達爾文的《家養條件下動物和植物的變異》（1868），德弗裡的《細胞內泛生論》（1889），以及魏斯曼的《種質論》（1892）促進了人們對遺傳問題的關注。德弗裡和柯侖斯於1892年開展了系統性的雜交試驗，1899年兩人都發表了他們的異粉性（胚乳由花粉核形成，見Dunn，1966）試驗的重要結果。不久後干1900年春發生了一件生物學史上罕見的事，這似乎非常突然但實際上卻是事態長期發展的一個高潮。有三位植物學家，德弗裡、柯侖斯、丘歇馬克，在短短幾個月內先後發表文章聲稱他們分別獨立地發現了重要的遺傳定律，卻不料在核查文獻時才知道孟德爾已領先他們35年在19世紀60年代已經發現了這一定律。自此以後不斷有人懷疑這三位植物學家的說法是否真實。這個問題看來至關重要，值得比較仔細地加以分析。
17．1 重新發現孟德爾的生物學家
德弗裡在他的《細胞內泛生論》一書中已明確地表明了他的觀點，即遺傳被分割成單位性狀，每個單位性狀獨立地遺傳。他還擬訂了試驗計劃。由於他同時從事生理學實驗研究，所以直到1892年才認真地開展雜交試驗，開始時採用的是麥瓶草（Silene）、罌粟、月見草等植物：1894年他在536株F2代麥瓶草中發現392株有毛，144株無毛（2．72：1）。1895年他在罌粟F2代雜種中發現花瓣有黑斑的158株，白斑的有43株（3．67：1）；1896年他發現白斑罌粟是純一傳代。他在這些年中的其他試驗也都證實了這些發現。1899年秋，德弗裡在30稈以上的物種和變種中觀察到明顯的分離現象。最後他認為，對應性狀的分離遵從某種一般的規律並認為有充分理由發表這些結果。1900年3月他在幾個星期之內先後寫出了三篇文章記述其發現，兩篇寄往巴黎科學院（準備在1900年3月26日的會議上宣讀），一篇寄往德國植物學會（3月14日收到）（見Krizenecky，1965）。他寄往巴黎的文章出版的日期（4月21日之前）實際上比發往德國的出版時間（4月25日）早幾天。在寄給德國的那篇文章中他在腳注中寫道：「在我完成了大部分試驗並根據這些試驗寫成這篇文章後才第一次知道孟德爾的文章。」Olby（1966：129）根據大量的間接證據斷定，德弗裡很可能早在1896年或1897年就讀過孟德爾的文章。zirkle（1968）則認為在1899年，Kottlet（1979）根據進一步的證據指出時間是1899年。
在這些年中德弗裡在講課提綱中仍然採用他自己的術語——活動的（active，A），潛在的（latent，L）——而不是孟德爾的顯性和隱性，在示數掛圖中他對分離用不同的百分比（77．5％：22．5％，75．5％：24．5％）表示，似乎他還並不瞭解分離的真正原因。還值得提到的是，德弗裡用月見草進行過大量的雜交試驗，在1900年的文章中他只選用了（拉馬克月見草X短柱月見草）這個例子，這在他的月見草試驗材料中是他發現的唯一真正的基因突變。正如他在和貝特森的通信中所明確說明的，他將進化性狀和行生性狀加以區別，只有後者遵從孟德爾定律。
德弗裡曾說過他是在1892年出版的一篇文章的參考文獻中發現孟德爾的文章名錄，他顯然是在1892年以後的幾年中參考過上述的那篇文章並促使他閱讀孟德爾的原文。毫無疑問，他在那時就已經知道分離比值（我們現在將之解釋為3：1比值）以及隱性的純一傳代，但是這並不一定意味著這些發現會促使他放棄他原先的錯誤觀念。就像19世紀80年代的所有其他研究者一樣，德弗裡原來認為性狀可能是由多重微粒控制的（見第十五章 ）。像394：144，158：34，或77．5％：22．5%這樣的一些比值對相信複製因子決定性狀的人來說毫無意義。在運用比值時，德弗裡指的是2：1或4：1（Kottler，1979）。讀了孟德爾的文章，是否促使他放棄他原先的學說並接受「來自每個雙親的一個因子決定個體性狀」的孟德爾學說？我們將永遠無法知道。既然如此，我們就必須接受德弗裡的說法、他是從他自己的試驗「推論出」分離定律的，正像孟德爾從類似的試驗結果得出他的學說一樣。德弗裡專心致力於單位性狀的試驗性分析，的確非常接近於問題的解決。再前進一小步就能放棄他原先學說中的最後一個錯誤部分（泛子的經常複製）。然而貝特森在讀到德弗裡的文章以前雖然有大量的孟德爾式的比值也沒有作出孟德爾那樣的解釋。
德弗裡發現孟德爾已領先，顯然很沮喪，這可能是他不再去探索他的發現的更深刻的遺傳後果而轉向從進化角度闡釋進化突變的一個原因。物種形成似乎一向是他主要關心的問題。德弗裡顯然認為孟德爾遺傳只是多種遺傳機制之一，否則就無法解釋他在給貝特森信中所說的「就我看來，越來越清楚的是，孟德爾學說是雜交普遍規律的一個例外。」因此，他多少捨棄了孟德爾學說而去研究他認為對進化更為重要的其他形式的遺傳。
有三點理由表明，德弗裡將永遠是遺傳學史上值得紀念的偉大學者：
（1）他獨立於孟德爾提出了將個體之間的差異分割成單位性狀的觀點；
（2）他首先在一大群各式各樣的植物中證實了孟德爾分離現象是存在的；
（3）他發展了遺傳單位的突變性概念。
因此他決不止只是孟德爾的發現者之一。當然德弗裡比孟德爾更佔有優勢。他能運用當時的細胞學研究新成果來發展他的學說。當孟德爾明智地規避了對遺傳「因子」（Elemente）本質即其物質基礎的探究時，德弗裡卻將之與重新定義了的達爾文的泛子聯繫起來。就遺傳現象而言，德弗裡綜合了達爾文與孟德爾。
孟德爾遺傳的第二位重新發現者柯侖斯（Carl Correns，1864－1933）的情況就簡單得多。他曾說過孟德爾的分離學說是他（在1899年10月的一天）醒著躺在床上等天亮時突然「像閃電似的」進到他的腦海。他那時正忙於別的研究只是在幾個星期之後才讀過孟德爾的論文（在1899年12月他的異粉性文章中曾指出過）。當他收到德弗裡的法國（巴黎）科學院文章的複印本時（1900年4月21日）他才（在一天之內）將他的試驗結果寫成文章並在德國植物學會4月27日的會議上宣讀，隨後大約在5月25日出版。柯侖斯從一開始就不認為他在重新發現孟德爾上起了重要作用。在他的一份通報的標題中就用的是「孟德爾法則」。他認為「就我自己來說重新發現這些定律所費的智力勞動（由干以往ˍ別年生物學的大量研究，尤其是魏斯曼的工作）比之孟德爾是大大減輕了。」關於柯侖斯獨立重新發現孟德爾的問題，唯一可以懷疑的是，他是內格裡的學生（他的妻子是內格裡的甥女），可能早就知道孟德爾的工作。然而這種可能性是難以使人接受的，如果柯侖斯對孟德爾的工作早在20年前就已經知道而他卻沒有按這一線索盡早開展研究那才真是非常奇怪的事。
第三位一直被認為是獨立重新發現孟德爾定律的人是奧地利植物育種家丘歇馬克（Erich Tschermak），正如Stern（1966）指出，將丘歇馬克列為重新發現者是沒有什麼理由的。他確實見過孟德爾的文章，但在他於1900年發表的文章中表明他並不瞭解孟德爾遺傳的基本原理。然而他在引導植物育種家注意孟德爾遺傳學的重要意義上卻起了積極作用。
為什麼很多早期的孟德爾主義者恰巧都是植物學家（孟德爾、德弗裡、柯侖斯、丘歇馬克、約翰遜）這個問題從來也沒有解釋清楚。也許在園藝植物和其他栽培植物中更具有選育變種的傳統，因為植物比動物更容易培養和育種。葉、花可能比羊、牛、豬等家畜具有更多的不連續性狀。動物育種家所研究的大多數性狀都是高度多基因性的，根本不宜於進行簡單的孟德爾式分析。然而，1900年初，貝特森開始研究家禽，Cuenot在法國和凱塞爾（19o2）在美國開始研究齧齒類，1905年凱塞爾採用果蠅作為實驗動物。動物遺傳學的研究很快就追上了植物遺傳學，而當摩根學派和切特維尼可夫學派開展了它們的研究工作後就超過了植物遺傳學。到了1914年，A．Lang僅僅報導1900年以後哺乳動物遺傳學的研究成果的專論竟然用了890頁的篇幅。
植物（甚至高等植物）遺傳系統的多樣性遠遠高於動物。這對要建立普遍規律的人來說很容易產生錯覺。例如山柳菊屬（Hieracium）的無配生殖（無融合生殖，apomixis）系統就使孟德爾的研究遭到挫折，月見草的均衡雜合染色體環導致德弗裡提出了錯誤的物種形成學說，自花受粉的近於純合的菜豆（Phaseolus）使約翰遜貶低了自然選擇的作用。細胞質影響在植物中雖然比動物中更普遍因而許多植物遺傳學家（特別在德國）的注意力完全集中在這方面以致（在分子遺傳學以前）沒有作出特別重要的研究成果。另一方面，植物界不僅提供了豌豆而且還有穀物類（特別是小麥、大麥、玉米）、棉花、煙草以及許多其他故在遺傳學上有研究價值的物種。目前還沒有人從事在遺傳學研究中所採用的各種動、植物物種利弊兩方面的比較研究。必須承認，大多數工作只是印證已經由果蠅或玉米所確立的事實。在分子遺傳學以前，大部分遺傳學研究都是在植物學系或動物學系分別進行，植物遺傳學者和動物遺傳學者之間的學術交流並不總是像所希望的那樣活躍。30年代以後低等植物（藻類、真菌、酵母）和原生生物（細菌、病毒）日益成為遺傳學者所重視的實驗材料。由於認識到真核生物與原核生物在遺傳系統上的重大差別，60年代以後又再度燃起對真核生物遺傳學研究的興趣。
17．2 孟德爾遺傳學的黃金時代
遺傳學的早期歷史可以分為兩個階段，頭一階段從1900年到1909年左右，第二個階段始於1910年。頭一個階段往往稱為孟德爾主義時期，主要精力集中在有關進化問題的爭議上以及孟德爾遺傳是否普遍有效的問題。這一時期（階段）的主要代表人物是德弗裡，貝特森和約翰遜，常常被稱為「早期的孟德爾主義者。」不同的人對「孟德爾主義」這詞有不同的理解，根據他要強調的是孟德爾主義的哪個方面而定。對建立遺傳學的學者而言，它指的是顆粒遺傳確鑿無疑已成定案，並側重硬式遺傳的時期。對於進化主義者來說，「孟德爾主義」指的是這樣一個時期，在這一協期中某些著名的遺傳學家傳播著關於進化問題和物種形成的完全錯誤的觀點，在這一時期中突變壓力被認為遠比自然選擇重要，而這些觀點對博物學家正是格格不入的。因此，「孟德爾主義」這同一個詞有時被用來表示讚許或支持，有時卻具有貶義。
第二個階段從1910年開始，主要代表是摩根學派；主要側重於純粹遺傳學問題的研究，諸如基因的本質、基因在染色體上的一排列等等。由貝特森於1906年建議的「遺傳學」（genetics）這個詞後來被普遍接受並作為研究遺傳現象這門科學的廣義概念。
孟德爾所發表的文章雖然經過了34年才重新發現，但一旦重新發現之後卻以前所未有的速度廣泛傳播。柯侖斯和丘歇馬克都是在1900年4月未見到德弗裡的文章。並分別在5月和6月發表了自己的有關文章。貝特森於5月8日在英國皇家園藝學會的會議上通報了孟德爾的試驗，在法國Cuenot也很快就介紹了孟德爾的工作。
