26
2019
03

棕色大熊猫变色之谜

作者:王振来源:蝌蚪五线谱

最近,英国《每日邮报》刊发了一只叫“七仔”的棕色大熊猫的照片,引起了境外媒体的“惊呼”,也再次让网友们欣慰:大熊猫终于可以拍张彩色照片了!

  其实,这并不是人类第一次发现棕色大熊猫。截至目前,有科学记载以来,世界上一共有五次发现棕色大熊猫的明确记录。而没有明确记载的还有很多次。事实上,自然界中不但有棕色大熊猫,在大熊猫的重要栖息地之一——陕西佛坪,人们还曾发现过白色大熊猫。这只萌物,除了眼圈和四肢是黑色,身体其他部分都是白色。可见,大熊猫的颜色并不是唯一的。

图为“七仔”在陕西省珍稀动物繁育研究救护中心的成长照片

  大熊猫不一直都是黑白标准照,为什么会出现其他颜色呢?对此,科学家还没有给出明确的结论,不过,我们可以从哺乳动物毛色决定和影响的角度,对这件事进行探究。

目前,大家对此事的推测主要有三种。一是秦岭当地的水源、气候、土壤等条件影响了大熊猫黑色素的合成。但是这样的话,理论上大熊猫的毛色应该是从白色到黑色过渡。而显然并没有。

也有人认为,这是基因突变所致。我们知道,野生大熊猫数量稀少,尤其是这些棕色熊猫的发现地秦岭,当地大熊猫种群小而孤立,据估计总量在200到300之间,至今却已经多次发现棕色大熊猫。突变几率过大,显然也不太可能。

“丹丹”是有科学记载的第一只被发现的棕色大熊猫,被发现时,卧在地上

棕色熊猫“丹丹”与“弯弯”喜结良缘。丹丹生下3只正常颜色的后代,不过都不幸夭折

  还有一种说法是认为,这些“彩色”熊猫可能是一种特殊的隐性基因纯合造成的。我们认为,这个假设可以再往前推进一点,即大熊猫变成棕色很可能是因为白化病。为什么这么说呢?

为什么没有蓝色的哺乳动物?

我们知道,毛发颜色是一种遗传特征。虽然哺乳动物毛色多样,但其实控制者只有一种色素,也就是黑色素。如果要进一步细化,也可以说是两种,真黑色素和褐黑色素。前者表现为黑色或者褐色,后者表现为红色或者黄色。所以,你就很容易理解,为什么自然界中没有绿色或者蓝色的哺乳动物了。当然,蓝绿色的鸟类是有的,比如小蓝金刚鹦鹉、蓝松鸦、蓝鹭等。

大蓝鹭

小蓝金刚鹦鹉

  虽然哺乳动物身上的色素只有两种,但真黑色素和褐黑色素以不同的比例搭配,就能让动物们的具体毛色各不相同了。它们可以为动物“调制”出棕色、银灰色、黄褐色、红色等等几十种不同的毛色。虽然颜色表现不同,单真黑色素和褐黑色素都是由酪氨酸和苯丙氨酸转化而来。

真黑色素与褐黑色素产生的调控模式示意图

  上图中的英文字母,每一组都代表一种基因的名字。图中右侧的路径,则为从酪氨酸到黑色素的合成过程。相比较人类对基因的了解,科学家对黑色素的合成路径研究已经相当成熟。要弄明白黑色素的合成过程,我们首先要认识黑色素细胞。

黑色素细胞来源于黑色素母细胞,起源于动物躯干中的神经嵴细胞。当黑色素母细胞迁移到真皮和表皮后,即开始向黑色素细胞分化。分化完成后,黑色素细胞再迁移入毛发中。

黑色素是在黑色素细胞里的黑色素小体中合成的。这个合成过程中,除了三种酶蛋白——酪氨酸酶(TYR)、酪氨酸酶相关蛋白 1(TYRP 1)和酪氨酸酶相关蛋白 2(TYRP 2),——是必选项,还需要很多蛋白质参与其中,起调节作用。缺失任何一种,都可能导致合成异常。

首先,酪氨酸被TYR催化生成3,4-二羟基丙苯氨酸也就是多巴,然后进一步被TYR氧化成多巴醌,再经过聚合氧化等反应生成多巴色素。此时仍是无色。TYRP 2将多巴色素氧化成5,6-二羟基吲哚-2-羧酸,又在TYRP 1催化下生成5,6-吲哚醌羧酸。这时已经变成了一种褐色物质。之后再被TYR催化成5,6 吲哚醌,这就变成了一种黑色到深褐色的物质。5,6-吲哚醌和 5,6-吲哚醌羧酸都被称为真黑色素。

褐黑色素合成的前半段与真黑色素相同。在合成吲哚醌后,半胱氨酸(Cys)参与了合成,反应形成半胱氨酸多巴和半胱氨酸多巴醌,最后经脱羧反应变成苯丙氨酸-羟基-苯井噻嗪衍生物。然后还要经历一系列反应,才能生成褐黑色素。谷胱甘肽可以代替半胱氨酸形成谷胱甘肽多巴,在谷氨酞转肽酶作用下,转化为半胱氨酸多巴。

