賽先生 | 染色體的地圖：摩爾根與遺傳學革命

在20世紀初的哥倫比亞大學，一間不足二十平方米的狹小實驗室里，成千上萬只果蠅的翅膀在顯微鏡下輕顫，嗡鳴聲仿佛暗示著一場科學的巨變正在醞釀。正是在這里，托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）和他的學生們以染色體為地圖，以果蠅為證據，將遺傳從一種模糊的推測，轉變為有著清晰實驗路徑和數學規律的科學。

摩爾根的人生，始終在懷疑與發現之間徘徊。他曾質疑達爾文的自然選擇，認為細微的變異不足以塑造新物種；他也曾在生物測量學與突變論的爭論中，試圖尋找更堅實的證據。但正是這種懷疑，使他在“白眼果蠅”的翅膀震顫中，看見了基因與染色體之間的橋梁。他的果蠅研究室，成為現代遺傳學的搖籃。

摩爾根不僅是遺傳學的奠基人，更是一個科學共同體的締造者。他以團隊的名義接受諾貝爾獎，將獎金分給弟子；他在加州建立新的研究中心，吸引最具才華的年輕科學家；他在生物學的理論與實驗之間搭建起新的范式。摩爾根的故事，不僅關乎遺傳學的誕生，也關乎科學如何在懷疑中生長、在實驗中自證、在群體中傳承。染色體的交叉、基因的連鎖、果蠅的短暫生命周期，共同編織出一張解釋生命規律的宏大網絡。透過這位科學家的生涯，我們或許能看到一個時代的科學如何在不確定性與信念的張力中展開，并最終點亮現代生物學的道路。

托馬斯·亨特·摩爾根（1891年）

摩爾根（Morgan）出生于肯塔基州列克星敦（Lexington, Kentucky），父母是查爾頓·亨特·摩爾根（Charlton Hunt Morgan）和艾倫·基·霍華德·摩爾根（Ellen Key Howard Morgan）。他的父系家族是南方種植園主和奴隸主家族的一支，摩爾根是邦聯將軍約翰·亨特·摩爾根（John Hunt Morgan）的侄子；他的曾祖父約翰·韋斯利·亨特（John Wesley Hunt）是阿勒格尼山脈以西的第一批百萬富翁之一。通過母系，他是《星條旗永不落》（The Star-Spangled Banner）作者弗朗西斯·斯科特·基（Francis Scott Key）以及馬里蘭州州長和參議員約翰·伊格爾·霍華德（John Eager Howard）的曾孫。南北戰爭結束后，因曾援助邦聯，他的家族一度失去部分公民權利和財產權，因此陷入困境。他的父親在政治上難以找到工作，多數時間都用來組織退伍軍人的聚會。

16歲時，摩爾根進入肯塔基州立學院（State College of Kentucky，今肯塔基大學 University of Kentucky）預科部學習。他專注于科學，尤其喜愛自然史，暑假期間還曾在美國地質調查局（U.S. Geological Survey）工作。1886年，他以優秀畢業生代表（valedictorian）的身份獲得理學學士學位。之后，摩爾根在馬薩諸塞州安尼斯夸姆（Annisquam, Massachusetts）的海洋生物學校度過一個暑假，并很快進入新成立的約翰斯·霍普金斯大學（Johns Hopkins University）攻讀動物學研究生。在形態學家威廉·基思·布魯克斯（William Keith Brooks）的指導下，他進行了兩年的實驗研究并發表了幾篇論文。1888年，憑借這段學習與研究經歷，摩爾根符合了母校肯塔基州立學院頒發理學碩士學位的條件——該校規定，畢業生須在另一所院校學習兩年并通過本校教師考核方能獲得碩士學位。學院甚至向摩爾根提供了一份正教授的職位，但他選擇繼續留在約翰斯·霍普金斯大學，并獲得了一份數額可觀的獎學金，以支持其進一步研究。

在布魯克斯的指導下，摩爾根完成了關于海蜘蛛胚胎學的論文研究。這些海蜘蛛樣本是在1889年和1890年夏天于馬薩諸塞州伍茲霍爾（Woods Hole, Massachusetts）的海洋生物實驗室（Marine Biological Laboratory, MBL）采集的。他的研究目的是確定海蜘蛛與其他節肢動物的系統發育關系。他得出的結論是，從胚胎學角度看，海蜘蛛與蜘蛛的親緣關系比甲殼類更為密切。基于這項研究成果的發表，摩爾根于1890年獲得約翰·霍普金斯大學的博士學位，并同時獲得布魯斯研究獎學金（Bruce Fellowship in Research）。他利用這份獎學金前往牙買加、巴哈馬和歐洲開展進一步的研究。從1910年至1925年，每年夏天，摩爾根與哥倫比亞大學著名“果蠅研究室”（Fly Room）的同事們都會將他們的研究項目遷至伍茲霍爾的海洋生物實驗室。除了在1890年至1942年期間一直是MBL的獨立研究員外，他還深度參與該機構的管理工作，包括在1897年至1945年擔任MBL理事。