和許多重要的科學活動相仿，隨後的進展勢頭在不同的國家也各不相同。毫無疑問，在孟德爾遺傳學的進展方面英國是遙遙領先的，但不久即被美國趕上最後超過（美國的代表人物是Castle，East，摩根以及其他學者）。德國的遺傳學仍然繼承了19世紀8O年代的傳統，側重發育遺傳學和一些不常見的遺傳現象（真正的或外表上的細胞質遺傳、原生動物遺傳等等）。在法國，Cuenot開了一個好頭之後一直到20世紀30年代並沒有多大作為。在蘇聯，正如Gaissinovich（1971）指出的，「只是到了蘇維埃時期遺傳學才發展成為一門科學」。在西北歐則並沒有遺傳科學誕生。遺傳學在什麼地方欣欣向榮和按哪個方向發展，完全取決於這一領域的帶頭人。然而奇怪的是，柯侖斯和德弗裡在隨後的孟德爾遺傳學發展上都沒有發揮重要作用。這一功績，至少在早期，必須歸於貝特森（1861－1926），他對孟德爾遺傳學重要意義的賞識程度遠在所謂的重新發現者之上。
貝特森自從在霍普金斯大學W．K．Brooks教授的研究室逗留期間（1883—1884）就對不連續變異（見第二編）饒有興趣並從80年代起就進行育種試驗，但真正集中精力從事這方面的研究還在1897年左右。1899年7月11日他向皇家園藝學會宣讀了一篇題為「作為一種科學研究方法的雜交和雜交育種」的論文。從這篇論文可以看出當時他還沒有提出遺傳學說，儘管有許多試驗結果按孟德爾觀點很容易解釋。直到1900年5月8日他在從劍橋到倫敦的火車上讀到孟德爾的原作後才深受啟迪。他很快就成為一位熱誠的孟德爾主義者並將孟德爾的文章翻譯出來加上腳注發表在皇家園藝學會雜誌上（1900年）。貝特森的熱情一部分出自他認為孟德爾分離學說是對他的（錯誤的）論點——「物種形成是不連續變異的結果」——的肯定。德弗裡也提出過類似的進化學說並且也認為孟德爾遺傳因子的不連續性是他的物種驟變形成學說的重要證據。因此，孟德爾學說之所以引起廣泛注意竟然是由於是是而非地表面的（如果不是錯誤的）理解。關於貝特森與德弗裡的論點所引起的非難已在第十二章 介紹，我在下面只討論貝特森對傳遞遺傳學作出的貢獻。
遺傳學中的大多數重要術語都是貝特森提出的。他為這門新學科創造了「遺傳學」這個新詞，並於1901年首創了「等位基因」（allele，原為allelomorPh，後簡化），「純合子」，「雜合子」。有了這些語義明確的術語，大大促進了這段時期的學術交流。當然，貝特森及其同事還對我們瞭解遺傳現象作出了實質性的貢獻。他們首先發現與孟德爾所觀察到的簡單現象不相符的情況（如多基因，不完全連鎖）。遺傳學正是通過貝特森才在英國取得了在歐洲其他國家所完全沒有的勢頭或動力。
貝特森是一個很複雜的人物，在辯論中好鬥並近乎粗暴，但同時他又完全獻身於事業。他是兼保守與革命於一身的奇怪混合物。在1900年以後的頭10年中，他是遺傳學的主要活動家，Caslle（1951）的說法實際是很有道理的，他說貝特森「是遺傳學的真正創始人。」然而1910年以後他反對染色體學說以及繼續堅持物種驟然形成的觀點就不再能說是建設性的。作為一個革命者來說他曾經留下了不朽的名言（1908：22）：「請珍惜你所發現的例外情況；如果沒有例外，工作就會變得如此枯燥無味誰也不願意去進一步推動它前進。把這些例外情況永遠暴露在眾目睽睽之下。例外就像修建中的大廈的粗面石料，它告訴人們怎樣進一步加工並指出下一個部件應當安放在什麼地方。」在他自己的研究工作中，他就非常注意實際上的例外或表面上的例外，他的一些重要發現就是遵循這一箴言的結果。
孟德爾遺傳學的進展
1900年以後遺傳學的新發現出現的速度在科學史上幾乎是沒有先例的。無論是查閱Lock編寫的遺傳學教科書（1906，尤其是其中的163－275頁）或是貝特森的教科書（1909），我們就會為1900年後不久人們對孟德爾遺傳學理解的成熟程度而感到驚訝。進步如此迅速的原因是什麼？原因之一當然是這新學說本身的美滿和簡單足以吸引任何人去進行遺傳試驗來驗證它是否普遍有效。由於這是一片新開拓的領域，幾乎任何人都有取得新發現的機會。孟德爾定律可以對遺傳方式作出預測並對這些預測立即加以檢驗。另一個原因則還沒有定論，即認為1900年以前細胞學研究在35年中所取得的輝煌成就奠定了牢固基礎應當能夠按細胞學、特別是從染色體的角度來說明幾乎一切純理論性的遺傳學發現。染色體細胞學已成為通向生物學其他領域的橋樑，這座橋樑是在能夠使用之前就已建成。然而奇怪的是，既使它在能使用之後也幾乎被遺傳學家、如在摩根之前的貝特森、凱塞爾，East等完全忽略了。
遺傳現象有關機制的知識被應用於生物學的各個不同領域，如進化生物學（見第十二章 和十三章 ），發育生理學。下面將著重討論傳遞遺傳學方面。
半顯性（Semidomhance）
在孟德爾所分析的七對性狀中，他對每一對性狀只分辨出兩個變異體，即顯性的和隱性的變異體。但是正如孟德爾本人所發現的那樣，並不是所有的性狀對（成對性狀）都是如此。他曾經談到花期就「幾乎恰好處於親本植株之間。」柯侖斯（1900）也同樣發現某些因子並不是完全顯性而是「半顯性」，因而產生的F1表現型多少介於雙親之間。兩年之後貝特森在用白家雞和黑家雞雜交時發現了民是藍色的安道路西亞（西班牙）家雞這樣的半顯性。
這不僅證實了半顯性是存在的而且還表明孟德爾定律對動物和植物都適用。大致在同一時期Cuenot根據對家鼠毛皮顏色基因的研究也論證了這一點。鑒於動物和植物的細胞及細胞核顯示完全相同的現象這一事實，這一發現可能並非完全出乎意料。然而孟德爾的遺傳定律同樣適用於動物界和植物界的這一發現進一步摧毀了存在於動物學和植物學之間的古老界限。
基因，遺傳單位
在1909年以前，對作為可見性狀基礎的遺傳因子還沒有一個公認的術語。斯賓塞、海克爾、達爾文、德弗裡、魏斯曼以及其他考慮遺傳現象的學者都假定存在著某種具有不同性質的顆粒物質，但是他們所使用的名稱並未被廣泛採用（見第十六章 ）。
孟德爾在他的研究工作中將對遺傳物質本質的推論嚴格限制在最低限度，鑒於1865年當時對細胞核和染色體的瞭解還極其有限，他的這種作法是非常明智的。他在試驗中所指的特徵（「MerKmale」）和性狀（「Charaktere」）基本上限於表現型層次，雖然他所用的符號A、Aa、a被普遍認為是指遺傳型的結構。他在論文的結論中（1866：41—42）曾經使用「因子」（Elemente）這詞達10次之多，其中有幾次和我們現在使用的「基因」這詞的涵義十分相似，但他對遺傳物質並沒有清晰的概念。不管孟德爾真正是怎樣想的，就早期的孟德爾主義者看來他所闡述的就是我們現在所說的孟德爾遺傳。
雖然魏斯曼曾經暗示了種質與體質之間的區別，但是直到190O年還沒有「表現型」和「遺傳型」這兩個學術名詞。就德弗裡看來遺傳物質和軀體（表現型）並沒有實質上的差異，因為他所設想的泛子可以自由地從細胞核移往細胞質。他認為泛子就是單位性狀或基本性狀。他主張對每一個獨立遺傳的性狀就有一個單獨的遺傳基礎。德弗裡有時也把遺傳要素（genetic elements）稱作「因子」（factors），貝特森和摩根學派起初也採用了這一名稱。
和德弗裡相仿，貝特森也分不清作為基礎的遺傳因子與作為外表的表現型性狀之間的區別。他將「單位性狀」看作是「配子結構中二者擇一非此即彼的（性狀）」（1902）。為了能夠指明這樣的二者擇一情況，例如豌豆中的圓豆或皺豆，貝特森引用了（希臘文中表示彼此互相的字並加以轉化）「相對形質」（all－elomorph，後簡化為allele；現譯為等位基因）。然而他又不能區分軀體（體質）性狀和它在配子中的定子（基因）。由於種種原因在1910年之前幾乎普遍地達成了一種默契，即在遺傳因子（基因）與性狀之間存在著1：1的關係。因此當提到某個單位性狀時究竟是指遺傳基礎還是其表現型表現都無關緊要。正是由於這種自動的默契促使凱塞爾提出了他的「污染學說」（contsmination theory）。
隨著1900年以後遺傳學活動的迅速增多，就有必要為可以獨立遺傳的性狀的物質基礎制訂一個術語。丹麥遺傳學家約翰遜（W.L.Johannsen，1857—1927）發現孟德爾的因子在作用上與德弗裡所提出的泛子很相似，因而在1909年建議將泛子（pangen）這個字簡化為gene表示遺傳性狀的物質基礎。約翰遜是一個物理主義者，他最後所想的是要為基因這個詞的定義塗上先成論色彩。他指責「將基因作為物質性的、在形態上表示結構特徵的概念，這概念對遺傳學的穩步發展非常有害必須立即加以提防」（1909:375）。因而他並沒有為基因下定義而只是說「基因可以用來作為計量單位（Rechnungseinheit）。我們無權按達爾文的微芽或魏斯曼的生源體或定子或者其他類似的推論性概念將基因定義為某種形態結構。我們也無權去設想每一個特殊基因相當於特定的表現型性狀或（如形態學者所常說的）發育中生物的特徵」（1909）。
這個定義反映了那個時期貫穿於生物學領域中的意見分歧。物理主義者（也包括約翰遜，由於他所受教育的關係也深受他們的影響）要按力學觀點解釋一切。胚胎學者出於後生論（漸成論）傳統也同樣不願意接受顆粒性基因，因為這使他們想起了先成論。摩根起初不願意承認基因、或者至少是顆粒性基因，也正是由於這樣的考慮。最後，還有本質論的某些影響，本質論是反對將物種的本質加以分割的。1917年Goldschmidt嚴厲批評了遺傳學家對基因過分謹小慎微的態度：「我們認為對待問題的這種心智態度是由於約翰遜對基因本質採取不可知論的結果，這樣就產生了某種神秘的崇敬心情，對基因的世俗屬性的觀點表示深惡痛絕。」當然，後來到了適當的時候基因被證明恰好具有約翰遜非常仔細地從他的定義中排除的那些（結構）特徵。實際上，從摩根開始經過穆勒到沃森和克裡克一直越來越接近基因的結構概念。約翰遜創用的「基因」這個術語很快就被普遍採用，因為它滿足了對表示遺傳單位的術語的迫切需要。然而由於缺乏嚴格的基因定義，這就成為後來引起某些爭論的部分原因。產生思想混亂的另一個原因是，幾乎一直到現在學者們對基因的涵義是什麼意見也不一致。例如當談到果蠅的白眼基因時，有的學者認為指的是白眼等位基因，另一些人則認為是指白眼突變發生的基因座（位點），也就是所有白眼等位基因的基因座。
為不可見的，亞顯微結構的遺傳單位創造「基因」這字開始，直到充分瞭解它的本質，這段道路是漫長的，也是艱苦的。無數的遺傳學家（其中走在最前列的是穆勒——H．J．Muller）實際上是把他們的畢生科學事業奉獻在這一探索上。我們行將見到，最後發現（50年代）作為基因發揮作用的高分子確實具有約翰遜所拒絕承認的那種結構上的複雜性和特異性。怎樣去發現基因的秘密開始的確是一個非常折磨人的問題。摩根及其同事十分正確地決定從研究改變了的基因、即「突變」著手，他們認為這可能是一個有希望的嵌入楔子。
17．3 新變異（突變）的起源
由於重新發現了孟德爾分離定律，遺傳性變異的起源問題就變得很突出。等位基因的存在要求能作出說明。達爾文假定變異不斷被補充以便自然選擇有充分的選擇對象可以發揮作用。然而他說不出變異的來源。這時已到了解開達爾文的這個謎的時候，但是孟德爾主義者在研究這個問題時起初進展並不大。實際上他們必須克服重重障礙。
