遗传的染色体学说

孟德尔在19世纪中叶通过著名的豌豆杂交实验，提出了“遗传因子”（即今天所说的基因）的概念，从而揭示了性状遗传的规律性。他发现，每个性状都由成对的遗传因子控制，并且这些因子在形成配子时会分离，使得后代表现出不同的遗传性状。尽管这些研究奠定了遗传学的基础，但当时孟德尔并不了解这些“遗传因子”究竟是什么物质，它们在细胞中位于何处，也不知道遗传因子的传递有着怎样的细胞学机制。

进入19世纪末至20世纪初，随着生物学与细胞学技术的进步，科学家们可以借助显微镜直观地观察到细胞的内部结构及其变化。尤其是在细胞分裂和生殖细胞形成（如减数分裂）过程中，染色体的移动和数量变化表现出极为规律的特征。研究者注意到，有性生殖时，染色体的数量会减半配子形成，受精时又恢复为成对，这与孟德尔遗传因子的分离和组合规律非常吻合。

这些观察产生了一个重要的科学问题：孟德尔所说的“遗传因子”与显微镜下可见的染色体之间，是否存在某种物质和功能上的联系？科学家们发现，染色体在配子形成和受精过程中严格遵循特定的分离与组合规律，而这些规律与孟德尔的遗传因子的行为几乎一一对应，引起了极大的科学兴趣。于是，越来越多的细胞学家和遗传学家开始集中探索基因与染色体之间的关系，试图用最新的细胞学知识揭示遗传本质，为遗传学的发展提供细胞和分子层面的解释。

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萨顿的假说

美国遗传学家萨顿在1903年通过对蝗虫精子形成过程的仔细观察，提出了一个大胆的假说：基因位于染色体上。萨顿的这一假说并非凭空想象，而是建立在对孟德尔遗传因子行为与染色体行为的深入比较基础之上的。

遗传因子与染色体行为的平行关系

萨顿通过比较分析，发现遗传因子的行为与染色体的行为在多个方面表现出惊人的一致性。下表展示了这种平行关系：

这种平行关系为“基因位于染色体上”的推论提供了有力的间接证据。萨顿推测，既然遗传因子和染色体的行为如此相似，那么遗传因子很可能就位于染色体上，作为染色体的一部分随着染色体的活动而传递。

但是，科学理论需要实验证据的支持。萨顿的假说虽然合理，但仍需要直接的实验证据来证实。这一证据的获得要归功于美国遗传学家摩尔根及其团队对果蝇的研究。

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摩尔根的果蝇实验

摩尔根选择果蝇作为实验材料并非偶然。果蝇具有许多作为遗传学研究材料的优点：

正是这些优势使得果蝇成为20世纪遗传学研究中最重要的模式生物之一。摩尔根在哥伦比亚大学建立了著名的“果蝇实验室”，培养了一大批杰出的遗传学家。

白眼果蝇的发现与杂交实验

1910年，摩尔根在实验室培养的红眼果蝇中偶然发现了一只白眼雄果蝇。这是一个自然突变产生的个体。敏锐的摩尔根意识到这可能是研究遗传机制的绝佳机会，于是他设计了一系列杂交实验。

摩尔根首先让这只白眼雄果蝇与红眼雌果蝇交配，观察后代的表现。实验结果显示，F₁代全部表现为红眼，这符合孟德尔的分离定律——红眼是显性性状，白眼是隐性性状。

接下来，摩尔根让F₁代的红眼果蝇相互交配，获得F₂代。如果白眼性状的遗传完全符合孟德尔定律，预期F₂代应该出现3红眼：1白眼的比例。但实验结果却出现了一个令人困惑的现象：F₂代中红眼和白眼的比例接近3：1，但所有的白眼果蝇都是雄性，没有一只白眼雌果蝇。

这一奇特的现象引起了摩尔根的深思。为什么白眼性状只出现在雄性果蝇中？这与孟德尔定律不完全一致，必定有某种特殊的机制在起作用。

伴性遗传的解释

摩尔根结合当时细胞学的研究成果，提出了一个创新性的解释。他注意到果蝇的染色体组成存在性别差异：雌果蝇的体细胞中有4对染色体，其中3对在雌雄果蝇中形态相同，称为常染色体；另外一对染色体在雌雄果蝇中不同，雌果蝇的这对染色体形态相同，称为XX染色体，而雄果蝇的这对染色体一条为X染色体，另一条较小的为Y染色体。