1890年，摩爾根被任命為約翰·霍普金斯大學的姊妹學校——布林茅爾學院（Bryn Mawr College）的副教授兼生物系主任，接替其同事埃德蒙·比徹·威爾遜（Edmund Beecher Wilson）。摩爾根教授所有與形態學相關的課程，而另一位教師雅克·勒布（Jacques Loeb）則教授生理學課程。

摩爾根每周講授五天生物學課程，每天兩次講課，并經常將自己的最新研究成果納入課堂教學。雖然他是一位充滿熱情的教師，但他最感興趣的還是實驗室中的研究。在布林茅爾的最初幾年，他完成了對海橡、被囊蟲和青蛙的描述性研究。1894年，摩爾根與日本留學生津田梅子（Ume Tsuda）合作，發表了一篇關于普通蛙（Rana temporaria）卵裂的論文；這被認為是第一篇由日本女性用英文撰寫的科學論文。

1894年，摩爾根獲準休假一年，前往意大利那不勒斯的動物學實驗站（Stazione Zoologica）開展研究，威爾遜兩年前也曾在那里工作。在那不勒斯，他與德國生物學家漢斯·德里施（Hans Driesch）合作，德里施的實驗發育學研究引起了摩爾根的濃厚興趣。當年，他還完成了一項櫛水母胚胎學的實驗研究。通過在那不勒斯的經歷以及勒布的影響，他逐漸熟悉了“發育力學”（Entwicklungsmechanik）學派的實驗生物學。該學派是對19世紀盛行的活力論“自然哲學”（Naturphilosophie）的反動。摩爾根從此將研究方向從傳統的、以描述為主的形態學轉向實驗胚胎學，試圖通過物理和化學方法來解釋生物體的發育。

當時，關于胚胎如何發育存在激烈的科學爭論。威廉·魯（Wilhelm Roux）的“鑲嵌發育學說”認為，遺傳物質在胚胎細胞中被分配，每個細胞預定發育成成熟個體的特定部分。而德里施及其支持者則認為，發育是由表觀遺傳因素決定的，即卵細胞的原生質與細胞核及環境之間的相互作用可以影響發育。摩爾根站在后者一邊，他與德里施的合作表明，從海膽和櫛水母卵中分離出的卵裂球仍能發育成完整的幼體，這與魯學說的預測和實驗結果相矛盾。與此同時，在關于表觀遺傳與環境因素的爭論中，摩爾根證明，向海膽卵中加入氯化鎂即可在無受精的情況下誘導其分裂。勒布繼續開展這方面的研究，并因創造出“無父青蛙”而聞名。

1895年摩爾根返回布林茅爾學院時，已晉升為正教授。他的主要研究方向包括再生和幼蟲發育，目的都是為了區分內因與外因，從而闡明魯-德里施之爭。他于1897年出版了第一本著作《青蛙卵的發育》（The Development of the Frog's Egg），并開始了一系列關于不同生物再生能力的研究，涉及蝌蚪、魚類和蚯蚓等。1901年，他將研究成果發表為《再生》（Regeneration）。

1900年起，摩爾根開始研究性別決定問題——此前他曾忽視該課題，直到奈蒂·史蒂文斯（Nettie Stevens）發現Y染色體在性別決定中的作用。他同時繼續研究自己早年關注的進化問題。

1904年，摩爾根的朋友喬菲·約瑟夫（Jofi Joseph）因肺結核去世，這令他深感悲痛。就在此時，他的同事兼摯友埃德蒙·比徹·威爾遜（Edmund Beecher Wilson）邀請他前往哥倫比亞大學（Columbia University）任教。在威爾遜的支持下，摩爾根得以全身心投入實驗研究，并一直在哥倫比亞大學工作到1928年，隨后才轉赴加州理工學院（California Institute of Technology）。

出任實驗動物學教授后，摩爾根逐漸將研究重心轉向遺傳與進化機制。早在1903年，他便出版了《進化與適應》（Evolution and Adaptation）。與許多同時代的生物學家一樣，他承認生物進化（如相似物種源于共同祖先）的證據，但否認達爾文所提出的“由自然選擇不斷累積個體微小變異而產生新物種”的機制。

