斑點(diǎn)與條紋的基因密碼

鄭濤 韓策

基因是斑圖的畫筆

不同的物種有獨(dú)特的斑圖特點(diǎn)，即使是同一物種，不同個(gè)體的斑圖也存在差異，具有只屬于自己的獨(dú)特圖案和條紋、斑點(diǎn)。這也是在漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化過(guò)程中，出現(xiàn)的生物多樣性的特點(diǎn)。

動(dòng)物各種不同的花紋與色素的分布有關(guān)，這是漫長(zhǎng)的進(jìn)化結(jié)果。動(dòng)物的斑圖花紋有隱藏、迷惑的作用。比如，中國(guó)的奶牛以“黑白花奶牛”為主，是用荷斯坦牛和中國(guó)黃牛雜交，通過(guò)長(zhǎng)期選育得到乳用型奶牛品種;斑馬的條紋在其奔跑的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生特殊的視覺(jué)效果，給追捕者制造視覺(jué)障礙以便順利逃脫。而藏身于叢林中的豹子，由于有身上的斑點(diǎn)圖案作偽裝，才能在狩獵的過(guò)程中出奇制勝。

從生命科學(xué)的視角，早在1953年，美國(guó)科學(xué)家沃森（J.Watson）和英國(guó)科學(xué)家克里克（F.Crick）發(fā)表論文，正式提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，自此打開(kāi)了基因世界的大門。發(fā)現(xiàn)了DNA對(duì)生命中信息傳遞的重要性，基因?qū)π誀畹目刂瞥蔀樯膴W秘所在。2003年人類基因組計(jì)劃的測(cè)序工作完成，揭開(kāi)了人體2.5萬(wàn)個(gè)基因，30億個(gè)堿基對(duì)的秘密?；蚩梢詻Q定性狀，成為科學(xué)界的共識(shí)。隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，在生命科學(xué)的研究領(lǐng)域，對(duì)于不同生物不同性狀的基因調(diào)控機(jī)理研究成果日益增多，其中對(duì)于毛皮動(dòng)物毛色調(diào)控基因的研究越來(lái)越深入。

黑色素形成及黑色素細(xì)胞的移動(dòng)

研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物的毛色主要是由黑色素細(xì)胞產(chǎn)生的黑色素的種類和分布決定。哺乳動(dòng)物黑色素細(xì)胞能產(chǎn)生兩種不同類型的黑色素，最重要的是呈現(xiàn)黃、紅棕色的褐黑素和呈現(xiàn)黑、棕色的真黑素，褐黑素與真黑素的質(zhì)量和比例決定了毛發(fā)和皮膚的最終顏色的數(shù)量比例和分布。

而調(diào)控毛皮動(dòng)物毛色的主要候選基因有很多，MC1R基因、Agouti基因、TYR基因等超過(guò)100種基因?qū)τ趧?dòng)物毛色有影響，其中MC1R基因和Agouti基因是研究較早，并已證實(shí)能調(diào)控哺乳動(dòng)物毛色變異的關(guān)鍵基因。

不同生物的MC1R基因序列存在差異，這些差異多由突變?cè)斐?，?huì)引起動(dòng)物毛色的變化，并能遺傳給后代，MC1R基因作為控制毛色的重要候選基因之一，引起了廣泛關(guān)注，不同領(lǐng)域的科研人員對(duì)MC1R基因的結(jié)構(gòu)、功能、作用機(jī)理等進(jìn)行了深入的研究。比如：中國(guó)荷斯坦奶牛的毛色是其品種的重要特征之一，且與乳、肉等生產(chǎn)性能有直接關(guān)系。通過(guò)對(duì)公牛MC1R基因型的檢測(cè)，就能夠篩選出更具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的個(gè)體，保證后代花色的穩(wěn)定。

由于基因在決定毛色的過(guò)程中，會(huì)受到很多因素的影響，比如環(huán)境、基因突變、代謝途徑等，都會(huì)造成最終毛色的差異。

動(dòng)物的毛色主要由黑色素細(xì)胞產(chǎn)生的黑色素種類和分布決定

簡(jiǎn)言之，從生命科學(xué)的角度來(lái)解釋，不同物種的基因有差異，從而產(chǎn)生了毛色的差異。同一物種的不同個(gè)體間基因也有差異，造成了個(gè)體差異。