主要障礙是當時研究變異的大多數學者仍然認為有兩類變異。例如達爾文發現有「很多細微差異可以稱之為個體差異」（《物種起源》），後來稱為個體變異，連續變異，或波動（起伏）變異。他對這類變異的重要性的認識是他的進化學說的支柱之一。然而達爾文又承認「有些變異……可能是突然發生的、或一步發生的」（30頁）並列舉出轉叉狗（turnspit dos）和安康羊作為這種突變的例子。貝特森將這類突變稱為不連續變異。並承認這兩類變異存在著悠久的歷史並和柏拉圖的本質概念有密切關係。本質承受小幅度的偶然性變異，而任何重大的偏差只能通過新本質（即新類型或新模式）的突然發生。當時認為這兩類變異的起因完全不同，在進化中的作用也十分不同。特別是在生物統計學家和孟德爾學派之間的爭論（見第十二章 ）中這是爭論的焦點，而這種爭論實際是從拉馬克時代一直到40年代進化綜合時一直不斷地進行。德弗裡的關於變異的論著（1909）反映了在這個問題上意見分歧的深刻程度。（另見Mayr and Prvoine，1980）。
個體變異或連續變異
如果承認有軟式遺傳就不難解釋個體變異。內部條件或環境影響（如營養或氣候）的任何變化都能影響個體的性狀並使之發生改變。正如達爾文所作的說明，「在由於條件變化使軀體的結構發生改變的情況下，由於用或不用的部位分別增強活動或降低活動，或者其他原因，從軀體結構發生了改變的部位脫落下來的微芽本身也會發生變化，當它們充分繁衍後就會發展成為新的、改變了的結構」。相信軟式遺傳的其他學者也採取了類似的解釋。舊性狀將分級成新性狀，而這些分級性狀之間的差別很小，表現為連續變異。如果新的遺傳性變異起因於某種未知過程，它將同樣承受軟式遺傳並分級成原先已存在的變異。這樣一來就承認了物種的本質具有產生連續個體變異的能力，在解釋上也就不成問題。動、植物育種家普遍持有環境能影響遺傳變異性的觀點（Pritchard，1813；Roberts，1929）。
1883年當魏斯曼放棄了軟式遺傳後，情況就發生了根本變化。如果「生活條件」不能引起新的變異甚至不能提高變異性，那末個體變異的原因是什麼？魏斯曼和德弗裡對此都沒有提出理由充分的學說，早期的孟德爾主義者當時正集中注意力於不連續變異問題上，很少或根本不重視個體變異。怎樣去調合不連續的孟德爾因子和連續變異之間的矛盾是使他們傷透腦筋的事。
不僅僅是由於缺乏合式的資料阻礙了這個問題的解決，而且默默地接受了許多錯誤概念也是重要原因。這些錯誤概念除了兩類變異而外，還包括軟式遺傳（儘管有魏斯曼反對），融合遺傳（雖然有了孟德爾定律），模式思想以及對遺傳型和表現型混淆不清。面臨著上述困難和錯誤概念，在當時還不可能直接著手解決連續變異和新變異起源的遺傳學問題。問題的解決實際是通過研究不連續變異這一迂迴方式，雖然這種方式的前提是認為不連續變異和連續變異完全無關。
不連續變異
古代人就早已知道在一個群體（種群）中偶爾會有個別個體與眾不同，即超出了種群變異的正常標準。這在野生動物、家畜和栽培植物、甚至在人類中都曾發現。超出種群正常變異的任何變異體都是不連續變異的例子。在民間文學中都曾繪聲繪色地描述過白化體，六指人以及各種畸形。15世紀和16世紀早期，當自然界被賦予巨大的「生殖能力」、即產生新奇事物的能力時，各種怪物都活靈活現地出現在各種圖書上，其中大多數是真正的畸形動物（如兩頭牛），其他的則是純粹幻想的生物，例如獅首人身之類的嵌合體。
159O年海德堡的藥劑師Sprenger在他的藥圃中發現一株葉子形狀完全不同的五月白屈菜（Chelidonium majus）。他將之繁育後把種子寄往各處，過了一段時間後在歐洲各個主要的植物標本室都有它的標本，17世紀的大多數植物書籍中也有對它的描述。這新的變異體一般被看作是白屈菜屬的一個新種。310年以後，月見草屬的一顆異常植株啟示了德弗裡，使他提出了一個新的重要進化學說。
在栽培植物中明顯的異常變異體比較常見，實際上許多有名的園藝變種（尤其是在花的顏色或形狀上）都是由這些變異體產生的。在家畜中同樣也發現過，牛群中的無角個體，或以短腿為特徵的羊，例如一度很常見的安康羊（ancon）就是因為腿特別短不能跳越籬笆或矮牆而聞名。在所有這些例子中，育種者能通過與親代回交繼之以近親交配的方法可以培育出純係，現在我們可以稱之為真正的孟德爾遺傳。和克爾路德在物種雜交中的發現相反，它沒有「融合」現象，也不逐漸回復到親代模式。奇怪的是，在詹金和達爾文之間著名的融合遺傳辯論中，他們都完全忽略了這一事實（見第十一章 ）。
最有名的異常變異體的例子是所謂的反常整齊花（Peloria）。1741年林奈的一個學生從瑞典烏普沙拉帶回了一株植物樣品送給他，這植物在外觀，特殊氣味，花、花萼、花粉與種子的特殊顏色上乍一看和普通的蛋黃草（Linaria）完全相同。然而普通蛋黃革具有和金魚草相似的典型不對稱花，而反常整齊花則是具有5個突起的輻射對稱花。林奈得出的結論是「這種新植物由本身種子繁殖，因而是一個新物種，並不是一開始就有的。」更有甚者，按林奈的分類方法，反常整齊花不僅是一個新種或新屬，而且還是一個完全新的綱。這不僅動搖了林奈的物種固定不變的概念而且還似乎否定了他的分類原則（Larson，1971：99－104）。起初林奈以為這和雜交有關，但他很快就放棄了這種觀點。最後證明反常整齊花並不像原先所認為的那樣是固定不變的，林奈後來決定不再理會這討厭的「物種」，甚至在他的《植物種志》（1755）中也沒有提到它。
林奈之後的一百多年中這類異常個體或新變種發現的越來越多且越頻繁，但這並沒有提供什麼新見識，但是在這一時期中著重點卻發生了微妙變化。就杯茶及其同時代人來說，這樣的一些變異體只是和物種概念有關，但是隨著進化思想逐漸發展，變種及其起源方式便具有了新的意義。正如前面指出，溫格對這個問題的關注為孟德爾的試驗起了促進作用。《物種起源》出版以後，變異體的問題就越來越和進化有關。
對信仰一次性創造的原教旨主義者來說這一類表面上是新種的突然出現完全是一場麻煩，而對那些相信在地質年代中不斷發生滅絕並主張以新的創造來彌補空白的人來說這倒是值得寬慰的事。在達爾文以後時期就那些基本上是本質論者的進化主義者來看也很有吸引力，因為他們由此可以把物種形成看成是驟然的新起源過程（見第十二章 ）。
達爾文特別強調進化的漸進性，也就是說，連續變異在進化上的重要性，正這並沒有使他的所有同時代人信服。赫胥黎，高爾敦，Kolliker及其他人，偏重通過不連續變異的驟變式新物種和模式起源。然而再也沒有別的人比貝特森更加清楚地認識不連續變異的重要意義，他曾經收集了大量材料來證明他的論點（1894）（見第十二章 ）。
德弗裡和突變
一直到重新發現孟德爾定律以後，不連續變異的觀點才充分發展成為一種重要的進化學說，即德弗裡的《突變學說》（1901；1903。這學說在進化生物學中的作用見第十二章 ）。德弗裡在提出並發展他的新遺傳學說時，他不僅開展了栽培植物變種的雜交而且也研究了自然種群中的變異。1886年他在拉馬克月見草（夜來香）的大種群（生長在荷蘭一片荒蕪的馬鈴薯地裡）中發現了兩個植株，他認為這兩個植株與所有其它個體極不相同可以看作是新產生的物種。它們在德弗裡的試驗園中經過自花授粉仍然極端穩定。從馬鈴薯地裡移植到試驗園的拉馬克月見草的個體中也還有其他的新模式產生。後來除了許多次要的變異體而外德弗裡還發現了20株以上的個體可以認為是新種，在自花授粉後確實穩定不變。
德弗裡為這類新「物種」產生的過程引用了「突變」這個詞。考慮到這詞在遺傳學說中十分重要因而不妨多說幾句。「突變」這個詞早在17世紀中葉就被用來表示形體的劇烈變化（Mayr，1963：168）。從一開始它就既用於不連續變異又用於化石的變化。1867年這詞被Waagen正式引用於古生物學，指種系系列中可以分辨的最小變化而言。德弗裡很瞭解這種用法因為他曾特地提到過（1901：37）Waagen。就像我們的語言中很多詞（例如「適應」）一樣，「突變」這詞既用幹過程又用幹過程的結果。但是比這更複雜更容易混淆的是「突變」有時用來指遺傳型的變化，有時卻指表現型變化。更糟的是，在德弗裡心目中，突變是一種進化現象而在以後的遺傳學史中它越來越成為專門的遺傳現象。關於突變概念的這種混亂情況必須有所瞭解才能懂得為什麼突變在進化中的作用一直長期爭論不休。
雖然德弗裡用「突變」這個詞表達新種的突然出現，但是他當然不瞭解這類變化的物理本質，而且事實上，他是將之用來表示表現型的突然變化。這已經被後來研究月見草的學者們證實，他們證明了德弗裡所說的突變幾乎全都是染色體重排（包括多倍性）的表現，其中很少是現代所指的基因突變（見下文）。
經過幾十年的遺傳學研究才使「突變」這詞擺脫了它原來的含義不清，和德弗裡所斷言的，它是產生新種的過程的羈絆。德弗裡明確的將這個詞限於用在不連續變異的單位上：「突變……構成了變異性科學的一個特別分支。突變無需過渡即行發生而且極為罕見，而正常的變異則是連續的並且一直出現……如果假定生物的特性是由彼此截然不同的一定數目的單位組成，這兩個主要分支（狹義的變異性和可突變性）之間的差別就很明顯。一個新單位的出現就標誌著一個突變；然而這新單位的表達按照物種的其他原已存在的遺傳因子的相同規律也是可變的」（1901：iv--v）
雖然德弗裡對他的突變所作的進化意義上的解釋是錯誤的，但比起在他以前的任何人，他更強調新遺傳性狀的真正來源，在這一點上理應歸功於他。後來，孟德爾以及研究遺傳現象的其他學者就一直探索原已存在的遺傳因子和性狀的傳遞。德弗裡促使人們注意遺傳性新事物的來源問題。不管「突變」這個詞的涵義從1901年以來發生了多麼大的變化，從那時起突變一直是遺傳學的一個重要問題。
德弗裡敘述了他是多麼勤奮刻苦地尋求一種理想的植物來明確論證通過突變的物種驟然形成。他研究了一百多種植物，但是除了一種以外他將其餘的全都放棄，因為它們的變異都不能像他所預期的那樣保持下去。他曾強調指出月見草是多麼特殊，然而他顯然從來沒有意識到將一個新學說奠基於從單個特殊物種所觀察到的現象上是多麼危險。
正如Renner，Cleland，S．Emerson以及其他遺傳學者的出色研究所論證的那樣（Cleland，1972），月見草有一套特殊的易位染色體系統。這系統由於純合子的致死現象因而在雜合性上是永遠平衡的。德弗裡看作是突變的現象實際是這類染色體環的分離產物。這種情況在其他植物物種和動物中（除了某些罕見的、具有同樣的平衡系統的以外）並不存在。德弗裡的突變既不是正常變異的來源也不是物種形成的正常過程。然而他的「突變」這一術語卻在遺傳學中保留了下來，這是因為摩根保留了它，儘管摩根是將之轉用於十分不同的遺傳現象。
17．4 現代遺傳學的興起
1910年在遺傳學史上幾乎和1900年同樣重要，在這一年摩根發表了他研究果蠅的第一篇論文。重新發現孟德爾後的頭一個10年貝特森對遺傳學的發展影響極大。他和他的同事不僅充分論證了孟德爾定律，而且還發現和解釋了許多看來是例外的特殊問題。貝特森在遺傳學的詞彙方面也作出了重要貢獻。在這10年中波弗利（Boveri）也證實了染色體的連續性和獨立性（個體性，individuality）而深受歡迎。
