孟德爾遺傳學定律為不連續變異現象提供了絕妙的說明。只要涉及到明確的性狀如豌豆中的綠對黃、光滑豆粒對起皺豆粒，這些定律就很容易運用。1900年以後發表了成百上千篇文章論證了在多種動植物中都存在著孟德爾遺傳現象從而對任何可以觀察到的不連續變異的性狀賦予了孟德爾遺傳學根據。
然而在一個相當長的時間內不承認孟德爾遺傳能普遍適用的反對意見很流行。將這種反對意見完全途之於無知或保守將是錯誤的，因為這樣解釋未免過於簡單化。實際上反對者都認為他們有完全充分的反對理由。此外，公正地講他們並不否認某些孟德爾遺傳現象，他們所反對的只是將一切遺傳現象都歸之於孟德爾遺傳。由於這些反對者之中有很多是第一流的生物學家，所以分析一下他們所侍的理由就很有必要。
近代的歷史學家往往忘記了在19世紀和20世紀轉折之際大多數達爾文主義者動物學家和植物學家之所以關注遺傳現象是因為它和物種問題及進化學說有關。因此這些達爾文主義者只閱讀對進化問題最感興趣的兩位孟德爾主義者、德弗裡和貝特森的著作，他們的觀點便促使這些達爾文主義者堅決站在反對立場。德弗裡和貝特森都宣揚遺傳現象的不連續性論證了進化起源的不連續性。他們兩人都是本質論者和驟變論者（見第十二章），都不太相信自然選擇。因此他們的觀點和達爾文主義者的完全不同，後者在自然界中隨處都見到漸進進化演變的證據。由於孟德爾主義者聲稱遺傳變異（即不連續性）的方式和進化方式密切相關，又由於他們自己認為進化不是漸進的，連續的；所以達爾文主義博物學家便被迫必須提出某種非孟德爾式的、連續性遺傳的方式來解釋漸進進化（Mayr and Provine，1980）。
就博物學家看來，孟德爾主義的最大弱點是沒有解釋連續變異。當時幾乎每一個人都仍然承認變異的兩重性（連續變異與不連續變異），孟德爾主義被認為沒有對數量變異（quantitstivevariation）作出解釋。我們還記得魏斯曼、德弗裡以及1880年代和1890年代的其它學者用兩個親本所提供的（相同的）泛子或生源體的數目不相同來解釋數量遺傳。德弗裡曾經講過，「泛子的相對數目可能改變，有一些可能增加，有的可能減少或者幾乎完全消失……最後單個泛子的集群也可能變化。所有這些過程都足以解釋劇烈波動（個體的、連續的）的變異」（1900：74）。當孟德爾學說（對相對性狀每個親本只提供一個因子）被接受後這種解釋就落了空。在這種情況下連續變異就沒有得到說明。我在德弗裡以後的著作中也沒有發現代替這一不均等分配學說的其它解釋。
對絕對（唯一只有）孟德爾遺傳現象的反對者提出了這樣的問題：在真正是數量性狀（如個體大小）的情況下後代的中間狀態（即後代個體有大有小）豈不是證明了不存在不連續因素？難道不是揭示了有兩類遺傳現象，即不連續變異的孟德爾遺傳和連續變異的其它方式的遺傳？解釋連續變異遺傳豈不更為重要？因為連續變異是達爾文漸進進化學說的基礎。由於缺乏一種數量遺傳學說因而在進化生物學家中發生分裂，形成了兩個對立的學派，一般通稱為孟德爾學派和生物統計學派。但是上述這兩個名稱只限定在1900—1906年這期間適用，而這場爭論卻是從1894年貝特森的《變異研究的資料》出版後即已開始一直延續到1930年代和1940年代進化綜合時期。這場爭論在進化生物學中造成了深刻分歧，在本世紀的頭三十年中一直沒有消除（Mayr and Provine，1980）。這是兩種哲學觀點的衝突，孟德爾學派崇尚本質論思想和偏重遺傳單個單位的行為，而生物統計學派則關注種群現象並熱衷於整體論解釋。甚至可以說這兩個對立面的分歧可以遠溯到十八世紀。實際上這些古老問題之一的融合遺傳必須先予介紹才能進而分析1900年以後所發生的事態。
融合遺傳
博物學家和動物育種者早在十八世紀已知道「突變」（不連續變異體）一旦出現可以歷經好多世代不變。與此相對映的是當把不同物種或不同的馴化品種、地理品種（地理宗）雜交後，它們就「融合」（blended 原意為混合，摻合，攙雜）了。例如達爾文在使用「融合」這字時幾乎毫無例外地總是和物種或品種之間的雜交有關。1859年以後Moritz Wagner和其它博物學家在寫到融合時也是如此。「融合」這個詞是根據在絕大多數物種間雜交的F2代很少有可察知的孟德爾分離現象的完全正確觀察結果而提出的（見第十四章 ，克爾路德）。必須強調的是所有這些學者所考慮的是表現型，而且由於物種間的大多數差異是高度多基因性的，物種和品種間雜交的表現型一般都是中間狀態，即它們「融合」了。在起初創用這詞時指的是表現型的外觀。
這是不是意味著這些學者也相信所觀察到的表現型性狀的遺傳因子也融合了？他們顯然是這樣，但只是部分相信。例如達爾文曾多次提到父本和母本的微芽在受精時既可能融合也可以只是彼此貼俯在一起以後又行分開。達爾文特別強調回復突變頻率完全否定了認為他相信絕對融合的看法。他在《物種起源》（1859）中提到回復突變不下於八次，在《家養條件下動物和植物的變異》（1868）一書中單獨辟了一章 （十三章 ）來討論這個問題。在該書的第二版（1893）中他含蓄地提到也許「這樣說更恰當，即兩個親種的因子在雜種中以雙重狀態存在：融合在一起或完全分離」。在其它地方他還提到雜交後代的「純粹」微茅和「雜種」微芽。達爾文還特別讚賞地提到淳丁的親代性狀在雜種中不融合的觀點（見第十四章 ）。他在1856年給赫胥黎的信中（M．L．D．11：103）也許比他所發表的所有文章都更好地表明了他深信顆粒遺傳：「我近來往往思考（很粗略地和模糊地）真正受精的繁殖將會是兩個不同個體（或者不如說是無數個體，因為每個親本又有它的親代和祖先）的某種形式的混合而不是真正的融合。我想不出還有別的看法能解釋雜交的生物能在如此大的程度上回復到其祖先形態。」
應當承認達爾文在後來的著作中再也沒有像在這封信中特別強調遺傳的顆粒學說，但是他也決沒有像反對者所聲稱的那樣採納絕對的融合學說。德弗裡（1889）曾正確指出達爾文對遺傳現象的解釋從總體上來看比起融合遺傳更符合於顆粒遺傳。達爾文雖然是兩卷集的變異著作的作者，但他的主要興趣不在於創立一種遺傳學說，因此他更多的是引用回復突變作為共同祖先的證據而不是用來作為遺傳學說的證據。他對馬和驢的腿部和肩頭往往粉現斑馬的條紋特別感興趣就說明他是用之來支持共同祖先學說的。
