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这样，摩尔根的研究随时都要保留成千上万的果蝇，其中大多饲养在摩尔根从学校食堂“借”来的半品脱玻璃奶罐里。新羽化出的一代用乙醚麻醉，然后把它们分散开，用手柄放大镜或简易显微镜观察、计数。如果还要用来杂交，则放回牛奶罐里让其复苏，再喂一点发酵香蕉；如果不再需要，则立即处死。每项研究都得数上成千上万的果蝇。在果蝇实验的高峰期，人们在哥伦比亚大学旁边的地铁车站常可看见成群的学生提着装有果蝇的牛奶罐。他们把果蝇带回家去，在厨房的餐桌上继续计数。有个学生的孩子，当有人问到他爸爸靠什么谋生时，他很得意地回答：“我爹给哥伦比亚大学数苍蝇！”
这些杂交实验，首先要求看得出变态，这是困难之一；困难之二是要在几千只果蝇中准确统计多少是变态，多少是常态。但最重要的是头脑得非常非常灵，能从观察到的结果推论出其中无法看到的内在机制。我们可以打个比方，好像摩尔根和他的学生们在绞尽脑汁想要摸索出打桥牌的规则和各人手中藏着的是些什么牌，但他们只能观察别人如何打牌，只能谨慎地出牌，却始终看不见牌正面的值。他们的杂交实验也是同样的道理，通过把基因在果蝇之间传过来递过去，观察和推论出遗传学的“规则”。
摩尔根深信限性基因同携带有性别因子的染色体之间有一定联系。他后来有了更多的证据来支持这一观点。但他在第一篇论文里留了一手，不愿公诸于世——这就是小翅突变的发现。这个突变的遗传方式与白眼一样，也就是说，它是个伴性性状。于是，摩尔根到此为止已经有了3个与性别因子处于同一染色体上的因子：白眼、硃砂眼、小翅。但不久之后，摩尔根发现几十个突变性状的分离可以归纳为3组，他作出正确的估计：这3组性状（基因）与果蝇的3对大染色体是对应的。
1914年有一段时间大家有些担心，因为只发现了3个连锁群，而果蝇的染色体可以明显观察到至少4对。的确，4号染色体很小，但摩尔根预言，一定还有个第四连锁群存在。果然，他的一个学生H·J·马勒不久发现了弯翅突变，这是4号染色体上第一个基因。后来发现的与弯翅一道分离的基因只有很少几个。所以，每个连锁群的基因数同它们所属的染色体对的长度是成比例的。
关于小翅的材料，摩尔根之所以决定暂不发表，其原因可能是他当时不能解释这样一个事实：一方面，小翅和白眼都是限性性状，或者叫做伴性性状，这是因为它们的基因都在性别因子即性染色体上；另一方面，在染色体配对时，这两个性状有时候又互不相干。换句话说，有些果蝇，它们的母本在同一条染色体上带有白眼和小翅基因，但它们不仅生出了白眼小翅的雄蝇，而且还生出一些白眼正常翅或正常眼小翅的后代。所以，实际上这两个性状虽然都被认为是由伴性基因决定的，但它们的遗传却表现出一定程度的独立性。
后来，摩尔根想出了一种解释来说明这两个限性基因没有连锁在一起分离的原因：也许它们虽然同在X染色体上，但彼此没有紧靠在一起。如果这两条调染色体像其他几对染色体一样在减数分裂时交换它们的基因，染色体上相隔较远的更有可能交换，对于紧靠在一起的两个基因，它们互换的可能性则不大。
染色体之间交换基因的过程叫“互换”，两个因子保持在一起的倾向叫“连锁”。这两个术语都是摩尔根创造的。如果把这一过程与玩纸牌相比，其中的道理就更容易理解了。基因是特定的独立的单位，好像是一张张纸牌，玩的时候，不会互相融合。在减数分裂期间，每对染色体靠在一起，父本的染色体和母本的染色体就好像两叠纸牌，“洗”过一遍即发生基因互换。一叠牌中两张牌靠得越近，经过一次洗牌把它们分开的可能性就越小。事实上，洗一次牌，把原来紧邻的两张牌分开的概率只有2％，而98％的机会是仍挨在一起。