胚胎學家摩根是全然不相信瑟頓-波弗利（Sutton－Boveri）染色體學說的學者之一，他和威爾遜（E．B．Wilson）是在紐約哥倫比亞大學的同事。他們彼此之間雖然友誼深厚，然而那時兩人對染色體與遺傳之間的關係的解釋卻完全不同。1908年摩根開始進行遺傳學實驗，起初用的實驗動物是大鼠和小鼠。他的最具有決定意義的決定可能是放棄了用哺乳類動物作實驗，因為它們的世代時間長。管理費用高，而且容易生病。當時有另外兩位美國遺傳學家，W．E．凱塞爾和Frank Lutz，已經採用普通果蠅（Drosophila melanoggaster）進行實驗多年；這種果蠅每二、三個星期就繁殖一代，用扔掉的廢牛奶瓶就可以培養而且幾乎完全不受病害侵襲。「普通果蠅還有一個重要特點是只有4對染色體，而大多數哺乳動物的染色體數目變化幅度是
土24。因此果蠅特別適合於研究交換現象，而這正是最後證實染色體學說所必需的。
染色體和孟德爾遺傳
19世紀9O年代中期以後有一股思潮反對魏斯曼時期的恣意於推論。在這種新的嚴肅學風影響下，德弗裡、柯侖斯和貝特森對孟德爾定律的闡釋在相當大的程度上是描敘性的，強調比值和分離現象。但是，幾乎就在同時，有一些研究遺傳現象的學者，尤其是那些具有細胞學基礎的人，認為必須對孟德爾現象作出解釋，更確切地說必須探索孟德爾分離現象的物質基礎。就這些學者看來在染色體與遺傳現象之間雖然應當有某種關係，但這種關係並不是所有的人都能接受。為了瞭解這種對立局面必須再一次指出遺傳學這門新學科是從發育生物學派生的。魏斯曼、貝特森和摩根的原來概念框架都是胚胎學的。雖然先成論與後生論之間的爭論似乎在一百多年前就以後生論的決定性勝利而告終，胚胎學家卻仍然對哪怕是一絲一縷的先成論思想特別敏感。只要讀到摩根在早期（1903）對孟德爾學說的議論或約翰遜對基因的議論就能感覺到他們對孟德爾的顆粒遺傳學說（在他們看來就是先成論者的學說）的厭棄心情。
將他們的遺傳學說奠基於物理力之上的學者們，例如貝特森的動態渦流學說（theory of dynamic vortices，Coleman，1970），認為遺傳型體現了整體性與後生論的統一，和顆粒學說看來根本不相容。在孟德爾遺傳學已經確立了很久之後還有一些遺傳學家堅持這類「動態」學說。例如R．Goldschmidt直到這個世紀的50年代仍然相信遺傳力的「力場」和整個遺傳型有規律的系統性變異的可能性，這也是一種整體性概念（holistiC concept）。約翰遜反對將基因定義為「形態結構」似乎也出自同一背景。
他們的對立面則贊成形態性顆粒遺傳學說，但是對遺傳物質是怎樣在染色體中組織起來的卻全然不清楚。在1890年代中期，建立遺傳現象的染色體學說的事實根據已經具備，然而當時並不能由之建立起一個健全的學說。原因是多方面的：
（1）顧慮可能被看成是先成論者的學說。
（2）沒有按個別因子來分析遺傳現象。
（3）從1885年到1900年特別強調細胞分裂的純粹機械作甩方面。
（4）對純粹的發育現象特別關注（尤其是波弗利）。傳遞遺傳學涉及種群現象，而這是細胞學中的功能分析方法所無法處理的。
1900年以後，遺傳學的發展受到一件偶然巧合事態的影響。年輕的美國胚胎學家威爾遜（E．B．Wilson）在歐洲的幾次逗留期中對細胞生物學發生了極大興趣，特別是受到他的朋友波弗利的影響。雖然當時他本人做過一些十分專門性的具有獨創意義的細胞學研究（細胞譜系），但更重要的是他將當時對細胞、特別是對染色體的知識進行了出色的綜合，撰寫了專著《細胞和發育與遺傳》（The Cell in Development andInheritance），（1896；第二版，1900），這一專著在後來細胞學與孟德爾學說的綜合上所起的積極作用比什麼都重要。後來他的八篇經典性系列文章（1905－1912）大大推進了對染色體的研究和理解，這些都對摩根的所有助手起了啟迪作用；作為摩根的同事和至交，他對摩根本人也產生了深遠影響。有充分的理由將威爾遜列為遺傳學這門新科學的創始人之一。
雖然有不少學者在1890年代就表示他們認為染色體的染色質或核素（nuclein）就是遺傳物質，但是單憑這一點還並不足以構成有實質性內容的遺傳學說。只是到了1900年以後的10年才一點一滴地確立了孟德爾學說與細胞學2間的密切關係。推測和假定才被確鑿的證據與無可挑剔的實驗證明所代替。
要闡述這些證據或證明逐步集成的步驟很困難，因為染色體學說的歷史和基因學說的歷史交錯在一起。只有主觀地將這種連續性切斷才有可能分別介紹這兩者的歷史。但是，應當強調的是這裡不只是為了教學的原因而且也是從知識發展的歷史角度的理由才將兩者分開介紹；因為如果沒有染色體學說在先，將很難（如果不是不可能）發展健全的基因學說。
1900年重新發現孟德爾定律，使情況發生了急劇變化。不僅由於這重新發現所激起的極大熱情產生了非常多的研究成果或新發現，而且1880年代和1890年代的細胞學發現突然也顯示了新的意義。孟德爾定律是遺傳物質染色體結構的邏輯結果，這一構想多少是獨立地由Montgomery（1901），柯侖斯（1992），瑟頓（1902），威爾遜（1902），波弗利（1902）幾乎同時提出。尤其是瑟頓和波弗利為他們的結論提供了詳細證據。這些學者有意識地將細胞學證據和遺傳學論點結合起來的結果是形成了生物學的一門新學科，細胞遺傳學，威爾遜及其學生是這門新學科的創始人。值得注意的是斯特體范特（Sturtevant），布裡奇斯（Bridges），穆勒（Muller）在加入摩根研究小組之前都是威爾遜的學生。
17．5 瑟頓一波弗利（Sutton－Boveri）
染色體學說
在遺傳學歷史上細胞學在1900年前後的進展中再也沒有什麼比論證了染色體的個體性和連續性更重要。染色體在細胞分裂之間是見不到的；靜止（細胞）核僅僅呈現為輕微染色的顆粒或由細絲組成的網絡。染色體在有絲分裂結束時完全溶解，並在下一輪有絲分裂週期開始時重新形成的論點似乎得到了顯微鏡觀察的支持。這也正是一些有經驗的細胞學家如赫特維克與R．Fick（19O5；1907）一直到孟德爾時期仍然持有這一論點的原因。在細胞核靜止期每個染色體保持其個體性和連續性的論點確實只是根據推論，不能直接觀察到。Rabl（1885）首先明確地提出染色體的個體性和連續性的假說。他認為染色體溶解而成的染色質絲當細胞核進入靜止期在下一輪有絲分裂開始時又重新合併成原來的染色體。這只是一個推論，所依據的資料很少，其中大多數是根據染色體的數目固定不變作出的推論。Van Beneden（見第十五章 ）和波弗利隨後都聲稱這一推論的優先權屬干他們。毫無疑問波弗利為染色體個體性學說比其他人提供了更具決定意義的證據。早在1891年他就講過，「我們可能通過組成細胞核的某一指定染色體去鑒別由靜止核產生的每個染色體。」他由之便作出了著名的結論：「從受精卵的正常分裂過程中所有細胞的染色體一半必定來自父本，另一半來自母本」（1891；410）。
經由細胞核靜止期的連續性以及每個染色體的個體性，在今天看來不過是一件事物的正反兩個方面，然而在1890年代卻並不如此。魏期曼及其他人以為每個染色體含有一個物種的全部遺傳特性，也就是說他們不承認孟德爾意義上的染色體的個體性。但是，如果一個染色體只含有個體的一部分遺傳物質，每個染色體就會和其他染色體不同，也就是說它必定具有個體性。換句話說，如果每一染色體和其他的不同，就必須論證其連續性和個體性。
關於染色體的連續性問題Montsomery（1901）和瑟頓（Sutton，1902）都提供了肯定證明。他們指陳在有絲分裂和減數分裂中有些染色體是可以個別分辨的，具有同一特徵的染色體在每次細胞分裂中都一再出現。此外，他們還指出在第一前期中兩個相同的染色體配對（聯會）但在減數分裂時彼此又分開（見下文）。這樣一來就得出了這樣的結論，每個物種的染色體組含有成對的同源染色體，其中一個來自雌配子（卵細胞），另一個來自雄配子（精子），這已由van Beneden於1883年觀察到。從受精（形成合子）開始經過無數細胞分裂直到形成新配子以前的減數分裂，這些染色體顯然保持著它們本身的同一性（完全相同）。瑟頓在他的文章結尾的結論是：「父本和母本染色體結合成對以及隨後在減數分裂時分開……可能構成孟德爾遺傳定律的物質基礎」。第二年他又將這一思想加以展開（McKusick，1960）。
上述這些觀察並不能完全排除形態上不相似的染色體也具有相似遺傳性質的可能性。波弗利（Boveri，1902；19O4）通過獨出心裁的實驗否定了這種可能性。在一種具有36個染色體的海膽中波弗利通過適當處理（如多重授精等）在頭四個子細胞中能夠得到會有各種不同數目染色體的胚胎。然而在所有這些胚胎中只有子細胞含36個染色體的能夠正常發育。波弗利從這一事實得出的結論是，每個染色體具有「不同性質」，只有當所有這些性質恰當組合時才能正常發育。
現在已很清楚地證實染色體與遺傳性狀都遵從同一規律，即它們也顯示分離與自由組合現象。瑟頓和波弗利公開地或含蓄地提到基因位於染色體上，每個染色體有其特殊的基因組。很明顯，尤其是瑟額（1903）和波弗利（1904）所闡明的，這就是一個全面的染色體遺傳學說，是從細胞學證據和孟德爾性狀的自由組合現象推論得出的。它似乎能夠解釋孟德爾遺傳的全部現象。
奇怪的是，「瑟頓-波弗裡染色體遺傳學說」（這是由瑟頓的老師威爾遜於1928年命名的）的重要意義和普遍適用性起初完全沒有被承認。不僅貝特森和Goldschmidt拒不接受而且其他一些知名的生物學家（如E．S．Russell）也遲至1930年才承認。一部分原由是由於這學說是根據觀察作出的推斷。摩根就曾說過他不接受「不是依據實驗」作出的結論，約翰森也曾講過類似的話。事實上瑟頓-波弗利學說大部分是根據實驗得出的，摩根對這學說的抵制顯然還有更深層的原因。
染色體經由靜止期的連續性到了1910年已有大量證據證明；它們的個體性的證據主要是波弗利的實驗。起初並沒有明確的證據證明某個特殊性狀和一個特定的染色體有關。性別決定是首先提出這種證據的遺傳性狀。最徹底的證據最後來自連鎖圖。
17．6 性別決定
嬰兒的性別是由什麼決定的這個問題至少是從古希臘時就有各種各樣的猜測。我們現在知道早期的有關學說都是錯誤的。（詳見Lcsky，1950;Stubbe，1965）。有的說是由胚胎在子宮的左邊或右側決定，有的說是由精子來自主睪丸還是右睪丸決定，還有的說是由精子的數量、雄性或雌性體液的「熱力」等等決定。這些學說的共同點（也是具有決定意義的一點）是性別並不是由遺傳塊定而純粹取決於與受精動作巧合的環境因素。雖然後來（1900年以後）發現了性別的遺傳基礎，但是某些著名的胚服學家和內分泌學家則仍然堅持環境決定論達數十年之久。我認在後面還要介紹某些生物的性別確實不是由遺傳決定的。