生物測量學的大量研究似乎表明，自然界的連續性變異雖然普遍存在，但其范圍有限，且并不意味著可遺傳的改變。在摩爾根看來，胚胎發育也構成了另一難題，因為自然選擇無法作用于如眼睛等復雜器官的不完整早期階段。拉馬克“獲得性性狀遺傳”的觀點曾在達爾文理論中占據重要地位，但當時越來越被生物學家否定。摩爾根的傳記作者加蘭·艾倫（Garland Allen）指出，摩爾根的分類學觀點也影響了他：他認為物種完全是人為劃分的，扭曲了自然界中連續變異的真實狀態；同時他持“類型學”觀點，認為較大的類群之間無法轉變。盡管摩爾根多年懷疑自然選擇，但隨著接受孟德爾學說（Mendelism），他的遺傳與變異理論發生了根本轉變。

1900年，卡爾·科倫斯（Carl Correns）、埃里希·馮·切爾馬克（Erich von Tschermak）和雨果·德弗里斯（Hugo De Vries）重新發掘了格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）的研究，為遺傳學奠定了基礎。德弗里斯提出新物種是通過突變產生的，從而繞過了拉馬克主義或達爾文主義。摩爾根既否定前兩者，又希望通過實驗遺傳學驗證德弗里斯的突變學說。他最初對孟德爾的遺傳定律（以及相關的染色體性別決定學說）持懷疑態度。

大約在1908年，摩爾根在C.W.伍德沃思（C. W. Woodworth）和威廉·卡斯爾（William E. Castle）的啟發下，開始研究果蠅（Drosophila melanogaster），并鼓勵學生也參與其中。與費爾南杜斯·佩恩（Fernandus Payne）合作，他嘗試通過物理、化學和輻射方式誘變果蠅。起初的兩年幾乎沒有成功，卡斯爾在鑒別果蠅突變時也遇到困難。終于在1909年，一系列可遺傳的突變出現，其中一些符合孟德爾遺傳規律。1910年，摩爾根注意到在紅眼野生型中出現了一只白眼雄性突變體。當白眼雄蠅與紅眼雌蠅雜交時，子代全部是紅眼；而第二代交配則出現白眼雄蠅。這表明白眼性狀是伴性隱性遺傳，摩爾根將該基因命名為“white”。他還發現了一種粉眼突變體，其遺傳模式不同。1911年，他在《科學》（Science）雜志上發表論文，得出結論：（1）某些性狀是伴性遺傳的；（2）這些性狀可能由性染色體攜帶；（3）其他基因也可能位于特定染色體上。

圖2 果蠅白眼的性連鎖遺傳

摩爾根與學生統計了成千上萬只果蠅的突變性狀并研究其遺傳。一個位于性染色體上的小翅突變有時會獨立于白眼突變而分離，這使摩爾根提出了“基因連鎖”的概念，并進一步假設“交換”現象的存在。他借鑒了比利時魯汶大學教授弗朗斯·阿方斯·楊森斯（Frans Alfons Janssens）1909年對這一現象的描述（稱為“交叉互換 chiasmatypy”）。摩爾根認為，連鎖基因之間的交換頻率不同，而交換頻率可作為基因在染色體上相對距離的指標。后來，英國遺傳學家J.B.S.霍爾丹（J. B. S. Haldane）建議將連鎖的度量單位命名為“摩爾根（morgan）”。摩爾根的學生阿爾弗雷德·斯特特文特（Alfred Sturtevant）于1913年繪制了首張遺傳圖譜。1915年，摩爾根、斯特特文特、卡爾文·布里奇斯（Calvin Bridges）和H.J.穆勒（H. J. Muller）合著了奠基性著作《孟德爾遺傳機制》（The Mechanism of Mendelian Heredity）。遺傳學家庫爾特·斯特恩（Curt Stern）稱其為“新遺傳學的基礎教科書”。

圖3 第一張遺傳圖譜（1913年，斯特特文特繪制），

展示了6個性連鎖基因

此后，大多數生物學家接受了“孟德爾-染色體學說”，該理論最早由沃爾特·薩頓（Walter Sutton）和西奧多·博韋里（Theodor Boveri）在1902/1903年提出，并由摩爾根及其學生擴展。加蘭·艾倫將1915年之后的時期稱為“常規科學階段”，即遺傳學家的研究工作主要集中在對1910至1915年建立的孟德爾-染色體學說進行進一步闡釋。然而，關于這一日益復雜理論的細節，以及基因的概念和物質本質，仍然存在爭議。批評者如卡斯爾提出在其他生物中的實驗結果相矛盾，顯示基因之間可能存在相互作用；而理查德·戈爾德施密特（Richard Goldschmidt）等人則認為沒有充分理由把基因視為位于染色體上的離散單位。

