虎斑猫身上的虎斑纹是如何形成的？

家猫身上独特的斑纹从何而来？科学家研究了猫科动物胚胎，得出了惊人的结论。

美国的宠物猫数量近6000万只，标准条纹虎斑猫尤其受欢迎。摄影：AL PETTEWAY AND AMY WHITE, NAT GEO IMAGE COLLECTION

撰文：JOANNA KLEIN

美国共有近6000万只宠物猫，标准虎斑猫是最常见的一种。它们的皮毛上有条纹、圆点和漩涡图案，额头上有“M”字样。

虽然虎斑猫（比如著名的加菲猫）很受欢迎，但科学家对它们为何拥有如此独特的毛色却知之甚少。

在发表于本周《自然通讯》的一项研究中，科学家报告称，在猫的皮毛发育之前，胚胎皮肤细胞中决定虎斑图案的基因就已被激活。在显微镜下，早期皮肤细胞甚至模拟出了虎斑条纹，科学家从未在胚胎细胞中见过这种情况。

研究作者推测，这一独特的遗传过程可能与野生猫科动物身上条纹和斑点的产生机制相同。”“虎斑猫”（tabby）一词来自“al-‘Attābiyya”，这是16世纪巴格达的一个地区，出产精美的条纹状塔夫绸。但斑纹本身可能源于家猫的直系祖先，即带有斑纹的近东野猫。

“多了解一点世界，我们就会产生一种满足感，”研究负责人Greg Barsh说，他是阿拉巴马州亨茨维尔的哈德逊阿尔法生物技术研究所的研究员。这一发现也同样令人感到惊奇，他说：“生物学反复利用同样的工具，因此很少出现无法解释很多其他情况的现象。这次可能也是这样。”

家猫的颜色和图案背后的遗传学一直是科学家感兴趣的话题。例如，查尔斯·达尔文提出，大多数耳聋的猫都是长着蓝眼睛的白猫。他说，在进化过程中，物种有时会产生无关紧要的变化，比如毛发颜色，因为它们与其他更有用的变化有关。

他还补充说，有些变化甚至看不见。虽然达尔文没有学过现代遗传学，但事实证明他是对的：确实存在遗传性基因异常。

不同斑纹的细胞

在经过伦理批准的研究方案中，Barsh和同事收集了近1000个原本打算被丢弃的胚胎。它们来自兽医诊所被切除卵巢的野猫，很多野猫在送来时已经怀孕。

团队里的资深科学家Kelly McGowan借助显微镜，检查了25到28天的胚胎的皮肤细胞，她注意到皮肤较厚的区域中散布着较薄的区域，形成了暂时颜色图案，就像成年虎斑猫的毛色。

令她非常惊讶的是，在胚胎发育的早期阶段就出现了这样的图案，远远早于毛囊和色素的出现，而后者是动物毛色的关键因素。

为了进一步观察，研究团队分析了胚胎的单个皮肤细胞，发现有两种类型，每种都表达了不同的基因。其中，差别最大的基因被科学家命名为“DKK4”（Dickkopf WNT Signaling Pathway Inhibitor 4）。

他们观察了约20天的胚胎细胞如何进行表达，发现参与的细胞是几天后形成厚皮肤的那些。

Barsh解释说，DKK4也是一种信使蛋白，被称为“分泌型分子”；它向周围细胞发出信号，仿佛在说：“你是特别的。你这里将会长出深色毛发。”

虎斑猫的斑纹源于家猫的直系祖先：近东野猫。
摄影：TODD GIPSTEIN, NAT GEO IMAGE COLLECTION

当一切按计划进行，携带DKK4的细胞最终变成虎斑猫身上的暗色斑纹。但突变经常发生，带来了其他毛色和图案，比如白色斑点或细条纹。色素沉着也会有影响：例如，当原本产生各种颜色的色素细胞只产生深色色素时，我们就会得到一只黑猫。

自发形成的图案

为了找出这些细胞如何形成猫身体上的斑纹，研究团队求助了计算机科学家、数学生物学创始人艾伦·图灵。1952年，图灵用一种方法，从数学角度解释了这些图案如何在自然界自发形成。

他的理论被称为“反应扩散”，可以预测在分子存在的情况下（在猫身上，是基因产生的分子），系统在发展过程中如何进行自我组织，它们（活化因子和抑制因子）以不同的速度扩散，从一个细胞移动到另一个。如果抑制因子比活化因子的扩散速度更快，那么从数学角度来看，系统会进行自我清理。在虎斑猫身上，抑制因子是基因DKK4，而活化因子未知。

图灵不知道活化因子和抑制因子是什么，甚至不知道它们的存在。但70年后，包括虎斑猫的发现在内，很多现象证明图灵是正确的。

“我们通常认为，在发育过程中，细胞四处移动，但它们很早就以这种三维方式，用厚度决定了斑纹……这真的很厉害，”Elaine Ostrander说。她在马里兰州国家卫生研究院国家人类基因组研究所，负责研究家犬的遗传学。

Ostrander没有参与此次研究，她补充说，分析单个细胞“可以梳理不同过程，所有这一切对于虎斑猫的斑纹来说，都很重要。”

现在，Barsh的团队认为猫的颜色图案生成有两个过程：首先，皮肤细胞决定了斑纹图案的深浅；然后，毛囊生长，产生色素。

通过分析这些过程在其他动物身上的情况，以及为什么有的动物有斑纹，有的动物却没有，研究团队希望了解颜色图案随时间推移的进化过程。Barsh说，他们甚至可能发现与毛色无关的因素，就像达尔文所说的无形的变化。

（译者：Sky4）