摩尔根大胆假设：控制果蝇眼色的基因位于X染色体上，而Y染色体上没有相应的等位基因。这样就可以完美解释实验结果了。

我们用符号来表示这一遗传过程。设红眼基因为R（显性），白眼基因为r（隐性），基因位于X染色体上，用上标表示：

亲本杂交：
白眼雄果蝇（X^r^Y）× 红眼雌果蝇（X^R^X^R^）
↓
F₁代：全部为红眼
雌性：X^R^X^r^（红眼）
雄性：X^R^Y（红眼）

F₁自交：
红眼雌果蝇（X^R^X^r^）× 红眼雄果蝇（X^R^Y）
↓
F₂代：
X^R^X^R^（红眼雌）：X^R^X^r^（红眼雌）：X^R^Y（红眼雄）：X^r^Y（白眼雄）
= 1 : 1 : 1 : 1

这个解释完全符合实验观察到的现象：F₂代中红眼与白眼的比例为3：1，且白眼果蝇全部是雄性。这一实验结果为“基因位于染色体上”的假说提供了有力的证据。

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基因与染色体的关系

基因在染色体上的线性排列

随着研究的深入，科学家们进一步认识到，基因不仅位于染色体上，而且在染色体上呈线性排列。一条染色体上不只有一个基因，而是有许多基因按照一定的顺序排列。这就像珍珠串在一根线上一样，每个基因在染色体上都有自己固定的位置，这个位置称为基因座位，简称基因座。

实验证据表明，同一条染色体上的基因往往会连锁遗传，即它们倾向于一起传递给后代，而不是按照自由组合定律独立分配。这种现象被称为基因连锁。基因连锁的发现进一步证实了基因在染色体上的物质性存在。

染色体是基因的主要载体

通过大量研究，科学家们确立了基因与染色体关系的几个重要认识：

需要注意的是，我们说染色体是基因的“主要”载体，是因为细胞中还有其他结构也含有少量DNA，如线粒体和叶绿体中也有DNA分子存在，这些DNA也携带着一些遗传信息。但绝大多数遗传信息都储存在细胞核的染色体上。

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性染色体与常染色体

染色体的分类

在生物体的体细胞中，染色体可以分为两大类：性染色体和常染色体。这种分类是基于染色体与性别决定的关系。

性染色体是指与性别决定直接相关的一对染色体。在大多数动物中，雌性个体的性染色体组成为XX，雄性个体的性染色体组成为XY。X染色体和Y染色体在形态、大小和所携带的基因上都有明显差异。X染色体较大，携带的基因较多；Y染色体较小，携带的基因较少。

常染色体是指除性染色体以外的其他染色体。常染色体在雌雄个体中的数目和形态完全相同，不参与性别的决定，但携带着控制生物体大量性状的基因。

人类的染色体组成

以人类为例，人体的体细胞中有46条染色体，可以分为23对。其中22对为常染色体，在男性和女性中完全相同；1对为性染色体，女性为XX，男性为XY。这种染色体组成可以用核型表示：

从配子形成的角度看，女性产生的卵细胞都含有一条X染色体，而男性产生的精子有两种类型：一半含X染色体，一半含Y染色体。受精时，如果含X染色体的精子与卵细胞结合，受精卵的染色体组成为XX，发育成女性；如果含Y染色体的精子与卵细胞结合，受精卵的染色体组成为XY，发育成男性。因此，从遗传学角度讲，人类的性别主要由男性的精子类型决定，理论上男女比例应该是1：1。

性别决定的类型

不同生物的性别决定方式并不完全相同。除了XY型性别决定外，还存在其他类型：

在ZW型性别决定中，雄性个体具有两条相同的性染色体（ZZ），雌性个体具有两条不同的性染色体（ZW）。这与XY型正好相反。我国古代劳动人民在长期养蚕实践中就已经发现，用不同品种的雌蚕和雄蚕杂交，后代的性别比例会有差异，这实际上反映了蚕的性别遗传规律。

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伴性遗传

伴性遗传的概念与特点

伴性遗传是指位于性染色体上的基因所控制的性状的遗传。由于性染色体与性别相关联，所以这类性状的遗传往往与性别相关联，表现出与常染色体上基因遗传不同的特点。

在人类中，X染色体上携带着许多与性别无直接关系但却表现出伴性遗传特征的基因。这些基因控制的性状在遗传时表现出一些特殊规律。Y染色体上的基因很少，主要与男性性征的发育有关。因此，我们通常所说的伴性遗传主要是指X染色体上的基因控制的性状的遗传。

