果蠅

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果蠅(vinegar fly/pomace fly)  

目錄

基本信息

果蠅生活史

果蠅科(Drosophilidae)果蠅屬(Drosophila)昆蟲。約1,000種。廣泛用作遺傳和演化的室內外研究材料,尤其是黃果蠅(D. melanogaster)易於培育。其生活史短,在室溫下不到兩周。

關於果蠅的遺傳資料收集得比任何動物都多。用果蠅的染色體,尤其是成熟幼蟲唾腺中最大的染色體,研究遺傳特性和基因作用的基礎。對果蠅在自然界的生物學了解得還不夠。有些種生活以腐爛水果上。有些種則在真菌或肉質的花中生活。  

外觀特徵

黃果蠅(Drosophila melanogaster)

體型較小,身長3~4mm。近似種鑒定困難,主要特徵是具有碩大的紅色複眼。

雌性體長2.5毫米, 雄性較之還要小。雄性有深色後肢,可以此來與雌性作區別。  

分布範圍

果蠅類昆蟲與人類一樣分布於全世界,並且在人類的居室內過冬。由於體型小,很容易穿過砂窗,因此居家環境內也很常見。  

生活環境

有些種生活以腐爛水果上。有些種則在真菌或肉質的花中生活。

在垃圾筒邊或久置的水果上,只要發現許多紅眼的小蠅,即是果蠅;果蠅類幼蟲習慣孳生於垃圾堆或腐果上。  

黑腹果蠅

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黑腹果蠅在1830年首次被描述。而它第一次被用作試驗研究對象則要到1901年,試驗者是動物學家和遺傳學家威廉.恩斯特.卡斯特。他通過對果蠅的種系研究,設法了解多代近親繁殖的結果和取自其中某一代進行雜交所出現的現象。1910年,湯瑪斯.亨特.摩爾根開始在實驗室內培育果蠅並對它進行系統的研究。之後,很多遺傳學家就開始用果蠅作研究,並且取得了很多遺傳學方面的知識,包括這種蠅類基因組裡的基因在染色體上的分布。

雌蠅可以一次產下400個0.5毫米大小的卵,它們有絨毛膜和一層卵黃膜包被。其發育速度受環境溫度影響。在25℃環境下,22小時後幼蟲就會破殼而出, 並且立刻覓食。因為母體會將它們放在腐爛的水果上或其他發酵的有機物上,所以它們的首要食物來源是使水果腐爛的微生物,如酵母細菌,其次是含糖的水果。幼蟲24小時後就會第一次蛻皮,並且不斷生長,以到達第二幼體發育期。經過三個幼蟲發育階段和四天的蛹期,在25℃下過一天,就會發育為成蟲。  

科學研究

轉基因果蠅

轉基因果蠅出世:可用雷射照射遙控

遙控不再是電子產品的專利,科學家新培育出一種轉基因果蠅,可以用雷射照射來遙控它們的行為,讓懶散的果蠅活動起來,開始爬行、跳躍或飛走。

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有關論文發表在最新一期的《細胞》雜誌上。雖然遙控這種果蠅還不能像開遙控汽車那樣方便,但有關方法對研究動物的神經和行為有著重要意義。

以前,科學家在研究動物行為的神經基礎時,一般用電極刺激神經等方法。但這些方法是侵入性的,可能妨礙動物的行動甚至使其癱瘓,而且電極也不可能接觸到整個神經系統里的每個神經元

美國耶魯大學醫學院的神經生物學家將一個來自大鼠的基因植入果蠅體內,這個基因編碼一種離子通道蛋白質。在環境中存在生物能量分子ATP的情況下,該離子通道允許帶電粒子通過細胞膜,從而傳遞電脈衝。

果蠅染色體

隨後,研究者給果蠅注射因為被另一種分子包裹而處於不活動狀態的ATP分子。用紫外線雷射照射果蠅,能使ATP分子從束縛中解放出來,啟動離子通道,使果蠅的神經受到電信號刺激。

實驗顯示,如果該離子通道蛋白質在控制果蠅爬行的多巴胺能神經元中表達,本來懶散的果蠅在雷射照射下會變得過度活躍。如果離子通道表達在控制果蠅逃跑反應的大神經中,則雷射可使果蠅跳來跳去、抖動翅膀並飛走。

研究者說,這一技術可用於研究生物的許多其他行為,例如求偶、交配和進食等

果蠅分為白眼和紅眼,白眼屬於基因突變的結果,是位於X染色體的隱性遺傳,因為它只有4對染色體,便於實驗觀察,常用於研究伴性遺傳。美國生物學家摩爾根曾利用這一性狀研究基因的連鎖與互換定律。

