1886年，摩尔根考入霍普金斯大学研究院当研究生。他的老师布鲁克斯是一位形态学家，但很有哲学头脑，经常给学生们讲述生物各分支学科的关系，指出遗传学等学科中还有许多尚待研究的问题，对摩尔根的启示很大。摩尔根渐渐对形态学的比较和描述的研究方法感到不满，他更偏爱实验研究。1894年，摩尔根到意大利那不勒斯动物园工作了十多个月。这里汇集了各种学术流派，摩尔根学到了许多有益的东西。回国后，他开始用实验方法代替了过去的比较、描述方法。
1908年，摩尔根开始进行果蝇实验。不过，他并不是为了研究遗传因子，而是对荷兰生物学家德弗里斯提出了突变论感兴趣。德弗里斯证实了植物遗传性状的突变，但还没有研究动物遗传性状的突变。
果蝇是一种苍蝇是类的小昆虫，但比苍蝇小得多。你要是注意观察的话，会发现，夏天它们常常聚集在水果摊上觅食。人们发现，果蝇是进行遗传学研究的理想实验材料，它繁殖快，大约2周就可以生长一代，这样，人们在短时间内就可以观察到它许多世代的遗传情况，更重要的是果蝇只有4对染色体，便于观察研究。
摩尔根的“果蝇遗传实验室”设备很简单，几张旧桌子上摆着几千只培育果蝇的瓶子。有一次，摩尔根偶然发现，在一个培养瓶中出现了一只白眼雄性果蝇，而普通的果蝇都是红眼睛的。这引起了他的好奇心。
摩尔根让白眼雄蝇与红眼雌绳交配，结果生出来的全都是红眼睛的果蝇。他又让这些红眼果蝇相互交配，生出的后代中，又出现了白眼果蝇，而且红眼蝇与白眼蝇的比例总是3∶1，完全符合孟德尔的遗传定律。
事实使摩尔根不得不对孟德尔的学说刮目相看，他从一个对孟德尔学说持怀疑态度的人，变成了一个热衷于孟德尔学说的人。
在果蝇实验中，摩尔根还发现了一个令人奇怪的现象，那就是几乎所有的白眼果蝇都是雄性的，也即白眼的遗传特征总是伴随着雄性个体遗传，这究竟是什么原因呢？摩尔根抓住这一现象穷追不舍，终于用基因和染色体遗传学说成功地解释了伴性遗传现象。
原来，果蝇的4对染色体中，有一对是决定雌雄性别的性染色体，雌果蝇的两条性染色体形态一样，叫XX染色体，雄果蝇的两条性染色体形态不一样，一大一小，叫XY染色体。白眼基因就载在X染色体上，Y染色体上没有它的等位基因。当雌雄果蝇交配时，红眼基因与白眼基因组合在一起时，总是表现为红眼，因为红眼基因是显性基因。在子二代中，只有当载有白眼基因的X染色体与Y染色体结合时，由于Y染色体没有它的等位基因，才会表现出白眼来，而X和Y染色体结合，出来的都是雄果蝇。
摩尔根和他的学生发现，还有一些遗传性状也像这样总是在一起遗传，他们把这种现象叫做基因连锁。而基因连锁群的数目，恰恰与染色体的数目相同。如果蝇有4对染色体，它的基因连锁群正好有4个。这就表明，这些基因位于同一条染色体上，就像坐在同一辆车上的旅客总是一起旅行一样，几个基因位于同一染色体上时，它们决定的性状总是一起遗传，只有位于不同染色体上的基因才可以自由结合，这就是摩尔根发现的基因连锁定律。
摩尔根是一位具有民主作风的科学家。他招收了几个热情、有才华的大学生到他的实验室工作，果蝇室充满了民主的学术空气，从而使新思想、新成果不断出现。摩尔根的学生斯特蒂文特发现，基因连锁群并不是铁板一块，有时也会被打乱，这是因为精卵结合时，染色体可能会发生断裂和部分交换，两个基因在染色体上的距离越远，交换的频率也就越大。这就是遗传学的交换定律。根据遗传特性的相互关系和不同基因的交换率，可以推断出各种基因在染色体上的排列位置。据此，他们成功地绘出了果蝇的基因排列图。这也是世界上第一张基因在染色体上的排列图。
1915年，摩尔根和他的学生出版了《孟德尔遗传的原理》，1919年出版了《遗传的物质基础》，1926年出版了《基因论》。
由于摩尔根首次用实验揭示了基因与染色体的关系，建立了比较系统的染色体和基因理论，大大丰富和发展了孟德尔开创的现代遗传学，他于1933年获得诺贝尔生理学和医学奖。
基因之谜
摩尔根虽然证明了染色体是基因的载体，然而染色体究竟是由什么物质组成的？基因的化学构成是什么？基因何以能传递遗传信息？仍然是一个谜。
