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果蝇:一个基因的罗曼史

时间:2005-06-22 21:06来源:《三思科学》电子杂志 作者:bioguider 阅读:

果蝇:一个基因的罗曼史
 
fru基因会在雄蝇脑部建立一个“求爱”的回路(绿色部分),它可以使雌果蝇对同性展开追求
 
        雄性果蝇那复杂而精巧的求偶行为,似乎是由一个基因控制的。这个fru基因决定着果蝇是情场高手还是不解风情的蠢汉,甚至决定着它是同性恋还是异性恋。

  没有果蝇的生物学,是一种难以想象的情景。将近一百年前,摩尔根开始在实验室里用香蕉喂养这些小东西,以射线、激光和化学物质等种种手段折腾它们,希望使它们发生变异。他那只著名的白眼果蝇,使基因与染色体的关系得以确立,遗传学因此迈出了关键的一步。此后,果蝇作为最理想的实验动物之一,对经典遗传学、发育生物学、分子生物学等做出了许多重大贡献,近年来还涉足神经科学领域。例如,对果蝇某个基因的研究,为理解基因-神经-行为之间的关系提供了线索,还为“性”这个永远的热门话题带来新的研究思路——以及谈资。


生物学的伴侣


果蝇在生物分类学上属于昆虫纲双翅目,跟其他的只有一对翅膀的昆虫如蚊子、虻等是亲戚。实验室里养的果蝇是其中称为黑腹果蝇的一种,拉丁名为Drosophila melanogaster。其中Drosophila的意思是喜欢露水,melanogaster的意思是黑色的肚子,指幼虫腹部的一条黑线——消化道。它们偏爱潮湿环境,以腐败的有机物为食,尤其喜欢水果。夏天的水果摊边,那些飞来飞去、只有约3毫米长的红眼小“苍蝇”,就是果蝇了。


果蝇繁殖得很快,经历卵、幼虫和蛹等阶段发育为成虫,大约只需要10天,时间依温度高低有所不同。成虫爬出蛹后不到一天就可以交配,一只雌果蝇一生(也就是两个星期吧)可以产下几百甚至上千个卵。这种惊人的繁殖力,使当年摩尔根和他的学生们为了装下越来越多的果蝇而去偷附近居民家门口的牛奶瓶子,也使实验室培育和研究果蝇非常方便。


与脊椎动物特别是哺乳动物相比,果蝇足够简单,操作起来很容易。从另一角度看,它也有够复杂,很多基础生理功能与哺乳动物相似。在果蝇的1.3万个基因中,有60%与人的基因相似或相近,特别是那些关系到生长发育的重要基因。


果蝇那小小的神经系统足以让它完成一些比较复杂的行为,比如觅食、求偶、学习、记忆,过着有昼夜节律的生活。动物的行为是非常复杂、难于量化的,而且易受环境影响。剔除环境因素,将行为还原到神经乃至基因上去,从果蝇这样的生物开始,是非常合适的。

  嗡嗡的唐璜


果蝇是被观察得最彻底的动物之一,它们在科学家面前自然也没什么私生活可言。雄果蝇求爱、雌果蝇作出回应,这其中的过程已经被描述得极其详尽,甚至拆分成精确的“分解动作”。

  这种大量繁殖、毫不珍贵的小飞虫,在性生活方面一点也不草率。在果蝇里,求爱主要是雄果蝇的事,雌果蝇只消被动地等待、选择、作出决定。雄果蝇可谓是有翅膀的风流浪子,善于彬彬有礼、温柔软款地向异性献殷勤,教对方难以抗拒。科学家说,雄果蝇这套复杂的求爱游戏可以分成6步,有着固定的程序和内容。


        雄果蝇伸出一只翅膀,以特殊方式振动,向雌果蝇唱情歌


第一步是“尾随”,雄果蝇发现异性的存在,便追上去。然后“温柔的触碰”,用前腿轻轻地敲打雌果蝇的身体,促使对方释放出信息素。第三步是“唱情歌”,雄果蝇伸出一只翅膀,以特定的方式振动,发出特殊的声音。一只正常的雄果蝇,会花上两分钟来完成这前三个步骤。