內格裡（Nageli）是達爾文以後公然支持絕對融合遺傳學說的少數生物學家之一（可能還包括赫特維克），承認融合遺傳和以微芽，分子團或其它顆粒作為遺傳物質的假說是一致的，只要在受精時父本和母本的顆粒互相融合。所有其它學者不僅認為顆粒是遺傳載體（其中有一些在受精時當然可能融合）而且還認為至少還有一些微粒可以完整地從一代傳遞給下一代（例如Galton，1876；de Vries，1889）。斷言達爾文和多數1900年以前的研究變異的學者承認絕對融合遺傳（我認為這是菲雪在1930年首先提出的）並沒有事實根據（可參考Ghiselin，1969；Vorzimmer，1970）。這一點在當時是很清楚的，這可以從美國胚胎學家E.G.Conklin在1898年所說的一段話看出：「很多其它現象，尤其是顆粒遺傳、軀體各部分的獨立變異性、以及潛在的和明顯的性狀的遺傳傳遞，在目前還只能把它們看作是結構的超顯微結構單位來解釋」（引自Carlson，1966）。考慮到在1900年以前人們普遍接受顆粒遺傳學說，即從親代傳遞的遺傳因子在受精後並不融合而是在全部生活史中保持其完整性的學說，因此有人說1900年重新發現孟德爾定律的最重要結果是用顆粒遺傳取代公認的融合遺傳這種說法是十分錯誤的。很多學者（包括達爾文）都同意兩者兼而有之。我覺得繼續承認融合遺傳在1900年以後對孟德爾主義的抵制上只起了很小的作用。菲雪（R．A．Fisher）的解釋以及相信這解釋的人忘記了在1909年前後遺傳型和表現型還沒有明確區分，「融合」這詞傳統上是用於表示表現型的中間狀態（尤其是在物種雜交中）。它與遺傳物質的行為並不一定必然有關。
因此就必須澄清孟德爾主義以前和早期的另一個模糊不清的。重要問題，表現型和遺傳型的區別。
表現型和遺傳型的區別
關於融合遺傳的爭論表明區分遺傳型（個體的全部遺傳組成）與表現型（在發育中由遺傳型轉變而成的個體性狀）是多麼重要。
在19世紀的生物學家中幾乎只有高爾敦（Gallon）注意到這種區別。他用的新詞「stirp」以及重新定義的「heredity」顯然指的是遺傳型，他的語匯「nature vs．nurture」（本性與教養、或遺傳與環境）強調了這種區別。對這個問題一直未予重視，不僅在達爾文的著作中而且在達爾文以後也是如此。1900年當遺傳學這門科學誕生時，除了魏斯曼的種質和體質而外無論在名稱上還是概念上都沒有將兩者加以區別。在德弗裡看來個體作為一個整體只不過是受精卵（合子）細胞核中原來一套泛子的放大圖像。這正是他從不介意他的「突變」這個詞指的究竟是表現型還是作為其基礎的種質的原因。
但是動、植物育種者一直知道並沒有像德弗裡的概念所影射的那種遺傳決定論。有很多性狀、例如蕃茄果實的大小、既由遺傳組成支配，又受環境因素影響。
首先認識到需要在術語上加以區別的是丹麥遺傳學家約翰遜（Wilhelm Johannsen，1857—1927）。約翰遜的出身和所受的教育都極不尋常。他主要靠自學，早期大部分時間是在製藥和化學實驗室受教育。當他最後決定轉向研究植物生理學時，他和他所崇拜的高爾敦相仿，特別強調定量方法和統計分析。他還是一位造地的本質論者，他對菜豆經過許多代自花受粉後豆粒大小出現相當大的變異感到很難理解，因為經過多代白花受粉所產生的菜豆按道理應當在遺傳上是完全相同的而且大部分是純合的。為了避開這變異，他將試驗樣品的統計平均值稱為「表現型」：「可以把從統計學上得到的類型……簡單地稱為表現型……某一特定的表現型可能是某種生物學單一性的表現，但是並不一定就必然如此。通過統計學研究在自然界發現的大多數表現型就不是這樣！」約翰遜所用的術語以及他的議論清楚地表明他企圖取得「純粹的本質」，從而探求「純係」。後來的學者發現這種類型學的定義毫無用處並重新將表現型定義為個體的實際性狀。
雖然這名稱是約翰遜提出的，然而遺傳型和表現型的現代用法實際上更接近於魏斯曼的種質和體質。
約翰遜在新創了「基因」這個詞（見第十七章 ）之後又把「（類）型」這個詞根與之結合起來組成「基因型」這詞，其對應部分稱為「表現型」。「基因型」又稱「遺傳型」，指的是由兩個配子結合而成的合子的基因組成：「我們用基因型這個詞來稱呼這基因組成。這個詞完全不依賴任何假說；它是事實，不是下面的一種假說，即由受精作用產生的不同合子可以具有不同的性質，即使在十分相似的生活環境下也能形成在表現型上各式各樣的個體」（1909：165－170）。然而從總的來看約翰遜是想把遺傳型作為種群或物種的遺傳型來考慮（從類型學或模式學的角度考慮）。Woltereck（1909）也大致在同一時間採用了另一個不同的術語來表達同一個遺傳型在不同的環境條件下可以產生十分不同的表現型這一重要見解。他認為通過遺傳所繼承的僅僅是「反應規範」（norm of reaction），即對任何環境條件按特定方式作出反應的素質。
然而一直到發現（1944—1953）遺傳型（基因型）由DNA組成以及軀體由蛋白質（及其它有機分子）構成後才真正瞭解遺傳型和表現型之間的根本區別。遺傳學建立後的早期在這個問題上仍然混淆不清，即使約翰遜也不能免。進化生物學歷史上的許多重要論戰的根本原因就是因為分辨不清遺傳型和表現型，例如融合遺傳與突變的實質。實際上充分認清遺傳素質（遺傳型）和可以觀察到的外表（表現型）之間的區別是最終否定軟式遺傳所必需的。約翰遜本人為否定軟式遺傳所作出的決定性貢獻絕非偶然，雖然這種貢獻大大得力於他碰巧選擇了一種合適的試驗生物。
約翰遜選擇了一種可以自交的（自交來合性）植物菜豆（Phaseolus vulgaris）。由於這一物種的植物通常都是自交的，所以它們都是高度純合的。他選用了經過多代自交而產生的19個一植株作為選育的基本母株。在每一個這樣的「純係」中他挑選最大的到最小的菜豆繁育後代。在每個試驗組中後代的變異基本相同，和母株菜豆的大小無關。換句話說，在一個純係中大菜豆和小菜豆的遺傳型都相同，而所觀察到的差別是對不同環境條件的表現型反應。約翰遜這一試驗研究的特點或重要方面是他在測定成千上萬個菜豆上的精確性以及對試驗結果統計分析的周密性。他的結論是由於栽培條件（肥料，光照、水份等等）不同所引起的菜豆大小不同不能傳遞給下一代。這一結論是必然的，沒有獲得性狀遺傳。因為表現型是遺傳型和環境互相作用的結果，所以不能認為它是遺傳型的準確象徵。
約翰遜的純係試驗對生物學產生了極其特別的模稜兩可的影響。一方面它有助於削弱當時仍佔上風和廣為流行的軟式遺傳的影響，然而遺憾的是這試驗又被約翰遜本人及其它學者引用來作為自然選擇無效的證據（見第十二章 ）。
18．1 有關遺傳的各種互相競爭的學說
在澄清了遺傳型與表現型以及融合遺傳等問題之後，下面就可以全面地考慮反對孟德爾遺傳能普遍適用的各種原因。當時有不少相互競爭的遺傳學說在這一片反對聲中起了重要作用。在1900年重新發現孟德爾定律時，這些定律還不可能佔有空白領域。因為事實上那時已經有一些其它的遺傳學說（特別是有三個主要遺傳學說）似乎比孟德爾主義能更好地解釋達爾文的漸進進化。
高爾敦的祖先遺傳（ancestral heredity）學說
達爾文的表弟高爾敦（Francis Galton）在1875年之後繼續在建立他以前的遺傳學說體系（見第十六章 ）。在早期的遺傳學者中實際上只有高爾敦重視種群方面的遺傳變異。和育種者及孟德爾主義者不同，他特別注意數量性狀，如身高、膚色等。他發現在某一種群中這些性狀的平均值從總體上來說各個世代都相同。平均而言，最高的男人的子女身高要矮於這些男人及其配偶身高的平均值。也就是說，他們的後代「回歸」到種群平均值。反之，最矮男人的後代則向上回歸到種群平均值。高爾敦的這種推理很迎合常識。他認為每個人從其父親和母親分別接受一半遺傳素質。將這一相同推理運用於祖代，則每個人從其祖父和祖母分別承襲四分之一的遺傳素質，從曾祖父母分別得到八分之一，等等。因此，祖先在遺傳上所作的貢獻每一世代都減少一半。這就是後來所說的高爾敦祖先遺傳定律。
