尚玉昌

教授，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100871

分子遺傳學(xué)與動(dòng)物行為有著密切關(guān)系，它不僅可用于檢驗(yàn)動(dòng)物行為學(xué)中的各種假說(shuō)，而且也可用基因直接解讀動(dòng)物行為的很多特征。有些行為是由單一基因決定的，有些行為是由兩個(gè)基因決定的，而大多數(shù)行為是由3個(gè)或更多基因決定的。如果發(fā)現(xiàn)X基因的某個(gè)變體是與Y行為的一個(gè)變體相關(guān)聯(lián)的，那么就可以確定這個(gè)基因與這一行為間存在著直接和近期的關(guān)系。目前在全球范圍內(nèi)的幾百個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)正在進(jìn)行大規(guī)模的基因鑒定工作，以確定是哪些基因在決定著動(dòng)物行為的特征。在這一領(lǐng)域從事研究的科學(xué)家還不斷探討并試圖搞清動(dòng)物行為特征的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)。本文以兩個(gè)研究實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明在這一領(lǐng)域的研究方法、研究現(xiàn)狀和研究進(jìn)展。

當(dāng)前正在蓬勃發(fā)展的一個(gè)生物學(xué)領(lǐng)域是分子遺傳學(xué)，現(xiàn)已有越來(lái)越多的研究成果表明：分子遺傳學(xué)與動(dòng)物行為有著密切的關(guān)系。分子遺傳學(xué)不僅可用于檢驗(yàn)動(dòng)物行為學(xué)中的各種假說(shuō)，而且也可用基因直接解讀動(dòng)物的很多行為特征。有些行為是由單一的一個(gè)基因決定的，如小桿線蟲(chóng)（Rhabditis inerims）。如果讓小桿線蟲(chóng)的兩個(gè)亞種進(jìn)行雜交，而且其中只有一個(gè)亞種身體前端能做波浪式運(yùn)動(dòng)（圖1）。結(jié)果第一代線蟲(chóng)全都能做波浪形運(yùn)動(dòng)，但到了由這些雜種產(chǎn)生的下一代（F2），便產(chǎn)生了兩種行為型的線蟲(chóng)：能做波浪形運(yùn)動(dòng)的和不能做波浪形運(yùn)動(dòng)的，而且兩者的比例是3∶1。這說(shuō)明，做波浪形運(yùn)動(dòng)這一行為特征是一種顯性特征，而且是受單一基因支配的。有些行為是由兩個(gè)基因共同決定的，如蜜蜂的親代撫育行為。這里所說(shuō)的親代撫育行為是指工蜂把死于蜂室中的幼蟲(chóng)叼走這一行為。衛(wèi)生蜂品系能夠咬破蜂室的蠟蓋并能把死幼蟲(chóng)叼走，而非衛(wèi)生蜂品系缺乏這種行為。當(dāng)兩個(gè)品系的蜜蜂雜交時(shí)，其雜交后代（F1）全都是非衛(wèi)生蜂。但當(dāng)F1世代與親本衛(wèi)生蜂品系回交時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生四種不同行為型的個(gè)體，除了衛(wèi)生蜂和非衛(wèi)生蜂外，又出現(xiàn)了兩個(gè)在正常情況下不會(huì)見(jiàn)到的行為型，一個(gè)是可以咬破蠟蓋但不把幼蟲(chóng)叼走，另一個(gè)是不會(huì)咬開(kāi)蠟蓋，但如果蠟蓋被人打開(kāi)，它能把死幼蟲(chóng)叼走。這四種行為型的發(fā)生頻率大體相等，這表明：咬開(kāi)蠟蓋和叼走幼蟲(chóng)的行為分別是由兩個(gè)基因控制的，而這兩個(gè)基因都是隱性的，換句話說(shuō)，非衛(wèi)生行為是顯性的。因此只有兩對(duì)等位基因都是隱性的時(shí)候才會(huì)表現(xiàn)出完全的衛(wèi)生行為（既能咬開(kāi)蠟蓋又能叼走幼蟲(chóng)）（圖2）。但動(dòng)物的大多數(shù)行為都是由3個(gè)或更多基因決定的。

如果在研究中發(fā)現(xiàn)X基因的某個(gè)變體是與Y行為的一個(gè)變體相關(guān)聯(lián)的，那么我們就可以確定這個(gè)基因與這一行為之間是存在著直接和近期的關(guān)系。目前在全球范圍內(nèi)的幾百個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)正在從事大規(guī)模的基因鑒定工作，以確定是哪些基因在決定著動(dòng)物行為的特征。在這一領(lǐng)域從事研究的科學(xué)家還不斷探討并試圖搞清動(dòng)物很多行為特征的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)。下面我們就以兩個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明在這一領(lǐng)域的一些研究現(xiàn)狀和研究進(jìn)展。

