家猫身上独特的斑纹从何而来？科学家们研究了猫科动物的胚胎并得出了令人惊讶的结论。
美国有近6000万只宠物猫，尤其是标准条纹虎斑猫。摄影：ALPETTEWAY和AMYWHITE，NATGEOIMAGECOLLECTION
撰文：JOANNAKLEIN
美国有近6000万只宠物猫，标准虎斑猫是最常见的品种。他们的皮毛上有条纹、圆点和漩涡图案，额头上有一个“M”字样。尽管虎斑猫很受欢迎，比如著名的加菲猫，但科学家们对它们为什么有如此独特的毛色知之甚少。
在本周《自然通讯》发表的一项研究中，科学家报告说，在猫的皮毛发育之前，负责虎斑图案的基因在胚胎皮肤细胞中被激活。在显微镜下，早期的皮肤细胞甚至可以模仿虎斑条纹，这是科学家在胚胎细胞中从未见过的。
研究作者推测，这种独特的遗传过程可能与在野猫身上产生条纹和斑点的过程相同。“tabby”（tabby）一词来自“al-'Attābiyya”，这是16世纪巴格达的一个出产细条纹塔夫绸的地区。但虎斑本身可能源自家猫的直系祖先，即带状斑纹近东野猫。阿拉巴马州亨茨维尔的哈德逊阿尔法生物技术研究所。这一发现同样令人惊讶，他说：“生物学一遍又一遍地使用相同的工具，因此很少有现象无法解释许多其他情况。这可能是这次也一样。
家猫的颜色和图案背后的遗传学一直是科学家们感兴趣的话题。例如，查尔斯达尔文提出大多数聋猫是蓝眼睛的白猫。他说在进化过程中，物种有时会产生无关紧要的变化，例如头发的颜色，因为它们与其他更有用的变化有关。
他还补充说，有些变化甚至是看不见的。虽然达尔文没有学习现代遗传学，但事实证明他是对的：遗传基因异常确实存在。
不同条纹的细胞
在一项伦理学批准的研究方案中，Barsh及其同事收集了将近1,000个本应被丢弃的胚胎。他们从兽医诊所为野猫绝育，其中许多在分娩时已经怀孕。
资深科学家KellyMcGowan使用显微镜检查了25至28天大的胚胎的皮肤细胞，她注意到较厚的皮肤区域散布在较薄的区域，形成临时的颜色图案，就像成年人一样。虎斑猫的毛色。令她大吃一惊的是，这种图案出现在胚胎发育的早期，远早于毛囊和色素的出现，而毛囊和色素是决定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中的单个皮肤细胞，发现有两种类型，每种类型表达不同的基因。其中差异最大的基因被科学家命名为“DKK4”（DickkopfWNTSignalingPathwayInhibitor4）。
他们观察了第20天左右的胚胎细胞如何表达它，发现涉及的细胞是几天后形成厚皮的细胞。
DKK4也是一种信使蛋白，被称为“分泌分子”，Barsh解释说；它向周围的细胞发出信号，就好像在说，“你很特别。你的头发会变黑。””
虎斑猫的斑纹来源于家猫的直系祖先：近东野猫。
摄影：TODDGIPSTEIN，NATGEO图片合集
当一切按计划进行时，携带DKK4的细胞最终变成了虎斑猫的深色斑纹。但是经常会发生突变，带来其他毛色和图案，例如白色斑点或细条纹。色素沉着也起着一定的作用：例如，当原本会产生所有颜色的色素细胞只产生深色色素时，我们得到了一只黑猫。
自发形成的图案
为了找出这些细胞是如何形成猫的标记的，研究团队求助于计算机科学家和数学生物学创始人艾伦·图灵。1952年，图灵用一种方法从数学上解释了这些模式是如何在自然界中自发形成的。
他的理论称为“反应扩散”，预测系统如何在存在分子（在猫中，由基因产生的分子）的情况下在发育过程中自我组织，这些分子（激活因子和抑制因子）以不同的速度扩散，从一个移动细胞到另一个。如果抑制因子比激活因子扩散得更快，那么从数学上讲，系统会自行清理。在虎斑猫中，抑制因子是基因DKK4，而激活因子未知。
图灵不知道激活剂和抑制剂是什么，甚至不知道它们的存在。但70年后，包括虎斑猫的发现在内的许多现象证明了图灵是对的。
“我们通常认为，在发育过程中，细胞会四处移动，但它们很早就以这种三维方式进行，用厚度来确定标记……这真的很强大，”伊莱恩·奥斯特兰德(ElaineOstrander)说。她在马里兰州国立卫生研究院的国家人类基因组研究所研究家犬的遗传学。
Ostrander没有参与这项研究，他补充说，分析单个细胞“可以梳理出不同的过程，所有这些对于虎斑标记都很重要。”
现在，Barsh的团队认为猫的颜色图案是由两个过程产生的：首先，皮肤细胞决定图案的深浅；然后，毛囊生长，产生色素。
通过分析这些过程如何在其他动物身上发挥作用，以及为什么有些动物有条纹而有些没有，研究团队希望了解颜色图案是如何随时间演变的。他们甚至可能会发现与毛色无关的因素，达尔文称之为隐形变化，巴尔什说。
（译者：Sky4）
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