某些明睿的孟德爾主義者並沒有忽視這樣一個事實，即1：1的性（別）比（值）和一個雜合子（Aa）與一個純合隱性（aa）雜交所得到的比值完全相同。孟德爾在1870年9月17日給內格裡的信中就已經提到這一點。其他學者（strasburger和凱塞爾）在1900年以後也提出了相同的看法，然而柯侖斯卻首先提出實驗證據指陳雌雄異株植物瀉根屬（Bryonia）的一半花粉是決定雄株的，另一半是決定雌株的，而所有的卵在性別決定上則不分雌雄。在這種情況下雄性是雜合的，按威爾遜（1910）的術語是異型配子的，雌性是同型配子的。後來證明鳥類和鱗翅目昆蟲的雌性是異型配子的，而哺乳類（包括人）和雙翅目昆蟲（包括果蠅）的雄性也是異型配子的。這樣看來，性別是否可能和某一特定的染色體有關？後來逐漸積累了大量證據證實了這種設想。
性染色體
從染色體研究一開始就觀察到一切染色體在外觀上並不一定必然完全相同。Henkins於1891年在昆蟲紅椿（Pyrrhocoris）減數分裂時發現有一半精子具有11個染色體，另一半精子除了這11個染色體外還額外有一個染色很深的物體。由於拿不準它是不是染色體，Henking將之用字母X表示。Henking並沒有將這X體與性別聯繫起來。
在其後的10年中發現了更多的情況表明確實有這樣的額外染色體，或者有一對染色體在大小、染色性能或其他特徵上與其餘的染色體組不同。因為已經觀察到紅峙的一半精子具有X（附屬的）染色體而其他的一半精子沒有，McClung（1901）就據此作出如下的推理：「我們知道將一個物種的成員分為兩類的唯一性質就是性別，因此我推斷這附屬染色體就是決定胚胎的生殖細胞繼續發育並使略有變化的卵細胞變成高度特化的精子的要素，」也就是說這些多少不尋常的染色體是性染色體，起決定性別的作用。但是McClung這一結論的某些細節是錯誤的。NettieStevens（1905；見Brush，1978）和威爾遜（E.B.Wilson，1905）不久就正確地確定了性染色體在確定性別中的作用。
性別決定有很多不同的模式，有時涉及多重性染色體，有時雄性是雜合性別而在另一些情況下雜合性別卻是雌性。所有這些細節可參考遺傳學或細胞學的任何一本教科書（見Wilson，1925；White，1973）。重要的一點是，論證了一種表現型性狀、即性別、和某一特定的染色體聯繫在一起。
這是對這類聯繫的首次決定性證明。在隨後的歲月中大多數遺傳學研究都是為了論證其他性狀與性染色體或其他染色體（常染色體或普通染色體）之間的關係。這類研究充實了染色體遺傳學說，其帶頭人就是摩根。他們的研究最後否定了一切染色體在遺傳功能上都是相同的學說。這一學說在190o年以後還一直很流行，雖然當時已經發現不少物種的染色體的大小極不一致。19世紀八、九十年代有一些生物學家之所以堅持這一（對我們來說）不可信的學說很可能是因為在有些物種中所有的染色體的確很相似。
在染色體的個體性（獨立性）已經得到證實、並且至少發現了一種性狀（性別）和特定的染色體有關之後，遺傳學家便得以集中力量探索更深入的關於染色體和性狀的問題，或者用約翰遜的話更具體地說就是染色體與基因之間的關係問題。染色體是不是作為一個整體來控制全套性狀（比方說就像一個新開拓戰場的指揮中心）？個別的基因是不是位於染色體的特定部位？如果不同的基因處於同一染色體或位於不同的染色體上，它們之間的相互關係怎樣？這些問題在一個比較短的時間內（基本上是在1905-1915年10年之間，實際上大部分是在1910年到1915年）都取得了答案，這些答案是通過巧妙的遺傳學實驗並不斷用細胞學證據來檢驗而取得的。這些實驗總是從相當簡單的孟德爾現象開始。
17．7 摩根與他的果蠅實驗室
摩根於1909年開始培育果蠅。他對德弗裡的月見草突變的印像很深並試圖通過不同的化學藥品、不同溫度的處理以及鈣和X線輻射在他所培養的果蠅中引起突變，但是都未成功。然而在他的果蠅系譜培養（Pedigreed cultures）中有一個白眼雄蠅出現在紅眼果蠅的正常種群中。
這一個簡單的事實、在實驗室培養（物）中出現了單個異常的個體，卻引起了一場名符其實的雪崩式的研究熱潮。首先提出的問題是，這個「白眼」性狀是怎樣產生的。將這一罕見的白眼雄果蠅與同一代的雌果蠅交配，摩根發現雖然F1代都是紅眼，但在F2代又出現白眼雄蠅，這表示白眼的遺傳因子是隱性，它必然是由紅眼基因驟然變化所產生的。摩根在幾年前曾訪問過德弗裡在荷蘭的實驗室，也就為這新等位基因的起源採用了德弗裡的「突變」這一術語。由於德弗裡的進化突變學說以及月見草突變的染色體性質，這一術語的轉移引起了不利的後果，在隨後的二三十年中造成了一定的思想混亂（Anen，1967；Mayr and Provine，1980）。然而遺傳學家和進化論者最後都習慣了摩根賦予「突變」這詞的新涵義。
在生物學的歷史上還很少有像摩根與他的同事一道工作那樣親密無間。因此很難確定摩根實驗室的大量研究成果或發現究竟應歸功於誰。有些歷史學家傾向於將幾乎所有的功績歸之於他的學生和同事。這未免太過份。應當記住自從摩根於191O年7月發表他的關於果蠅研究的第一篇文章以後的兩年中他連續發表了13篇有關20多個果蠅性連鎖（伴性）突變型的發現與行為的文章。在發現白眼後不久又發現了兩個性連鎖隱性突變型：「翅發育不全」，「黃色體色」。毫無疑問摩根在很早就闡述了孟德爾遺傳的大部分機制，這些都是他本人所作的貢獻。正如穆勒（Muller，1946）所說的：「無論將來會怎樣重寫和重新評價果蠅研究開始階段的歷史，摩根對交換現象的論證以及基因相距愈遠交換也愈頻繁的觀點就像一聲春雷，其重要意義絕不下於孟德爾學說的發現，這一點必然仍舊會被公認。」我在這裡所要強調的是摩根本人單獨地對連鎖和交換問題作出的貢獻，因為以後的討論重點放在問題上而不是果蠅實驗室中每個人的特殊貢獻。摩根和他的同事在哥倫比亞大學的「果蠅室」中培養了成千上萬的果蠅。他們在仔細審查這些果蠅中發現了新的突變不斷出現。摩根很快（191O-1911年冬）從哥倫比亞大學的未畢業學生中挑選了斯特體范特（Alfred H,Sturtevant）和布裡奇斯（Calvin B．Bridges）兩人到他的實驗室工作，後來穆勒（H．J．Muller）也參加了這個研究小組（他還在摩根指導下攻讀學位）。這個小組的親密協作是生物學中的一段軼史佳話；「在科學實驗室中過去很少有如此激動人心的氣氛和如此的持續熱情。這主要是由於摩根本人的態度，他將熱情和批判精神融合在一起，大度、胸襟開闊並具有幽默感」（Stuvtevant，1959;1965a ）。
在短短的幾年之內傳遞遺傳學的一切主要方面都被摩根和他的小組闡明清楚。凡是貝特森、德弗裡、柯侖斯，凱塞爾（Castle）以及其他早期的孟德爾主義者所沒有找到的正確答案（實際上是沒有提出正確的問題）都由摩根小組出色地完成了。其所以如此，一個重要的原因是摩根雖然是胚胎學家出身，但是他將基因生理學和個體發生問題扔在一邊，審慎地傾注全力於傳遞遺傳學。他沒有去臆測遺傳定律而是探究事實和這些事實的最簡單的可能解釋。他是一位徹底的經驗主義者。
等位基因
孟德爾充分瞭解表現型性狀是成群出現，在他所選用的性狀中則是成對出現。1900年以後的研究工作證實了對應於某個表現形狀的物質基礎可以有二者擇一的表現形式或表達。將之直譯成希臘文，這些二擇一的（決）定（因）子就是「相對基因」（allelomorphs，貝特森的術語）或等位基因（alleies）。孟德爾遺傳中這樣的一些表現型性狀的二擇一定子的發現便對變異的起因問題能作出完全新的解釋。這使人聯想起豌豆的光滑對皺皮、黃與綠，或者其他的類似成對性狀可能有相同的物質基礎。等位基因所表一現的性狀應當格好是同一遺傳物質的兩個譯本。
1904年法國庫恩奧（Cuenot）在家鼠中發現一組性狀可能有兩個以上的等位基因；例如在家鼠這一特殊情況下其皮色可能是灰、黃、黑色。貝特森、凱塞爾、Shull、摩根以及其他遺傳學家後來也發現了這類復等位基因現象。人類的ABO血型就是人所共知的例子。Sturtevant（1913）首先解釋了復等位基因現象，將之歸因於同一基因（座位）的各種可供選擇到狀態。這完全否定了貝特森的基因作用的有或無學說（Presence－absence tbeory）。在某些特殊情況下一個基因有50個以上的等位基因，例如牛的血型基因以及植物的某些親合性基因（compatibility genes）、脊椎動物的組織親合性基因。和孟德爾定律相符，在某一配子中永遠只有單個等位基因，但在受精時它能夠和存在於種群基因庫中的許多不同的任何一個等位基因結合。在遺傳學歷史上後來還發現在某些雜交中基因的行為與等位基因相似而在其他雜交中則並不如此（擬等位現象，pseudoallelism）。Lewis及Green對這類情況的分析使人們對基因本質的認識更深入了一步（見下文）。
摩根研究小組對果蠅的白眼基因以及果蠅的其他突變型的研究明確地證明了一個基因可以突變成另一個等位基因，後者又能突變成第三、第四個等位基因。同樣值得注意的是這些突變步驟是可逆的，白眼果蠅偶爾也能產生紅眼後代。也許最重要的發現是某個基因一旦產生了新等位基因，這新的等位基因就一直保持不變，除非其後代之一發生了新突變。因此基因的特點是，它的幾乎完全穩定性。基因突變的發現並不是退回到軟式遺傳，恰恰相反，這證實了遺傳物質是基本固定不變的。可以這樣說，這是硬式遺傳的決定性徵明，即儘管遺傳物質直其內在的穩定性，然而它又具有進化演變所容許的突變能力。
很快就證實了一切其他生物都能突變，從人類和其他哺乳動物到最簡單的動物、各種植物、甚至微生物。事實上從1920年直到195O年研究突變似乎是最有希望的、能闡明遺傳物質本質的研究路線。突變過程的研究同時也提出了一些難於解答的問題。在突變時基因究竟發生什麼變化？能不能在控制條件下（即在實驗條件下）產生變異？德弗裡早在1904年就提到「X射驗和鐳射線都能穿透生物細胞，可以用來改變生殖細胞中的遺傳顆粒」（Blakeslee，1936）。自從1901年以後一直試圖通過X射線，鐳射線，溫度驟變（溫度休克），或化學藥品等辦法誘發突變。由於各種技術上的缺陷（異源性物質，試樣數量小等等），起初都沒有得到明確結果。通過穆勒百折不撓和獨創精神傾注全部心血進行研究一直到1927年才取得成功。
性狀自由組合與連鎖
孟德爾的重要發現之一是「雜種（組合）中的每一對不相同性狀的行為與兩個親本植株的所有其他差異無關」（1866：27）。現在我們一般將之稱為性狀自由組合定律。例如，孟德爾將含有圓形黃色豆粒（這兩個性狀都是顯性）的豌豆品系與具有皺綠豆粒（兩者都是隱性）的另一個豌豆純育品系雜交。他在幾代採得的圓黃豆粒與皺綠豆粒的比值不是3：1。在這個特別試驗中他總共採得556個豆粒，其中315個為圓黃，101個皺黃，108個圓綠，32個皺綠，比值接近9：3：3：1。因而每一對性狀（圓對皺，黃對綠）的比值為3：1（圓、黃為顯性），但是這兩個性狀卻是彼此獨立進行分離。孟德爾發現他試驗的其他五對性狀也是如此，因而一度認為所有性狀都遵從這一自由組合定律。