高爾敦對遺傳現象的解釋初一看似乎在連續變異上遠比孟德爾分離定律更圓滿。贊同達爾文漸進進化概念的達爾文主義者如Weldon，Pearson等被迫在不連續遺傳和連續遺傳兩者之間作出抉擇時便支持高爾敦（雖然高爾敦本人卻相信驟變進化；見第十二章）。高爾敦的祖先遺傳學說雖然經過Pearson修正仍然有很多缺點，其中之一是它完全是描述性的，並沒有實際提供任何說明原因的解釋，另一個缺點是它不容任何預測。然而高爾敦最糟糕的錯誤是他在統計上把遺傳型作為一個整體的正確結論搬到個別性狀的遺傳模式上。雖然高爾敦承認顆粒是遺傳現象的物質基礎（見第十六章 ），但在他的推理中卻把這些顆粒當作好像是融合的。從雜合的雙親（它們又是來自雜合的祖代）產生純合隱性按高爾敦定律完全無法解釋從而使這定律（或學說）遭到一致的斷然反對。高爾敦定律對個體和其祖先有可能相似的說法是對的，但不能將之應用於個別遺傳因子。但是充分認識這一點卻需要相當長的時間，只有在高爾敦定律被所有支持者放棄以後孟德爾主義才有希望被普遍接受。
即使Weldon在1906年去世以及Pearson和高爾敦轉到其它研究領域之後，連續變異的遺傳問題仍然有爭議。實際上在英國數學家Yule（1902：234—235）的一篇預見性文章中就曾經提出過連續變異可能是由於多個遺傳因子共同作用引起的，但是這一見解完全沒有被他的同時代人所重視（見下文）。
污染學說
試圖按非孟德爾方式來解釋連續變異花費了更長時間。遺傳學早期最有才華的實驗研究家之一的凱塞爾（W．E．Castle）發現白豚鼠與祖代黑豚鼠雜交後所產生的白豚鼠比從純係白豚鼠所得到的白豚鼠在四肢處（有時也在其它部位）的黑色較深較重。周此他根據這些發現提出了所謂的污染學說，即在減數分裂時雜合子的白色遺傳因子被黑色遺傳因子「污染」（反之亦然），所似其後代顯示輕微程度的中間性狀。這是由一位知名的遺傳學家所提出的最後一個「軟式遺傳」學說。非此即彼二擇一性狀的這種互相影響當然在一定程度上有助於說明連續變異，因而這一學說深受達爾文主義者歡迎。凱塞爾的污染學說引起了他和摩根及其學生、尤其是穆勒之間的一場學術論戰。
在一次決定性的回交試驗中無法證實他在1919年的預測，凱塞爾便放棄了他的污染學說。他的想法是依據早期孟德爾主義者（尤其是貝特森）的單位性狀概念、即每一個性狀由單個特殊的遺傳因子控制。如果性狀改變（如在凱塞爾的雜交試驗中），這必定是由於遺傳因子發生了改變的結果。多因子學說（見下文）指陳幾個基因（如果不是許多基因）可以影響（修飾）一個單獨的性狀，從而使人們放棄了單位性狀學說。
細胞質遺傳學說
凱塞爾的污染學說被否定後還剩下最後一個試圖按非孟德爾方式解釋連續變異的學說。依照這種學說，連續變異是由特殊的「物種物質」（species substance）所引起，這物質可能存在於細胞質中，與不連續的孟德爾式基因無關。
不變的物種物質逐代相傳的觀唸經過相當長的時間才緩慢地被遺傳是由位於染色體上的基因控制的學說所代替。從1880年代到1920年代的許多觀察研究似乎表明這些觀察研究結果能更好地被這樣一種設想來說明、即有一類相當穩定不變的、能擴散的物種特異性遺傳物質，它們可能存在於細胞質中並和染色體的基因共同存在。按照這一設想，染色體是不連續性狀的載體（德弗裡和摩根的突變就是例證）而連續變異以及與物種的「真正實質」有關的變異則由細胞質承載。這種觀點在胚胎學家中很流行。觀察與實驗曾一再表明成熟卵的細胞質具有複雜的組織結構並且似乎是早期發育的主要控制中心。近年來的研究也充分證實了這一點。這一事實和茹（Roux）從均等分裂轉向接性質分裂有關。只是最近才發現細胞質的這種組織結構是卵還在卵巢中形成時由基因控制的。不管怎樣說，自從西斯（His，1874）到1916年Jacques Loeb，許多生物學家對細胞核究竟在早期發育或物種的實質上是否起作用公開表示懷疑。波弗利本人雖然在細胞核防重要作用方面提供了決定性的證據（見第十七章 ），但對這個問題也繼續持保守態度（1903，Roux's Archiv，16）。他認為物種性狀可以區分成能由染色體遺傳加以解釋的，但是將物種分派到高級分類單位的那些性狀的遺傳卻是無法解釋的問題。在1930年代以前許多生物學家將遺傳現象分成由細胞核或細胞質分別控制的兩類。甚至在歐洲大陸的遺傳學家中最正統的達爾文主義者E．Baur也對是否能按解釋物種性狀的同樣方式來說明高級分類單位的性狀提出疑問。這些性狀的變異看來似乎與孟德爾遺傳無關。
細胞質遺傳的支持者擁有某些似乎言之成理的理由。研究高度不等卵裂現象的某些學者（如Conklin及Guyer）特別提到胚胎發生早期卵細胞質的明顯效應。博物學家注意到摩根所研究的那一類突變，如白眼、黃體色、剛毛脫落、殘缺翅等等不僅在普通果蠅（Drosophila melanogaster）中出現，在其它種類的果蠅中也是如此，因而他們聲稱並沒有證據指陳這些區分物種的細微性狀屬於染色體遺傳。絕對染色體遺傳的反對者無法理解這麼多的可遺傳性狀怎麼可能都存在於這樣小的染色體上。Winkler（1924）對支持細胞質遺傳的論點曾作過很好的總結性評述。
特別是植物學家發現了很多現象似乎要求有細胞質遺傳才能加以說明。Wettstein（1926）建議將位於細胞質中的遺傳物質稱為「細胞質基因」（Plasmon）以與細胞核中的「基因（組）」（genom）相區別。有不少植物學家（尤其是德國植物學家）發現了細胞質的遺傳效應，如柯侖斯（紫茉莉及其它屬）、Michaelis（柳葉菜屬）、Schwemmle（月見草）、Oehlker（苣苔屬）、Wettstein（蘚類），等等。在這種背景下Goldschmidt也將他在毒蛾屬中的某些發現用細胞質遺傳來解釋。德國學者之所以強調細胞質顯然是1880年代和1890年代德國遺傳學研究著重發育現象的延續。現在回過頭來看這些細胞質現象的研究未免為時過早、時機還不成熟，因而德國的遺傳學研究雖然有不少學者參與，但它對傳遞遺傳學所作的貢獻還不加貝特森、Cuenot、凱塞爾或摩根學派，他們有意迴避了細胞質遺傳問題。
細胞質對遺傳現象具有廣泛的重要獨立作用的觀點最後以多種不同的方式被否定（Wilson，1925）。首先是從理論角度考慮：
（1）控制細胞核染色物質分裂的極端精確性是細胞質分裂時所無法比擬的。
（2）父本和母本對後代遺傳組成所作的貢獻基本相同，這一點已被正反交雜交試驗證實，雖然在不少物種中雌配子和雄配子的細胞質含量極不相等。波弗利（1889）也非常出色地證明了這一點，他將某個屬的海膽大卵的（除）去（細胞）核斷片用另一個屬海膽精於授精後所形成的胚胎完全顯示父本性狀，而真正的雜種胚胎卻恰好呈現這兩個屬之間的中間性狀。
