，幾乎全部生物學(xué)家轉(zhuǎn)向生物進(jìn)化的討論。雖然孟德爾的理論一時(shí)間無(wú)人與之共識(shí)，但他晚年仍充滿信心對(duì)好友尼耶塞爾（布魯恩高等技術(shù)學(xué)院大地測(cè)量學(xué)教授）說(shuō)：“看吧，我的時(shí)代來(lái)到了。”孟德爾逝世16年后，即《植物雜交試驗(yàn)》正式發(fā)表后的第34年，他的預(yù)言終于變成了現(xiàn)實(shí)。

1.分離規(guī)律

孟德爾根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象提出了顯性性狀與隱性性狀的概念。他用純種的高莖豌豆與矮莖豌豆作親本，在它們的不同植株間進(jìn)行異花傳粉，無(wú)論是以高莖作母本，矮莖作父本，或者以高莖作父本，矮莖作母本(即正交或反交)，雜交得到的第一代植株(F1)都表現(xiàn)為高莖。這意味著對(duì)于一對(duì)相對(duì)性狀而言，F1植株的性狀只能表現(xiàn)出雙親中的一個(gè)親本的性狀——高莖，而另一親本的性狀——矮莖完全沒有得到表現(xiàn)。同樣，在純種紅花豌豆和白花豌豆雜交的試驗(yàn)中，無(wú)論是正交還是反交，F1植株全都是紅花豌豆。據(jù)此，孟德爾把一對(duì)性狀在F1能夠表現(xiàn)出來(lái)的那個(gè)性狀（高莖、紅花）叫做顯性性狀，未能表現(xiàn)出來(lái)的性狀（矮莖、白花）叫做隱性性狀。對(duì)豌豆的其它5對(duì)相對(duì)性狀的雜交試驗(yàn)觀察，孟德爾也都得到了相同的結(jié)果。

F1只表現(xiàn)出相對(duì)性狀中的一個(gè)性狀——顯性性狀，那么，相對(duì)性狀中的另一個(gè)性狀——隱性性狀是不是在雜交中消失了呢？孟德爾繼續(xù)雜交試驗(yàn)，他讓F1的高莖豌豆自花授粉，然后把得到的F2再播種栽培，得到雜種F2的豌豆植株出現(xiàn)了兩種類型：一種是高莖的豌豆(顯性性狀)，一種是矮莖的豌豆(隱性性狀)。即一對(duì)相對(duì)性狀在F2代都分離為高莖和矮莖性狀，孟德爾稱之為分離現(xiàn)象。他還從F2的高、矮莖豌豆的數(shù)字統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)：在1064株豌豆中，高莖的有787株，矮莖的有277株，兩者數(shù)目之比接近3∶1。

以同樣的試驗(yàn)方法，孟德爾又進(jìn)行紅花豌豆的F1自花授粉。在雜種F2的豌豆植株中，同樣出現(xiàn)了兩種類型：一種是紅花豌豆(顯性性狀)，另一種是白花豌豆(隱性性狀)，共929株，其中紅花豌豆705株，白花豌豆224株，二者之比同樣接近于3∶1。

對(duì)于3∶1的性狀分離，孟德爾感覺這絕對(duì)不是某種偶然的巧合，可能是一種遺傳上的規(guī)律性。他經(jīng)過(guò)一番創(chuàng)造性思維，提出了遺傳因子的分離假說(shuō)。這個(gè)假說(shuō)可歸納為：

⑴.生物性狀的遺傳由遺傳因子決定(遺傳因子后來(lái)被稱基因)。

⑵.遺傳因子在體細(xì)胞內(nèi)成對(duì)存在，其中一個(gè)來(lái)自父本，一個(gè)來(lái)自母本，二者分別由精卵細(xì)胞帶入。在形成配子時(shí)，成對(duì)的遺傳因子又彼此分離，并且各自進(jìn)入到一個(gè)配子中。所以在每一個(gè)配子中只含有成對(duì)遺傳因子中的一個(gè)成員，也許來(lái)自父本，也許來(lái)自母本。