如果細胞核只是一個裝滿成對微芽的口袋，在配子形成之前這些成對微芽將會分開並獨立分配，孟德爾的這一發現就很自然，不值得奇怪。然而由於細胞核物質是組織成染色體的，而染色體在配子形成時又是作為一個整體進行分離，所以就不會有比染色體數目更多的獨立性狀對。孟德爾的七個性狀自由組合這一點和事實相符，因為後來過了很久之後發現豌豆恰好只有七對染色體（見下文）
自從重新發現孟德爾定律後進行了越來越多的雜交試驗，在這些試驗中發現了與自由組合不相符的例外（首先是柯侖斯於1900年在紫羅蘭中發現的，其他的是由貝特森小組發現），然而由於下面即將提到的原因這類例外很難解釋。在白眼果蠅中性別和眼睛顏色並不自由組合這一情況很快就被摩根發現。當他將F1代果蠅雜交時，F2代果蠅中紅眼與白眼的比值為3：1，但所有的白眼都是雄果蠅，而在所有的紅眼果蠅中雌雄比2：1（見圖2a）。在其他的一些雜交中，結果更出人意料。例如白眼雌果蠅與正常購紅眼雄果蠅雜交時，所有的雌性後代都是紅眼，所有的雄性後代都是白眼（圖2b）。
圖2a紅眼母本的F1代雄蠅具有母本X染色體為紅眼。由於正常孟德爾分離，50％的
F1雌蠅的F2雄蠅又為白眼
圖2b在互交（正反交）中，F1雌蠅接受了母本的X染色體。如果母本是純合隱性白眼，其全部雄性後代將均為白眼，儘管其父本為紅眼
很明顯，性基因和眼的顏色基因並不自由組合。
摩根在1910年根據上述觀察斷定眼睛顏色因子（從紅色突變成白色）是和決定性別的X因子互相偶聯的。一年以後（1911：384）他特地從染色體的角度來解釋這類性狀偶聯現象：「我們發現的不是孟德爾意義上的隨機分離而是在染色體上相處很近的「因子聯合」（association of factors）。細胞學提供了實驗證據所需要的機制。」其他的一些突變，例如黃體色和小形翅也是：和性別連鎖的，也就是說位於性染色體上。其他的性狀連鎖群和性別無關，顯然是處在果蠅的其他染色體上，這些染色體被稱為常染色體或普通染色體（和性染色體區分開）。
德弗裡、柯侖斯、波弗利和瑟頓實際上也早已從理論上預言過連鎖現象。他們是根據染色體的個體性和（通過細胞有絲分裂週期的）連續性進行推理的。
不分離
布裡奇斯（摩根小組的成員之一）干1914年為染色體遺傳學說提供了一個更有說服力的證明。當一個白眼雌果蠅（在兩個X染色體上都具有隱性白色等位基因）和一個正常紅眼雄果蠅（在其單個X染色體上帶有顯性紅色等位基因）進行雜交時，F1代產生相同數目的雜合性紅眼雌蠅和白眼雄蠅。這是兩個親本的遺傳組成所決定的，必然如此。但是在摩根的實驗室中出現了一種異常的果蠅品系，在這樣的雜交試驗中這一品系的果蠅在其F1代中約有4．3％是白眼雌蠅和紅眼雄蠅。關於這試驗的細節和解釋，在經典遺傳學教科書中都有詳細介紹，這裡不再重複。布裡奇斯曾設想這一品系的雌果蠅不僅有兩個X染色體還有一個雄性Y染色體。這一XXY雌果蠅可能是當一個具有兩個XX染色體的異常卵子（由於減數分裂中的差錯）被一個Y精於授精後產生的。當這樣的一個具有三個性染色體（兩個X，一個Y的個體在形成配子時，或者這兩個X染色體進到不同的配子（卵子）中，形成X和XY卵子（實際上所形成的配子中91．8％就是這種情況）多或者是兩個X進入一個卵子，Y進到另一個卵子，形成XX和Y卵子（約占8．2％）。經過正常的、帶有X或Y的精子授精，XXX和YY合子不能生存而死亡，然而有少數的特殊紅眼雄蠅（XY）和白眼雌蠅（XXy）產生（見圖3）。布裡奇斯的設想後來由細胞學觀察證實，即證實了這一品系的果蠅有XXY雌蠅和XYY雄蠅存在。在此以前（Wilson，1909）和以後，還先後發現了一些不分離現象，包括個體含有額外的常染色體。例如人類中有三個21號染色體，被稱為由於不分離的21號染色體三體，它是唐氏先天愚症（Down's Syndrome伸舌白癡）的原因。在很多種植物中有的個體具有額外的染色體（三體）或失去了一個常染色體（單體）。這些個體能夠生存並被用來研究同一基因的各種平衡效應。例如曼陀羅屬12對染色體的任何一種三體不僅能夠存活並且有特殊的形態。煙草屬23對染色體的任一種單體也是如此。
布裡奇斯這項研究的重要意義在於它第一次提供了性連鎖基因是由X染色體攜帶的直接證明。他的結論在後來一再被證實。自此以後就更加沒有理由反對染色體學說，雖然還有少數學者，如貝特森和Goldschmidt，仍然懷疑，甚至摩根也在一定程度上表現模稜兩可。
17．8 減數分裂（成熟分裂，Meiosis）
1902年以後，雖然有一些生物學家隨意談論染色體遺傳學說，但是它的準確涵義究竟是什麼當時並不十分清楚。大多數人指的是茹（Roux）提出的意見，即各個不同的遺傳因子（現在應當說基因）在染色體上的直線排列。然而這並不是問題的全部。細胞學家在1870年代到1890年代發現了許多肯定與遺傳有關的染色體現象。1900年以後對這些現象進行了系統研究，尤其是摩根研究小組在1910年以後的研究，這大大促進了染色體學說的發展。
下面從染色體在配子形成時的行為開始介紹。卵子的細胞核和精子都是「單倍體」，也就是說它們具有的染色體數目是（二倍體）體細胞染色體數目的一半。在配子形成時染色體數目是怎樣減成一半的而且這又怎樣會影響遺傳？
減數分裂（Reduction division）
Van Beneden（1883）發現當蛔蟲的卵在受精時雄蟲精子的兩個染色體和卵子細胞核的兩個染色體聯合，形成具有四個染色體的合子的新細胞核。這個受精後的卵細胞在隨後的卵裂中所產生的每個細胞都含有四個染色體；這每個細胞是「二倍體」，其染色體數目是配子的二倍。如果在每次受精中染色體數目都增加一倍，則子代的染色體數將比親代多一倍，如此一來，每個細胞很快就會具有成千上萬的染色體。很明顯，在受精作用中必然有某種過程抵銷染色體數量的成倍增長。Strasburger（1884）和魏斯曼曾先後提出在配子形成以前必須進行「減數分裂」。波弗利（1887－1888）也同意魏斯曼的意見，後來赫特維克在1890年對這減數分裂過程作了詳盡而又正確的描述。
細胞學者發現動物在形成配子時發生兩次連續的細胞分裂，它們和正常的有絲分裂十分不同，後來將之稱為減數分裂或成熟分裂（me1os1s）。在減數分裂時究竟發生了什麼勒化（或者更確切地說染色物質是怎樣減少的）這個問題卻長期爭論不休無法解決。當時很快就被大家公認的唯一事實是卵母細胞和精母細胞（即最後發育成卵子和精子的細胞）的染色體數目和一般的體細胞相同，都是二倍體；而由減數分裂產生的配子（卵子和精子）的染色體數則只有原來的一半，是單倍體。當減數分裂的實質被充分瞭解了以後才知道卵細胞的細胞核的成熟和精子的完全相似；但是乍一看這兩類細胞的成熟過程卻十分不同，因而在下面將之分別介紹。
每個細胞核的染色體組是由一對同源染色體組成，其中一個來自父本，另一個來自母本。在第一次減數分裂時，這一對同源染色體彼此從側面貼得很緊，這種配合成對的過程稱為「聯會」。起初對這種配對過程所發生的一切細節完全不清楚；兩者彼此貼合得如此密切，以致顯微鏡觀察分析無法確定在第一次減數分裂；的前期究竟是怎樣一回事。幾乎又過了30年才通過遺傳學分析對這過程基本研究清楚（見下文）。波弗利和赫特維克所觀察到的是終變期（濃縮期）之後的染色體分開，正像正常有絲分裂時那樣。在卵細胞中這分裂是在卵的外周進行，有一組子染色體（daughter chromosomes）以單個極體的形式被排除。
減數分裂的第二次細胞核分裂很特殊，因為只是核分裂而染色體並不分裂。結果是有一半染色體進入子核，另一半進入另一個細胞核。在蛔蟲，染色體數目就因而從四個減少到二個。這第二次分裂被魏斯曼稱為減數分裂（reduction division）。在卵細胞中的兩個子核之一又作為第二個極體被排除。
雄配子形成時也發生同樣的兩次核分裂，所不同的是沒有子核以極體形式被排出。反倒是形成了一組四個精子，它們是從進．人減數分裂過程的精母細胞中的一個細胞核產生的，這一點赫特維克（1890）早已指出過。由於在第二次減數分裂中染色體數目並沒有增加一倍，所以這四個精子的染色體數目同樣也只是二倍體的體細胞的一半。我在這裡所介紹的只是減數分裂中所發生事態的最後解釋，全部過程的細節是由VanBeneden，赫特維克，魏斯曼以及其他人的發現和解釋聯綴而成；Churchill（1970）曾就對這一問題的認識發展過程作過精采的闡述。起初，赫特維克和魏斯曼在解釋上彼此意見分歧很大，這有兩個重要原因。赫特維克多少相信融合遺傳，父本和母本的染色體在受精時彼此融合，他認為在每次細胞分裂後染色體被溶解，在下一輪細胞分裂前又重新由染色顆粒組成。就地看來，極體的排除單純是染色物質的量的減少。相反，魏斯曼則認為受精後父本和母本的染色體一直分開，他還認為每個染色體在有絲分裂、減數分裂以及隨後的靜止期的全部過程中都保持連續性。在這兩個問題上魏斯曼的設想後來都證明是正確的。從上述爭論中得出的最重要結論是，被卵排出的極體所含的染色體的含量和存留在卵細胞核中的完全相同。因而在形成雌、雄配子時的細胞核分裂（減數分裂）也完全相同，儘管在雌性中最後結果是形成一個卵和三個極體，在雄性中是形成四個精子。雖然赫特維克和魏斯曼公開爭論的是細胞學方面的技術性細節，但正如Churchill（1970）很有見地地指出的那樣，實質上卻是由他們的立場、概念不同所決定的。赫特維克代表了物理主義者生理學陣營，魏斯曼則代表形態學顆粒論分子學派。
我們也可以用遺傳學的術語來表達減數分裂的細胞學內容。假定新合子的形成是由於父本和母本染色體組匯合的結果，其中一個染色體具有等位基因A（來自父本）和一個具有等位基因a的染色體（來自母本）相匹配產生合子Aa。從這個新合子的第一次卵裂開始，這兩個同源染色體就將一直保持配對，在發育中的生物的所有體細胞都將是雜合的Aa。只有在配子形成時的第二次成熟分裂（減數分裂）時這兩個同源染色體才分開，形成同等數目的具有基因A的配子和具有基因a的配子。至幹哪一個染色體進入到子細胞中去則純屬偶然（見下文）。這樣一來孟德爾的分離定律就能被受精作用和配子形成時所觀察到的染色體行為圓滿地加以說明。減數分裂介紹到這裡可以很好地解釋連鎖和分離現象，但是到此，問題還沒有結束，還不能解釋前面所指出的不完全連鎖現象。但這可以用減數分裂中的另一種過程、交換來說明。植物的減數分裂就染色體而言和動物的相同，但通常發生在生活史的一個不同階段（孢子形成之前）。
交換
