魚中花木蘭!雄性死亡,雌性藍頭瀨魚 臨危受命變身男兒領導族群

魚中花木蘭!雄性死亡,雌性藍頭瀨魚 臨危受命變身男兒領導族群

對於大多數動物來說,雌雄性別在出生時就是固定的,而且終生都會維持一種性別。不過也有例外,對於一些魚來說,變性就像家常便飯一樣簡單。近日發表在《科學發展》雜誌上的一項新研究就揭示了一種名為藍頭瀨魚的加勒比海岩礁魚如何從雌性轉變成雄性的。

為帶領族群挺身而出的雌性

藍頭瀨魚是一種群居性魚類,通常是一隻個頭較大的雄性(頭部呈現藍色)統領著一群亮黃色的雌性。如果占統治地位的雄性被捕食者吃掉或老死之後,體型最大的雌性個體會馬上開始改變性別來承擔族群領導者的角色。

這一變化過程可以說相當迅速。失去雄性後的幾分鐘內,體型最大的雌性個體就會開始承擔起統領族群的責任,積極捍衛自己群體的領地,並向其它的雌性求愛。幾小時後,它就會開始變色,10天後,它的卵巢就會轉變成睪丸。整個性別轉變過程就完成了,它就以雄性的身份繼續領導著自己的族群。

這項新研究的合著者,紐西蘭奧塔哥大學的分子生態學家艾麗卡‧陶德(Erica Todd)聲稱,這種魚完美的進化出了性別轉換的能力。它們能夠在很小的時候以雌性的身份繁殖,改變性別之後又能夠成功地以雄性身份進行繁殖。

困惑了科學家數十年的變性之謎

儘管多年的研究已經讓科學家們瞭解了藍頭瀨魚和其它一些魚類的這種性別轉變能力,但他們不明白它們實現這種變化遵循的是什麼機制。陶德聲稱:「這是一個困惑了我們幾十年的謎題。」

為瞭解開這個謎團,研究人員將佛羅里達州基拉戈海域附近幾個藍頭瀨魚魚群中占統治地位的雄性個體帶走。然後,他們分析了藍頭瀨魚在從雌性向雄性轉化過程中,卵巢、睪丸和大腦的基因活動。他們將這種會改變性別的個體與性別固定的雄性和雌性個體進行了比較。

雌性藍頭瀨魚堪稱魚中花木蘭 臨危受命變男兒身

這種性別變化本質上是由基因引起的

雖然研究人員沒有發現這些改變性別個體的大腦有什麼顯著的不同,但是他們發現,一旦占主導地位的雄性個體離開之後,這些替代者的生殖腺就會發生迅速而戲劇性的變化。第一個也是最引人注目的變化是芳香酶基因,這種基因肩負著製造雌性激素的責任。當雌性開始改變性別時,芳香酶基因會被關閉,因此它們體內只產生雄性激素。

此前的研究表明,一種名為皮質醇的應激激素可以改變基因活性,並引發魚類的性別變化。研究人員認為,「失去」保護群體的雄性領導者所產生的壓力,可能會觸發雌性體內皮質醇的釋放,並停止釋放維持卵巢正常運作的信號。

相同基因的不同進化命運

事實上,其它基因也在這一過程中有著令人驚奇的作用。研究人員發現,在3億年前大多數魚類的祖先都有比現在的魚多一倍的基因,這種現象被稱為全基因組複製。西班牙海洋研究所的分子生物學家勞拉‧卡薩斯(Laura Casas)稱,這意味著它們的每個基因都有兩個。

一開始每個基因與副本都是完全相同的,但是後來它們遭遇了不同的進化命運。最常見的是其中一個基因失去作用。但在某些情況下,它們會獲得了一種新的功能,這也是foxl2和wnt4兩種基因所發生的變化。

研究小組發現,雌性藍頭瀨魚通常會保持其中一個基因的活性,幫助它們維持卵巢正常工作,另一個並不活躍。但是當雌性開始改變性別時,活躍的那個基因被關閉,而另一個基因副本被誘發用來發育睪丸。

卡薩斯稱,雖然這並不是首次發現基因與副本之間有著完全不同的職責,但這是首次發現在雌雄同體的魚身上,雌性體內的基因如何重新利用來實現性別的變化。這項新發現可能有助於解釋為什麼魚類比其它脊椎動物更容易改變性別。

雌性藍頭瀨魚堪稱魚中花木蘭 臨危受命變男兒身

DNA的甲基化過程

研究小組還對控制基因開啟和關閉的機制進行了探索,特別是在甲基化過程中附著在DNA上的那些微小化學標籤。陶德稱:「這些甲基化標記在變性過程中會被積極地移除和替換掉。」

卡薩斯表示,當前全球變暖的背景下,發現DNA甲基化參與了這一變性過程顯得尤其重要。她聲稱,溫度的升高會影響DNA的甲基化過程,也會影響其它物種的性別,因此海洋溫度升高可能會改變那些性別變化魚類的表觀遺傳標記。」

卡薩斯認為這是一項非常出色的研究,但是在她看來,將這一研究結果推廣到其它物種之前,還需要進行更多的研究。例如,《海底總動員》的主角——小丑魚,但它們是從雄性變成雌性,而且它們的解剖結構和分子機制與藍頭瀨魚略有不同。

陶德和她的同事計畫對其它物種性別變化的分子機制進行研究,比如說斑點魚。斑點魚原產於紐西蘭,與藍頭瀨魚的性別變化靈活性相似。她和她的團隊已經成功地將這些魚圈養起來,所以他們計畫操縱這些魚體內的DNA甲基化,看看它們能否阻止性別變化。

陶德聲稱:「研究魚類如何改變性別可能會讓我們更多地瞭解這些複雜的基因網絡如何相互作用的,以及如何影響和維持它們的性別。當然我們所要研究的目標並不僅僅是魚類,還有其它脊椎動物。」

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氣候變化為物種性別帶來的影響

動物的性別變化除了天生,還有後天的影響,比如說除草劑以及氣候變暖等外在因素導致的性別變化。其中最突出的就是青蛙、鬃獅蜥和綠海龜。

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

鬃獅蜥是一種討人喜愛的澳大利亞動物,它們是在卵中進行性別轉換的。有研究表明,當在孵化期遭遇氣溫上升時,雄性鬃獅蜥通常會逆轉發育過程變成雌性。但也不是完全的轉變,它們事實上仍然保留了雄性的基因,但卻像雌性一樣活動和繁殖。

綠海龜的胚胎也對溫度非常敏感。龜蛋所處沙灘的溫度越高,雌性的孵化數量就越多。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「僧多粥少」的現象,最終導致海龜種群崩潰。

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