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科学家深入研究猫胚胎之后 揭开虎斑猫身上独特斑纹的惊人起源

在全美国将近6000万只宠物猫中,经典条纹虎斑特别受欢迎。 PHOTOGRAPH BY AL PETTEWAY AND AMY WHITE, NAT GEO I

在全美国将近6000万只宠物猫中,经典条纹虎斑特别受欢迎。 PHOTOGRAPH BY AL PETTEWAY AND AMY WHITE, NAT GEO IMAGE COLLECTION

虎斑条纹源自家猫的直系祖先,近东野猫。 PHOTOGRAPH BY TODD GIPSTEIN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

虎斑条纹源自家猫的直系祖先,近东野猫。 PHOTOGRAPH BY TODD GIPSTEIN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

据美国国家地理(撰文:JOANNA KLEIN编译:钟慧元):科学家深入研究猫胚胎之后,揭开了家猫身上这种独特斑纹的惊人起源。

全美国将近6000万只宠物猫中,最受欢迎的其中一种,就是经典虎斑(classic tabby)——那是一种有条纹、圆点和漩涡,猫咪前额还有像大写M的毛皮花色。

虽然虎斑猫这么受欢迎(想想加菲猫),但科学家对于它们这种独特外表到底是怎么来的,却知之甚少。

在上周一篇发表于《自然通讯》(Nature Communications)期刊的研究中,科学家观察到,在猫的毛皮开始发育之前,猫胚胎皮肤细胞中产生虎斑花纹的基因就已经活化了。在显微镜下,甚至可以看到这些早期皮肤细胞在模拟虎斑条纹,这在胚胎细胞上是前所未见的发现。

这种独特的遗传进程,可能和野生猫科动物身上产生斑纹与原点的机制相同,作者群如此推论。「虎斑」一词的英文是tabby,源自al-‘Attābiyya,是巴格达的一个地区。该区曾在16世纪时生产有条纹的细致塔夫绸(silk taffeta),但虎斑条纹本身则可能是源自家猫的直系祖先,也就是有条纹的近东野猫(Near Eastern wildcat)。

「能多了解世界一点点,就[是]会让人有种成就感。」研究主持人葛雷格.巴尔许(Greg Barsh)说,他是哈德逊阿法生物技术研究所(HudsonAlpha Institute for Biotechnology)的研究员;这是一所位于阿拉巴马州亨次维的研究机构。不过这项研究在另一个层面来说也很令人意外,他说:「生物学一再使用同一套工具,所以发现某种并未更广泛地应用在其他诸多状况下的东西,是非常罕见的。这个案例很可能就是这种状况。」

家猫毛色和纹路背后的遗传学,牵动科学家的好奇心已经很久。达尔文就曾提出说耳聋的猫大多是蓝眼睛的白猫。他说,在发育过程中,物种有时候会发生不重要的小改变,像是毛色,因为这些改变是跟其他比较有用的改变连结在一起的。

他又补充说,有些改变是我们根本就看不见的。他没有现代的遗传学的知识,但结果他是对的:这是继承而来的遗传异常。

不同类型的猫细胞

因为必须合乎伦理认可的研究协定,巴尔许、史丹佛大学的遗传学家克利斯多夫.凯林(Christopher Kaelin),以及哈德逊阿法的资深科学家凯莉.麦高文(Kelly McGowan)从帮街猫绝育的兽医诊所搜集了将近1000个本来会被丢掉的胚胎;许多猫在被送去诊所时就已经怀孕了。

麦高文用显微镜检视日龄25-28天的胚胎皮肤细胞时,她注意到在皮肤比较厚的区域中穿插着比较薄的区域,产生了一种暂时性的毛色图案,很像成猫身上的虎斑花色。

她最惊讶的,就是能在如此初期的胚胎发育阶段看到这样的纹路;毛囊和色素都还要很久以后才会出现,而这两者才是动物毛皮花色的关键。

为了更深入研究,团队分析了胚胎的个别皮肤细胞,并找到了两种不同类型的细胞,各自都展现出不同组基因。在这些基因之中,最不一样的就是被特别命名为「Dickkopf WNT讯号通路抑制因子4号」(Dickkopf WNT Signaling Pathway Inhibitor)的基因,也就是DKK4。

他们检视约20天大的胚胎,看细胞如何展现DKK4,结果发现有关的细胞,都是那些几天后会形成较厚皮肤纹路的细胞。

巴尔许解释说,DKK4也是一种传讯蛋白质,被称为「分泌分子」(secreted molecule),会对周围的细胞发出讯号,基本上说的是:「你很特别。你是要长出黑毛的区域。」

当一切都按照计画发展的时候,有DKK4基因的细胞最后会成为让虎斑猫有虎斑的深色纹路。但突变也常常发生,造成其他的毛皮颜色和纹路,像是白色斑点或比较细的条纹。色素沉着(pigmentation)也可能会造成其他状况:举例来说,全黑的毛皮,就是在该制造其他颜色的色素细胞只制造黑色素的时候造成的。

自然发生的纹路发育

为了了解这些细胞在猫身上到底是怎么制造出斑纹图案的,团队转而向艾伦.图灵(Alan Turing)、也就是电脑科学家及数理生物学(mathematical biology)的奠基者求助。 1952年,图灵曾经描述过一种方式,能用数学解释纹路如何自然浮现。

他的理论名为「反应扩散」(reaction-diffusion),这个理论的预测是,在胚胎发育过程中,当抑制因子与活化因子等分子(在猫的例子里则是由基因产生)以不同速率从细胞移动到细胞(也就是扩散),系统就能自我组织。所以当抑制因子扩散得比活化因子更远或更快的时候,那么从数学上来说,此系统也能自我整理。在虎斑猫的例子中,抑制因子就是DKK4基因,但活化因子则不明。

图灵并不知道活化因子或抑制因子会是什么;他甚至连有这两种东西存在都不知道。但70年之后,在虎斑猫身上找到的这项发现,是证明了图灵说得没错的诸多发现之一。

「我们总是认为细胞在发育过程中会移动,但它们能在如此初期以这种立体的方式,用皮肤厚度决定斑纹分布……那真的很厉害。」艾莲.奥斯铨德(Elaine Ostrander)说,她在美国国家卫生院位于马里兰州贝什斯达的国家人类基因体研究所(National Human Genome Research Institute)研究家犬的遗传。

并未参与这项研究的奥斯铨德补充说,单纯分析这类细胞「让他们能将这些不同过程的某些部分拆解开来,而这一切,对最终获得会出现在孩子们故事书中的花纹,都是很重要的。」

巴尔许的团队现在认为猫咪花色斑纹的产生是一种两个阶段的过程。首先,皮肤细胞会决定虎斑条纹是深色或浅色,然后再长出毛囊并制造色素。

借着研究这些过程在其他动物身上如何运作──为何有些动物有条纹、有些没有──团队希望能解开有色斑纹是如何演化出来的。巴尔许说,他们也可能会不小心找到看似跟毛皮斑纹无关的发现──就像是以前达尔文想像中那种看不见的差异。

机器头条新闻 news.ji-qi.com)综合整理。

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