正像物理学家和化学家们假设了看不见的原子和电子一样，生物学家们也假设了看不见的基因。随着科学技术的发展，物理学家和化学家找到了原子、电子，生物学经过前赴后继的努力，也找到了基因的实体，那就是脱氧核糖核酸。
核酸是怎样发现的呢？
1869年，瑞士化学家米歇尔从脓细胞中分离出一种含有氮和磷的物质，这种物质的性质完全不同于蛋白质。由于细胞核主要是由这种物质组成的，因此，他称之为核素。后来，人们发现这种物质是一种强酸，就改称为核酸。
德国生化学家科塞尔第一个系统地研究了核酸的分子结构，发现了核酸中有四种不同的碱基，还有磷酸与戊糖。他的学生列文和琼斯又进一步发现，戊糖有脱氧核糖和核糖两种，两者在结构上仅差一个氧原子，据此，将核酸分为两大类：脱氧核糖核酸和核糖核酸，即DNA和RNA。
虽然人们发现细胞核主要是由核酸组成的，但是，当时人们都误认为核酸是由四种核苷酸组成的单调均匀的大分子，因此，许多生物学家不相信核酸会是千变万化的基因的载体，而把目光投向了细胞中的另一种物质——蛋白质。
蛋白质的发现比核酸还要早30年。由于蛋白质像鸡蛋清一样一加热就会凝固，因此人们给它起名为蛋白质。蛋白质是由氨基酸组成的。
20世纪以来，人们发现的蛋白质的种类越来越多，功能也越来越广泛，起免疫作用的球蛋白，具有形形色色的生理作用的激素等都是蛋白质。因此，许多科学家猜想它很可能是遗传信息的载体，以致核酸反而遭到冷落。
那么，人们是怎样发现DNA是遗传物质呢？是细菌的转化实验为人们提供了证据。
1928年，英国细菌学家格里菲斯用肺炎双球菌对小鼠做感染实验。肺炎双球菌有两种，一种是有毒型，可以使动物患肺炎死亡，它的细胞外边有外膜；另一种是无毒型，不会引起动物患病，它的细胞外边没有外膜。
格里菲斯把有毒的肺炎双球菌加热杀死后，注射到小鼠体内，小鼠不再患病。可是当他把加热杀死后的有毒菌和活的无毒菌混合后注射到小鼠体内时，这些小鼠全都患病死亡了，而且在小鼠体内发现了活的有毒菌。
实验的结果简直让人不可思议，有毒的肺炎双球菌是从哪里来的呢？难道他们会死而复生？格里菲斯提出，死去的有毒菌中有一种转化因子，它们可以使无毒菌转化为有毒菌。
美国洛克菲勒研究所的细菌学家艾弗里敏锐地意识到格里菲斯工作的重要性。他和他的两个同事立即着手捕捉神秘的转化因子。他们把有毒的肺炎双球菌加热杀死，从其中提出蛋白质片段，放入无毒菌的培养液中，结果不起任何作用；相反，当把其中的蛋白质、糖类都除去后，剩余的物质仍有转化作用，这个剩余物质经过纯化后证明，它们就是DNA。DNA不仅可以使无毒菌转化成有毒菌，而且转化生成的有毒菌还可以一代代复制下去。这就表明，DNA是遗传信息的携带者，基因就在DNA上。
艾弗里的工作发表后，遭到了许多科学家的反对，他们不相信DNA能成为遗传信息的载体，怀疑艾弗里的实验手段不够严密，将少量的蛋白质带了进来，而恰恰就是这少量的蛋白质起了遗传作用。艾弗里本人也没能顶住传统观念的压力，只做出“DNA是个别细菌类型中特殊遗传性的携带者”的结论，并说：“可能不是核酸的自有性质，而是由于微量的附着于核酸上的其他物质起了遗传信息的作用。”
来自物理学的冲击
基因的奥秘最终被揭开，是物理学家、化学家、生物学家几路大军协同攻关的结果。
30年代，物理学正经历着一场革命——量子力学创立了。作为量子力学的旗手，著名的物理学家尼尔斯·玻尔把世界上一大批杰出的学者吸引到了丹麦的哥本哈根，他们不仅讨论物理问题，有时也涉及生物学问题，试图用刚问世的量子力学来解释基因突变等问题。
1932年，在哥本哈根举行的国际光疗会议上，玻尔作了《光和生命》的著名演讲。他有关物理学规律与生物学规律互补的哲学思想深深打动了一位年轻的物理学家，他就是德尔布吕克。
德尔布吕克1906年出生于德国柏林，大学时攻读的是原子物理学，曾担任过著名物理学家迈特纳的助手，并在玻尔实验室工作过。他被神秘的基因所吸引，深感这是解开生命奥秘的一把钥匙。因此，他决定放弃原子物理学研究，转向生物学研究。
1937年，德尔布吕克来到美国加利福尼亚工学院摩尔根的研究基地果蝇实验室，从事遗传学核心问题——基因复制的研究。那时一些生物学家已开始用大肠杆菌、噬菌体代替果蝇进行遗传学研究。这立即引起了他的重视。