動(dòng)物斑紋中的數(shù)理化之謎

如果仔細(xì)觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在自然界中斑馬的身體和尾巴都是條紋的，而豹子卻是身體斑點(diǎn)，尾巴有斑點(diǎn)的、也有條紋的。似乎沒(méi)有身體是條紋，而尾巴是斑點(diǎn)的動(dòng)物。那這種現(xiàn)象又該如何解釋呢？是否在基因控制毛色的過(guò)程中，還要遵循物理和化學(xué)規(guī)律？畢竟生物體細(xì)胞中的新陳代謝過(guò)程，就是一個(gè)個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

中國(guó)荷斯坦奶牛的毛色是其品種的重要特征之一，且與乳、肉等生產(chǎn)性能有直接關(guān)系

如果我們追溯與毛色相關(guān)的色素起源，都是與胚胎發(fā)育時(shí)期的神經(jīng)嵴相關(guān)。神經(jīng)嵴是一種具有高度遷移能力的多功能細(xì)胞群。在動(dòng)物胚胎發(fā)育的過(guò)程中，神經(jīng)嵴細(xì)胞從神經(jīng)板遷移到表皮和真皮，之后分化為黑色素細(xì)胞的前體，最終分化為黑色素細(xì)胞。這個(gè)過(guò)程中，黑色素形成及黑色素細(xì)胞的移動(dòng)，就可以從物理和化學(xué)的角度來(lái)分析。

早在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)的前一年，也就是1952年，英國(guó)科學(xué)家圖靈發(fā)表了論文，提出用反應(yīng)擴(kuò)散方程組作為生物形態(tài)的基本化學(xué)反應(yīng)模型，描述了不同的化學(xué)物質(zhì)在一起反應(yīng)、擴(kuò)散到表面的情況。這一理論說(shuō)明了生物在生長(zhǎng)歷程中包括細(xì)胞分裂、分化過(guò)程中的物理化學(xué)過(guò)程，也說(shuō)明了為什么生物在生長(zhǎng)歷程中形態(tài)各異。

胚胎發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)嵴細(xì)胞的產(chǎn)生（圖片來(lái)源/Nlature ReviewsINeuroscience）

從數(shù)學(xué)角度分析，斑圖的反應(yīng)擴(kuò)散方程組是定義在一個(gè)圓柱體表面，表示色素?cái)U(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，毛皮面積的形狀和大小以及其擴(kuò)散波長(zhǎng)都有關(guān)系。這樣寫成的非線性反應(yīng)擴(kuò)散方程組一般是找不出解的表達(dá)式的，但是按圖靈的想法我們可以判斷常數(shù)解的穩(wěn)定性，并得到在常數(shù)解附近線性化方程解的公式。這個(gè)公式是一個(gè)傅里葉級(jí)數(shù)，有很多因素會(huì)影響此函數(shù)，最重要的因素是身體長(zhǎng)度和腰圍的比值，比值越小越傾向于出現(xiàn)斑點(diǎn)型，比值越大越傾向于出現(xiàn)條紋型。所以可以看出自然界中，蛇等細(xì)長(zhǎng)的動(dòng)物，出現(xiàn)的多是條紋型斑圖。同一個(gè)生物，應(yīng)使用同樣的反應(yīng)擴(kuò)散方程組，所以如果尾巴是斑紋，身體就不太可能出現(xiàn)條紋了。

現(xiàn)在已經(jīng)有很多不同領(lǐng)域的研究學(xué)者，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型的方法，利用計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)出不同的時(shí)空斑圖，并找到與自然界斑圖形成的一些共同特性。但目前來(lái)說(shuō)，還沒(méi)有任何一個(gè)理論，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出某個(gè)生物從出生開(kāi)始到生命結(jié)束毛色的變化過(guò)程。

要想揭開(kāi)生物毛色的奧秘，還需要生物學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家一起，綜合多角度進(jìn)行分析和研究。