果蠅：一個基因的羅曼史——基因控制的行為

中國西翁

本文轉自： [email=http://www.oursci.org/]三思科學[/email]     http://www.oursci.org/magazine/200505/0508.htm

果蠅：一個基因的羅曼史

碧聲

預定發(fā)表于《生命世界》雜志
　　雄性果蠅那復雜而精巧的求偶行為，似乎是由一個基因控制的。這個fru基因決定著果蠅是情場高手還是不解風情的蠢漢，甚至決定著它是同性戀還是異性戀。
　　
　　沒有果蠅的生物學，是一種難以想象的情景。將近一百年前，摩爾根開始在實驗室里用香蕉喂養(yǎng)這些小東西，以射線、激光和化學物質等種種手段折騰它們，希望使它們發(fā)生變異。他那只著名的白眼果蠅，使基因與染色體的關系得以確立，遺傳學因此邁出了關鍵的一步。此后，果蠅作為最理想的實驗動物之一，對經(jīng)典遺傳學、發(fā)育生物學、分子生物學等做出了許多重大貢獻，近年來還涉足神經(jīng)科學領域。例如，對果蠅某個基因的研究，為理解基因－神經(jīng)－行為之間的關系提供了線索，還為“性”這個永遠的熱門話題帶來新的研究思路——以及談資。


　　生物學的伴侶

　　果蠅在生物分類學上屬于昆蟲綱雙翅目，跟其他的只有一對翅膀的昆蟲如蚊子、虻等是親戚。實驗室里養(yǎng)的果蠅是其中稱為黑腹果蠅的一種，拉丁名為Drosophila melanogaster。其中Drosophila的意思是喜歡露水，melanogaster的意思是黑色的肚子，指幼蟲腹部的一條黑線——消化道。它們偏愛潮濕環(huán)境，以腐敗的有機物為食，尤其喜歡水果。夏天的水果攤邊，那些飛來飛去、只有約3毫米長的紅眼小“蒼蠅”，就是果蠅了。

　　果蠅繁殖得很快，經(jīng)歷卵、幼蟲和蛹等階段發(fā)育為成蟲，大約只需要10天，時間依溫度高低有所不同。成蟲爬出蛹后不到一天就可以交配，一只雌果蠅一生(也就是兩個星期吧)可以產(chǎn)下幾百甚至上千個卵。這種驚人的繁殖力，使當年摩爾根和他的學生們?yōu)榱搜b下越來越多的果蠅而去偷附近居民家門口的牛奶瓶子，也使實驗室培育和研究果蠅非常方便。

　　與脊椎動物特別是哺乳動物相比，果蠅足夠簡單，操作起來很容易。從另一角度看，它也有夠復雜，很多基礎生理功能與哺乳動物相似。在果蠅的1.3萬個基因中，有60%與人的基因相似或相近，特別是那些關系到生長發(fā)育的重要基因。

　　果蠅那小小的神經(jīng)系統(tǒng)足以讓它完成一些比較復雜的行為，比如覓食、求偶、學習、記憶，過著有晝夜節(jié)律的生活。動物的行為是非常復雜、難于量化的，而且易受環(huán)境影響。剔除環(huán)境因素，將行為還原到神經(jīng)乃至基因上去，從果蠅這樣的生物開始，是非常合適的。

　　
　　嗡嗡的唐璜

　　果蠅是被觀察得最徹底的動物之一，它們在科學家面前自然也沒什么私生活可言。雄果蠅求愛、雌果蠅作出回應，這其中的過程已經(jīng)被描述得極其詳盡，甚至拆分成精確的“分解動作”。

　　這種大量繁殖、毫不珍貴的小飛蟲，在性生活方面一點也不草率。在果蠅里，求愛主要是雄果蠅的事，雌果蠅只消被動地等待、選擇、作出決定。雄果蠅可謂是有翅膀的風流浪子，善于彬彬有禮、溫柔軟款地向異性獻殷勤，教對方難以抗拒。科學家說，雄果蠅這套復雜的求愛游戲可以分成6步，有著固定的程序和內容。

雄果蠅伸出一只翅膀，以特殊方式振動，向雌果蠅唱情歌

　　第一步是“尾隨”，雄果蠅發(fā)現(xiàn)異性的存在，便追上去。然后“溫柔的觸碰”，用前腿輕輕地敲打雌果蠅的身體，促使對方釋放出信息素——昆蟲的催情藥。第三步是“唱情歌”，雄果蠅伸出一只翅膀，以特定的方式振動，發(fā)出特殊的聲音。一只正常的雄果蠅，會花上兩分鐘來完成這前三個步驟。