在这过程中,雌果蝇会躲避,但多数时候并不是真心逃走,只是一种试探和考查。许多雌性动物都会玩这种欲迎还拒、卖弄风情的把戏,它并不无聊,而有着重要的生物学意义:考验对方的身体状况,挑选比较健康的雄性来做自己未来孩子的父亲。


第四步已经进入比较亲密的阶段,雄果蝇用它的长嘴舔雌果蝇的生殖器官。如此这般又是两分钟之后,它作出试图交尾的动作。如果雌果蝇觉得对方还可以,就进入最后一步——真正的交尾。


徒劳无益的变异

  这一大套风流招数,雄果蝇生来就会,不需要学习。把雌雄果蝇分开培养,然后放到一起,它们马上就会进入角色,一点儿也不走样。这意味着,雄果蝇复杂的求偶仪式是“固化”在它们的神经——乃至基因里的。当然,果蝇的行为也会受环境因素影响,会由于愉快或痛苦的经验而有所改变。但比起更复杂的动物——比如说人——来,果蝇的性活动受基因控制的程度更深。

  这一点最初是在1963年偶然被发现的。当时,耶鲁大学的Kulbir Gill在研究雌性不育的问题,他发现有一群基因变异的雄果蝇不仅追求异性,也追求同性,而且会回应同性的追求。而普通的雄果蝇不会主动追求同性,在被同性追求时会抗拒,拍着翅膀又踢又打。Gill为此把这个基因叫做fruity,即美国俚语里的“男同性恋”。


        普通雄果蝇(右)追逐雌果蝇;而fru基因变异的雄果蝇追求同性,有时它们会连成一条链子,每一只雄蝇都追求自己前面的那只雄蝇。

  由于fruity这个词粗俗无礼、有歧视意味,后来布兰代斯大学的Jeff Hall给该基因改名为fruitless,意思是“不结果子的、徒劳无益的”。这个词比较中性,因而“政治正确”,而且缩写仍然是fru。这个新名字还反映了变异果蝇的另一个特殊之处:它们无差别地追求异性和同性,但仅仅是追求而已,从来不跟任何对象来真的。这些果蝇可能发生了某种生理变化,只能进行求爱游戏,关键时刻就掉链子。

  分子生物学的发展使人们得以逐渐弄清fru基因的真面目。20世纪90年代,科学家找准这个基因的位置并且克隆出了它。这个基因有14万个碱基对,在一般只有2000个碱基对的果蝇基因中,显得格外庞大而复杂。它影响到果蝇的很多生理功能,除了性活动,还有与性无关的功能。如果完全剔除这个基因,果蝇就会死掉。不过,使人们最感兴趣的,当然还是它对行为——特别是性活动的影响。  

  角色倒错

  在发现fru基因轻度变异会导致雄果蝇变成双性恋之后,科学家又发现,如果它变异得更厉害,果蝇求偶行为就更混乱。该基因只在果蝇中央神经系统(脑和腹神经索)的约500个细胞里起作用,雌雄果蝇“解读”这个基因、制造蛋白质的方式是不一样的。斯坦福大学的Bruce Baker等人发现,如果使其中一些神经细胞不能制造fru基因的“雄性版本”蛋白质,雄果蝇就会从风流浪子变成不解风情、粗鲁无礼的蠢汉。


这些变异的果蝇跳过麻烦的步骤,匆匆忙忙地一边唱歌、一边舔雌性的身体,同时强行试图交配。通常需要4分钟的水磨工夫被缩短到10秒,结果很是不妙:交配往往不成功,即使看上去成功了,也不能使雌果蝇受精。科学家猜测,对于以繁殖为最终目标的交配行为来说,在果蝇中,是雌性的意愿在主宰一切。这些变异的雄果蝇草率的求偶行为,让雌性觉得没有吸引力,所以很难成功。


这种变异还带来另一些有趣的变化:普通的雄果蝇是很有礼貌的,如果一只雄果蝇对一只雌果蝇展开追求,其它的雄果蝇就会知趣地让开,让这两位单独相处一会儿。但变异后的雄果蝇就全不懂这些,会有好几只抓狂的雄果蝇同时追求一只雌果蝇。