摩尔根称之为“互换”的这样一种染色体间的物质交换，一些学者早已提出过这一可能性，他们是萨顿、威尔逊、洛克、唐卡斯特，但摩尔根同他的学生A·H·斯特蒂文特从遗传学的角度提出了证明，而且他们进一步提出了一种独到的见解：基因之间的距离（仅几百万分之一英寸）以及它们的排列顺序可以根据遗传学上的杂交实验结果推算出来。也就是说，分离时表现出的独立性越大，那么就可以设想基因在同一条染色体上相距越远。当然，分离时两个基因完全不相干就意味着它们处于不同的染色体上，要不然就是虽在同一染色体上但相距太远。斯特蒂文特这样写道：
“1911年下半年……我突然想到，连锁紧密程度的差异
（摩尔根当时已经指出是由于基因空间分布的不同造成的）也
许可以用来测量染色体上呈直线分布的基因的顺序。我回到
家里，顾不上做我大学课程的作业，花了大半夜时间画出了第
一张染色体图，其中包括伴性基因y（黄体色）、w（白眼）、v
（硃砂眼）、m（小翅）和r（残翅）。这张图上的基因顺序和后来的
标准染色体图一样，它们的相对距离也和标准图大体一致。“
摩尔根和他的研究小组着手测量（或者应该说是根据基因互换的频率来推算）所有的突变基因相互间的距离。他们搞得非常精确，画出的染色体图（指的是基因在染色体上的排列图）经过半个世纪后仍然基本保持原样。英国遗传学家J·B·S·霍尔丹曾建议把这种度量单位定名为“摩尔根”。例如，斯特蒂文特发现黄体基因距白眼基因1·5厘摩ff‘ta，白眼基因距二叉脉基因5·4厘摩尔根。二叉脉基因同黄体基因的距离是6·9厘摩尔根，可见它们位于白眼基因的两侧。1911年9月10日出版的《科学》杂志上发表了由摩尔根一人署名的理论性文章，阐述有关连锁问题的初步研究结果。一般人认为这是最早的关于果蝇遗传研究的最重要的两篇论文之一。摩尔根在文中写道：
“孟德尔遗传定律是建立在单位性状遗传因子随机分离的假设之上的。孟德尔式遗传所特有的两个或两个以上性状的典型分离比例（如9：3：3：1等）正是基于这样的假设。最近几年出现了一些新情况，当涉及到两个或两个以上性状时，出现的分离比例与孟德尔的随机分离假说不符。最明显的例子是符尺蠖和果蝇以及几种家禽的限性遗传，必须承认在其中雌性因子同另一个因子之间发生了相引，而豌豆的杂交中，如果涉及到花粉的颜色和形状，情况也是如此……
根据果蝇的眼色、体色、翅突变和雌性因子的遗传的实验结果，我斗胆提出一个比较简单的解释。假如代表这些因子的物质包含在染色体中，假如‘相引’的因子距离相近，且呈线性排列，那么，当来自双亲的成对（杂合）染色体接合时，类似的区段的位置将互相对应。现在已有确实证据支持这样一种观点：在绞线期，同源染色体互相纠缠在一起，但正如詹森斯指出的，当染色体再次分开，即裂开时，这一过程发生在单一的平面上。结果，最初的物质因为彼此靠近最后会留在同一侧，对面一侧的情形也是如此。于是我们就发现某些性状有相引现象，而另一些性状却很少甚至根本不会出现相引。出现与否取决于染色体上代表这些因子的物质的直线距离的远近。这样一种解释将可以说明我迄今观察到的许多现象。我想，它也可说明人们迄今描述过的其他例子。这些实验结果只不过是由于染色体上的物质所处位置和同源染色体联合方式的力学结果，而产生的分离比例只不过是用数字表现出了染色体上诸因子的相对位置。我们没有发现孟德尔所说的随机分离，恰好相反，我们发现染色体上位置相近的因子的联合。这种实验结果的机制如何，将由细胞学研究提供答案。“（摘自《孟德尔式遗传中的随机分离与相引》，载《科学》杂志第34卷，第384页。）
摩尔根是个讨厌空谈理论的人，但这篇为他赢得声誉的文章却多少是纯理论的；他一生致力于定量的实验方法，但这篇文章却出人意料地没举出任何数据。（过了一年摩尔根才发表了有关资料；又过一年，到1913年，斯特蒂文特发表了他的染色体图的原稿。）但这篇论文写得天衣无缝，使一切批评意见都望而却步，人们甚至原谅了他没有说明所引述的詹森斯的文章的出处这一疏忽。这类疏忽大意的事，在摩尔根一生中屡见不鲜，但多半是由于他什么事都不拘小节，而不是有意贬低他人。