但需注意,果蠅能回交,其生長周期短,但是摩爾根做過回交實驗。  

果蠅與摩爾根

——遺傳定律的春天

摩爾根在遺傳學實驗中主要是以果蠅為實驗材料,他的重要發現都是從果蠅身上取得的。有人說:上帝為了摩爾根才創造了果蠅。

可愛的小果蠅

果蠅是小型蠅類動物,體長只有幾個毫米。,上於它喜歡在腐爛水果上飛舞,所以人稱果蠅。實際上它喜歡的是腐爛水果發酵產生出的酒,所以酒發酵池前也會招引來很多果蠅,古希臘人稱果蠅為「嗜酒者」。

作為實驗動物,果蠅有很多優點。首先是飼養容易,用一隻牛奶瓶,放一些搗爛的香蕉,就可以飼養數百甚至上千隻果蠅。第二是繁殖快,在25℃左右溫度下十幾天就繁殖一代,一隻雌果蠅一代能繁殖數百隻。孟德爾以豌豆為實驗材料,一年才種植一代。摩爾根最初以小鼠和鴿子為實驗動物研究遺傳學,效果也不理想。後來經人介紹,摩爾根於1908年開始飼養果蠅。果蠅只有四對染色體,數量少而且形狀有明顯差別;果蠅性狀變異很多,比如眼睛的顏色、翅膀的形狀等性狀都有多種變異,這些特點對遺傳學研究也有很大好處。對於這些有利的特點,摩爾根也不是一下子都認識清楚了的,而是後來在研究工作中逐漸體會到的。

由於摩爾根的實驗室中飼養了很多果蠅,研究人員整天在侍候果蠅、觀察研究果蠅,所以人稱他領導的實驗窒為「蠅室」。在摩爾根的領導之下,這個「蠅室」成了全世界的遺傳學研究中心。他們的研究成果為全世界遺傳學界所注目,他們寫出的論文和著作是全世界遺傳學家的必讀書和重要參考文獻。這個「蠅室」還培養出了許多著名遺傳學家。

以前蘇聯的李森科為代表的一些人,曾大肆攻擊摩爾根學派以果蠅為主要研究對象是毫無實際意義,是不關心國計民生。事實已經證明這種攻擊是站不住腳的。從果蠅身上發現的遺傳規律,對其它動植物、對人類也同樣適用。理論上有了重要發展,在實踐上也必將有重要意義。 

發現伴性遺傳

摩爾根的實驗室起初是用果蠅研究後天獲得性狀能否遺傳的問題。他把果蠅在黑暗環境中連續培養很多代,按照拉馬克的用進廢退、後天獲得性狀可以遺傳的理論,其視力應該逐漸退化。但是結果不是這樣,摩爾根認為這個實驗白費功夫了。

摩爾根用果蠅做出了重要的遺傳學發現,是從一隻白眼果蠅開始的,他由這隻白眼果蠅發現了伴性遺傳。野生的果蠅眼睛都是紅色,但是在1910年時摩爾根發現了一隻白眼雄果蠅。按照基因學說,這是發生了基因突變。用這隻白眼雄蠅與普通的紅眼雌蠅交配,子一代的果蠅都是紅眼。按孟德爾學說解釋,紅眼是顯性性狀,白眼是隱性性狀。子一代的果蠅交配產生出了子二代,結果雌果蠅全是紅眼,雄果蠅一半是紅眼、一半是白眼。如果不論雌雄,紅眼果蠅與白眼果蠅的比例是3:1,符合孟德爾定律。可是為什麼白眼都出現在雄果蠅身上呢?

摩爾根也做了回交試驗,讓子一代的紅眼雌蠅與最初發現的那隻白眼雄蠅交配,結果生出的果蠅無論雌雄都是紅眼白眼各佔一半,這也符合孟德爾定律。

摩爾根根據這些實驗結果進行了深入思考,他提出了一種假設:決定果蠅眼睛顏色的基因存在於性染色體中的X染色體上雄果蠅的一對性染色體由X染色體和Y染色體組成,Y染色體很小,其上基因很少,所以只要其x染色體上有白眼基因,白眼性狀就表現出來。雌果蠅的性染色體是一對x染色體,因為白眼是隱性性狀,只有其一對X染色體上都有白眼基因才會表現為白眼性狀。根據這種假設,就可以圓滿解釋上述實驗結果。