人类红绿色盲的遗传

红绿色盲是人类常见的一种伴性遗传病。色盲患者不能正常区分红色和绿色，给生活和工作带来不便。控制正常色觉的基因是显性基因，用B表示；控制色盲的基因是隐性基因，用b表示。这对等位基因位于X染色体上，Y染色体的相应位置上没有这对基因。

人类色觉的基因型和表现型关系如下表：

从这个表可以看出，女性要表现为色盲，必须具有两个色盲基因（X^b^X^b^），而男性只需要一个色盲基因（X^b^Y）就会表现为色盲。这就解释了为什么色盲患者中男性远多于女性。

根据中国的相关统计数据，在我国人口中，男性色盲患者的比例约为7%，而女性色盲患者的比例仅约为0.5%。如果用b表示色盲基因的频率，那么男性色盲的概率为b，女性色盲的概率为b²。由于b是一个小于1的数，所以b²会远小于b，这就是男性色盲患者远多于女性的数学原因。

色盲的遗传规律分析

我们通过几种常见的婚配方式来分析色盲的遗传规律：

情况一：正常男性与携带者女性婚配

这种婚配方式的特点是：女儿全部正常，儿子中有一半可能是色盲。携带者女性虽然自己色觉正常，但却可能将色盲基因传给儿子，使儿子表现为色盲。

情况二：色盲男性与正常女性婚配

如果正常女性不携带色盲基因（X^B^X^B^），与色盲男性（X^b^Y）婚配：

子代中，女儿的基因型都是X^B^X^b^，色觉正常但都是携带者；儿子的基因型都是X^B^Y，色觉正常。这种情况下，子代全部正常，但所有女儿都是携带者，可能在下一代中再次出现色盲。

这种遗传方式被形象地称为“交叉遗传”或“隔代遗传”：色盲男性的色盲基因通过携带者女儿传递给外孙。

血友病的遗传

血友病也是一种常见的伴性遗传病。血友病患者的血液凝固功能异常，轻微的外伤就可能导致出血不止，严重影响健康和生命安全。人类的血友病主要有两种类型：血友病A和血友病B，分别由X染色体上不同位置的基因突变引起。

血友病的遗传规律与色盲相似，都是X染色体上的隐性遗传。历史上著名的例子是英国维多利亚女王家族的血友病遗传。维多利亚女王本人是血友病基因的携带者，她将这一致病基因传给了多个子女，又通过联姻传播到欧洲多个王室，造成了多位王室成员患上血友病，对欧洲历史产生了深远影响。

我国对血友病也高度重视。根据统计，我国血友病的发病率约为万分之一，患者主要是男性。通过婚前检查、遗传咨询和产前诊断等手段，可以有效减少血友病患儿的出生。

抗维生素D佝偻病

并非所有的伴性遗传病都是隐性遗传。抗维生素D佝偻病就是一种X染色体显性遗传病。这种疾病的患者即使补充大量维生素D，也无法有效吸收钙和磷，导致骨骼发育不良。

由于致病基因是显性的，只要有一个致病基因就会发病。因此，这种疾病的遗传规律与X染色体隐性遗传病不同：

抗维生素D佝偻病的发现丰富了我们对伴性遗传的认识，使我们了解到伴性遗传不仅有隐性遗传，也有显性遗传。

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伴性遗传在实践中的应用

遗传病的预测与诊断

理解伴性遗传的规律对于预测和诊断遗传病具有重要的实际意义。通过家族系谱分析，可以判断某种遗传病是否为伴性遗传，进而预测后代的患病风险。

例如，如果一个家族中出现以下特征，就可以初步判断可能是X染色体隐性遗传病：患者主要是男性；患者的母亲表型正常但其兄弟或外祖父可能是患者；患者的姐妹有可能是致病基因的携带者。

遗传咨询与优生优育

在我国，遗传咨询已经成为婚前保健和产前保健的重要内容。遗传咨询可以帮助人们了解某种遗传病在家族中的传递规律，评估生育子女的遗传风险，做出明智的生育决策。

对于伴性遗传病，遗传咨询的主要内容包括：

禁止近亲结婚的遗传学依据

我国《婚姻法》明确禁止直系血亲和三代以内的旁系血亲结婚。这一规定有充分的遗传学依据。近亲结婚会大大增加后代患隐性遗传病的概率，包括隐性伴性遗传病。

以色盲为例，如果一个携带色盲基因的女性与一个正常男性（可能是她的表兄弟，也携带色盲基因的概率较高）结婚，他们的子女患色盲的概率会显著增加。研究表明，近亲结婚所生子女的遗传病发病率是非近亲结婚的数十倍甚至上百倍。