（3）成熟中的雌配子（卵細胞）的減數分裂只影響染色物質，對細胞質並不產生影響。與此成對照的是，發育中的精子細胞質極少，結果父本與母本的細胞質含量相差懸殊，但父本與母本的遺傳物質卻完全相同。
比這些理論上的考慮更重要的是找到了能說明這類看來是例外現象的解釋。「延遲孟德爾遺傳」（delayed Mendelian inheritance）就是這類例外現象之一。
當有大量的卵細胞質時，發育的第一步往往是由卵細胞質中的一些因子控制的，而這些因子當然是母本個體的產物。例如蝸牛外殼紋理的旋轉方向是右旋（順時針方向）還是左旋（逆時針方向）是在第一次卵裂時由卵細胞質決定的。但是後來證明這旋轉方向實際上是在受精之前由一個基因作用於卵巢卵來控制，而且至少就對這一問題的經典性研究（Boycott and Diver，1923）所採用的試驗材料椎實螺（Limnaea Peregra）來說右旋佔優勢。左旋的母螺被右旋雄螺授精後將產生左旋後代，但是後者繼之又產生右旋後代，這是由於顯性右族父本基因在卵細胞質形成時的影響所致。遺傳學教科書中載有這種延遲孟德爾遺傳現象的許多事例，有時可以延續好幾代，乍一看似乎是細胞質遺傳。
被引用來作為細胞質遺傳證據的第二類現象是植物細胞中的內含物（如葉綠體以及其它的所謂質體與細胞器）都或多或少不依賴細胞核而傳遞它們的特徵。實際上它們之中有一些有它們本身的遺傳物質（DNA），這似乎是和它們的進化起源一道形成的。在某些種類的植物中葉片的花班也是母本遺傳的質體特徵。動物細胞中的細胞器，例如線粒體，同樣也具有本身的DNA。但是這些現象在根本上和遺傳的染色體學說並不矛盾。Sonneborn（1979）所發現的原生動物（纖毛蟲）某些細胞質結構的大量自主性也是如此。
一度被認為是細胞質遺傳證據的第三類現象是某些組織被微生物感染後在配子形成時又傳給配子，Ephrussi（1953）在酵母中發現的「小菌落」（petite colonie）現象，Sonneborn在草履蟲中發現的「卡巴因子」（Pteer et al，1974）、果蠅中的性比因子、家蟻的不育因子等等都屬於這一類現象。
因此起初被看作是表明細胞質遺傳存在的一個又一個現象最終都有了基因-染色體解釋。當細胞質通過電子顯微鏡和相應的化學研究能夠被分解成各個組成部分時才最後澄清了細胞質遺傳的各種可能性。但是這並不意味著細胞質遺傳學現在已到了該結束的時候，細胞質在發育上和在調節基因的活性上都具有重要作用。事實上已有跡象表明細胞質的精細結構比我們現在所知道的具有更大作用。也有可能（如果不是有充分理由相信）這種結構具有物種特異性並和細胞的許多過程有關，Sonneborn的研究確實支持了這種觀點。因此過去認為細胞質在遺傳上很重要的觀點並不是完全錯誤而被廢棄，然而這觀點已被大大修正。
18．2 孟德爾主義對連續變異的解釋
由於對連續變異的非孟德爾主義的解釋一個又一個地被證明都無效後，必然的結論就是連續變異只能按孟德爾的不連續基因來說明。當認識到表現型的某一單個方面可能被位於幾個不同座位的基因控制時這種解釋才成為可能。事實上這早已被孟德爾在解釋他的某些物種雜交試驗（例如矮小菜真與多花菜豆雜交）的結果以及伽登勒的物種雜交時詳細說明過。甚至貝特森也意識到這可能是解決矛盾的辦法：「如果只有很少，例如四或五對等位基因，則各種各樣的納合和雜合的組合按次序排列可能得到一條非常接近連續的曲線，其各個組成部分的純度（即不連續性）將是肯定無疑的，而這些組成部分實際上是不可能察知的」（1906），因為單個性狀（如身長）是受二、三個或多個基因影響。他的結論是，「不連續變異必然在不知不覺中合併到連續變異中去，這是因為所研究的大多數性狀具有復合性質。」然而將連續變異的遺傳按同一個不連續孟德爾因子作為不連續變異來解釋的結論過了很久才被反對孟德爾主義的學者承認。
首先用實驗論證（1908－1911）由連續變異產生的數量性狀能書真正的孟德爾方式遺傳的是瑞典植物育種學家尼爾森-厄爾。在分別具有紅色和白色種子的兩個小麥品種的雜交試驗中他發現在F1和F2中具有紅色種子植株。當F2植株自花受粉後在F3中出現了一種非常特殊的分離現象（詳細情況可參考遺傳學教科書）。他的發現和種子顏色是由獨自遺傳的三個單獨基因控制的假說相符。後來才知道小麥是六倍體，尼爾森一厄爾碰巧選用了它來作為研究材料，因為六倍體含有三組染色體，每組染色體有一個控制紅顏色的基因。後來他還發現了一些非多倍體的例子，即一個單獨性狀由兩個或三個單獨基因控制。East（191o）在研究玉米時，Davenport（1910）在研究人類的皮膚顏色時都分別獨立地對連續變異作出了同樣的解釋。現在已經知道能控制單一性狀的單獨基因的數目可以很多。另外，研究老鼠的遺傳學家認為老鼠皮膚顏色的基因同時對老鼠大小也有影響。
多因子遺傳的突出效應是它能使遺傳型的不連續變異轉變成表現型的連續變異。例如在尼爾森-厄爾所研究的小麥中，紅色顯性基因的數量越多紅色也越深。在小麥種群中不同的個體可以從所有的紅色基因都是純合隱性（因而完全沒有紅色）一直到所有的三個基因都是純合顯性，因而紅色由淺到深呈連續變化。當把非基因性的表現型變異部分重疊於其上時就形成一條平滑的連續變異曲線，儘管這種（連續）變異是由個別的、即不連續的孟德爾因子形成。這樣一來，連續變異的遺傳基礎這個謎最後終於解開。
幾乎任何基因（尤其是具有數量效應的基因）的表達都可以被其它基因修飾（改變）。凱塞爾老鼠試驗中修飾毛色深淺的基因就是典型例子。修飾基因在進化演變中特別重要因為它們容易對自然選擇作出反應而且為種群提供必要的靈活性以便應付環境。的突然變化。多因子（多基因）遺傳的實質是表現型的單個組分（單個性狀）可以被幾個獨立基因（座）控制。多因子遺傳的例子在遺傳學歷史上很早就已發現，始於孟德爾的菜豆雜交試驗。有名的例子是雞的胡桃冠，貝特森和彭乃特（Punnett）於1905年證明胡桃冠的出現是由於豆形冠基因和玫瑰冠基因互相作用的結果；他們在香豌豆中也發現了多基因現象。但是在進化主義者中對接受連續變異的多因子假說卻遇到了相當大的阻力。就他們看來這似乎是一種相當主觀的特殊假說用以掩飾孟德爾學說的缺點。
雖然多因子遺傳現象自1905年以來一再被發現，但我認為應當歸功於摩根學派利用它來否定孟德爾主義早期的一個基因一個性狀（即單位性狀）學說。否定了這個學說才有可能將傳遞遺傳學與生理遺傳學更明確地區分開。它排除了早期孟德爾學說中某些先成論影響從而事實上完全用不著修正就能夠用分子遺傳學的術語（「遺傳程序」）來說明。
