乌龟如何由温度决定性别?科学家揭开谜底

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乌龟如何由温度决定性别?科学家揭开谜底
麻省理工科技评论 2020-05-05

2020-05-05

科学家们以前就曾发现,一些种类的爬行动物的性别与卵的发育环境温度有关,比如乌龟,较高的环境温度会使卵发育为雌性,较低的温度会使卵发育为雄性,但这类爬行动物究竟是如何在卵的发育过程中,将温度信息记录下来并转换为影响生理发育的一个因素的,一直还是一个未解之谜。
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科学家们以前就曾发现,一些种类的爬行动物的性别与卵的发育环境温度有关,比如乌龟,较高的环境温度会使卵发育为雌性,较低的温度会使卵发育为雄性,但这类爬行动物究竟是如何在卵的发育过程中,将温度信息记录下来并转换为影响生理发育的一个因素的,一直还是一个未解之谜。

科学家们以前就曾发现,一些种类的爬行动物的性别与卵的发育环境温度有关,比如乌龟,较高的环境温度会使卵发育为雌性,较低的温度会使卵发育为雄性,但这类爬行动物究竟是如何在卵的发育过程中,将温度信息记录下来并转换为影响生理发育的一个因素的,一直还是一个未解之谜。

而就在最近,一篇刊登在 Science 杂志上的论文,揭示了乌龟性别发育与卵的发育环境温度间的具体影响机制。

对人来说,Y 染色体上的一个特定基因来决定机体在未来的发育方式,单个的某种信号很难能被用作决定机体是雄还是雌。虽然有的生物能像雄性果蝇那样,即使没有 Y 染色体也能正常发育,但如果乌龟想要将温度信号作为判定雌雄的关键,那这个信号就必须对 “乌龟的机体发育来说” 十分重要,并能以此触发机体的雌雄发育不同,但在这一点上,与表现相当温度的染色体机制相比,我们很难发现,温度是如何能帮助有些生物确定自己是雄还是雌。

因为在乌龟卵的发育过程中,由于孵化可能会在不同的季节发生,其所在的环境的温度在长期上是持续变化的。

从中等长度的时间过渡来看,乌龟卵发育环境的温度每天可能都会不同,而从较短的时间过渡来看,乌龟卵所能接收到的温度信号则是每天的早晚都会不一样(早上高,晚上低),虽然这种 “善变” 的温度信号,乍看起来根本没法帮助乌龟在发育过程中决定自己的性别。

但如果类比的话,这种判定方式确与人类的判定方式有相似之处,即都是让某种信号被 “决定动物性腺的细胞” 读取,然后再由该细胞将所读取的信息用于判定机体应该产生哪种生长激素。

那么海龟到底是如何记录并转换温度信息的呢?

研究人员们曾过去几年间对红耳滑龟(red-eared slider)进行研究,发现在实验精控的发育温度高于 30 摄氏度时,这种龟的卵会较易发育成雌性,而在温度低于 26 摄氏度时,它们则较易发育成雄性。

乌龟如何由温度决定性别?科学家揭开谜底

图|红耳滑龟(来源:WIKI)

尽管生物判定自己是雄是雌的方法多种多样,但许多生物都在判定过程中使用一些核心基因,而这类核心基因中的一个就是“双性基因(doublesex)”。研究人员此前曾发现双性基因在果蝇的发育过程中扮演重要角色,但也在后来发现红耳滑龟的这种双性基因能促进雄性发育。

根据此前的研究,这种双性基因仅会在低温环境下才会被转化为蛋白质,这意味着它与无论是高温还是低温都会转换为蛋白质,但蛋白质仅会在低温或高温的环境下具有活性的 “温度传感器” 不同。

此次研究进一步探究了该类双性基因在红耳滑龟发育过程中起到的作用,并成功将目光锁定在了一种名为 Kdm6b 的基因上。虽然此前与 Kdm6b 有关的研究发现,其在哺乳动物体内的癌细胞和免疫细胞中有起到调控作用,但这并不能说明它也能影响乌龟的性别发育过程。

然而令人惊喜的是,研究人员们最终还是发现了乌龟的 “温度调节器” Stat3,Stat3 无论温度高低都能在性腺内转换为蛋白质,并在高温环境下有着“阻断机体向雄性发育” 的功能,使得机体更易发育为雌性,而无论发育环境的温度高低,阻断 Stat3 都会使机体丧失 “阻断机体向雄性发育” 的能力,进而发育为雄性。

研究发现,Stat3 蛋白与磷酸盐(phosphate)之间的关联是,Stat3 对温度做出响应的关键,在某些特定条件下,在含钙更多的细胞中,Stat3 更易被激活,而性腺中的钙含量随温度的变化而变化,如同龟能通过细胞的钙含量变化来记录温度变化,并将这一信息用于判定自己“是雄是雌”。

然而,尽管此项研究在探究龟的卵发育温度和性别间的联系上收获颇丰,但我们还无从得知,究竟是什么导致细胞能根据温度不同累积不同量的钙,最终发现龟类完整的发育过程图谱可能还需一段时间。

另外,这项研究目前看来在医学上并没什么潜在用途,在 “了解一种新的细胞转化环境因素信息,并永久决定机体发育方向的方法” 之外,龟的发育过程或许也能帮助我们在气候变化的今天更好地保护它们的栖息地。

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