黑白花的奶牛、老黄牛、漆黑的水牛……基因是解开不同斑图的密码!

2021年02月20日
今年是牛年,提到牛,人们熟悉的有黑白花的大奶牛、勤劳耕作的老黄牛、毛皮黑漆漆的水牛……为什么有的牛是单一颜色的,而有的牛是黑白花纹的呢?在自然界中,除了牛,还有很多动物身上有斑点、条纹,比如斑马、金钱豹,甚至是家养的宠物猫、狗,等等,这些绚丽的皮毛图案令人着迷。那么这些美丽的动物皮毛图案是如何形成的?能否人为设计制作一些近似于动物斑纹的图案作为动物皮毛的替代品呢?
基因是斑图的画笔
不同的物种有独特的斑图特点,即使是同一物种,不同个体的斑图也存在差异,具有只属于自己的独特图案和条纹、斑点。这也是在漫长的生物进化过程中,出现的生物多样性的特点。
动物各种不同的花纹与色素的分布有关,这是漫长的进化结果。动物的斑图花纹有隐藏、迷惑的作用。比如,中国的奶牛以“黑白花奶牛”为主,是用荷斯坦牛和中国黄牛杂交,通过长期选育得到乳用型奶牛品种;斑马的条纹在其奔跑的时候会产生特殊的视觉效果,给追捕者制造视觉障碍以便顺利逃脱。而藏身于丛林中的豹子,由于有身上的斑点图案作伪装,才能在狩猎的过程中出奇制胜。
从生命科学的视角,早在1953年,美国科学家沃森(J.Watson)和英国科学家克里克(F.Crick)发表论文,正式提出DNA双螺旋结构模型,自此打开了基因世界的大门。发现了DNA对生命中信息传递的重要性,基因对性状的控制成为生命的奥秘所在。2003年人类基因组计划的测序工作完成,揭开了人体2.5万个基因,30亿个碱基对的秘密。基因可以决定性状,成为科学界的共识。随着科学和技术的发展,在生命科学的研究领域,对于不同生物不同性状的基因调控机理研究成果日益增多,其中对于毛皮动物毛色调控基因的研究越来越深入。
研究发现,动物的毛色主要是由黑色素细胞产生的黑色素的种类和分布决定。哺乳动物黑色素细胞能产生两种不同类型的黑色素,最重要的是呈现黄、红棕色的褐黑素和呈现黑、棕色的真黑素,褐黑素与真黑素的质量和比例决定了毛发和皮肤的最终颜色的数量比例和分布。
而调控毛皮动物毛色的主要候选基因有很多,MC1R基因、Agouti基因、TYR基因等超过100种基因对于动物毛色有影响,其中MC1R基因和Agouti基因是研究较早,并已证实能调控哺乳动物毛色变异的关键基因。
不同生物的MC1R基因序列存在差异,这些差异多由突变造成,会引起动物毛色的变化,并能遗传给后代,MC1R基因作为控制毛色的重要候选基因之一,引起了广泛关注,不同领域的科研人员对MC1R基因的结构、功能、作用机理等进行了深入的研究。比如:中国荷斯坦奶牛的毛色是其品种的重要特征之一,且与乳、肉等生产性能有直接关系。通过对公牛MC1R基因型的检测,就能够筛选出更具有经济价值的个体,保证后代花色的稳定。
动物的毛色主要由黑色素细胞产生的黑色素种类和分布决定
中国荷斯坦奶牛的毛色是其品种的重要特征之一,且与乳、肉等生产性能有直接关系
由于基因在决定毛色的过程中,会受到很多因素的影响,比如环境、基因突变、代谢途径等,都会造成最终毛色的差异。简言之,从生命科学的角度来解释,不同物种的基因有差异,从而产生了毛色的差异。同一物种的不同个体间基因也有差异,造成了个体差异。
动物斑纹中的数理化之谜
如果仔细观察,你会发现在自然界中斑马的身体和尾巴都是条纹的,而豹子却是身体斑点,尾巴有斑点的、也有条纹的。似乎没有身体是条纹,而尾巴是斑点的动物。那这种现象又该如何解释呢?是否在基因控制毛色的过程中,还要遵循物理和化学规律?毕竟生物体细胞中的新陈代谢过程,就是一个个化学反应过程。
如果我们追溯与毛色相关的色素起源,都是与胚胎发育时期的神经嵴相关。神经嵴是一种具有高度迁移能力的多功能细胞群。在动物胚胎发育的过程中,神经嵴细胞从神经板迁移到表皮和真皮,之后分化为黑色素细胞的前体,最终分化为黑色素细胞。这个过程中,黑色素形成及黑色素细胞的移动,就可以从物理和化学的角度来分析。
早在DNA双螺旋结构模型发现的前一年,也就是1952年,英国科学家图灵发表了论文,提出用反应扩散方程组作为生物形态的基本化学反应模型,描述了不同的化学物质在一起反应、扩散到表面的情况。这一理论说明了生物在生长历程中包括细胞分裂、分化过程中的物理化学过程,也说明了为什么生物在生长历程中形态各异。
从数学角度分析,斑图的反应扩散方程组是定义在一个圆柱体表面,表示色素扩散的数学模型,毛皮面积的形状和大小以及其扩散波长都有关系。这样写成的非线性反应扩散方程组一般是找不出解的表达式的,但是按图灵的想法我们可以判断常数解的稳定性,并得到在常数解附近线性化方程解的公式。这个公式是一个傅里叶级数,有很多因素会影响此函数,最重要的因素是身体长度和腰围的比值,比值越小越倾向于出现斑点型,比值越大越倾向于出现条纹型。所以可以看出自然界中,蛇等细长的动物,出现的多是条纹型斑图。同一个生物,应使用同样的反应扩散方程组,所以如果尾巴是斑纹,身体就不太可能出现条纹了。
现在已经有很多不同领域的研究学者,通过建立数学模型的方法,利用计算机模拟预测出不同的时空斑图,并找到与自然界斑图形成的一些共同特性。但目前来说,还没有任何一个理论,能够准确预测出某个生物从出生开始到生命结束毛色的变化过程。
要想揭开生物毛色的奥秘,还需要生物学家、数学家、物理学家和化学家一起,综合多角度进行分析和研究。
来源:知识就是力量公众号