多因子遺傳、又稱為多基因遺傳，並不是不相同基因互相作用的唯一例子。事實上基因相互作用的可能種類與程度以及正如目前所瞭解的不同種類的DNA之間的相互作用已經越來越明顯。這種重要性已經被某些早期的孟德爾主義者認識到，尤其是貝特森很重視不同基因之間的「上位」（貝特森的用語）相互作用。舉一個簡單例子，一個白色基因能抑制幾個顏色基因產生色素。蘇聯遺傳學家切特維尼可夫（Chetverikov，1926）首先明確提出所有的基因為其它基因提供遺傳背景或條件。這一觀點在生理遺傳學和進化遺傳學上都很重要。
有一種特殊的基因相互作用就是基因多效性（pleiotropy）：某個基因能影響幾個性狀（即表現型的不同組成部分）的現象。瞭解基因多效性對確定有關基因的選擇值（selective value）特別重要。前面所介紹的一切進展。包括多基因和多效性的發現，使人們對一切遺傳現象都能用細胞核獨立的基因來說明的觀點更加明確。
自此以後遺傳學便著手分析生物統計學派的連續變異並證明它和孟德爾學說是一致的。這最初是由菲雪（Fisher，1918）的獨創性分析開始，隨後Mather（1949）和一些動物育種學家（Lerner，1958）也進行了分析。數量遺傳學自從1940年代以來取得了長足進展（Falconer，1960；Thompson and Thoday，1979；另見第二編）。
軟式遺傳的沒落
20世紀的20到30年代，摩根及其它遺傳學家所說的基因明確表示了硬式遺傳。基因能夠改變的唯一方式是突變，即原來固定不變的基因通過一個單獨步驟轉變成另一個基因。人們可能會以為突變這一事實的證實將宣告軟式遺傳的一切學說的衰亡，然而實際情況並非如此。事實上軟式遺傳卻不易根絕。這有很多原因。其中之一是首先擁護硬式遺傳的早期孟德爾主義者（德弗裡、貝特森、約翰遜）具有不能被接受的進化觀點。他們的反對者錯誤地以為要接受硬式遺傳就必須承認明顯無效的孟德爾主義者的進化學說。另外，遺傳定律是借助於異常（如果不是明顯病態的）性狀（白化現象、多趾現象、結構缺陷等等）的研究而提出的。博物學家認為仍然需要軟式遺傳來解釋進化上很重要的性狀的逐漸變化（來反對孟德爾主義的突變論）和說明適應性地理變異（氣候規律等等）。有利於硬式遺傳的證據越充分，新拉馬克主義者就愈加努力尋求能證明獲得性狀遺傳的證據。
到了1930年代和1940年代支持硬式遺傳的證據積累得越來越多而且非常具有說服力，甚至遺傳學家中最後堅持某種形式非孟德爾遺傳的人或者轉變了態度或者保持緘默。又過了三十年在非遺傳學家中還偶爾會發現堅信軟式遺傳的人（Mayr and Provine，1980），但作為一種有價值的科學學說它已經壽終正寢。
或許可以將軟式遺傳的沒落歸之於三個原因。首先是探尋軟式遺傳存在的實驗證據的一切努力皆告失敗（見上）。其次是對基因的一切研究都表明基因是完全穩定不變的（除偶爾發生突變而外）。最後是看來需要用軟式遺傳來說明的一切現象、如連續變異及氣候規律，最終都能按孟德爾遺傳因子（基因）和自然選擇加以解釋。雖然在當時已不再需要它，但是軟式遺傳的喪鐘卻是分子遺傳學家在1950年代論證了從核酸到蛋白質是單向途徑之後才敲響的。
遺傳學在重新發現孟德爾學說之後的50年間取得了飛速發展。在這段時間內傳遞遺傳學幾乎各個方面的問題都得到解決。我在這裡將1950年左右的發現作一簡單總結以便有助於跟蹤隨後的遺傳學進展。
（1）遺傳物質是微粒性（顆粒性）的，由稱為基因的單位組成，它們具有長期穩定性（「硬式遺傳」）。
（2）特定的性狀是位於染色體的一定座位（位點）上的定子（基因）的產物。
（3）基因是按一定線性順序「連鎖」在染色體上，但是這種連鎖可以通過交換將之切斷；染色體上基因座位相距愈遠，交換頻率愈高（除被雙交換所逆轉或回復外）。
（4）在有性繁殖物種的個體中，每個基因通常表示二倍，兩個同源單位之一來自父本，另一個來自母本（稱為二倍性原理）。
（5）突變是基因的不連續變化。
（6）必須嚴格分辨遺傳型（遺傳物質）與表現型。
（7）幾個基因可能表現一個單獨「性狀」，即表現型的組成部分（多基因性），一個單獨基因可能影響幾個性狀（多效性）。
基因本質的不確定性
到了1920年前後孟德爾遺傳的基本要點已經大致瞭解清楚，遺傳學開始專門化。種群遺傳學在1920年代興起，特別在30年代到50年代取得長足進展（見第十三章 ）。生理學家和胚胎學家也開始認識到他們所研究的現象最終必然會追溯到基因，從而對基因功能的研究便成為遺傳學的一門更加重要的分支。但在傳遞遺傳學中仍然有不少還未充分瞭解的問題，例如：基因的本質是什麼？基因有多少「形態」？它是哪一類的分子或分子集團？基因有多大？不同的基因在化學上有哪些差異？是不是所有的基因都基本相同，或者有不同種類的基因？關於遺傳物質真正本質的許多類似問題還沒有得到解答，不少學派的注意力都集中在這些問題上試圖求得答案。
敘述1920到1960年的傳遞遺傳學歷史非常困難，因為在這一段時間內所研究的問題（如花斑）技術性很強而且其中有些問題直到現在還沒有弄清楚。實際上這些問題只有等到能說明真核生物染色體的結構與功能之後才能得到解答。在這一時期中為了闡明基因的實質曾作了極大努力，但在1953年發現了DNA分子的結構時這些努力就顯得無足輕重或文不對題。這段時期在建立新概念上也沒有取得重要進展。實際上當時提出的大多數新概念、例如基因粒（genomere）假說以及Goldschmidt的基因場論（field theoryof the sene），至少按其原來提出的形式都必須拋棄。這段時期還缺乏根據分子遺傳學研究成果能調合當時的發現與爭議的具有批判性的歷史史籍。例如穆勒和史塔德勒（L．J．Stadler）在解釋他們的輻射實驗結果時往往得出不同的結論。他們的某些發現之間表面上的矛盾能不能按照染色體精微結構以及構成□和調節基因的現代知識加以解決？歷史性分析還有大量工作要做，下面我的闡述只是嘗試性的，可能還必須作相當大的修正。
為了有助於瞭解1920－1960年這四十年中的爭論和疑問，我在這裡首先極其簡略地介紹一下經典的基因-染色體學說。染色體好比是一串小珠，每個小珠代表不同的基因。每個基因被認為是單個顆粒，世代相傳永不改變（除了極為罕見的突變而外），與相鄰基因各自獨立，對之也不產生影響（除少有的位置效應而外）。據認為基因具有三種能力：（1）每個基因控制（或影響）一個性狀（基因作為功能單位），（2）每個基因獨立突變，與其它基因無關（基因是突變單位），（3）每個基因通過交換過程能夠與染色體上的最近鄰分離（基因被看成是重組單位）。突變被認為是基因分子發生細微變化，產生新等位基因。認為交換純粹是珠串的機械性斷裂，然後又將同源染色體相應的「珠串片段」重新熔接（融合）。
基因獨立於其鄰近基因的概念以及基因在染色體上的位置純粹是偶然機遇的觀點似乎得到摩根學派研究發現的大力支持。在果蠅染色體上鄰近的基因往往控制完全無關的性狀，而且影響單一性狀（例如眼睛）的基因往往廣泛地分佈在所有染色體上。基因之間距離很近的情況普遍認為只不過是原先染色體斷裂的歷史產物。有多少染色體就有多少連鎖群的這一事實也和這學說相符。