⑶.在雜種F1的細(xì)胞中，來(lái)自父本、母本的兩個(gè)遺傳因子處在各自獨(dú)立、互不干涉的狀態(tài)之中，二者對(duì)性狀發(fā)育所起的作用可以表現(xiàn)出明顯的差異，即一方對(duì)另一方起了決定性的作用，也就是存在顯性因子和隱性因子之分，或者說(shuō)有顯性性狀與隱性性狀之分。

⑷.雜種F1所產(chǎn)生的不同類型的配子，其數(shù)目相等，而雌雄配子的結(jié)合是隨機(jī)的，各種不同類型的雌、雄配子的結(jié)合機(jī)會(huì)均等。

但是，假說(shuō)畢竟只是假說(shuō)，不能用來(lái)代替真理。要使假說(shuō)上升為科學(xué)真理，還必須用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證。孟德爾設(shè)計(jì)了一種驗(yàn)證方法，也是他用得最多的測(cè)交法。測(cè)交就是讓雜種子一代與隱性類型相交，用來(lái)測(cè)定F1的基因型。按照孟德爾對(duì)分離現(xiàn)象的解釋，雜交種子一代F1(Dd)一定會(huì)產(chǎn)生帶有遺傳因子D和d的兩種配子，并且兩者的數(shù)目相等；而隱性類型(dd)只能產(chǎn)生一種帶有隱性遺傳因子d的配子，這種配子不會(huì)遮蓋F1中遺傳因子的作用。所以，測(cè)交產(chǎn)生的后代應(yīng)當(dāng)一半是(Dd)的，一半是(dd)的，即兩種性狀之比為1∶1。

孟德爾用子F1高莖豌豆(Dd)與純本矮莖豌豆(dd)相交，得到的后代共64株，其中高莖的30株，矮莖的34株，即性狀分離比接近1∶1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)先設(shè)想。對(duì)其他幾對(duì)相對(duì)性狀的測(cè)交試驗(yàn)，也無(wú)一例外地得到了近似于1∶1的分離比。由此證明了遺傳因子分離假說(shuō)是正確的，并且被后人的無(wú)數(shù)次試驗(yàn)所證實(shí)。

孟德爾分離規(guī)律的實(shí)質(zhì)是，在雜合體中決定某一性狀的成對(duì)遺傳因子，在減數(shù)分裂過(guò)程中，彼此分離，互不干擾，使得配子中只具有成對(duì)遺傳因子中的一個(gè)，從而產(chǎn)生數(shù)目相等的兩種類型的配子，且獨(dú)立地遺傳給后代，這就是孟德爾的分離規(guī)律。

2.自由組合規(guī)律

孟德爾在揭示了由一對(duì)遺傳因子(或稱一對(duì)等位基因)控制一對(duì)相對(duì)性狀雜交的遺傳規(guī)律——分離規(guī)律之后，他又接連進(jìn)行了兩對(duì)、三對(duì)甚至更多對(duì)相對(duì)性狀雜交的遺傳試驗(yàn)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了第二條重要的遺傳學(xué)規(guī)律——自由組合規(guī)律（也有人稱獨(dú)立分配規(guī)律）。

孟德爾仍以豌豆為樣本，選取了具有兩對(duì)相對(duì)性狀差異的純合體作為親本進(jìn)行雜交，一個(gè)親本是結(jié)黃色圓形種子(黃色圓粒)，另一親本是結(jié)綠色皺形種子(綠色皺粒)。無(wú)論正交還是反交，所得到的F1全都是黃色圓形種子。由此可知，豌豆的黃色對(duì)綠色是顯性，圓粒對(duì)皺粒是顯性，所以F1的豌豆呈現(xiàn)黃色圓粒性狀。

