一九零三年,摩爾根被聘任為哥倫比亞大學實驗動物學教授,開始進化和遺傳方面的研究工作,他對孟德爾豌豆實驗得出遺傳因子分離定律、自由組合定律将信将疑,想通過動物實驗進行證實。
因為之前摩爾根從事胚胎學研究,對老鼠比較熟悉,實驗前幾年,他和學生使用家鼠和野鼠雜交進行實驗研究,可能是老鼠繁殖周期太長,繁殖效率太低,實驗進行幾年沒有取得進展。
一九零八年,摩爾根開始使用果蠅作為實驗材料。
果蠅飼養容易,一點點香蕉漿就可以當它們一天的口糧;果蠅繁殖力強,條件适宜的情況下,一天時間卵即可孵化出幼蟲,兩三天變成蛹,再過五天變為成蟲,一年可以繁殖三十代以上;果蠅體形小,一隻牛奶瓶就可以飼養幾十隻。
想要研究遺傳,必須讓實驗動物有可以區分的特征,這些特征隻能通過變異獲得,經過兩年漫長的實驗,摩爾根終于獲得一隻變異的白眼雄果蠅,以前的培育出的果蠅都是紅眼,白眼是第一次出現。
摩爾根激動萬分,将這隻寶貝果蠅放在單獨的瓶子中飼養。每天晚上,摩爾根帶着這隻果蠅回家,睡覺時将實驗瓶放在身邊,白天又帶着它去上班,生怕它出現意外情況。
在他的精心照料下,原本虛弱的白眼果蠅終于在與一隻紅眼雌性果蠅交配後才壽終正寝,将突變的基因留給了下一代果蠅,留給了苦心栽培它的摩爾根。
這隻白眼雄果蠅的後代,十天後長大為果蠅成蟲,全部都是紅眼。
根據孟德爾的遺傳理論推斷,紅眼是顯性基因,白眼是隐性基因,隻有隻有染色體上對應的兩個基因都是白眼基因,果蠅才會顯現出白眼特征。
他用這些變異白眼雄果蠅基因的後代互相交配,産生第二代雜交果蠅。焦急地等待了十天,摩爾根得到了第二代雜交果蠅,其中有三千四百七十個紅眼果蠅,七百八十二個白眼果蠅,大緻符合四分之一的比例,證實了孟德爾的遺傳定律。
後來,他讓一隻白眼雌果蠅與一隻正常的雄果蠅交配,卻在其後代中得到雄果蠅全部是白眼,而雌果蠅中卻沒有白眼,全部雌性都長有正常的紅眼睛。
由此摩爾根提出一種假說,果蠅眼睛的顔色基因與性别決定的基因是結合在一起的,即在X染色體上,或者就是兩種基因有某種連鎖效應,假如一條帶有白眼基因的X染色體,又有一條有白眼基因的Y染色體,即發育為白眼雄果蠅。
後續他們又觀察到果蠅多次變異特征,進行遺傳學實驗,都表現出相同的規律。
根據一系列的實驗結論,一九一一年,摩爾根提出了“染色體遺傳理論”。
摩爾根發現,代表生物遺傳秘密的基因的确存在于生殖細胞的染色體上,并且,基因在每條染色體上是直線排列的。到一九二五年的時候,摩爾根已經發現果蠅有四對染色體,并鑒定出約一百個不同的基因。
染色體可以自由組合,而排在一條染色體上的基因是不能自由組合的。摩爾根把這種特點稱為基因的“連鎖”。
他在長期的試驗中發現,由于同源染色體的斷離與結合,而産生了基因的自由組合。不過這種基因交換的情況很少,隻占百分之一。
基因的連鎖和互換是生物界的普遍現象,也是造成生物多樣性的重要原因之一。
基因的連鎖和交換定律,是摩爾根發現的遺傳第三定律。
這條定律是摩爾根在遺傳學領域的一大貢獻,與孟德爾提出的基因分離定律、自由組合定律一道,被稱為遺傳學三大定律。
摩爾根由此創立了着名的基因學說,揭示了基因是組成染色體的遺傳單位,它能控制遺傳性狀的發育,也是突變、重組、交換的基本單位。繼孟德爾的豌豆實驗後,摩爾根的果蠅實驗,将生物遺傳學研究又向前推進了一大步。
一九二八年,六十二歲的摩爾根受聘擔任加州理工學院生物學部主任,将在哥倫比亞大學工作時的同事布裡奇斯、斯圖蒂文特和杜布贊斯基等人再次組織在一起,重建了一個遺傳學研究中心,繼續從事遺傳學及發育,分化問題的研究。
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