圖1 某些小桿線蟲(chóng)身體前端可做波浪形運(yùn)動(dòng)，使身體抬升到基底之上

圖2 衛(wèi)生蜂和非衛(wèi)生蜂雜交的基因型分析

1 鳥(niǎo)類的紫外光視覺(jué)——斑馬雀為什么能感受并看到紫外光？

現(xiàn)已查明，發(fā)生在分子遺傳學(xué)水平上的一個(gè)單一變化便能對(duì)動(dòng)物的重要行為特征產(chǎn)生明顯的影響。就動(dòng)物的紫外光視覺(jué)來(lái)說(shuō)，很多動(dòng)物都能感受和看到紫外光（人不能），如很多魚(yú)類、兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物、鳥(niǎo)類和哺乳動(dòng)物，甚至很多昆蟲(chóng)也能看到紫外光［1－3］。脊椎動(dòng)物的紫外光視覺(jué)是由視網(wǎng)膜色素決定的，這種視覺(jué)常被用于動(dòng)物的求偶、覓食、狩獵和發(fā)送社會(huì)信號(hào)等活動(dòng)［4］。例如：雌斑馬雀可依據(jù)紫外光的波長(zhǎng)選擇自己中意的配偶，但遺憾的是，直到現(xiàn)在我們還不清楚紫外光視覺(jué)的近期機(jī)制是什么，為什么有些動(dòng)物能利用紫外光進(jìn)行狩獵、發(fā)信號(hào)和吸引配偶，另一些動(dòng)物則不能。

Yokoyama及其同事（2000年）［5－6］利用分子遺傳學(xué)克隆技術(shù)研究了斑馬雀（Taeniopygia guttata）的紫外光視覺(jué)，在自然情況下，斑馬雀能看到紫外光，但借助于改變一個(gè)氨基酸就能把紫外光色素（能使鳥(niǎo)類看到紫外光的色素）轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙兀ㄊ锅B(niǎo)類看不到紫外光的色素），可見(jiàn)這個(gè)氨基酸是多么重要。只要它一發(fā)生變化，斑馬雀就再也看不到紫外光了，此時(shí)它看到的只是紫色光。

更為有趣和引人注目的是Yokoyama及其同事［5－6］還利用雞和鴿子進(jìn)行了反向?qū)嶒?yàn)，這兩種鳥(niǎo)都不具有紫外光色素［7］，因而在正常情況下是看不見(jiàn)紫外光的，但同樣是借助于改變一個(gè)氨基酸并利用一些與斑馬雀極為相似的DNA片斷，就能使雞和鴿子由紫色素轉(zhuǎn)變?yōu)樽贤夤馍?。由于氨基酸的這一變化使原來(lái)不能看到紫外光的雞和鴿子現(xiàn)在都看到了紫外光。

此后又有大量的研究工作進(jìn)一步闡明了動(dòng)物紫外光視覺(jué)的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)，例如：①現(xiàn)已有證據(jù)表明，很多無(wú)脊椎動(dòng)物（如果蠅）的紫外線視覺(jué)也具有同樣的分子遺傳學(xué)機(jī)理，即也是與單個(gè)氨基酸的改變相關(guān)聯(lián)的［1］；②有些鳥(niǎo)類雖然其祖先物種已經(jīng)喪失了紫外光色素，但其后裔物種（如金絲雀和虎皮鸚鵡等）能借助于單一氨基酸的改變而重新獲得紫外光色素和紫外光的感知能力［2］；③分子遺傳學(xué)的分析和技術(shù)已使斑馬雀祖先物種的綠色視色素得到了重建［8］。

總的來(lái)說(shuō)，上述一系列的工作不僅表明了分子遺傳學(xué)在動(dòng)物行為研究中的重要作用，而且也表明了即使是一個(gè)涉及到求偶、交配、覓食、通訊和紫外光視覺(jué)等功能的復(fù)雜特性，也能源自于分子水平上的一個(gè)簡(jiǎn)單變化。

2 鳥(niǎo)類是怎樣學(xué)會(huì)鳴叫的？

鳥(niǎo)類的鳴叫發(fā)聲具有很多生物學(xué)功能，如吸引潛在的配偶和驅(qū)趕領(lǐng)域的入侵者。分子遺傳學(xué)方法特別強(qiáng)調(diào)基因表達(dá)的作用?；虮磉_(dá)往住是環(huán)境或行為激發(fā)的結(jié)果，例如：研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，腦部Foxp2基因的表達(dá)既與鳥(niǎo)類對(duì)叫聲的感知有關(guān)，也與人類語(yǔ)言的獲得有關(guān)。

