藍(lán)頭瀨魚的加勒比海巖礁魚如何從雌性轉(zhuǎn)變成雄性的

對(duì)于大多數(shù)動(dòng)物來(lái)說(shuō)，雌雄性別在出生時(shí)就是固定的，而且終生都會(huì)維持一種性別。不過(guò)也有例外，對(duì)于一些魚來(lái)說(shuō)，變性就像家常便飯一樣簡(jiǎn)單。

近日發(fā)表在《科學(xué)發(fā)展》雜志上的一項(xiàng)新研究就揭示了一種名為藍(lán)頭瀨魚的加勒比海巖礁魚如何從雌性轉(zhuǎn)變成雄性的。

為帶領(lǐng)族群挺身而出的雌性

藍(lán)頭瀨魚是一種群居性魚類，通常是一只個(gè)頭較大的雄性(頭部呈現(xiàn)藍(lán)色)統(tǒng)領(lǐng)著一群亮黃色的雌性。如果占統(tǒng)治地位的雄性被捕食者吃掉或老死之后，體型最大的雌性個(gè)體會(huì)馬上開始改變性別來(lái)承擔(dān)族群領(lǐng)導(dǎo)者的角色。

這一變化過(guò)程可以說(shuō)相當(dāng)迅速。失去雄性后的幾分鐘內(nèi)，體型最大的雌性個(gè)體就會(huì)開始承擔(dān)起統(tǒng)領(lǐng)族群的責(zé)任，積極捍衛(wèi)自己群體的領(lǐng)地，并向其它的雌性求愛。幾小時(shí)后，它就會(huì)開始變色，10天后，它的卵巢就會(huì)轉(zhuǎn)變成睪丸。整個(gè)性別轉(zhuǎn)變過(guò)程就完成了，它就以雄性的身份繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)著自己的族群。

這項(xiàng)新研究的合著者，新西蘭奧塔哥大學(xué)的分子生態(tài)學(xué)家艾麗卡·托德(Erica Todd)聲稱，這種魚完美的進(jìn)化出了性別轉(zhuǎn)換的能力。它們能夠在很小的時(shí)候以雌性的身份繁殖，改變性別之后又能夠成功地以雄性身份進(jìn)行繁殖。

困惑了科學(xué)家數(shù)十年的變性之謎

盡管多年的研究已經(jīng)讓科學(xué)家們了解了藍(lán)頭瀨魚和其它一些魚類的這種性別轉(zhuǎn)變能力，但他們不明白它們實(shí)現(xiàn)這種變化遵循的是什么機(jī)制。托德聲稱：“這是一個(gè)困惑了我們幾十年的謎題。”

為了解開這個(gè)謎團(tuán)，研究人員將佛羅里達(dá)州基拉戈海域附近幾個(gè)藍(lán)頭瀨魚魚群中占統(tǒng)治地位的雄性個(gè)體帶走。然后，他們分析了藍(lán)頭瀨魚在從雌性向雄性轉(zhuǎn)化過(guò)程中，卵巢、睪丸和大腦的基因活動(dòng)。他們將這種會(huì)改變性別的個(gè)體與性別固定的雄性和雌性個(gè)體進(jìn)行了比較。

這種性別變化本質(zhì)上是由基因引起的

雖然研究人員沒有發(fā)現(xiàn)這些改變性別個(gè)體的大腦有什么顯著的不同，但是他們發(fā)現(xiàn)，一旦占主導(dǎo)地位的雄性個(gè)體離開之后，這些替代者的生殖腺就會(huì)發(fā)生迅速而戲劇性的變化。第一個(gè)也是最引人注目的變化是芳香酶基因，這種基因肩負(fù)著制造雌性激素的責(zé)任。當(dāng)雌性開始改變性別時(shí)，芳香酶基因會(huì)被關(guān)閉，因此它們體內(nèi)只產(chǎn)生雄性激素。

此前的研究表明，一種名為皮質(zhì)醇的應(yīng)激激素可以改變基因活性，并引發(fā)魚類的性別變化。研究人員認(rèn)為，“失去”保護(hù)群體的雄性領(lǐng)導(dǎo)者所產(chǎn)生的壓力，可能會(huì)觸發(fā)雌性體內(nèi)皮質(zhì)醇的釋放，并停止釋放維持卵巢正常運(yùn)作的信號(hào)。

相同基因的不同進(jìn)化命運(yùn)

事實(shí)上，其它基因也在這一過(guò)程中有著令人驚奇的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，在3億年前大多數(shù)魚類的祖先都有比現(xiàn)在的魚多一倍的基因，這種現(xiàn)象被稱為全基因組復(fù)制。西班牙海洋研究所的分子生物學(xué)家勞拉·卡薩斯(Laura Casas)稱，這意味著它們的每個(gè)基因都有兩個(gè)。