把F1的種子播下去，讓它們自花授粉(自交)，則在F2中出現(xiàn)了明顯的性狀分離和自由組合現(xiàn)象：共計(jì)得到556粒F2種子中，有四種不同的表現(xiàn)類型。如果以數(shù)量最少的綠色皺形種子32粒為基數(shù)1，那么F2的四種表現(xiàn)型的數(shù)字比例大約為9∶3∶3∶1。

F2所出現(xiàn)的四種類型，有兩種是親本原有的性狀組合，即黃色圓形種子和綠色皺形種子，還有兩種不同于親本類型的新組合，即黃色皺形種子和綠色圓形種子。這一結(jié)果表明了不同相對(duì)性狀之間的自由組合特性。孟德爾還發(fā)現(xiàn)，如果單就其中的一對(duì)相對(duì)性狀而言，那么，其雜交后代的顯、隱性狀之比仍然符合3∶1的近似比值。

與分離規(guī)律相類似，孟德爾對(duì)自由組合規(guī)律同樣采用了測(cè)交法來(lái)驗(yàn)證。把F1雜種與雙隱性親本進(jìn)行雜交，由于雙隱性親本只能產(chǎn)生一種含有兩個(gè)隱性基因的配子(yr)，所以測(cè)交所產(chǎn)生的后代，不僅能表現(xiàn)出雜種配子的類型，而且還能反映出各種類型配子的比數(shù)。也就是說(shuō)，當(dāng)F1雜種與雙隱性親本測(cè)交，如能產(chǎn)生四種不同類型的后代，而且比數(shù)相等，那么就可以證實(shí)F1雜種在形成配子時(shí)，其基因就是按照自由組合的規(guī)律彼此結(jié)合的。測(cè)交試驗(yàn)的結(jié)果顯示，無(wú)論正交還是反交，都得到了四種數(shù)目相近的（比數(shù)為1∶1∶1∶1）不同類型的后代，與預(yù)期的結(jié)果完全符合，從而驗(yàn)證了自由組合規(guī)律——具有兩對(duì)(或更多對(duì))相對(duì)性狀的親本進(jìn)行雜交，當(dāng)F1產(chǎn)生配子時(shí)，在等位基因分離的同時(shí)，非同源染色體上的非等位基因表現(xiàn)為自由組合。也就是說(shuō)，一對(duì)等位基因與另一對(duì)等位基因的分離與組合互不干擾，各自獨(dú)立地分配到配子中。

孟德爾的分離規(guī)律和自由組合規(guī)律是遺傳學(xué)中最基本、最重要的規(guī)律，后來(lái)發(fā)現(xiàn)的許多遺傳學(xué)規(guī)律都是在這個(gè)基礎(chǔ)上產(chǎn)生并建立起來(lái)的，它猶如一盞明燈，照亮了近代遺傳學(xué)發(fā)展的前途。尤其是自由組合規(guī)律，為我們理解自然界生物的多樣性提供了重要的理論依據(jù)。

 二. 摩爾根的白眼果蠅實(shí)驗(yàn)

美國(guó)進(jìn)化生物學(xué)家、遺傳學(xué)家和胚胎學(xué)家托馬斯·亨特·摩爾根(Thomas Hunt Morgan) 是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)生物學(xué)奠基人，他因發(fā)現(xiàn)染色體的遺傳機(jī)制，創(chuàng)立染色體遺傳理論，獲得1933年諾貝爾獎(jiǎng)。

摩爾根在攻讀博士研究生和獲得博士學(xué)位后的10多年里，主要從事實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的研究。他起初很懷疑孟德爾定律，認(rèn)為這個(gè)定律可能只適合于豌豆而不適用于其他生物。他提出了一個(gè)非常尖銳的問(wèn)題：生物的性別肯定是由基因控制的，那么決定性別的基因是顯性的，還是隱性的？不論怎樣回答，都會(huì)面對(duì)一個(gè)難以收拾的局面，因?yàn)樵谧匀唤缰写蠖鄶?shù)生物的兩性個(gè)體比例是1:1，不論性別基因是顯性還是隱性，都不會(huì)得出這樣的比例。他曾用白腹黃側(cè)的家鼠與野生型雜交，得到的結(jié)果五花八門，根本無(wú)法用孟德爾定律來(lái)解釋。所以他認(rèn)為關(guān)于染色體上有基因的說(shuō)法還只是猜測(cè)，只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)才是可信的。與此同時(shí)，孟德爾對(duì)德弗里斯的突變論卻越來(lái)越感到滿意。