　　在這過程中，雌果蠅會躲避，但多數(shù)時候并不是真心逃走，只是一種試探和考查。許多雌性動物都會玩這種欲迎還拒、賣弄風情的把戲，它并不無聊，而有著重要的生物學意義：考驗對方的身體狀況，挑選比較健康的雄性來做自己未來孩子的父親。

　　第四步已經(jīng)進入比較親密的階段，雄果蠅用它的長嘴舔雌果蠅的生殖器官。如此這般又是兩分鐘之后，它作出試圖交尾的動作。如果雌果蠅覺得對方還可以，就進入最后一步——真正的交尾。

　
　　徒勞無益的變異

　　這一大套風流招數(shù)，雄果蠅生來就會，不需要學習。把雌雄果蠅分開培養(yǎng)，然后放到一起，它們馬上就會進入角色，一點兒也不走樣。這意味著，雄果蠅復雜的求偶儀式是“固化”在它們的神經(jīng)——乃至基因里的。當然，果蠅的行為也會受環(huán)境因素影響，會由于愉快或痛苦的經(jīng)驗而有所改變。但比起更復雜的動物——比如說人——來，果蠅的性活動受基因控制的程度更深。

　　這一點最初是在1963年偶然被發(fā)現(xiàn)的。當時，耶魯大學的Kulbir Gill在研究雌性不育的問題，他發(fā)現(xiàn)有一群基因變異的雄果蠅不僅追求異性，也追求同性，而且會回應同性的追求。而普通的雄果蠅不會主動追求同性，在被同性追求時會抗拒，拍著翅膀又踢又打。Gill為此把這個基因叫做fruity，即美國俚語里的“男同性戀”。

普通雄果蠅(右)追逐雌果蠅；而fru基因變異的雄果蠅追求同性，有時它們會連成一條鏈子，每一只雄蠅都追求自己前面的那只雄蠅。

　　由于fruity這個詞粗俗無禮、有歧視意味，后來布蘭代斯大學的Jeff Hall給該基因改名為fruitless，意思是“不結果子的、徒勞無益的”。這個詞比較中性，因而“政治正確”，而且縮寫仍然是fru。這個新名字還反映了變異果蠅的另一個特殊之處：它們無差別地追求異性和同性，但僅僅是追求而已，從來不跟任何對象來真的。這些果蠅可能發(fā)生了某種生理變化，只能進行求愛游戲，關鍵時刻就掉鏈子。

　　分子生物學的發(fā)展使人們得以逐漸弄清fru基因的真面目。20世紀90年代，科學家找準這個基因的位置并且克隆出了它。這個基因有14萬個堿基對，在一般只有2000個堿基對的果蠅基因中，顯得格外龐大而復雜。它影響到果蠅的很多生理功能，除了性活動，還有與性無關的功能。如果完全剔除這個基因，果蠅就會死掉。不過，使人們最感興趣的，當然還是它對行為——特別是性活動的影響。

　　
　　角色倒錯

　　在發(fā)現(xiàn)fru基因輕度變異會導致雄果蠅變成雙性戀之后，科學家又發(fā)現(xiàn)，如果它變異得更厲害，果蠅求偶行為就更混亂。該基因只在果蠅中央神經(jīng)系統(tǒng)（腦和腹神經(jīng)索）的約500個細胞里起作用，雌雄果蠅“解讀”這個基因、制造蛋白質的方式是不一樣的。斯坦福大學的Bruce Baker等人發(fā)現(xiàn)，如果使其中一些神經(jīng)細胞不能制造fru基因的“雄性版本”蛋白質，雄果蠅就會從風流浪子變成不解風情、粗魯無禮的蠢漢。

　　這些變異的果蠅跳過麻煩的步驟，匆匆忙忙地一邊唱歌、一邊舔雌性的身體，同時強行試圖交配。通常需要4分鐘的水磨工夫被縮短到10秒，結果很是不妙：交配往往不成功，即使看上去成功了，也不能使雌果蠅受精。科學家猜測，對于以繁殖為最終目標的交配行為來說，在果蠅中，是雌性的意愿在主宰一切。這些變異的雄果蠅草率的求偶行為，讓雌性覺得沒有吸引力，所以很難成功。

　　這種變異還帶來另一些有趣的變化：普通的雄果蠅是很有禮貌的，如果一只雄果蠅對一只雌果蠅展開追求，其它的雄果蠅就會知趣地讓開，讓這兩位單獨相處一會兒。但變異后的雄果蠅就全不懂這些，會有好幾只抓狂的雄果蠅同時追求一只雌果蠅。

