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自然奥秘:动物为什么会拥有双性别?

导读:在自然界中存在这样奇怪的现象,有些动物雌雄同体,既可以当爸爸,又可以做妈妈。科学家对这一现象十分好奇,一个动物是怎样进化出两个性别,而这种现象为什么会发生。我们一起去看一下科学家是怎样解释的。

双性体非常稀有,且外形奇特,因此受到蝴蝶收藏家的喜爱。它们是大自然对称交响乐中的异常音符。这些家伙也颇受科学家欢迎,因为它们提供了难得的机会,可以在同一个身体上研究典型的雄性和雌性基因。

自然奥秘:动物为什么会拥有双性别?

数百年来,自然学家已经在昆虫、蜘蛛、龙虾和鸟类身上发现了许多双性体。最近,研究者借助渐趋精密的实验手段来研究这些混合生物体,并推翻了关于性别发育的统治性理论。这在科学史上再一次证实,这些相对于我们预设的分类,过于奇特和不对称的生物,能够告诉我们许多奥秘。例如,它证明了关于鸟类雌雄分化的一般解释是错误的。科学家是通过研究极少数的双性体,而非大量的正常鸟类获得这个认识的。故事从一只奇特的斑马雀(ZebraFinch)开始。

20世纪90年代,洛克菲勒大学(RockefellerUniversity)的一位动物管理员经常在一个只关有雄性斑马雀的笼子里发现鸟蛋。为了查明是谁下的蛋,她把所有鸟都分隔开来。结果发现,是一只看起来与其它鸟颇为不同的家伙下的蛋。它身体右侧是典型的雄鸟特征:橙红色的脸颊、条纹状的颈部、翅膀附近是带有白色小点的漂亮褐斑。而它身体的左侧明显不同:除了黑白色的脸部和米色的胸部外,几乎全是灰色的——这是典型的雌性羽毛。

当意识到这家伙是个双性体时,这群鸟的主人、洛克菲勒大学神经科学家弗尔南多·诺特博姆把它送给了以前的学生、洛杉矶加里福尼亚大学的阿特·阿诺德(ArtArnold)。他觉得,从事研究性别差异的阿诺德,或许能够从这只鸟身上学到点什么。

一直以来,科学家们都假定,鸟类的雌雄分化方式与哺乳动物是一样的:它们的胚胎是无性的,由于性别染色体的不同而发育出睾丸或卵巢。再由睾丸和卵巢分泌出荷尔蒙,促使机体发育成为不同的性别。现在研究显示,这个说法过于简单了。

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根据这条线索,阿诺德和他的同事决定把这只双性鸟的大脑切开来看看。通常雄性斑马雀大脑中有一个神经回路网,专门负责雄鸟学习求偶的鸣唱。因此在雄鸟大脑中,包含此回路的大脑区域要比雌鸟大脑中的相应区域大。假如性别发育主要取决于荷尔蒙的话,那么这只鸟身体内的每个器官,都会沐浴在由它睾丸和卵巢同时分泌的两种不同性别荷尔蒙调成的“鸡尾酒”中,因此双性体大脑中的每一部份大小都应该是相同的。

但是,阿诺德小组发现,这只双性鸟大脑中负责鸣唱的区域,其右半部的比左半部大82%。为了作更深入的分析,研究者将其大脑切片,并浸泡于少量放射性RNA溶液中。RNA可以与Z或W性别染色体(相当于人类的X和Y染色体)结合。浸泡后的切片被放置于摄影板下,结果显示,其大脑右半球主要由包含两种Z染色体的雄性细胞组成,而左半球细胞则完全是雌性Z、W染色体排列。因此是性别染色体,而非荷尔蒙,一个细胞一个细胞地决定了大脑的命运。“双性体改变了我头脑中的一些非常基本的科学教义,”阿诺德说。“大脑细胞并非是由荷尔蒙来书写性别的白板。它们事先就已经被写好了。”