由于摩爾根在果蠅研究中的巨大成功，世界上許多實驗室都開展了果蠅遺傳學研究。哥倫比亞大學也因此成為一個非正式交流網絡的中心，實驗室之間通過該網絡交換有價值的果蠅突變品系。果蠅因此成為最早、也是一度最廣泛使用的模式生物之一。摩爾根的團隊保持了很高的產出，但他本人逐漸退出了果蠅實驗，給予學生們更多獨立設計和開展研究的自由。

摩爾根隨后重返胚胎學研究，并推動遺傳學研究擴展到其他生物，同時倡導將發育力學的實驗方法推廣至整個生物學領域。1915年以后，他還成為優生學運動的堅定批評者，反對利用遺傳學為種族主義的“改善人類”思想提供支持。

摩爾根的團隊在1908年前后開始用果蠅做實驗，1910年發現了第一只“白眼”突變體，隨著研究的深入，他和學生們開始集中在哥倫比亞大學謝勒爾大廳（Schermerhorn Hall）的一間小實驗室里工作，大約在1910年到1911年之間，這個只有約16×23英尺的小房間逐漸成了世界遺傳學研究的中心，被稱為“果蠅研究室”，后來更被稱作“現代遺傳學的搖籃”。

在接下來的十余年里，哥倫比亞大學的“果蠅研究室”享譽全球，不僅不斷產出開創性的研究成果，還吸引了大量科研經費和慕名前來的學者。摩爾根本人也因此成為國際科學界的權威。1927年，在哥倫比亞工作已達25年、并接近退休年齡之際，他接受了天文學家喬治·埃勒里·黑爾（George Ellery Hale）的邀請，前往加利福尼亞籌建一所全新的生物學研究院，為日后加州理工學院（California Institute of Technology）生物學系的崛起奠定了基礎。

圖4 果蠅遺傳圖譜，摘自《基因的理論》

（The Theory of the Gene，1926）

1928年，摩爾根受聘加入加州理工學院（California Institute of Technology），并出任新成立的生物學系主任，他一直任職至1942年退休。建立該系時，摩爾根希望使其研究計劃區別于約翰·霍普金斯大學和哥倫比亞大學，重點放在遺傳學與進化、實驗胚胎學、生理學、生物物理學和生物化學上。他還在加州科羅納德爾馬（Corona del Mar）建立海洋實驗室方面發揮了重要作用。為了吸引優秀學者加入加州理工，他將布里奇斯、斯特特文特、杰克·舒爾茨（Jack Shultz）和阿爾伯特·泰勒（Albert Tyler）從哥倫比亞大學帶來，并聘請西奧多西烏斯·多布然斯基（Theodosius Dobzhansky）作為國際研究員。此后，更多科學家加入該系，包括喬治·比德爾（George Beadle）、鮑里斯·埃弗魯西（Boris Ephrussi）、愛德華·L·塔圖姆（Edward L. Tatum）、萊納斯·鮑林（Linus Pauling）、弗里茨·溫特（Frits Went）、愛德華·B·劉易斯（Edward B. Lewis）以及西德尼·W·比昂斯（Sidney W. Byance）。憑借聲望，摩爾根在美國科學界擔任過多個重要職務：1927年至1931年任美國國家科學院院長；1930年任美國科學促進會（American Association for the Advancement of Science）主席；1932年主持在紐約伊薩卡召開的第六屆國際遺傳學大會（International Congress of Genetics）。

圖5 托馬斯·亨特·摩爾根畫像（1931年）

1933年，摩爾根因在遺傳學領域的開創性貢獻榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。他早在1919年和1930年就曾因同一研究獲提名。為了凸顯科研成果的集體性質，他將獎金分給布里奇斯、斯特特文特以及自己的子女。摩爾根謝絕參加1933年的頒獎典禮，而選擇在次年才赴瑞典領獎。學界認為，1933年果蠅唾液腺中巨型多線染色體（polytene chromosomes）的重新發現，很可能影響了他的決定。在此之前，實驗室的結論多建立在表型推斷之上，而可直接觀察的多線染色體為這些研究提供了堅實的物理證據。在諾貝爾獎獲獎演講《遺傳學對生理學和醫學的貢獻》（The Contribution of Genetics to Physiology and Medicine）中，摩爾根有意淡化遺傳學在醫學中的應用前景，認為除遺傳咨詢外，其作用有限。此后，他在1939年又獲英國皇家學會授予的科普利獎章（Copley Medal），進一步鞏固了其在科學界的崇高地位。摩爾根在加州理工的合同延長了兩次，最終于1942年退休，成為名譽教授兼榮休系主任。1946年，喬治·比德爾回到加州理工學院接替摩爾根擔任系主任。盡管已退休，摩爾根仍在研究所對面保留辦公室，繼續進行實驗室研究。他的晚年研究重新聚焦于性分化、再生與胚胎學問題。

