蛇的顏色圖案是怎麼從斑點轉變成條紋的？動物們著裝的秘密：擴散電泳增強圖靈模式（snake）

寵物在我們的生活中越來越常見 從淵源流長的貓和狗 到現在的蛇類等衆多爬行動物 我們身邊的寵物變得越來越多樣 而爲了滿足人們的需求 在自然選擇之外 人工選擇的大手開始發威 形態多樣 色彩斑斕的蛇類就此誕生 那麼這些寵物蛇們是怎麼變得豐富多彩呢 2024年9月3日 通過研究玉米蛇的水墨石變種 學者們發現 前黑色素體蛋白參與了蛇的顏色圖案 從斑點到條紋的轉變 野生玉米蛇的特徵是橙色背景上 帶有紅色的背部和側面斑點 以黑線爲界 眼睛的黑色瞳孔則被紅色的紅膜包圍 玉米蛇的水墨石變種則不同 其皮膚圖案是以條紋而非斑點爲特徵 那麼這種變化是怎麼產生的呢 通過對基因組突破的研究 文章作者發現 前黑色素體蛋白基因的編碼區 存在着破壞性的突變 轉錄組分析進一步表明 前黑色素體蛋白 在玉米蛇水墨石變種的胚胎組織中 顯著的下調 爲了驗證自己的結論 文章作者配育出了 前黑色素體蛋白基因 消除的玉米蛇 它們呈現出了與玉米蛇水墨石變種 相似的顏色表型 並在其黑色素體和黃素體的亞細胞結構 也受到了類似的影響 而對野生型胚胎背部皮膚的單細胞表達分析則表明 它的所有色素細胞組細胞 均以不同的水平表達了前黑色素體蛋白 就此我們可以推導出 蛇類從斑點轉變爲條紋的過程 在野生的玉米蛇胚胎中 表達前黑色素體蛋白的細胞最初均勻分佈 然後形成聚集體 並最終形成斑點 這就是我們在成年玉米蛇個體中看到的那樣 而在玉米蛇水墨石變種的胚胎中 聚集體無法形成 所以玉米蛇水墨石變種的皮膚圖案 就以條紋而非斑點作爲特徵了 其實不止蛇類 大自然中有着豐富多彩的圖案 從豹子的斑點到斑馬的條紋 還有色彩斑斕的熱帶魚們都是大自然的傑作 這是它們僞裝自己或者吸引配偶的重要手段 那麼這些動物們是怎麼獲得這些條紋和斑點的呢 2023年11月8日 科羅拉多大學博爾德分校的研究人員給出瞭解釋 從遺傳學的角度來看 這些斑點和條紋是基因編碼的結果 但是這種解釋只給了來源 並不能描繪出這些斑點和條紋的形成過程 其實啊 爲了解答這個疑惑 在DNA雙螺旋結構被發現之前 圖靈就提出了一個關於動物如何獲得圖案的大膽的假說 它們會產生化學質劑 這些物質會通過組織擴散 就像把牛奶添加到咖啡中去 一些試劑相互反應形成斑點 其他的則抑制藥劑的擴散和反應 在斑點之間形成空間 就這樣無需複雜的遺傳操控 簡單的反應擴散模型就能夠形成動物們的圖案和斑點 但是在後續的研究中 工程師們發現圖靈的這個機制確實可以產生圖案 但是擴散不會產生清晰的圖案 當牛奶擴散到咖啡中時 它會以模糊的輪廓向各個方向流動 而現在各類動物身上的圖案是清晰的 比如說香豚就有個尖銳的圖案 它有一個紫色點組成 周圍有一個明顯的六邊形黃色輪廓 這可不是簡單的擴散能繪出來的 這背後顯然還有別的機制在操縱 工程師們聯想到了計算機模擬中的一種機制 當分子響應濃度差異等變化 而在液體中移動時 就會發生擴散電湧 並加速同一環境中其他類型分子的移動 我們的衣服就是這麼洗乾淨的 舉個例子 用清水漂洗肥皂浸泡的衣服 比用肥皂水漂洗能更快的去除污垢 這是因爲當肥皂從植物中擴散到肥皂濃度較低的水中時 肥皂分子運動會吸出污垢 而當衣服放入肥皂水中時 由於肥皂的濃度沒有差異 污垢就會留在原處 而當化學試劑像圖靈所描述的那樣 通過組織擴散時 它們也可以利用通過擴散電湧拖拽產生色素的細胞 就像肥皂從衣物中去除污垢一樣 這些色素細胞形成了輪廓更清晰的斑點和條紋 就此 動物們身上就有了清晰的斑點條紋還有圖案了