为什么家养动物都会长出黑白花？

    家养的哺乳动物身上出现白色斑块似乎是再自然也不过的事情，黑白花的狗、黑白花的猫，黑白花的荷斯坦奶牛甚至成为了奶牛的标志。但是反观自然界，白色斑块这一性状绝少在这些家养动物的祖先身上出现，到底是什么了这种奇怪的性状跨越物种，出现在人类选育的每一种动物里？最近科学家们提出了一个看起来十分靠谱的假说来解释这一现象，顺便还解释了为什么很多家养动物会有趴趴的耳朵、短短的下巴以及弯弯的尾巴，他们的假说发表在今年7月期的《遗传学》（Genetics）杂志上^[1]。

查尔斯·达尔文（Charles Darwin）在他的著作《动物和植物在家养下的变异》中就已经注意到家养哺乳动物发生的变化，它们身上会出现一套在野外祖先那里不曾出现的性状，包括行为学上的差异，以及生理、形态学上的变化^[2]。而这些变化，在前苏联遗传学家迪米特里·别利亚耶夫（Дмитрий К. Беляев）的银狐实验中一一展现出来^[3,4]。现在，科学界认为“驯化综合征”的症状包括顺从与驯服的个性、毛色变化、牙齿变小、颅面特征的变化、耳朵与尾巴的变化（例如耷拉着的耳朵）、发情频繁、促肾上腺皮质激素水平变化、数种神经递质浓度变化、幼态延长、总脑容量以及部分特定脑区减小。到底是什么因素导致了这一系列复杂的性状出现在经过人工驯化的动物里？自达尔文开始，就没人能够给出一个系统的假设。

驯化后的银狐（上）与驯化前的银狐（下），毛色发生了明显的改变。图片：Cheryl Crowley

    德国柏林洪堡大学理论生物学学院的亚当·威尔金斯博士（Dr. Adam S. Wilkins）与哈佛大学人类演化学学院的理查·沃汉姆教授（Prof. Richard W. Wrangham）、维也纳大学认知生物学学院的特库姆塞·菲奇教授（Prof. W. Tecumseh Fitch）共同提出了一个假说来解释这一现象，他们认为神经嵴细胞的行为与遗传最终导致了“驯化综合征”的出现。

什么导致了家养动物更加驯服？别利亚耶夫的继任者柳德米拉·特鲁特（Людмила Н. Трут）发现，一个重要的表型可以影响动物的这一特性。家养动物的肾上腺比野生个体更小，而且功能更弱，而这个腺体所释放的肾上腺素正是动物紧张与害怕的来源^[5]。不论是银狐驯化实验，还是更早的大鼠驯化实验^[6]，都有数据证明这一点。但是，仅用肾上腺这一个性状，显然难以解释为什么家养动物中会出现那么复杂的“驯化综合征”。威尔金斯博士等人认为神经嵴细胞才是导致所有这些性状的“真凶”。

神经嵴细胞对“驯化综合征”的影响。图片编译自参考文献1

    “早在2002年，菲奇教授就最先想到了这点。我觉得他应该是意识到‘驯化综合征’中的两个重要性状——斑块状色素缺乏与肾上腺减小——与由神经嵴细胞形成的器官组织相关，”在接受果壳网采访时，威尔金斯博士表示，“剩下的就是把‘驯化综合征’里其它的性状与神经嵴细胞联系起来。菲奇教授将他的想法告诉了沃汉姆教授，而很多年后的2011年3月，沃汉姆教授和我决定把这个想法完善起来，当时我们两个人都在南非的斯泰伦博斯高等研究学院工作。不久之后，特库姆塞就回到了这个课题中间，与我们两个一同完成了这篇论文。”

神经嵴细胞是脊椎动物胚胎发育中所特有的一种细胞，这些细胞来源于外胚层，在神经管形成的过程中，一些位于神经板两侧的细胞会从外胚层游离出来，形成位于外胚层之下，神经管之上的神经嵴。神经嵴细胞的最大特征是在发育的过程中会发生迁移，而且这样的迁移是长距离的。原本位于身体背侧的神经嵴细胞会迁移至全身各处，继而发育成一系列功能不同的组织细胞，包括头骨大部、交感神经节、肾上腺髓质、头部与身体表面的黑色素母细胞以及牙乳头等等。

胚胎发育过程中神经嵴细胞的产生。图片编译自Nature Reviews|Neuroscience

    人类对动物的选育往往是基于驯服性的，这意味着不仅肾上腺素减少的突变会被积累，任何关于神经嵴细胞发育的数量突变都有可能被筛选出来。伴随着驯服性的的筛选，最先出现的形态学变化往往是在毛色方面，不论是在对狐狸的驯化，还是在对美洲水鼬和大鼠的驯化实验中都是这样。这些被驯化的动物身上会出现色素减少的区域，包括出现白色斑点或者大片的白色斑块，有时也会表现为褐色斑块。喉下、眼部以上、爪子及尾尖的皮毛是最容易发生色素减少现象的，因为控制毛色的黑色素细胞都是来自神经嵴细胞的，而最容易出现色素缺乏的区域正是神经嵴细胞最后迁移到的部位。此外，驯化过程中产生的面部骨骼减小（包括鼻子缩短、下颌减小），牙齿缩小，耳变软下垂等形态学变化也都可以用神经嵴细胞的变化很好地解释清楚。