就基因表達(dá)與鳥(niǎo)類鳴叫之間的關(guān)系來(lái)說(shuō)，斑馬雀已經(jīng)成為這方面研究的一個(gè)極好實(shí)例。在這一領(lǐng)域內(nèi)的早期研究往往是先讓斑馬雀聽(tīng)別的鳥(niǎo)叫，然后再測(cè)定這些鳥(niǎo)腦中信使 RNA（即 mRNA）的含量［9－11］，mRNA是單鏈RNA，它對(duì)蛋白質(zhì)合成極為重要。Clayton及其同事［12］重點(diǎn)研究了前腦中被稱為新紋狀體（neustriatum）的mRNA水平，因?yàn)槟X的這個(gè)部位與鳥(niǎo)類鳴叫格局的辨識(shí)和叫聲的識(shí)別有密切關(guān)系。研究人員發(fā)現(xiàn)：mRNA的水平是由一個(gè)叫zenk的基因決定的，當(dāng)鳥(niǎo)兒聽(tīng)到斑馬雀的叫聲之后，zenk基因就會(huì)有所增加，他們還發(fā)現(xiàn)，mRNA的水平同時(shí)還與新紋狀體中神經(jīng)元數(shù)量的增加有關(guān)。但目前尚不清楚的是，與zenk基因表達(dá)相關(guān)的mRNA水平的增加和神經(jīng)元的發(fā)育是如何與學(xué)習(xí)鳴叫相關(guān)聯(lián)的。借助mRNA產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可能影響聽(tīng)神經(jīng)元，而聽(tīng)神經(jīng)元與鳴叫的識(shí)別相關(guān)聯(lián)。此外，還有不少證據(jù)表明：zenk基因可能是構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜遺傳通路的一部分，這條通路將會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)可塑性的形成，而神經(jīng)可塑性（neural plasticity）對(duì)鳥(niǎo)類學(xué)習(xí)鳴叫是極為重要的。

對(duì)斑馬雀的鳴叫行為來(lái)說(shuō)，其他的研究也支持了上述關(guān)于zenk基因功能的說(shuō)法：①讓斑馬雀聽(tīng)另一種鳥(niǎo)（如金絲雀）的鳴叫，將會(huì)大大降低mRNA對(duì)其他種鳥(niǎo)叫的反應(yīng)；②當(dāng)將鳥(niǎo)置于無(wú)鳥(niǎo)叫的寂靜環(huán)境或只有蜂音器發(fā)出聲響的環(huán)境中時(shí)，zenk基因的表達(dá)就不會(huì)有所增加。

如果向斑馬雀反復(fù)播放同種鳥(niǎo)叫的錄音，那么它對(duì)此鳥(niǎo)叫聲所作出的反應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)降低，直到下降到第一次聽(tīng)到叫聲之前的反應(yīng)水平。當(dāng)動(dòng)物反復(fù)受到同樣一種刺激時(shí)，就會(huì)發(fā)生所謂的習(xí)慣化（habituation），習(xí)慣化是動(dòng)物適應(yīng)環(huán)境的一種最簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)類型，就是當(dāng)刺激連續(xù)或重復(fù)發(fā)生時(shí)，動(dòng)物反應(yīng)所發(fā)生的持久性衰減。廣義來(lái)說(shuō)，習(xí)慣化就是動(dòng)物學(xué)會(huì)對(duì)特定的刺激不發(fā)生反應(yīng)，一只鳥(niǎo)必須學(xué)會(huì)在風(fēng)搖樹(shù)葉時(shí)不害怕不飛走。麻雀起初會(huì)被安放在田間的稻草人嚇跑，但時(shí)間一長(zhǎng)它們就不再害怕了，甚至?xí)诔燥栔笸Ｔ诘静萑说氖直凵献曾Q得意地梳理它們的羽毛。

在一系列巧妙安排的實(shí)驗(yàn)中，Clayton等人（2004年）［12］研究了斑馬雀zenk基因表達(dá)與對(duì)熟悉鳥(niǎo)叫聲習(xí)慣化之間的關(guān)系，借助于這些實(shí)驗(yàn)，他們不僅想知道基因表達(dá)如何受聽(tīng)鳥(niǎo)叫的影響，而且想知道當(dāng)鳥(niǎo)叫一再重復(fù)發(fā)生時(shí)基因表達(dá)會(huì)有怎樣的變化。為了研究習(xí)慣化與zenk基因表達(dá)之間的關(guān)系，Mello等人（2004年）［10］先讓斑馬雀聽(tīng)同種個(gè)體的鳴叫并發(fā)現(xiàn)這會(huì)導(dǎo)致前腦mRNA和神經(jīng)元的增加，這一點(diǎn)在前面曾提到過(guò)［9］。一只鳥(niǎo)一旦對(duì)一個(gè)熟悉的鳥(niǎo)叫聲形成了習(xí)慣化，再播放一只新來(lái)斑馬雀的叫聲，結(jié)果會(huì)再次記錄到前腦mRNA和神經(jīng)元的增加。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：一只鳥(niǎo)在反復(fù)收聽(tīng)到一種鳥(niǎo)叫并將之歸為它所熟悉的聲音之后，這種聲音就再也不會(huì)導(dǎo)致與zenk基因表達(dá)增強(qiáng)有關(guān)的分子遺傳學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)方面的變化了。

動(dòng)物行為學(xué)家和其他領(lǐng)域的科學(xué)家合作所取得的研究成果正在擴(kuò)展和加深人們?cè)诜肿舆z傳學(xué)水平上對(duì)鳥(niǎo)類對(duì)鳴叫聲所作出反應(yīng)的理解。當(dāng)前分子遺傳學(xué)技術(shù)和方法在動(dòng)物行為學(xué)中的應(yīng)用已成為這一學(xué)科的新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

（2011年6月28日收到）

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