另外，如果基因是明確的顆粒，那麼借助於各種技術手段就應該可以計算出它們的大致大小從而能估計細胞核染色絲上所能容納的基因數目。穆勒是（有人會說「當然是」）首先（1922）進行這種計算的學者，他後來（1929）又將之加以修訂。他根據許多指標（包括突變頻率和交換的某些數據）計算出普通果蠅的基因總數在1400—1800之間。後來其它學者採用輻射方法單就X染色體計算就含有1300－1800個基因，因而果蠅的所有染色體共含有14000個以上的基因。
細胞學研究似乎也支持染色體是一串小珠的觀點，甚至可以對小珠進行計數。細胞核物質在減數分裂的細線期確實往往呈現成串小珠形狀，這些小珠被細胞學家稱為染色粒。某些細胞學家認為每個染色粒就是不同的基因。Belling（1931）在百合屬（Lilium）細胞核中曾數出2500對左右的染色粒。其它細胞學家證明某些染色粒含有幾個基因。
細胞學中曾經轟動一時的進展似乎也證實了這一染色粒學說。1933年Heitz和Baner重新發現了果蠅唾液腺中的巨型帶狀（橫紋）染色體，Painter與Koltsov認為這些帶相當於這多線染色體（Polytene chromosomes）中的一系列染色粒，帶的順序相當於基因順序。布裡奇斯（Bridges，1938）在普通果蠅唾液腺的X柒色體上至低限度數出了1024條帶並認為有相同數目的基因。通過測定染色體的容積就可以估計基因的大小。然而這類估計的數值往往相差一、二個數量級，後來對微生物基因的研究表明基因沒有固定的大小；同一個體不同基因的大小可能相差一、二個數量級。
唾液腺染色體的發現在遺傳學的其它問題上遠比測定基因數目和大小更為重要。唾液腺染色體的顯微鏡下檢查往往直接就可以確定遺傳型而用不著經過複雜細緻的繁殖或培育檢驗。它也可以顯示由遺傳分析所推論的染色體突變（重排）是否存在。現在很容易研究雙翅目昆蟲的倒位、缺失、重複、易位等現象。同時，帶型的複雜性為真核生物染色體的複雜性以及染色物質的異質性第一次提供了可靠的證據。
位置效應
起初所有的遺傳事實似乎都和基因及染色體的成串小珠模型相符，然而後來卻發現了不一致和相矛盾的現象。
第一個嚴重矛盾是由於斯特體范特（1925）發現了位置效應而產生的。普通果蠅X染色體上有一個叫作「棒眼」的顯性基因，它能使果蠅眼睛變為狹窄的棒形而不是圓形。這基因能突變成更加狹窄（超棒眼）或回復呈圓形。進一步分析顯示這一情況有兩個值得注意的方面。首先是棒眼表現型並不是單純由於基因突變而是由於染色體的結構發生了變化。正常果蠅唾液腺染色體在這個座位段上有六條帶（S），但在棒眼果蠅中這六條帶發生重複（SS）即十二條帶，超棒眼果蠅在同一段是三重複（SSS）即十八條帶。由棒眼突變產生的正常圓眼果蠅只有六條帶。這種結構變化只能用不均等交換來解釋，斯特體施特對突變了的基因在棒眼座位兩側的行為研究論證了這種不均等交換。對果蠅的其它基因和其它生物的詳細分析最後表明不均等交換絕非罕見，換句話說重組的單位並不一定是基因。這是基因具有三重能力學說的第一個缺口。
或許更值得注意的是棒眼基因的第二個方面。在同一個染色體上的兩個棒眼基因彼此相鄰時和這兩個基因在兩個同源染色體上彼此相對時它們對果蠅眼中的小眼（複眼）的數目的影響並不相同，斯特體范特將之稱為位置效應。因此棒眼基因的情況證明基因的功能以及它對生物表現型的影響可以僅僅由於遺傳物質在染色體上的排列變動而發生變化，用不著突變，也用不著改變遺傳物質的含量。
擬等位基因
傳統的基因概念由於擬等位基因現象的發現而更趨複雜。摩根學派在其早期的發現中特別使他們感到奇怪的是相鄰的基因一般似乎在功能上彼此無關，各行其是。影響眼睛顏色、翅脈形成、剛毛形成、體免等等的基因都可能彼此相鄰而處。具有非常相似效應的「基因」一般都僅僅不過是單個基因的等位基因。如果基因是交換單位，那就絕不會發生等位基因之間的重組現象。事實上摩根的學生在早期（1913；1916）試圖在白眼基因座位發現等位基因的交換之所以都告失敗，後來才知道主要是由於試驗樣品少。然而自從斯特體范特（1925）提出棒眼基因重複的不均等交換學說以及布裡奇斯（1936）根據唾液腺染色體所提供的證據支持這學說之尼，試圖再一次在彷彿是等位基因之間進行重組的時機已經成熟。Oliver（1940）首先取得成功，在普通果蠅的菱形基因座位上發現了等位基因不均等交換的證據。兩個不同等位基因（Izg／Izp）被標誌基因拚合在一起的雜合子以0．2％左右的頻率回復到野生型。標誌基因的重組證明發生了「等位基因」之間的交換。
非常靠近的基因之間的交換只能在極其大量的試驗樣品中才能觀察到，由於它們的正常行為好像是等位基因，因此稱為擬等位基因（Lewis，967）。它們不僅在功能上和真正的等位基因很相似，而且在轉位（transposition）後能產生突變體表現型。它們不僅存在於果蠅中，而且在玉米中也已發現，特別在某些微生物中發現的頻率相當高。分子遺傳學對這個問題曾有很多解釋，然而由於目前對真核生物的基因調節還知之不多，所以還無法充分瞭解。
位置效應的發現產生了深刻影響。杜布贊斯基在一篇評論性文章中曾對此作出下面的結論；「一個染色體不單是基因的機械性聚合體，而且是更高結構層次的單位……染色體的性質由作為其結構單位的基因的性質來決定；然而染色體是一個合諧的系統，它不僅反映了生物的歷史，它本身也是這歷史的一個決定因素」（Dobzhaansky，1936：382）。
有些人並不滿足於這種對基因的「串珠概念」的溫和修正。自從孟德爾主義興起之初就有一些生物學家（例如Riddle和Chiid）援引了看來是足夠份量的證據反對基因的顆粒學說。位置效應正好對他們有利。Goldschmidt（1938；1955）這時變成了他們的最雄辯的代言人。他提出一個「現代的基因學說」（1955：186）來代替（基因的）顆粒學說。按照他的這一新學說並沒有定位的基因而只有「在染色體的一定片段上的一定分子模式，這模式的任何變化（最廣義的位置效應）就改變了染色體組成部分的作用從而表現為突變體。」染色體作為一個整體是一個分子「場」，習慣上所謂的基因是這個場的分立的或甚至是重疊的區域；突變是染色體場的重新組合。這種場論和遺傳學的大量事實相矛盾因而未被承認，但是像Goldschmidt這樣一位經驗豐富的知名遺傳學家竟然如此嚴肅地提出這個理論這件事實就表明基因學說還是多麼不鞏固。從193o年代到1950年代所發表的許多理論性文章也反映了這一點（Demerec，1938，1955；Muller，1945；Stadler，1954）。
不穩定基因