由於任何生物的性狀及決定這些性狀的遺傳因子遠遠超過它所含染色體的數目，所以從一開始就有人（Correns，1902；Sutton，1903，）認為每個染色體必定攜帶有幾個（如果不是許多）基因。這一點很快就被摩根研究小組證實。然而連鎖群（每個連鎖群和某個特定的染色體有關聯）的發現又提出了新問題。如果一個染色體上的所有基因都緊密地連鎖在一起，那麼一個生物將會只有它所含有的染色體的數目那樣多的獨立遺傳單位。這就會對重組施加極大的約束。德弗裡（1903）在研究F2代雜種時所得出的結論是，F2雜種的重組的可能機會遠不符合全面連鎖的觀點。因此他提出在減數分裂的第一前期中成對的親本染色體發生「單位交換」（exchange of units）。至於「有多少和哪一些（單位將會交換）則可能純屬偶然」（1910：243），這表明交換總是相互交換。波弗利也曾預言過這類交換（1904：118）。遺傳學分析很快就證明了同一個染色體上的基因連鎖是不完全的。貝特森，Saunders，Punnett（1905）首先進行了這類觀察研究。在香豌豆（Lathyrus）的兩個變種（花色和花粉粒形狀彼此不同）雜交後的F2中，他們既沒有得到預期的9：3：3:1的比值，也沒有發現簡單的3：1比值，卻發現了69．5％的雙顯性個體，19．3％雙隱性個體，以及兩類5．6％雜合子。顯然這兩個性狀的基因既不自由組合又非完全連鎖（有11％例外）。貝特森曾提出過一個特別假說來解釋這一現象，但由於他不相信染色體學說，所以也就沒有考慮交換。
過去常常有人提起孟德爾沒有遇到連鎖現象真是一件怪事。豌豆（Pisum sativum）只有7對染色體，孟德爾也正好研究了7對性狀。它們沒有連鎖起來是不是運氣好從而為孟德爾減少了一項額外的麻煩？看來並不是這樣。我們知道孟德爾在正式著手他的豌豆試驗之前曾經花了幾年時間進行預備雜交試驗，他很可能將在幾代不顯示自由組合的一些性狀（或至少是成對性狀中的一個性狀）棄置不顧。也可能是他由之取得試驗材料的種子商偏愛自由組合的那些性狀。最後，某些基因的基因圖距（離）足夠大，即使是都處在同一個染色體上也能顯示自由組合現象。
當摩根研究小組開始集中力量分析果蠅的遺傳結構時，不符合完全連鎖的例外情況成為一個嚴重問題。摩根及其同事發現，斷裂連鎖的幅度很大．有時可以低至1%，這樣的變異性怎樣解釋？
舉一個特殊情況為例。有一組三個隱性基因-黃（體）色（y），白眼（w），小翅（m）-位於果蠅的X染色體上。如果一個具有這三個基因的雄蠅和一個正常雌果蠅雜交，可以預料這三個隱性基因將以連鎖群的形式在F2代中出現。實際上黃色和白眼的連鎖在果蠅中有1．3％斷裂，白眼小翅連鎖有32．6％斷裂，黃色小翅連鎖有33．8％斷裂。怎樣解釋這些數字？
這些例外情況的數值通常多是按德弗裡提出的單位交換的隨意性這種偶然過程來解釋。但是根據1900年代早期的細胞學研究可以作出不同的答案。自從波弗利和赫特維克的開拓性工作以後的20年對減數分裂細節的研究已取得長足進展。在第一前期中染色體（染色物質）的變化至少可以分為6個階段。其中有一個階段兩個成對的染色體仍然很細，但是每個染色體已分開成染色質絲（染色單體），即所謂四線期。這兩個染色單體彼此反覆交叉形成波狀環。
比利時細胞學家Janssens（1909）指出，當四個染色單體彼此盤繞在一起時，一個父本的和一個母本的染色單體可以在它們彼此交叉處斷裂，斷頭在重新連結時總是父本單體的斷頭連在母本單體的斷頭處，反過來也是如此。另兩個染色單體仍然保持完整。這樣一來就形成了一個「交叉」（chiasma），在減數分裂第一前期的後期階段是成對的兩個染色體保持接觸的地點。按Janssens的觀點交叉表示一個父本的和一個母本的染色體的交換。最後結果將是一個由父本和母本染色體的片段組成的新染色體。摩根小組所研究的不完全連鎖和Janssens的觀點相符。
交換過程是如此複雜以致差不多花了30年時間最後才能決定哪一種解釋是正確的（見Whitehouse，1965。這是值得一讀的一本書）。然而現在已充分證實交換發生在四線期，涉及四個染色單體中的兩個單體。另外還證實在四線期一開始就發生交換（Gred，1978）。
摩根和他的助手斯特體范特LewiS，1961）認為源於交換的不完全連鎖的份額表示遺傳因子在染色體上所處位置之間的．直線距離。染色體在兩個基因之間斷裂的機會（也是交換的機會）取決於這兩個基因在染色體上的距離；距離愈近，斷裂機會愈少。根據這一推理斯特體范特（當時年僅19歲！）推算了基因在染色體上的位置和順序並製出了普通果蠅（Drosophilamelanogaster）的X染色體的第一份染色體圖（發表於1913年）。他由之證實了當時所知道的這一染色體上的基因是沿著染色體作線性排列的。
在早期的實驗中有一些結果相互矛盾。穆勒（Muller，1916）指出在一個長染色體上可能發生雙交換而且交叉的存在將干擾在染色體上與交叉鄰近處的進一步交換。考慮到這兩種新發現的現象（雙交換與干擾）就排除了上述矛盾，摩根的一些反對者正是利用這些矛盾來懷疑交換學說的正確性。
遺傳現象的染色體學說現在已經可以用基因學說（Morgan，1926）來補充。1915年前後摩根及其同事研究了一百多種突變型基因。它們分成四個連鎖群，和果蠅的四個染色體非常一致。連鎖群的染色體實質的間接證明至此便告完整。然而一直到1931年Stern才運用某些異常基因（X基因片段貼附在第四個小染色體上）為交換提供了細胞學證明。同一年Creighton和麥克林托克（1931）在植物（玉米）方面也提出了類似證據。後來玉米成了細胞遺傳學的優良研究材料。雖然它沒有後來在果蠅研究中非常有利的巨型染色體，但是它所含有的全部十個染色體在形態上都不同，而且有時還有額外的染色體存在。麥克林托克利用玉米的這些特點進行了30多年艱苦而又出色的研究來解釋基因的作用；這一解釋雖然內容豐富而又具有獨到見解卻一直等了很多年在分子遺傳學家得到了相同結論之後才被舉世公認。
這裡所介紹的有關交換現象的歷史是過於簡化的，漏掉了很多複雜問題。例如交叉（由交換產生的染色體斷片之間的橋樑）的實質一直長期爭論不休。每一染色體臂上的交叉數目極不一致，事實上在某些情況下並沒有交換現象，例如雄果蠅。關於第一次減數分裂中染色體的確切複製時間以及形成交叉（染色單體斷裂及癒合）的確切時間，甚至交叉的存在是否總是表示交換現象都有很多爭議。最重要的是，染色體中不同的染色單體的行為更是眾說紛壇莫衷一是。因而作為解釋交換現象的Janssens和摩根的斷裂併合學說（breakase－fusion theory）並不被某些學者接受，例如Belling又另行提出了「副本選擇」學說（copy-choice theory），Winkler提出「基因轉變」學說（gene－con－version theory）。雖然這兩種學說最後都沒有得到公認，卻促使人們進行了大量試驗從而對交換現象以及基因的本質有了更深入的瞭解。現在還沒有這三種學說的比較研究歷史著作。對這些技術上的詳細情況必須參閱細胞學和遺傳學教科書。（另見Grell，1974）。重要的是，一切看來是例外的情況最終都能按經典染色體學說加以解釋。
對進化過程來說由交換而實現的染色體重建非常重要。它是父本和母本基因相混合的有效機制，並通過產生基因在染色體內的新組合來提供非常豐富的新遺傳型（其數量遠遠超過由突變所提供的）以便自然選擇發揮作用。
染色體另外一個作用是能促進重組（recombination），即在成熟分裂的減數分裂中父本和母本染色體的獨立運動。1902年以前普遍認為父本和母本的染色體組作為各自的單獨單位運動。例如某些學者以為在卵細胞的成熟分裂時所有的父本染色體都以極體的形式被排除，然後通過受精由來自父本的新染色體組代替。如果真是這樣，單性生殖卵在成熟時就不會產生極體，然而波弗利證明單性生殖卵不僅產生極體而且極體形成的方式和有性生殖卵的沒有任何不同。另外，雜合的雌體產生具有父本基因的配子。最後，CarotherS（1913）發現在具有大小不同的（異形性）染色體組的物種中，較大的染色體隨意向兩極運動。這是父本的和母本的染色體組並不作為單一的單位進行分離的決定性證據。然而有一種罕見的遺傳現象、「減數分裂驅動」（mciotic drive），阻止染色體任意移向兩極。這能說明在某些情況下種群中保存了在其他情況下有害基因的現象。
染色體重排
染色體在形成交叉時偶爾會完全斷裂，然後再按新的方式重新組裝而不僅僅是在斷裂處併合在一起。如果發生了兩次斷裂，中間的一段可以倒轉過來，這就是染色體「倒位」。如果著絲粒不在倒位的染色體節上就是臂內倒位；如果著絲粒包括在這個染色體節內就稱為臂間倒位。當染色體的某一片段斷裂下來後附著在（或插入）另一個不是同源的染色體上就出現「易位」（現象）。有時也發生「不（相）等交換」，形成兩個子染色體，其中一個染色體有重複，而另一個有缺失。兩個（具有近端著絲粒的）染色體可能併合或一個（具有中間著絲料的）染色體可能進行分裂，這樣的變化稱為羅伯遜重排」（Robertsonian rearrangements）。最後，「多倍性」指的是多於染色體組基本數目兩倍以上的染色體。所有這些染色體變化在進化上都具有潛在的重要意義，但絲毫也沒有降低染色體遺傳學說的價值。具有遺傳影響的染色體重排往往稱為「染色體突變」。我在這裡沒有逐一介紹這些染色體突變的發現歷史，因為這對瞭解染色體進化並無意義。
17．9 摩根與染色體學說
某些歷史學家聲稱摩根及其研究小組是染色體遺傳學說的創始人這種說法顯然並不正確。染色體個體性的證實（這主要是波弗利的貢獻）、茹的關於染色體必定是由不同性質的遺傳顆粒直線排列而成的論點、以及孟德爾分離現象的發現，可以說必然會在1902－1904年導致瑟頓-波弗利的染色體遺傳學說。這一學說提出後幾乎立即就被大多數細胞學家接受，因為這只不過是以前20年細胞學發展的必然產物。
鑒於這學說的說服力極強卻又遭到強烈反對（甚至包括最著名的遺傳學家如貝特森·約翰遜，起初還有摩根），這不能不使歷史學家感到相當迷惘。這顯然涉及到生物學中兩個主要學派之間根深蒂固的概念分歧。由於染色體學說是間接地根據許多不同的事實推論而得，而反對者所要求的則是證據，特別是實驗證據。後來摩根小組及其他學者雖然提供了這些證據，但已是1910年以後的事，發生在摩根從染色體學說的反對者轉變成支持者的時候。
摩根從1903年到1910年在一些著作和論文中曾尖刻地攻擊染色體學說（Allen，1966）。他的反對論點很多，首先一點是這學說只是「推論」，缺乏實驗根據。摩根認為凡是沒有被實驗證實的就算不上科學。他非常輕視「哲理化」。尤其重要的是，提出性狀是由顆粒控制而且這些顆粒又位於各個不同的染色體上是和他的生物現象學說（見下）完全衝突的。
然而到了1910年摩根幾乎在隔夜之間轉變成染色體學說的主要支持者之一並提供了一些具有決定性的有利證據。怎樣解釋摩根的這一急劇轉變？這一急劇變化從他在轉變前後所發表文章的日期得到證明。
1910年8月「美國博物學家」雜誌發表了一篇摩根（1910a）激烈攻擊染色體學說的長達48頁的論文（論文收到日期是2月），這正是在摩根的著名「白眼」論文（1910b）發表（7月27日，收到日期7月23B）之後的三個星期，這後一篇文章有助於摩根放棄他對染色體學說的反對態度。