　　在更嚴重的變異中，雄果蠅會變成性冷淡。它們外形跟普通果蠅沒有差異，也能正常飛行，但對異性基本上無動于衷，倒是對同性有點興趣。這顯示，在雄果蠅體內，fru基因不僅促使雄追雌，還會抑制雄追雄。

fru基因會在雄蠅腦部建立一個“求愛”的回路(綠色部分)，它可以使雌果蠅對同性展開追求(小圖)

　　2005年6月，奧地利科學家報告了一項更有趣、或許是決定性的實驗。維也納分子生物技術研究所的Barry Dickson及其同事發(fā)現(xiàn)，把雌果蠅的fru基因改造成雄性版本后，它們就開始向其它雌性求愛，方式跟一般的雄果蠅的那一套完全一樣——只除了最后不能來真的。這些雌果蠅對雄果蠅不感興趣，除非把雄果蠅也改造一下，讓它們釋放雌性的信息素。另一方面，如果把雄果蠅的fru基因改造成雌性版本，它們就不再追求異性，在性活動中變得被動?？茖W家還報告了果蠅腦部與這個基因有關的神經(jīng)回路，該回路在雌雄果蠅中都一樣，說明性活動差異的關鍵不在于這個回路的構造，而在于其功能。
　　

　　基因控制的行為

　　Dickson等人的這個實驗非常重要，因為他們做到了一件非常困難的事：證明一個基因與一套特定復雜行為的聯(lián)系。

　　控制產(chǎn)生特定解剖結構（比如翅膀）的基因已經(jīng)得到廣泛研究，但有關基因與行為的研究還很少，主要就是因為確定基因與行為的關系太難了。假如基因X使蒼蠅會飛，你怎樣證明呢？去掉基因X、蒼蠅就不會飛，僅僅如此的話，完全可能變成類似那樣的笑話：“砍掉蒼蠅的腿，對它吼叫，蒼蠅不會爬走，所以蒼蠅是用腿來聽的”。必須把基因X植入到不會飛的正常動物體內，如果這個動物會飛了，這才能證明X就是飛的基因。但是正常的蒼蠅都會飛，在同一物種里沒法做這樣的實驗。而在不同物種間做實驗似乎更糟糕——把飛的基因移植給老鼠，顯然并不能使老鼠會飛。

　　在同一物種內部，某種行為是一些正常動物會做、而另一些正常動物不會的，這樣的行為只能是與性別有關的行為。所以，第一個與特定復雜行為聯(lián)系上的基因，是涉及到性行為的fru基因，這并非偶然。干擾這個基因使雄果蠅不再求愛，還不能證明該基因是求愛行為的充分必要條件。經(jīng)過基因改造的雌果蠅也表現(xiàn)出求愛行為，就具有很強的說服力了。

　　科學家說，fru基因看起來是一個“開關基因”，它通過操縱許多其它基因的打開與關閉，來影響動物的行為。記者和大眾或許比較關心它涉及性活動的一面，比如把這個研究成果外推到更復雜的動物，比如說人類。但科學家更關注的是，一個基因就能對復雜行為產(chǎn)生這么大的影響，是非常令人驚奇的。類似的回路可能影響著其它行為，比如遷徙、冬眠和育兒。這些行為都很復雜，而且非正確不可，因為關系到動物本身或其后代的生存。


　　那么，另一方面，這里關于性活動和性取向的研究結果，是不是能外推呢？簡單地外推當然是不行的，越是復雜的動物，行為越容易受環(huán)境影響。有著一個大腦子、會胡思亂想許多事情的人類，就更不適用于基因決定論了。對人來說，性活動關系到愛情、痛苦、孤獨、認同感等情緒，行為異常復雜多樣。

　　但是，在某種程度上，基因仍對我們起著不可磨滅的影響。雖然人類的婚姻和愛情已經(jīng)離繁殖的原始目的越來越遠，但并沒有完全脫離，基因原始的驅動力還在那里。你看到一個不錯的姑娘，接近她，試圖引起她的注意，做出種種事業(yè)博取她的歡心，在她的窗下唱著溫柔的歌?！疲问缴袭斎缓懿灰粯?，可是骨子里也可算相通。

　　同性戀或異性戀的取向是否由基因決定，人類的情況自然也要比果蠅復雜得多?；蚝铜h(huán)境的因素，想來都是有的，但哪一樣分量更重、各因素以什么方式起作用，我們還遠遠不知道。此外，我們探求真相，并不是為了用生物規(guī)律來對人類行為進行價值判斷。以一定程度上擺脫生物本能控制為傲的我們，有理由認為，不論性取向的根源何在，大家心平氣和地平等相待，能夠構筑一個更和睦、更少悲劇的社會。




　　Barry Dickson實驗室網(wǎng)站

任明武

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雨寒

精彩