在最早的一些遺傳研究中，德弗裡於1892年發現金魚草（Antirrhinum mains）的一個具有紅色條紋花的變種的後代出現各式各樣的花斑，從小斑點到寬窄不一的條紋直到大的紅色扇面。不同的花或同一植株不同分枝上的花在花班的形式上可能各不相同。自從這最初的發現後在許多植物和動物中都發現了這樣的不穩定基因並提出過種種解釋，例如顯性轉移、出現「基因粒」（senomeres）或高度複雜的基因的亞基因等等。這一觀點由於其極端或絕對的顆粒性和基因場論可以說是正好針鋒相對。按照基因粒學說，某些（全部？）基因被認為是由有絲分裂時非均等分配的不同微粒組成（魏斯曼的幽靈！）。柯侖斯、E．G，Anderson、Eyster、Demerec都曾一度支持基因粒假說，但到了19世紀30年代初期由於反面證據日益增多他們便放棄了這一假說（Dererec，1967；Carlson，1966）。Deme6ec最後將這種不穩定性歸因於「基因的化學不穩定性」，當然這什麼也沒有解釋只不過是把這一令人惱火的現象從生物學家的領域轉移到化學家方面而已。
經過一段沉寂後，不穩定基因又受到重視，它們的行為被認為是基因或染色體相互作用的結果。我在這裡指的是麥克林托克（McClintock，1951）的工作，她指出將一個結構上不穩定的染色體g引入到玉米的某些基因型中能使染色體g上的許多基因發生「突變」並使其它染色體變成不穩定的隱性型。這顯然涉及這些基因表達的可逆性抑制。雖然這一「不正常」的發現（當時有人就是這樣指出）的真正重要意義直到12年後在微生物遺傳學中重新被發現之後才被普遍承認，這明確表明在一個基因座位上的「突變」能夠被一個不同基因座位上的調節活動加以模擬。換句話說，基因的表現型表達可能被其它基因改變，而該基因本身卻仍然保持完全不變。現在還不清楚這種由於上位的基因相互作用（epistatic gene interactions）所引起的「假突變」（pseudomutations）是否經常發生。在過去50年中很多學者花了大量時間與精力研究不穩定基因，認為這種不穩定性的闡明將會對瞭解基因的實質作出重要貢獻。可惜的是後來發現這種現象並不是由於單個基因的某些性質所引起而是由於整個基因系統運行（相互作用）的結果。
從1930年代到1950年代這期間遺傳學者盡了最大的努力積極從事基因本質的研究，在這同一時期也有相當大的挫折。顯微鏡比單純的遺傳分析並不能提供更清晰的基因畫面。這甚至對巨型唾液腺染色體來說也是如此，顯微鏡所顯示的是各式各樣令人茫然無所措的帶（橫紋），這些帶和根據推論位於或鄰近這些帶上的基因的任何功能並非密切相關。由於不能直接觀察到基因，所以只能憑推論來瞭解它們。實際上唯有通過研究基因經由突變所發生的變化取得有關基因的知識。
儘管由突變（特別是微生物中）引起的基因產物在化學方面的變化的研究（由Beadle和Tatum的出色研究為先導）取得了迅速進展，但是由於這些研究有意識地限於研究由基因作用所產生的□類，所以對瞭解基因本身的結構並無多大幫助。
實驗性突變與基因的實質
到了192O年就開始顯露單靠雜交試驗已不可能對基因的實質有更多的瞭解。必須通過其它的辦法以求得完全新的知識。在1944年以前生物化學和生物物理學在概念方面還都不成熟，在實驗技術的熟練程度上生物化學也無法解決基因問題。在這種情況下有些學者考慮到通過實驗方法引起突變可能是認識基因實質的一種途徑。穆勒首先發覺某些學者在研究突變（哪怕是實驗性突變）上的隨意方式決不可能得到明確結果。因此他認為為了取得明確結論必須滿足某些必需條件，特別是：（1）試驗材料在遺傳上的純度，（2）實驗組和對照組的樣品個體數目必須多以便從統計學上檢驗實驗結果的顯著度，（3）研究開發新方法，特別是特殊構成的株系或品系（具有合式的致死因子、標誌或標記因子、交換抑制因子）以便檢驗不同的基因結構假說。這類特殊的果蠅原種（Stocks）——在遺傳學教科書中都有介紹——使穆勒能夠計算新發生的突變的實際頻率。這一點特別重要因為很多突變是隱性的，很難確定隱性突變體初次出現的時間。另外，也有許多突變在純合情況下、也就是當它們發生在兩個同源染色體上時是致死的。純合致死的當然不會在後代中出現。在穆勒的方法中有三個步驟特別重要：在染色體上安放一個標誌基因以便準確無誤地進行鑒定；在染色體上佈置一套交換抑制機制；標誌染色體與另一適於顯示突變體變化的染色體配對。當穆勒完成了這些準備工作後便將他的果蠅用不同劑量的X射線照射。
他採用雌果蠅的一個原種與X染色體上有致死突變的雄果蠅交配，結果是在F2代中的雄蠅全部死亡。因此，照射後的雄蠅中如果有一個在F2代中只產生雌性子代果蠅，這就表明在這個雄果蠅的K染色體上誘發了致死突變。
當一個正常的未經照射處理的雄果蠅和這原種雌果蠅交配，大致在一千次交配中只有一次在F2代中全是雌蠅。這就表明在正常X染色體的任何一個座位上自發出現致死突變的機會是千分之一（0．1％）。這就是突變的自然或自發速率。當雄蠅用大約4000倫琴單位的X線照射後，大約在100D次交配中F2代中的雌繩只有100個左右，因此經X射線處理的果蠅的突變速率約比其自然突變速度高100倍。幾乎與穆勒同時，植物遺傳學家史塔德勒（L．J．Stadler，1896－1954）在大麥和玉米（1928）中也進行了人工突變的研究。
穆勒的發現，特別是他創導的一套卓越方法開拓了一個完全新的研究領域。它將突變研究置於定量的基礎上（例如突變速率和X射線劑量之間的關係）。「突變研究的整個領域都由穆勒的觀點和實驗所支配。他提供了概念結構，提出了決定性的問題、制訂了出色的實驗技術，並且在各個階段將日益增多的實驗數據的解釋導向一個縝密完備的學說。他所提出的許多觀點和意見在當時還沒有辦法驗證，但後來證明都是正確的」（Auerbach，1967）。
後來終於證明不僅是輻射而且很多化學藥物也有致突變作用。芥子氣就是第一批致突變物質之一。英國外科醫生Robson銳敏地發現芥子氣灼傷和由x射線引起的灼燒非常相似，因此他向遺傳學家Auerbach建議是否可用芥子氣引起突變，她通過試驗確實證明了Robson在1941年所預料的芥子氣致突變效應。Rapoport在蘇聯也獨立發現了甲醛的致突變作用。自從1940年代開始很多化合物的誘變性（誘發突變）都被確認（Auerbach，1976）。每一種誘變劑都能引起範圍很廣的突變，並不是只對特定的基因具有特殊作用。但是由化學誘變劑引起的某些突變頻率往往和由輻射引起的不同。另一個特別值得注意的發現是某些（許多？）誘變劑同時又是致癌物。這一發現促使有人建議採用一種迅速篩選可能致癌化學物質的方法：將細菌暴露於化學物質的影響下檢查突變速率的增加情況。
然而更重要的是穆勒認為人工誘發突變將對基因的實質和結構提供說明。如果基因是具有一定大小的顆粒，則用電離輻射（電子或短波射線）轟擊時將擊中這些顆粒，所造成的損害就表現為突變。這就是突變的「擊中學說」（hit theory）或靶理論，物理學家K．G．Zimmer和遺傳學家德爾布呂克以及蘇聯遺傳學家Timofeeff—Ressovsky在1935年聯名發表的一篇經典性文章中曾對之作了詳盡的闡述。