圖6 摩爾根1933年的諾貝爾獎獎章（左）

與獎狀（右）

摩爾根一生飽受慢性十二指腸潰瘍的困擾。1945年，79歲的他因嚴重心臟病發作去世，死因為動脈破裂。

2025年8月30日，摩爾根及其妻子莉蓮·沃恩·摩爾根（Lilian Vaughan Morgan）的家人將兩人的骨灰從加利福尼亞州阿爾塔迪納的山景陵園（Mountain View Mausoleum）遷葬至馬薩諸塞州伍茲霍爾社區公墓（Woods Hole Community Cemetery）。該公墓由伍茲霍爾救世主教堂（Church of the Messiah in Woods Hole）管理。

摩爾根一生對進化問題始終懷有濃厚興趣。他的博士論文研究了海蜘蛛的系統發育，后來又在學術生涯中撰寫了四本關于進化的專著。在《進化與適應》一書中，他提出了反達爾文主義的觀點，認為自然選擇僅憑作用于細微的個體差異不足以產生全新的物種。他還否定了達爾文的性選擇學說，以及新拉馬克主義（Neo-Lamarckian）所主張的“獲得性狀遺傳”理論。值得注意的是，1875年至1925年間，科學界普遍對自然選擇的解釋持懷疑態度，這一時期甚至被稱為“達爾文主義的日蝕”。在果蠅研究中，摩爾根發現了許多穩定的小型可遺傳突變，逐漸改變了看法。他認識到，突變與進化的關聯在于，只有可遺傳的性狀才能對進化產生影響。自1915年他解決了遺傳問題后，他在批判性地重新審視達爾文自然選擇理論時具有獨特優勢。

在《對進化論的批判》（A Critique of the Theory of Evolution, 1916）中，摩爾根提出了一系列問題：“選擇在進化中是否起作用？選擇能產生新的東西嗎？選擇僅僅是淘汰不適應者嗎？選擇是一種創造力嗎？”在澄清一些誤解并詳細解釋孟德爾遺傳學及其染色體基礎后，摩爾根得出結論：“證據清楚表明，無論野生動物與植物，還是家養品種，其性狀的遺傳都遵循孟德爾定律。”他認為，“進化的發生在于種群吸收了有利于生存與繁殖的突變”，而有害突變幾乎不可能被固定。

圖7 《對進化論的批判》

（A Critique of the Theory of Evolution, 1916）

因此，與書名可能傳達的意思相反，摩爾根并未否定進化，而是奠定了遺傳學這門科學的基礎，也為進化機制——自然選擇提供了理論框架。遺傳學本就是達爾文自然選擇理論的重要支柱，但達爾文未能提出可行的遺傳理論。在沒有正確遺傳學理論的情況下，達爾文主義無法進一步發展。通過建立這一基礎，摩爾根推動了新達爾文綜合學說（neo-Darwinian synthesis）的形成，盡管他在職業生涯早期曾批評過達爾文。至于進化綜合理論的完善，仍需后人繼續努力。

托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan，1866.9.25-1945.12.4）是一位美國進化生物學家、遺傳學家、胚胎學家及科普作家。他因闡明染色體在遺傳中的作用而獲得1933年諾貝爾生理學或醫學獎。摩爾根于1890年在約翰·霍普金斯大學（Johns Hopkins University）獲得動物學博士學位，并在布林莫爾學院（Bryn Mawr College）任職期間研究胚胎學。1900年孟德爾遺傳規律被重新發現后，摩爾根開始研究果蠅（Drosophila melanogaster）的遺傳特性。在哥倫比亞大學（Columbia University）謝勒爾大廳（Schermerhorn Hall）著名的“果蠅研究室”（Fly Room）里，他證明了基因存在于染色體上，并構成遺傳的機械基礎。這一發現奠定了現代遺傳學的根基。由于他的研究，果蠅成為當代遺傳學的重要模式生物。而他在加州理工學院（California Institute of Technology）創立的生物學系，則培養出了七位諾貝爾獎得主。

策劃｜尹菱

統籌 | 黃鑫

撰文｜黃鑫

設計 | 焦靖

審核 | 范愛紅

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