黑色素的生成过程

哺乳动物的毛色就由这两种色素控制。而鸟类的黑褐色也是来源于此。这两种色素的比例塑造了具体的颜色,而它们的比例,又由TYR的活性控制。活性高,产生的真黑色素就多。而活性低时,过量的谷胱甘肽会引导生成褐黑色素。

酪氨酸酶是一种蛋白质。它在糙面内质网合成后,转入高尔基体折叠,然后才能进入黑色素小体合成黑色素。在本质上,黑色素也是一种蛋白质。既然是蛋白质就一定要受到中心法则控制。因此,基因才是这一切的根源。与黑色素有关的基因为数众多。如MC1R 基因、Agouti 基因、TYR 基因、Silv 基因、MITF 基因、KIT 基因等。除此之外,由于黑色素分泌的影响因素众多,性别、年龄、光照、饮食等等各方面都会对黑色素产生影响,所以有影响的基因也非常多。具体的基因作用,由于本文并非分析基因的文章,故不再赘述。

基因在哺乳动物黑色素合成中的影响和作用

哺乳动物为何恋上了白化病?

在动物界,白化病的发病率很高。人类也未能幸免。在我国,白化病的患病率大约是0.0057%,这意味着,10万人里就有5个会得此病。遗憾的是,关于动物的白化病发病情况,目前还没有具体研究,我们无从知晓哺乳动物白化病的具体发病率。但从近年来的新闻中对白化动物的报道来看,动物患白化病的几率还是比较高的。

自然界中的白化动物,从左到右、从上到下依次为:孔雀、鳄鱼、刺猬、树袋熊、袋鼠、松鼠

  白化病的发病原因,通常是与酪氨酸酶有关的基因产生突变,真黑色素合成不良。在黑色素细胞发生到黑色素合成里的任何一个环节出现问题,都会导致白化。

白化病是一种隐性基因造成的疾病。相对于正常毛色,控制白化病的都是隐性基因。这样就可以解释为什么棕色大熊猫的后代是黑白色的。因为其后代理论上应该是杂合子。但是,目前还没有观察到棕色大熊猫子三代的繁殖情况。所以还不能完全确定。

根据对白化高原鼠兔正交、反交、测交的研究,科学家发现其白化基因位于常染色体。将野生高原鼠兔和白化种进行对比,科学家发现有如下不同:

毛色:野生为灰褐色,白化为纯白色;

产仔率:野生较高,白化略低;

性情:白化高原鼠兔更温驯;

体重和体长:白化的都略胜出;

眼睛:野生为黑色,白化为红色。

高原属兔

  由于鼠兔的眼睛虹膜颜色和毛色是连锁的,这足以证明控制它们的基因是位于同一个染色体上的。同为哺乳动物,大熊猫白化病患者的情况和鼠兔也类似。相关的隐性遗传基因必然也是位于常染色体上。

截至目前,在对动物白化病的研究中,科学家对白化小鼠的关注是最多的。在小鼠体内,与白化病有关的基因有abcd四种。其中abc三种基因具有支配性,各自在不同的染色体上。当c基因为隐性纯合的cc时,可以遮盖任何其他基因的色素效果。A一B一C一D为野生色,A一bb一C一D为桂皮色,aa一B一C一D为黑色,aa一bb一C一D为棕色。野生小鼠就是灰褐色的。

在鱼类中同样有白化病。鱼类有三种色素细胞:黑色素细胞、黄色素细胞和银白色素细胞。对于鱼类来说,白化就意味着发生更多疾病和失去保护色,生存能力大大降低。而在哺乳动物中,这一点并不明显,人类的白化病也不一定会引起其他疾病。

珍珠龙胆石斑(白化突变体色)

  引起鱼类白化的原因很多,它们不但可以受遗传基因突变影响发生白化,还会因为环境营养等因素而白化。甚至不同的饵料,维生素的缺乏与过量,光照、水量和重金属都可能成为导致鱼类白化的罪魁祸首。而哺乳动物中,这些环境因素的影响就比较轻。

在文首我们提到过,与小鼠一样,大熊猫也存在白色品种。在陕西佛坪发现的白色大熊猫,除了眼圈和四肢为黑色,从耳朵到肩胛骨,直到整个躯体,都是白色的。白色大熊猫的毛色还略带淡黄。研究表明,白色、全棕色、棕白色三种毛色都可能是白化病的一种。棕色就意味着真黑色素分泌的减少甚至不分泌,而褐黑色素分泌增加。通过图片,我们可以看到,棕白色大熊猫的毛色是偏向棕红的。由小鼠的突变可以推知,全棕色大熊猫应该也产生了两个或者两个以上的突变。而棕白色可能是一个突变,白色应该也是两个以上的突变所致。

七仔

  棕白色大熊猫看起来似乎比黑白色的还可爱,那张温驯的脸总是带着笑意。所幸这些疑似白化病患者没有天敌,所以并没有受到什么伤害。

额,想拍张彩照还得得白化病……我再好好考虑一下吧

  大熊猫因为白化病的缘故,而能拍彩色照片了,你觉得这是个好消息吗?

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