然而靶理論並沒有得到前後一致的結果（Carlson，1966：158—165），因而對基因並沒有作出更好的解釋。另外還發現即使對培養基質進行輻射也能提高突變速率，而且很多化學物質（如芥子氣，酚等等）和輻射一樣也能誘發突變。凡能干擾基因複製正常過程的任何事物都能引起突變。這就使得某些學者採納「基因複製的任何失誤」作為突變的定義（近年來的研究表明這定義並不能適用於一切突變）。
然而輻射技術也遇到了更根本的困難。被輻射的並不是孤立的基因而是染色體，即基因和基因包埋於其中的基質。基因和染色體基質兩者都容易受到x射線損害，因而對照射後已經發生突變的表現型進行研究很難分清所涉及的究竟是基因突變還是基質（染色體）突變。細胞學研究往往發現染色體上有輕微（往往十分小）的缺陷從而可以明確地看作是染色體突變。X射線突變研究的兩位最著名的學者穆勒（對果蠅）和史塔德勒（對玉米）對由X射線處理所產生的真正基因突變的頻率持有不同意見。史塔德勒只承認新的突變體經照射後能回復到照射前的性狀才算是產生了突變。這種情況至少就玉米來說是極其罕見的。在其它一切情況下史塔德勒對產生不穩定基因以及染色體損傷都持懷疑態度。正像他在他的最後一篇文章（1954）中所說的，「一個突變體可能符合基因突變的各種檢驗的要求，但是如果它不能回復突變，就有理由懷疑它可能是由於基因喪失（染色體缺失）、可是，如果它能夠回復突變，就還有理由懷疑它可能是由於表達效應（不穩定基因）。」並不是每一個人（穆勒尤其不是）對輻射效應都抱有同樣的悲觀態度。然而，即使從最好的方面著想，由輻射實驗所能汲取的信息也有嚴格限制。
在這段時期中有兩件事實是確鑿無疑的：第一件是（和起初的印像相反）具有相同功能的基因在染色體上有時是非常相近的（基因綜合體；Lewis；1967）。第二件是基因一定具有結構上的複雜性（「形態學」），只有這樣才能在功能、突變、重組上具有部分獨立性。這種複雜性必須是在高分子水平。對遺傳學家來說越來越明顯他們面對著一堵牆，用他們的遺傳學-細胞學的裝備是無法跨越的。
在輻射實驗中的另一項觀察令人感到困惑難解。在輻射後突變速率測定得越早，速率越高。這看來似乎受了損傷的染色體具有「癒合」或「修復」能力（至少是部分的）或恢復那被擊落掉的片段的能力。後來的研究揭示的確有某種正規的修復機制能修復損傷了的基因和染色體（Hanawalt et al，1978 Generosoet al，1980）。因此所觀察到突變可以看作是修復基因的失誤。
儘管從1920年代到1940年代由於突變研究工作者的獻身精神與大量工作取得了不少成績，但對我們瞭解基因的實質卻並無多大幫助。正如最積極從事這一研究的遺傳學者之一的Demerec（1967）在回顧中所講的，「在遺傳學誕生後的頭半個世紀中，我們的基因結構概念始終保持在多少是停滯靜止的狀態。」只是在採用了新方法和不同的實驗材料後才有了實質性的進展。
真核生物染色體是如此之複雜甚至到了今天對其組織結構以及基因在這些染色體中是怎樣整合集成的仍然知之甚少（ColdSpring Harbor Symposia，1978）。現在已經很清楚在頭半個世紀中要通過真核生物的染色體瞭解基因是絕對不可能的。一直到將分析研究的對象從老鼠、果蠅、玉米等這樣一些真核生物轉向細菌（大腸桿菌）和病毒等原核生物之後，局面才有了轉變並取得長足進展。因為原核生物沒有染色體，它們的遺傳物質的組織結構遠較簡單，可以不受染色體基質的干擾直接瞭解DNA。
從研究真核生物染色體中所得到的最重要知識都是否定性的。不均等交換表明功能性基因並不一定是重組單位。突變分析（尤其是在微生物中）已經證明在單個功能性基因中可能有幾個不同的突變座位。位置效應（順式與反式差別）表明基因不一定是功能單位。原來認為基因同時是重組單位、突變單位和功能單位的樸素觀點必須放棄。由於這些矛盾，Benzer（1957）提出了一種過激的建議，主張乾脆不用「基因」這個詞而代之以三個不同的詞：「突變子」（muton），作為突變單位，「重組子」（recon），作為重組單位（按交換地點確定），「順反子」（cistron）、作為基因功能單位（按位置效應的順式反式差別）。在這三個詞中，順反子最接近傳統的基因概念，因為在一般情況下基因的特徵是由其效應決定的。但是「基因」這個詞最終仍然按Benzer為順反子下的定義被普遍採用，而「突變子」和「重組子」這兩個詞則一直未流行。
不同的基因概念
從1900年到1950年代遺傳學家們究竟持有哪些基因概念很難確定。即使我們只著眼於承認顆粒性基因、不考慮相信基因場論和能擴散的連續性遺傳物質的學者，情況也是這樣。由於還沒有任何一位歷史學家作過分析，我將試圖在這裡提供一點初步的說明。因為有一些著名的遺傳學家在其一生之中幾度改變他們的觀點，所以事情就更加複雜化。我在這裡介紹的關於基因的四種觀．點決不排除還可能有其它的看法。
可能最古老的觀點是將基因本身看作是生物的結構物質。達爾文的微芽學說可能接近這一觀點。德弗裡（1889）對這學說多少作了一些修正，他認為泛子從細胞的細胞核移向細胞質，而細胞就是生物有機體所含有的組織和器官的結構物質。這一觀點有時還默認基因由蛋白質組成。
廣泛流行的是第二種觀點，即認為基因是□（或像□一樣起作用），作為體內化學過程的催化劑。這一觀點在主要原則方面可以追溯到Haberlandt（1887）和魏斯曼（1892）。因為後來證明□是蛋白質，所以這將意味著基因也是蛋白質（Fruton，1972）。染色物質是由核蛋白（如果不是完全由核酸組成）構成這一發現對□學派的這一觀點並沒有產生什麼影響。
當核酸的重要性開始被人們認識時，基因被看成是能量傳遞的一種手段。在Avery及其同事論證了DNA是轉化因素三年以後，穆勒於1947年提出了核酸的化學功能可能是為基因反應提供能量的觀點：「核酸以聚合形式可能將能量導向基因結構的特殊複雜模式中或使基因作用於細胞。」就基因的作用而言，穆勒認為「如果基因的主要產物不像……基因本身……那麼基因必然作為□來生產它們」（1973；另見Carlson，1972）。然而穆勒又認為「斷言基因或它的主要產物的確是，或通常是像□那樣起作用還為時過早。」穆勒還提起基因可能「產生和它本身相同的或其一部分的組成相同（或互補）的更多分子，」這些基因產物「實際上將會在它們即將參與的反應中被消耗掉。」穆勒提出的這兩種看法都偏重代謝方面。
最後一種觀點是把基因看作是特殊信息的傳遞者。這一觀點以模糊助形式早就四處流傳。一般都會認為在1953年以前某些學者必定會談到它。然而我有意識地查閱文獻資料卻沒有發現這一類的假說。除了其它概念因素而外還需要承認遺傳型和表現型是完全分開的。自從發現了DNA的結構及其在合成蛋白質中的作用（轉錄和轉譯）之後，基因作為信息單位的概念當然已經成為現代的標準概念。
在上述的四種基因概念中，各自都就基因的化學組成及其功能作出了某些設想。然而在大約1950年以前，基因的化學在確定基因實質上是特別重要的這一點並沒有被人們充分認識。
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