1909～1928年，摩爾根創(chuàng)建以果蠅為實(shí)驗(yàn)材料的研究室，從事進(jìn)化和遺傳方面的工作。他的實(shí)驗(yàn)室被同事戲稱為“蠅室”，除了幾張舊桌子外，就是培養(yǎng)了千千萬(wàn)萬(wàn)只果蠅的若干個(gè)牛奶罐。果蠅屬于蒼蠅一類，但是比我們?nèi)粘？吹降纳n蠅要小，體長(zhǎng)不過(guò)半厘米，一個(gè)牛奶瓶就可以裝成百上千只。果蠅喜歡吃腐爛的水果，并由此而得名。果蠅繁殖力強(qiáng)，1天時(shí)間即可由卵孵化為蛆，2到3天變成蛹，再過(guò)5天羽化為成蟲，一年可以繁殖30代。果蠅細(xì)胞內(nèi)的染色體只有4對(duì)8條，清晰可辨。

摩爾根養(yǎng)果蠅希望得到突變體，在屢戰(zhàn)屢敗的情況下，他"嚴(yán)刑拷打"新得到的一批果蠅：使用X光照射、激光照射，用不同的溫度，或者加糖、加鹽、加酸、加堿，甚至不讓果蠅睡覺。各種手段都使用了，目的就是要誘發(fā)果蠅發(fā)生突變。然而一晃兩年時(shí)間一無(wú)所獲。

1910年5月，摩爾根夫人（實(shí)驗(yàn)員）在紅眼的果蠅群中發(fā)現(xiàn)了一只異常的白眼雄性果蠅。摩爾根以前從來(lái)沒有見過(guò)這樣的類型，他認(rèn)為這應(yīng)該是罕見的突變品種。摩爾根將它裝在瓶子里，睡覺時(shí)放在身旁，白天又帶回實(shí)驗(yàn)室。白眼果蠅被養(yǎng)精蓄銳，終于在與一只正常的紅眼雌蠅交配之后才死去，留下了突變基因。

這個(gè)家系的子一代全是紅眼的，表明紅相對(duì)白而言是顯性的。摩爾根又使子一代自相互交配，果然發(fā)現(xiàn)子二代中的紅、白眼果蠅都有，其中3470個(gè)紅眼的，782個(gè)白眼的，基本符合3:1的比例，遵循孟德爾的研究結(jié)果。

然而，孟德爾進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，子二代的782個(gè)白眼果蠅全是雄性，這種現(xiàn)象卻不同于孟德爾規(guī)律。按照孟德爾的自由組合規(guī)律，那些長(zhǎng)著白眼的果蠅，它們的性別應(yīng)當(dāng)是有雄性的，也有雌性的。但是這些白眼果蠅全部是雄性，沒有一只是雌性。也就是說(shuō)，突變出來(lái)的白眼基因伴隨著雄性個(gè)體遺傳。摩爾根終于明白從果蠅身上看到了孟德爾在豌豆上觀察不到的現(xiàn)象。