产前诊断技术

现代医学已经发展出多种产前诊断技术，可以在胎儿出生前诊断某些遗传病。对于伴性遗传病，常用的产前诊断方法包括：

羊膜腔穿刺术：在妊娠16-20周时，通过穿刺抽取少量羊水，获取胎儿脱落的细胞，进行染色体核型分析或基因检测，可以确定胎儿的性别和是否携带某种致病基因。

绒毛活检术：在妊娠8-12周时，通过取胎盘的绒毛组织进行基因分析，诊断时间更早。

无创产前基因检测：通过检测孕妇外周血中的胎儿游离DNA，可以进行某些遗传病的筛查，具有无创、安全的优点。

这些技术的应用使得对伴性遗传病的预防成为可能，为优生优育提供了科学手段。在我国，产前诊断已经纳入孕期保健的常规项目，对于有遗传病家族史的家庭，更应该重视产前诊断。

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小结

我们学习了遗传学发展史上的一个重要里程碑——遗传的染色体学说。从萨顿提出"基因位于染色体上"的假说，到摩尔根通过果蝇实验证实这一假说，科学家们将孟德尔的遗传学理论与细胞学观察完美地结合起来，揭示了遗传的物质基础。

通过学习，我们理解了基因与染色体的关系：基因位于染色体上，在染色体上呈线性排列，染色体是基因的主要载体。我们还学习了性染色体与常染色体的区别，理解了性别决定的遗传机制。

伴性遗传是本章的重点内容。通过对人类色盲、血友病等伴性遗传病的分析，我们掌握了伴性遗传的规律和特点。这些知识不仅具有理论价值，更有重要的实践意义，对于遗传咨询、优生优育和遗传病的预防都具有指导作用。

遗传的染色体学说的建立，标志着遗传学从纯粹的表型分析进入到与细胞学相结合的新阶段，为后来分子遗传学的发展奠定了基础。在接下来的学习中，我们将进一步探索基因的分子本质，深入理解遗传信息的传递和表达机制。

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本节练习

第一题：下列关于萨顿假说的叙述，正确的是（　　）

A. 萨顿通过果蝇杂交实验直接证明了基因在染色体上

B. 萨顿发现遗传因子的行为与染色体的行为完全平行

C. 萨顿的假说认为每条染色体上只有一个基因

D. 萨顿的假说缺乏实验证据支持，纯粹是理论推测

第二题：摩尔根的果蝇杂交实验中，白眼雄果蝇与红眼雌果蝇（纯合）杂交，F₁全为红眼，F₁自交得到F₂。下列关于F₂的预期结果，正确的是（　　）

A. 红眼：白眼=3：1，白眼全为雌性

B. 红眼：白眼=3：1，白眼全为雄性

C. 红眼：白眼=1：1，雌雄比例相同

D. 红眼雌：红眼雄：白眼雌：白眼雄=2：1：1：0

第三题：人类的红绿色盲基因位于X染色体上，为隐性基因。一对色觉正常的夫妇，生了一个色盲儿子和一个色觉正常的女儿。请回答：

（1）这对夫妇的基因型分别是什么？

（2）他们再生一个孩子，这个孩子是色盲的概率是多少？

（3）如果他们的色觉正常的女儿长大后与一个色觉正常的男性结婚，他们生育色盲孩子的概率是多少？

第四题：关于性染色体和伴性遗传，下列说法错误的是（　　）

A. 人类的性别是由性染色体决定的，男性产生两种类型的精子

B. 位于Y染色体上的基因都与性别决定有关

C. 伴性遗传的性状在男性和女性中的发病率往往不同

D. X染色体上的基因也可以控制与性别无直接关系的性状

第五题：分析题：下图是某家族血友病的系谱图（深色表示患者）。已知血友病是X染色体隐性遗传病。请回答：

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    I        ○————□
              1   2
           __|___|__
          |    |    |
    II   □   ○    ■
          3   4    5
              |
           ___|___
          |       |
   III   □       ○
          6       7

（1）写出以下个体的基因型（用X^H^、X^h^、Y表示）：I-2、II-4、II-5

（2）如果II-4与一个血友病男性结婚，他们生育一个血友病孩子的概率是多少？

（3）从优生学角度，应该建议II-4生育男孩还是女孩？为什么？

第六题：近亲结婚会增加后代患遗传病的风险。某地区人群中，色盲基因的频率为5%。如果一个携带色盲基因的女性分别与以下两种男性结婚：（1）随机的非近亲男性；（2）她的表兄弟（假设也携带色盲基因的概率为25%）。试比较两种情况下生育色盲儿子的概率。