一開始每個(gè)基因與副本都是完全相同的，但是后來(lái)它們?cè)庥隽瞬煌倪M(jìn)化命運(yùn)。最常見的是其中一個(gè)基因失去作用。但在某些情況下，它們會(huì)獲得了一種新的功能，這也是foxl2和wnt4兩種基因所發(fā)生的變化。

研究小組發(fā)現(xiàn)，雌性藍(lán)頭瀨魚通常會(huì)保持其中一個(gè)基因的活性，幫助它們維持卵巢正常工作，另一個(gè)并不活躍。但是當(dāng)雌性開始改變性別時(shí)，活躍的那個(gè)基因被關(guān)閉，而另一個(gè)基因副本被激活用來(lái)發(fā)育睪丸。

卡薩斯稱，雖然這并不是首次發(fā)現(xiàn)基因與副本之間有著完全不同的職責(zé)，但這是首次發(fā)現(xiàn)在雌雄同體的魚身上，雌性體內(nèi)的基因如何重新利用來(lái)實(shí)現(xiàn)性別的變化。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)可能有助于解釋為什么魚類比其它脊椎動(dòng)物更容易改變性別。

DNA

研究小組還對(duì)控制基因開啟和關(guān)閉的機(jī)制進(jìn)行了探索，特別是在甲基化過(guò)程中附著在DNA上的那些微小化學(xué)標(biāo)簽。托德稱：“這些甲基化標(biāo)記在變性過(guò)程中會(huì)被積極地移除和替換掉。”

卡薩斯表示，當(dāng)前全球變暖的背景下，發(fā)現(xiàn)DNA甲基化參與了這一變性過(guò)程顯得尤其重要。她聲稱，溫度的升高會(huì)影響DNA的甲基化過(guò)程，也會(huì)影響其它物種的性別，因此海洋溫度升高可能會(huì)改變那些性別變化魚類的表觀遺傳標(biāo)記。”

卡薩斯認(rèn)為這是一項(xiàng)非常出色的研究，但是在她看來(lái)，將這一研究結(jié)果推廣到其它物種之前，還需要進(jìn)行更多的研究。例如，《海底總動(dòng)員》的主角——小丑魚，但它們是從雄性變成雌性，而且它們的解剖結(jié)構(gòu)和分子機(jī)制與藍(lán)頭瀨魚略有不同。

托德和她的同事計(jì)劃對(duì)其它物種性別變化的分子機(jī)制進(jìn)行研究，比如說(shuō)斑點(diǎn)魚。斑點(diǎn)魚原產(chǎn)于新西蘭，與藍(lán)頭瀨魚的性別變化靈活性相似。她和她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地將這些魚圈養(yǎng)起來(lái)，所以他們計(jì)劃操縱這些魚體內(nèi)的DNA甲基化，看看它們能否阻止性別變化。

托德聲稱：“研究魚類如何改變性別可能會(huì)讓我們更多地了解這些復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)如何相互作用的，以及如何影響和維持它們的性別。當(dāng)然我們所要研究的目標(biāo)并不僅僅是魚類，還有其它脊椎動(dòng)物。”

氣候變化給物種性別帶來(lái)的影響

動(dòng)物的性別變化除了天生，還有后天的影響，比如說(shuō)除草劑以及氣候變暖等外在因素導(dǎo)致的性別變化。其中最突出的就是青蛙、松獅蜥和綠海龜。

青蛙性別變化的幕后黑手就是一種常見的除草劑——阿特拉津。這種除草劑能夠流入到河流和湖泊中，給青蛙的發(fā)育造成危害，在抑制睪丸素分泌的同時(shí)增加雌性激素的分泌。這也導(dǎo)致越來(lái)越多的雄性青蛙正在變成雌性，而且發(fā)育出了功能完善的生殖器官。

松獅蜥是一種討人喜愛的澳大利亞動(dòng)物，它們是在卵中進(jìn)行性別轉(zhuǎn)換的。有研究表明，當(dāng)在孵化期遭遇氣溫上升時(shí)，雄性松獅蜥通常會(huì)逆轉(zhuǎn)發(fā)育過(guò)程變成雌性。但也不是完全的轉(zhuǎn)變，它們事實(shí)上仍然保留了雄性的基因，但卻像雌性一樣活動(dòng)和繁殖。

綠海龜?shù)呐咛ヒ矊?duì)溫度非常敏感。龜?shù)八幧碁┑臏囟仍礁撸菩缘姆趸瘮?shù)量就越多。有研究表明，澳大利亞大堡礁附近海灘孵化的綠海龜，有99.8%是雌性。在更涼爽的南部海灘，雌性的孵化比例為65%。研究人員推斷，如果雌性太多就可能出現(xiàn)“僧多肉少”的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致海龜種群崩潰。