斑點與條紋的基因密碼

鄭濤 韓策

基因是斑圖的畫筆

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

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

從生命科學的視角，早在1953年，美國科學家沃森（J.Watson）和英國科學家克里克（F.Crick）發(fā)表論文，正式提出DNA雙螺旋結構模型，自此打開了基因世界的大門。發(fā)現(xiàn)了DNA對生命中信息傳遞的重要性，基因對性狀的控制成為生命的奧秘所在。2003年人類基因組計劃的測序工作完成，揭開了人體2.5萬個基因，30億個堿基對的秘密。基因可以決定性狀，成為科學界的共識。隨著科學和技術的發(fā)展，在生命科學的研究領域，對于不同生物不同性狀的基因調控機理研究成果日益增多，其中對于毛皮動物毛色調控基因的研究越來越深入。

黑色素形成及黑色素細胞的移動

研究發(fā)現(xiàn)，動物的毛色主要是由黑色素細胞產(chǎn)生的黑色素的種類和分布決定。哺乳動物黑色素細胞能產(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。

而調控毛皮動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100種基因對于動物毛色有影響，其中MC1R基因和Agouti基因是研究較早，并已證實能調控哺乳動物毛色變異的關鍵基因。

不同生物的MC1R基因序列存在差異，這些差異多由突變造成，會引起動物毛色的變化，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，引起了廣泛關注，不同領域的科研人員對MC1R基因的結構、功能、作用機理等進行了深入的研究。比如：中國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)性能有直接關系。通過對公牛MC1R基因型的檢測，就能夠篩選出更具有經(jīng)濟價值的個體，保證后代花色的穩(wěn)定。

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

動物的毛色主要由黑色素細胞產(chǎn)生的黑色素種類和分布決定

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

動物斑紋中的數(shù)理化之謎

如果仔細觀察，你會發(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，尾巴有斑點的、也有條紋的。似乎沒有身體是條紋，而尾巴是斑點的動物。那這種現(xiàn)象又該如何解釋呢？是否在基因控制毛色的過程中，還要遵循物理和化學規(guī)律？畢竟生物體細胞中的新陳代謝過程，就是一個個化學反應過程。

中國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)性能有直接關系

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

早在DNA雙螺旋結構模型發(fā)現(xiàn)的前一年，也就是1952年，英國科學家圖靈發(fā)表了論文，提出用反應擴散方程組作為生物形態(tài)的基本化學反應模型，描述了不同的化學物質在一起反應、擴散到表面的情況。這一理論說明了生物在生長歷程中包括細胞分裂、分化過程中的物理化學過程，也說明了為什么生物在生長歷程中形態(tài)各異。

胚胎發(fā)育過程中神經(jīng)嵴細胞的產(chǎn)生（圖片來源/Nlature ReviewsINeuroscience）

從數(shù)學角度分析，斑圖的反應擴散方程組是定義在一個圓柱體表面，表示色素擴散的數(shù)學模型，毛皮面積的形狀和大小以及其擴散波長都有關系。這樣寫成的非線性反應擴散方程組一般是找不出解的表達式的，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。這個公式是一個傅里葉級數(shù)，有很多因素會影響此函數(shù)，最重要的因素是身體長度和腰圍的比值，比值越小越傾向于出現(xiàn)斑點型，比值越大越傾向于出現(xiàn)條紋型。所以可以看出自然界中，蛇等細長的動物，出現(xiàn)的多是條紋型斑圖。同一個生物，應使用同樣的反應擴散方程組，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)有很多不同領域的研究學者，通過建立數(shù)學模型的方法，利用計算機模擬預測出不同的時空斑圖，并找到與自然界斑圖形成的一些共同特性。但目前來說，還沒有任何一個理論，能夠準確預測出某個生物從出生開始到生命結束毛色的變化過程。

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