對(duì)特殊現(xiàn)象的解釋，就是建立新的定律。摩爾根知道，果蠅的4對(duì)染色體中，有一對(duì)是決定性別的：其中雌性果蠅的兩條性染色體完全一樣（XX）；雄性果蠅的性染色體一大一?。?/SPAN>XY）。摩爾根判斷，白眼基因位于這對(duì)染色體的X染色體上。因此，白眼果蠅與紅眼果蠅的子一代會(huì)因?yàn)榧t眼是顯性基因（位于X），所以不論雌雄都是紅眼果蠅。當(dāng)?shù)诙芜M(jìn)行雜交時(shí)，體內(nèi)含有白眼基因的雌性紅眼果蠅與正常的雄性紅眼果蠅交配，就會(huì)出現(xiàn)含白眼基因的一條X染色體與一條Y染色體結(jié)合，生成第二代雜交果蠅中的白眼類型，而且都是雄性的。摩爾根把這種白眼基因跟隨X染色體遺傳的現(xiàn)象，叫做"連鎖"，兩類基因——白眼基因和決定性別的基因好像被鎖定一起，當(dāng)細(xì)胞中的染色體對(duì)分裂時(shí)它們一同行動(dòng)，組合時(shí)也一同與另外的染色體結(jié)合。

摩爾根和他的學(xué)生發(fā)現(xiàn)突變白眼果蠅之后，另外的突變類型便接踵而至。在幾個(gè)月內(nèi)，他們又發(fā)現(xiàn)了四種眼色突變。例如，果蠅中出現(xiàn)了粉紅眼，通過(guò)對(duì)這個(gè)類型的分離和組合，發(fā)現(xiàn)其與性別無(wú)關(guān)，也與白眼基因無(wú)關(guān)，顯然粉紅眼基因位于另外的染色體上，而且不在性染色體上；而朱砂眼果蠅的遺傳特點(diǎn)與白眼果蠅完全一致，同樣是伴性遺傳的——兩個(gè)基因都位于X染色體上。

摩爾根的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了一種突變性狀——果蠅的小翅基因，給摩爾根創(chuàng)立的理論帶來(lái)了挑戰(zhàn)。這種突變基因是伴性遺傳的，與白眼基因一樣位于X染色體。但是，當(dāng)染色體配對(duì)時(shí)，這兩個(gè)基因有時(shí)卻并不像是被鎖定在一起的。例如，攜帶白眼基因與小翅基因的果蠅，根據(jù)連鎖原理，產(chǎn)生的下一代應(yīng)該只有兩種類型，要么是白眼小翅的，要么是紅眼正常翅的。但是摩爾根卻發(fā)現(xiàn)，還出現(xiàn)了一些白眼正常翅和紅眼小翅的類型。為了解釋這種現(xiàn)象，摩爾根提出，染色體上的基因連鎖群并不像鐵鏈一樣牢靠，有時(shí)染色體也會(huì)發(fā)生斷裂，甚至與另一條染色體互換部分基因。兩個(gè)基因在染色體上的位置距離越遠(yuǎn)，它們之間出現(xiàn)變故的可能性就越大，染色體交換基因的頻率就越大。白眼基因與小翅基因雖然同在一條染色體上，但是相距較遠(yuǎn)，因此當(dāng)染色體彼此互換部分基因時(shí)，果蠅產(chǎn)生的后代中就會(huì)出現(xiàn)新的類型。這就是"互換"定律。

"連鎖與互換定律"是摩爾根在遺傳學(xué)領(lǐng)域的一大貢獻(xiàn)，它和孟德爾的分離定律、自由組合定律一道，被稱為遺傳學(xué)三大定律。有趣的是，雖然摩爾根是個(gè)討厭空談理論，注重實(shí)驗(yàn)的人，他曾經(jīng)對(duì)達(dá)爾文的進(jìn)化論和孟德爾的遺傳學(xué)說(shuō)抱有懷疑態(tài)度，但是為他贏得聲譽(yù)最多的論文，卻不是關(guān)于實(shí)驗(yàn)的描述，而是他發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇闡述連鎖與互換定律的理論文章，而這篇論文并沒有列舉任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

染色體就是基因的載體！摩爾根和他的學(xué)生還推算出了各種基因的染色體上的位置，并畫出了果蠅的4對(duì)染色體上的基因所排列的位置圖?；?qū)W說(shuō)從此誕生了，男女性別之謎也終于被揭開了，遺傳學(xué)結(jié)束了空想時(shí)代，重大發(fā)現(xiàn)接踵而至，并成為20世紀(jì)最為活躍的研究領(lǐng)域。