1910年摩根是48歲，素以堅持己見著稱；和貝特森相反，當新的實驗表明他原先的解釋不合適時他能夠改變自己的想法（在一定程度上！）。然而摩根的思想顯然還受到他周圍智力（理智）環境的影響。他的一些發現證實了幾乎10年前他的朋友和同事威爾遜（E．B．Wilson）向他陳述的意見。威爾遜的論點又被摩根出色的青年合作者隊伍所深化。這些年輕人的特色是天資和性格的多樣化，沒有摩根的19世紀偏執。摩根小組成員的主要特點曾由Jack Schultz（1967）——他也是摩根小組的後期成員之一——作過如實的刻畫：「摩根的懷疑態度和穆勒的系統觀點……斯特體范特的卓越分析能力和布裡奇斯的出色實驗技巧。」這個小組的所有年輕成員，其中大多數人成天關在那小「果蠅室」內，都在摩根的領導下工作。在這個小組的四個成員中究竟是誰在哪些特殊方面強化或充實了染色體學說已無從查考，而且也無關緊要。研究摩根的史料專家是斯特體范特（1965a）和Allen（1967；1978），研究穆勒的是Carlson（1966；1974）和Roll-Hansen（1978b）。由於這些「果蠅室的居民」的多樣性，他們非常融洽妥貼地相互補充並且作為一支隊伍十分自如地運用假說一演經法。1911年以後很可能是穆勒，布裡奇斯和斯特體范特提出大部分假說，而摩根則一如既往地堅決要求這些假說必須通過實驗徹底地加以檢驗。
雖然摩根本人曾經發現（並正確地進行解釋）交換現象以及基因學說的其他必需證據，然而也有很多間接證據表明他多少是一個勉強的「轉變者」，有時還願意溜回到他原先在1910年以前的思想中去。一直遲至1926年他放棄了物理主義者的偏見卻又聲稱研究遺傳現象的學者關於基因的一切結論皆來自「數字的和定量的數據……基因學說……完全由數字數據求出基因的性質（就這學說所賦予基因的性質而言）」，就好像，在染色體上的位置就是基因的唯一性質！
關於染色體學說的發展和迅速累積的遺傳學數據的一致性早在1915年就由摩根、斯特體范特，穆勒和布裡奇斯在他們合著的《孟德爾遺傳學的機制》一書中非常明確地闡述過。因此為什麼貝特森、約翰遜等還繼續反對染色體學說就令人費解，為什麼摩根的兩個最親密助手、斯特體范特和布裡奇斯不僅沒有忽視這學說反而感到需要用更新的實驗來論證染色體學說的正確性。他們醉心於探索各種表面上的例外或矛盾情況，以便證明這些情況他們都可以用染色體學說加以解釋。有人曾感到奇怪，他們為什麼不像穆勒那樣闔上書本去研究新問題。就我看來，從1915年到1930年在果蠅遺傳學上具有高度創見和一絲不苟的研究工作基本上並沒有對瑟頓-波弗理學說提出任何重要修正。反而這些研究卻論證了這學說的正確性並指陳了它在生物學上的重要意義。
至於染色體學說為什麼道到如此激烈的反對這個問題從研究當時的文獻資料就可以找到答案（Coleman，1970；Roll-Han sen，1978b）。染色體學說不僅僅是生物學知識大廈的只石片瓦，更重要的倒是它是檢驗生物學中兩種根本不同的哲學或兩種對立的世界觀的一個例證。在受精作用的實質上（接觸或融合）以及19世紀的一些其他爭論（例如細胞核的起源）上也都表明了這兩種學派的分歧（另見Coleman，1965；Churchill，1971）。按1910年當時的情況很難說清這兩個對立陣營。我有這樣一種印象，即一方是物理主義者一後生論者一胚胎學家陣營，另一方是顆粒論者—先成論者—細胞學家陣營。我這樣劃分時所用的稱呼與1910年時的情況可能並不貼切。例如在1800年以後對任何一個人貼上先成論者的標籤就十分容易引起誤解。物理主義者原則上是極端的還原論者，但在這裡他們分析入微的程度還不及顆粒論者。物理主義者也是機械論者，顆粒論者亦復如此。物理主義者總是搜索運動和力；他們偏好「動態」解釋；他們企圖將一切（定）量化並用數值表示。顆粒論者則按性質上不同的顆粒來解釋生物學現象，按結構、形態、獨特性、歷史變化以及種群方面來解釋。他們的「物質性」解釋促使他們求助於分子（因而是化學）而不是力（從而不是物理學）。
人們在怎樣稱呼這兩個陣營最確切這一點上可能有爭議，但對它們在解釋生物現象本質這個問題上根本不同這一點上則都是一致無疑的。貝特森、約翰遜以及摩根起初都是物理主義者，如果染色體遺傳學說是正確的，這就意味著要否定他們自己的概念結構。我將試圖說明這在總體上或特殊問題上都是如此。
物理主義者對必須承認或接受顆粒（性）基因觀點感到驚詫不安。對他們來說這無異於先成論以現代打扮復活。先成論與後生論之間的爭論如果是以雛型人（homunculus）與活力（visviva）的形式相爭當然早已結束。雖然在胚胎學誕生（1816－1828年左右）之後先成論的雛型人觀點由於過於荒謬已不再被人考慮，但是自從生物學家意識到遺傳現象的精確性後，後生論的一般化活力或發育力也同樣站不住腳。對茹，魏斯曼和波弗利來說，遺傳的精確性顯然要求提出種質的結構，即遺傳物質在結構上的複雜性，後來表現為瑟頓-波弗利染色體學說。物理主義者難於理解如果不是返回到Bonnet的樸素先成論怎麼可能相信這樣的觀點。
對立面的一個比較充分的反對理由來自胚胎學。1883年茹提出的遺傳物質等量分裂學說從表面上看來很快就被茹本人的鑲嵌發育論點以及細胞譜系研究的結果所否定。1890年代一個又一個的胚胎學發現似乎更容易被魏斯曼的種質不等分裂學說解釋清楚，而孟德爾的均等分裂卻難於解釋。發育現象與瑟頓—波弗裡學說之間的表面矛盾經過幾十年的分析研究和概念更新才最後解決。
另外的一個反對理由來源於第一個顆粒遺傳學說過於簡單。在1900年代早期對遺傳型和表現型之間的區別還並不清楚。雖然先成論的雛型人學說已被徹底否定，但在某些胚胎學家和遺傳學家的思想中它卻被另一種模式代替，即生物的每一個性狀是由種質中的某一個特定遺傳因子代表的。遺傳型可以說成是微型的表現型，雖然不是雛型人卻是遺傳顆粒（不論是微芽、泛子或其它）的鑲嵌，每個鑲嵌相對於表現型的特定部分。這種想法表現在早期孟德爾主義者的「單位性狀」概念中。德弗裡（1889）特別指出泛子從細胞核移入細胞質，並在細胞質中發揮發育作用。因此體質是由發育後的泛子組成。就物理主義者來說，這就是遺傳現象的形態學說明，在原則上和古老的雛型人概念並沒有什麼不同。貝特森和約翰遜按照他們自己的觀點特地批判了染色體學說的形態學解釋。
曾經使魏斯曼、赫特維克以及德國胚胎學家困惑不解的傳遞與發育之間的關係也起了作用。摩根及其小組決定將這兩個問題分開進行研究並從傳遞遺傳學著手。貝特森和其他反對細胞學說的學者則繼承了魏斯曼傳統，需要有一種同時能夠解釋傳遞和發育的遺傳學說。在身體各種各樣的組織和器官中含有完全相同的染色體（具有直線排列的顆粒性基因）就他們看來和所觀察到的發育現象並不相符。
只要無法區分遺傳型和表現型，顆粒論者就不得不按遺傳因子和體質性狀之間一對一的關係的某種先成論考慮問題。某些承認單位性狀學說的學者認為某個生物有多少性狀就有多少遺傳因子。因而以一貫性和邏輯性著稱的魏斯曼主張在一切發育階段中不同的性狀必然有不同的定子，例如不僅是成蝶翅膀上的可以獨立變化的每一性狀而且同樣還有毛蟲的每個性狀都有其定子。由於或多或少地認為遺傳物質通過繁殖與生長直接轉變成表現型是理所當然的事，所以這不單是一種邏輯結論而且可以說是一種必然的結論。因此當凱塞爾發現表現型發生變化時（現在知道這是由於修飾基因的作用），他就只能按與一個基因一個性狀假說相一致的觀點來解釋，並促使他提出了「污染學說」（見前）。
基因多效性（Pleiotropy）和多基因（Polygeny）的發現（見下文）最終導致了「單位性狀」學說被否定（或至少是被大大修正）。這就使得染色體學說的追隨者擺腕了粗俗的先成論影響從而有利於縮小兩個陣營之間的鴻溝。然而這場論戰毫無疑問是以顆粒論者輕而易舉地取得勝利而結束。顆粒論者的學說最後被稱為遺傳的分子學說。Carlson（1971）堅持認為穆勒在概念上是一位分子遺傳學家，這當然是正確的，但穆勒並不是第一人。在穆勒以前的魏斯曼，德弗裡和其他人早在1880年代就毫不含糊地提到遺傳現象的分子基礎。
必須強調的是這只是對兩個陣營的爭論和立場的極其簡略的介紹。每個參與者，例如貝特森、約翰遜、赫特維克和摩根都各有自己的特殊混合觀點，實際上有時是相當不合邏輯的、彼此矛盾的混合觀點。然而染色體學說或者與他們的生物概念相一致，或者不一致。如果不一致，他們就必須或者反對或者放棄長期珍視的信念。貝特森和約翰遜無疑是最頑固的科學家。
染色體研究
在波弗利和E．B．威爾遜以後，染色體研究仍然非常富有成果。細胞遺傳學、即染色體研究的發現和遺傳學研究的發現兩者的集成綜合，由於下列工作而迅速發展：麥克林托克（1929）對玉米粗線期染色體的分析研究，Heitz與Bauer（1933）重新發現雙翅目昆蟲的巨大多線染色體，C．D．Darlinston對遺傳系統的研究，M．J．D．White的研究，以及日益擴大的細胞學者隊伍的研究。1970年代染色體研究又進入了一個新的活躍時期。
這一領域的重要進展是採用了各種新技術的結果。例如目前通過組織培養（使細胞擴增），浸於低滲溶液（同樣使細胞增大），秋水仙素處理（抑制紡錘體形成和使染色體收縮）等技術決定染色體數目遠比過去的壓片法精確可靠。又例如通過新技術使人類染色體數目從48個修正為46個。在很多研究中，諸如與人類遺傳病有關基因的定位，正確鑒別個別染色體都非常重要。染色體在組成上很複雜，某些化學處理對其中不同組分的影響有區別因而在染色體上出現不同的帶。根據所採用的顯帶技術不同可以分辨Q帶、G帶、R帶、T帶和C帶（參閱Caspersson andZech 1972）。用放射性物質（氚）將活組織的染色體加以標記可以得到另一類重要信息。
這些研究中最重要的發現可能是瞭解到原核生物（細菌、藍綠藻）和高等生物具有相同的遺傳物質（核酸），但是由核酸組成的染色體的類型和高等生物的不一樣。然而正是因為這些原核生物的DNA（或RNA）的組織結構非常簡單，所以特別適合於進行某些類型的遺傳學分析，尤其是基因功能和基因調節控制。因此一直到1970年早期分子遺傳學的大部分研究都是採用原核生物作實驗材料。
雖然目前對許多原核生物的DNA組織結構有了較多的瞭解，但是真核生物的染色體還很不容易分析（Cold Sprins HarborSymposia 1978）。目前還只知道DNA附著在（埋入？）蛋白質（特別是組蛋白）基質上，而且有跡象表明這些蛋白質在基因活性上具有決定性作用。然而儘管近年來已經發現了大量有關事實，就我看來，真核生物染色體作為一個整體，我們要提出一個解釋它的結構和功能的完整學說還為時過早，還有很多工作要做。因此，承認遺傳現象的染色體學說決不是染色體研究的結束，倒毋寧說是剛剛跨入染色體研究的一個新時代。
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