白眼基因存在於性染色體上,它的遺傳規律與性別有關,這就叫:「伴性遺傳」。

色盲的遺傳、血友病的遺傳,也是伴性遺傳。色盲患者多是男性,女性很少,男性色盲患者的子女一般不色盲,可是其外孫中又出現色盲。對這種現象人們過去一直迷惑不解,伴性遺傳概念的提出使人明白了其中的奧妙。 

發現連鎖與交換定律

各種生物染色體的數量是不多的,例如果蠅是4對染色體,豌豆是7對,玉米是10對,人也只有23對。但是,每種生物基因的數量要比其染色體數量多得多。既然基因是存在於染色體上,那麼每條染色體上肯定不只有一個基因,而是有許多個。好多人都從理論上做出了這種推測,但是拿不出實驗證據,他們根本無法確定某種生物的哪個基因是存在於它的哪一條染色體上。自然科學講究實證,沒有證據時理論是不能得到承認的,至多算是一種合理的假設。

第一個拿出這種證據的是摩爾根,證據來自對果蠅的研究。

在證明白眼突變基因是存在於果蠅的x染色體上之後,摩爾根又發現了殘翅突變、硃色眼突變、黃身突變等也是伴性遺傳,表明它們的基因也是存在於x染色體上。

孟德爾定律說,在形成配子時成對的基因互相分離,自由組合。根據細胞學研究結果,形成配子時是成對的染色體互相分離,自由組合,所以,只有不在同;條染色體上的基因才可以自由組合,而位於同一染色體上的基因則會連在一起遺傳,這就是基因連鎖。這種認識也是先從理論上推測出來,然後實驗證實。

通過適當地選擇交配對象,摩爾根得到了同時具有兩種伴性遺傳突變的果蠅,如白眼黃身果蠅。他讓這種果蠅與普通的野生果蠅或具有不同伴性遺傳突變的果蠅交配,果然發現了基因連鎖。例如白眼黃身果蠅與野生的紅眼灰身果蠅交配,後代中白眼黃身者或紅眼灰身者佔99%,而沒有表現為連鎖遺傳的即白身灰身者或紅眼黃身者,只佔1%。

然而連鎖並不是百分之百,而且不同基因之間的連鎖程度有高有低。摩爾根因此提出,不同染色體之間在形成配子時會發生基因交換,這是由於染色體之間可能發生物質交換而引起的。

摩爾根又進一步想到,同一條染色體上的兩個基因,相距越遠則發生交換的可能性越大,因此,根據交換率的高低可以判斷出基因之間的相對位置。綜合大量實驗結果、摩爾根繪出了果蠅4對染色體的基因圖:把每條染色體上的所有基因排成一條直線,交換率越小的擺的位置愈近。在根本無法直接看到基因的情況下,摩爾根競然繪出了這樣的基因圖,人們不得不佩服他的實驗工作和邏輯推理都非常嚴密。 

果蠅讓位於微生物

摩爾根用果蠅做的遺傳學研究,證據確鑿地表明基因存在於染色體上,發現了伴性遺傳和連鎖與交換規律,而且他們對果蠅遺傳所做的精細分析還導致這樣估計:基因的大小可能類似於最大的有機分子。但是,基因是什麼?基因是通過什麼方式控制性狀呢?直到20世紀30年代仍然一無所知。孟德爾-摩爾根學派遺傳學實質上是形式遺傳學。雖然基因有物質基礎,但是摩爾根用果蠅做的遺傳學研究並非是從對基因物質本身的認識出發的,各種結論都是依據實驗結果分析推理出來的。

摩爾根想把他的遺傳學研究推進到一個層次,想研究基因是怎樣發揮控制性狀功能的。

20世紀初時曾有一位英國醫生髮現黑尿病是遺傳性疾病,而且發現黑尿病的病因是患者體內缺少尿黑酸氧化酶,因而不能使尿黑酸分解。他因此提出,基因能控制酶的形成,進而影響代謝過程。

摩爾根的實驗室早在30年代用果蠅繼續做這方面的研究。他們的實驗結果表明,決定果蠅眼睛顏色的物質有一個轉化過程,而且他們可以分析出來,哪一種眼色突變是缺少哪一步反應所需要的酶。可是他們無法把有關的各種物質檢驗和分離出來,實驗無法深入。

在生物科學發展迅速的今天,雖然對於生物的研究領域及研究生物逐步多元化,但果蠅作為經典模式生物,在生物學領域的研究和發展有著極其重要的地位。果蠅作為一種模式生物,依舊具有很大的研究潛力。

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