既然细胞学与遗传学的结合早已是既成事实，所以现在很难体会到在当时这两门学科的发展有多大距离。在另一些国家，如英格兰，遗传学的研究完全没有细胞学的参与。1921年英国遗传学家贝特森承认，“这里（指美国）细胞学研究是很平常的事，人人都知道，我希望我们英国也能做到这样。”两支队伍的结合发生在哥伦比亚大学，这也毫不奇怪，因为摩尔根的办公室就在威尔逊的办公室隔壁——一个搞遗传学，一个搞细胞学；同时也因为摩尔根的一些学生（如佩恩）一面搞摩尔根分配的果蝇课题，一面又为威尔逊分析昆虫的染色体。佩恩曾在1908年和1909年偶然证明了7种昆虫的性别是由染色体决定的。
摩尔根隔壁房间里有这么一位世界第一流的细胞学家，对他热情友好，积极支持，这使他能听到世界上最有价值的有关细胞学问题的见解。威尔逊写了一本题为《细胞发育与遗传》的巨著，对当时世界上关于发育和细胞学的研究进行了全面总结，叙述了细胞学的最新进展，其中包括他本人做出的重大贡献。这本书于1896年、1900年和1925年多次修订再版。它提供了详尽的参考资料，直到今天仍不失为一本好书。1956年重印时，马勒为之作序，加了补充说明。
1913年，当摩尔根对于染色体实验的意义感到确有把握以后，他立即写了一本书，书名是《性别与遗传》。1915年，摩尔根同前五年一直跟随他搞研究的三位学生斯特蒂文特、布里奇斯和马勒合作完成了他最享盛名的著作——《孟德尔遗传之机制》。这本专著对果蝇研究作了全面总结，被柯特·斯特恩誉为新遗传学的基础教材。它第一次尝试把遗传学中一切问题都与染色体行为挂上钩。现在，该书中的材料被人们毫无保留地接受，成为现代遗传学之基石，所以很难恰当估计它代表着人类认识史上该是多大的飞跃。该书确认了孟德尔定律的正确，同时也肯定了确实存在例外情况。这些全都可以用“遗传因子”（也就是“基因”）加以解释。遗传因子是客观存在的物质，是人们可以看到的染色体的一部分，它们在染色体上呈线形排列，遗传学研究中观察到的遗传因子的行为与染色体的行为完全一致。基因是成对的，染色体也是成对的，每对中只有一个传给后代。基因分为若干连锁群，连锁群的数目与染色体数相同，连锁群内基因的多少与染色体的大小相一致。
这本书对遗传学上的问题的论证与评价准确度极高，可称得上有胆有识，因为当时对果蝇染色体的行为还知之不多。1910年至1920年间，对染色体行为的预测全是根据遗传学研究的材料，因为，当时通过透镜只能模模糊糊看到果蝇为染色体。例如，摩尔根到1914年还以为果蝇有5对染色体（见《大众科学月刊》，1914年1月号）。当时是靠与其它生物进行类比而推论出果蝇染色体行为的。
《孟德尔遗传之机制》一书得到文明世界绝大部分学者的承认。在美国，各种荣誉接踵而来。霍普金斯大学授予摩尔根荣誉法学博士学位，他以后写的书一直使用这一头衔；肯塔基大学授予他荣誉哲学博士学位；后来他又得到另外几个荣誉学位。他当上了美国科学院院士，过后又当上了科学院院长。他还是伦敦英国皇家学会的国外会员，1924年获达尔文奖章，1939年获科普利奖章。由于他获得了这么多奖章、奖状，所以他以后能轻易从洛克菲勒基金会或卡内基学会等组织争取到经费。
果蝇研究的成果确立了他“20世纪的孟德尔”的地位，吸引了世界各地的科学家，他们纷纷前来顶礼膜拜这位科学界的造物主。他们在哥伦比亚大学谢默霍恩大楼613号的蝇室里看到他们曾猜疑、希望或担心的景象，这确实是科学上的奇迹，同时也了解到这位学生们称之为“老板”的人物的不平凡的见解。
第六章 果蝇实验室
假如你们问我怎么会有这些