21世纪00年代中期,迈克尔·克林顿(MichaelClinton),爱丁堡大学的发育生物学家,开始研究从英国家禽农场收集来的双性鸡。这些鸡的一侧长得像雄性:拥有白色和金色的羽毛、红色的垂囊,以及腿部的长角状突起。另一侧它们又是雌性特征:棕褐色的羽毛,以及远小于雄性的突起和垂囊。

克林顿和他的小组在分析了它们血液、皮肤和肌肉细胞中的DNA后发现,它们不仅是简单地分成了两半。和不寻常的斑马雀大脑一样,它们整个身体象是在细胞级别上就被分开了。它们一侧身体拥有许多雌性ZW细胞,另一侧主要是雄性ZZ细胞。但是也不是绝对地一分为二。它们更像是一个内部有两个空间且分别装了两种不同软糖的罐子,虽然大部分软糖都存在于自己的空间里,但有时候又会混起来。

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这一假想确认,与哺乳动物全面取决于荷尔蒙不同,鸟类性别是由其遍布全身的细胞一个一个决定的。剩下的问题是,还不清楚这些存在于单个细胞内的性别染色体,是如何独立于荷尔蒙引导性别发育的。或许Z和W染色体从受精的那一刻起,就促成了DNA周围分子的改变,并影响了不同基因的行为。能够支持这一猜测的是,克林顿和他的同事发现,正常发育的雄性和雌性鸟类胚胎,即使在性器官发育之前,在基因的活动上就具有不同的形态。

阿诺德小组现在想知道他们在鸟类身上的发现是否也适用于哺乳动物。为了找出哺乳动物身上染色体和荷尔蒙对性发育的作用,他们研究了一种特殊的老鼠。它们总体上是雄性的,但是却拥有过多的X或Y染色体,以致于会分泌雌激素。他希望通过这一研究,最终可以获得针对人类疾病的新疗法。多发性硬化症、癌症、心脏病,以及其他疾病,通常在某种性别中较少见,或者更不具致死性。“假如我们能够知道,为什么某种特定的性别能够保护我们,那我们就能找到新的疗法,”阿诺德说。“为了知道这一切,我们需要一张导致男女性别差异原因的清单。在此之前,这张清单通常是关于荷尔蒙的。”

多发性硬化症,是因免疫系统攻击、摧毁神经系统而导致的严重疾病——这在女性中更为常见,但是对男性而言病程发展更为迅猛。阿诺德在针对分泌雌激素的雄老鼠进行研究后,发现是X和Y染色体的结合,而非雄激素,使细胞在面对类似疾病侵害时,变得更易受攻击。

自然奥秘:动物为什么会拥有双性别?

对斑马雀和鸡的研究震惊了学者们,而且已经超出了鸟类学家的范畴。他们“确实挑战了关于脊椎动物细胞如何获得性别特征的一些存在已久的理论,”伯克利(Berkeley)加州大学的发育生物学家尼潘·帕特尔(NipamPatel)说。在那些实验还在进行的时候,他自己关于性别异常蝴蝶的研究也已经开始颠覆一些之前已经确立的观念。在经历了十年的痴迷研究后,帕特尔推断,在一些案例中,双性动物与其说是同时具有雄性和雌性身体部分的个体,还不如说是结合在一起的两个不同生物体。

科学家对生物的遗传要素获取得越多,就越会意识到我们是复杂的生物。我们每个人的细胞从本质上来说都拥有两种基因组:一种是我们细胞核内的人类基因组,另一种是线粒体基因组——它们曾经是一种独立存在的微生物。数万亿的细菌覆盖在我们体表与肠道,将我们的身体变成了一个微生物基因组的万花筒。病毒和各种寄生虫也会将外来的基因渗透到我们的基因组内。我们因双性动物美丽特别的外表而对它们倍加关注。而事实上,它们是反映我们身体内部的一面镜子。

每种生物都有自己的特性,我们在研究这些两性生物的同时,也是在对人类自身的不断了解。万物都是相通的,这些动物的特性将会被应用在更广泛的地方。

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