但是为什么有一些家养动物拥有着“正常”的毛色？虽然拉布拉多寻回犬、金毛寻回犬等等都是非常温顺的大型犬，但身上并没有典型的色素缺乏症状。面对果壳网提出的这个问题，威尔金斯博士解释道：“这些品系的选育，除了针对那些常见的性状之外，针对毛色也有进行严格的选育。因为所有复杂的性状都是多个基因共同作用的结果，而针对这些复杂性状进行选育的时候，如果控制得当，同时筛选出控制少数个性状的基因也是有可能的。以色素调节的性状为例，我们有可能选育出神经嵴细胞能够产生更多的黑色素母细胞，但是其他性状都符合‘驯养综合征’的品系。这是一个相当好的问题，家养动物中这些特殊的表型究竟如何形成，也是很值得研究的。”

    拉布拉多寻回犬的毛色是经过严格选育的。图片：shutterstock.com

    而让动物更加温顺的行为与神经生物学机制，文章中认为主要可能有三个来源。第一个来源是交感神经系统，下丘脑-垂体-肾上腺轴，科学家们早就意识到肾上腺素的减少可以让动物更加温顺，因为这种激素的水平更低，会让动物更少地感到紧张与害怕。第二个来源是幼态的延长，虽然这个因素远没有第一个因素那样直接，但也很重要。别利亚耶夫指出，野生的狐狸在出生后的一个半月里下丘脑-垂体-肾上腺轴的发育还不够成熟，所以不足以产生足够的恐惧与紧张，但之后就会对奇怪的动物，包括人类，产生强烈的畏惧反应；而经过选育的银狐虽然也会产生类似的反应，但是它们下丘脑-垂体-肾上腺轴的成熟所需时间远比未驯养的个体长，往往会有3~4个月，这样它们会有更多的“社交时间”^[7]。

文章认为让家养动物更加温顺的第三个机制可能是来源于中枢神经系统，虽然之前鲜有研究。与野生祖先相比，家养动物的脑容量显著下降，当然下降的水平并不相同。与野猪相比，家猪的脑容量减少了35%，与它们的野生祖先相比，家养的水貂和马的脑容量分别减少了20%与16%。当然也有例外，驯化后的狐狸脑容量只减少了2%，而在驯化实验室小鼠的时候，它们的脑容量几乎没有减小。或许是大脑整体的减小并不是动物温顺的关键因素，前脑的一些特殊部位，例如杏仁核以及其他边缘系统的减小，才真正发挥作用。

丹麦门科尔姆动物园的银狐幼崽。图片：zooborns.com

    这篇论文被题献给别列亚耶夫和特鲁特，以纪念它们在银狐驯化试验中做出的杰出贡献。威尔金斯博士告诉果壳网：“他们的工作的确为我们对这一现象的认识奠定了基础，尤其是在确定‘驯化综合征’在某种意义上来说是一个完整的性状群这一点上。它们建立了驯化综合征的遗传学基础，认定这种变化是由多基因突变与半显性基因共同作用产生的。他们的研究野心勃勃、高瞻远瞩，揭示了这个问题的重要性与趣味性。别列亚耶夫不仅是一个具有科学视野与研究能力的人，也是一个有勇气的人。在当时的苏联，筹划这一科研计划有可能提前终结他的职业生涯，甚至更糟。当然，与之类似的大鼠驯化试验也很重要，但是在我看来，列亚耶夫、特鲁特和他们的同事们的科研工作对于我们对这一问题的认知起到了决定性的作用。”

当然，这只是解释“驯化综合征”的一个假说而已，依然有很多问题和不确定性需要被检测证明。威尔金斯博士表示：“我们最想看到的试验验证是家养动物与相应野生动物的胚胎神经嵴细胞的比较，包括数量与行为方面。此外如果用基因工程技术少量减少试验动物的神经嵴细胞，或许也能验证我们的假说。这些实验虽然都不简单，但都是可行的。遗憾的是，我们三个人的试验室都无法展开上述工作，我希望能有人对此课题产生兴趣，并对这一想法进行进一步的研究论证。”

参考文献

1. Wilkins AS, Wrangham RW et Fitch WT (2014). The “domestication syndrome” in mammals: a unified explanation based on neural crest cell behavior and genetics. Genetics 197:795-808.
2. Darwin C (1858). The variation of plants and animals under domestication. John Murray, London.
3. Belyaev DK (1978). Destabilizing selection as a factor in domestication. J. Hered. 70:301-308.
4. Trut LN (1999). Early canid domestication: the farm-fox experiment. Am. Sci. 87:160-169.
5. Trut LN, Oskina I et Kharlamova A (2009). Animal evolution during domestication: the domesticated fox as a model. Bioessays 31:349-360.
6. King HD et Donaldson HH (1929) Life processes and size of the body and organs in gray Norway rats during the generations in captivity. American Anatomical memoirs 14:5-72.
7. Belyaev DK (1984). Evolution of domesticated animals. Longman, New York.