  在更严重的变异中,雄果蝇会变成性冷淡。它们外形跟普通果蝇没有差异,也能正常飞行,但对异性基本上无动于衷,倒是对同性有点兴趣。这显示,在雄果蝇体内,fru基因不仅促使雄追雌,还会抑制雄追雄。

  2005年6月,奥地利科学家报告了一项更有趣、或许是决定性的实验。维也纳分子生物技术研究所的Barry Dickson及其同事发现,把雌果蝇的fru基因改造成雄性版本后,它们就开始向其它雌性求爱,方式跟一般的雄果蝇的那一套完全一样——只除了最后不能来真的。这些雌果蝇对雄果蝇不感兴趣,除非把雄果蝇也改造一下,让它们释放雌性的信息素。另一方面,如果把雄果蝇的fru基因改造成雌性版本,它们就不再追求异性,在性活动中变得被动。科学家还报告了果蝇脑部与这个基因有关的神经回路,该回路在雌雄果蝇中都一样,说明性活动差异的关键不在于这个回路的构造,而在于其功能。

  
基因控制的行为


Dickson等人的这个实验非常重要,因为他们做到了一件非常困难的事:证明一个基因与一套特定复杂行为的联系。


控制产生特定解剖结构(比如翅膀)的基因已经得到广泛研究,但有关基因与行为的研究还很少,主要就是因为确定基因与行为的关系太难了。假如基因X使苍蝇会飞,你怎样证明呢?去掉基因X、苍蝇就不会飞,仅仅如此的话,完全可能变成类似那样的笑话:“砍掉苍蝇的腿,对它吼叫,苍蝇不会爬走,所以苍蝇是用腿来听的”。必须把基因X植入到不会飞的正常动物体内,如果这个动物会飞了,这才能证明X就是飞的基因。但是正常的苍蝇都会飞,在同一物种里没法做这样的实验。而在不同物种间做实验似乎更糟糕——把飞的基因移植给老鼠,显然并不能使老鼠会飞。


在同一物种内部,某种行为是一些正常动物会做、而另一些正常动物不会的,这样的行为只能是与性别有关的行为。所以,第一个与特定复杂行为联系上的基因,是涉及到性行为的fru基因,这并非偶然。干扰这个基因使雄果蝇不再求爱,还不能证明该基因是求爱行为的充分必要条件。经过基因改造的雌果蝇也表现出求爱行为,就具有很强的说服力了。


科学家说,fru基因看起来是一个“开关基因”,它通过操纵许多其它基因的打开与关闭,来影响动物的行为。记者和大众或许比较关心它涉及性活动的一面,比如把这个研究成果外推到更复杂的动物,比如说人类。但科学家更关注的是,一个基因就能对复杂行为产生这么大的影响,是非常令人惊奇的。类似的回路可能影响着其它行为,比如迁徙、冬眠和育儿。这些行为都很复杂,而且非正确不可,因为关系到动物本身或其后代的生存。


那么,另一方面,这里关于性活动和性取向的研究结果,是不是能外推呢?简单地外推当然是不行的,越是复杂的动物,行为越容易受环境影响。有着一个大脑子、会胡思乱想许多事情的人类,就更不适用于基因决定论了。对人来说,性活动关系到爱情、痛苦、孤独、认同感等情绪,行为异常复杂多样。


但是,在某种程度上,基因仍对我们起着不可磨灭的影响。虽然人类的婚姻和爱情已经离繁殖的原始目的越来越远,但并没有完全脱离,基因原始的驱动力还在那里。你看到一个不错的姑娘,接近她,试图引起她的注意,做出种种事业博取她的欢心,在她的窗下唱着温柔的歌。——瞧,形式上当然很不一样,可是骨子里也可算相通。


同性恋或异性恋的取向是否由基因决定,人类的情况自然也要比果蝇复杂得多。基因和环境的因素,想来都是有的,但哪一样分量更重、各因素以什么方式起作用,我们还远远不知道。此外,我们探求真相,并不是为了用生物规律来对人类行为进行价值判断。以一定程度上摆脱生物本能控制为傲的我们,有理由认为,不论性取向的根源何在,大家心平气和地平等相待,能够构筑一个更和睦、更少悲剧的社会。

(责任编辑:泉水)
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