家貓身上獨特的斑紋從何而來？科學家研究了貓科動物胚胎，得出了驚人的結論。
美國的寵物貓數量近6000萬隻，標準條紋虎斑貓尤其受歡迎。攝影：AL PETTEWAY AND AMY WHITE, NAT GEO IMAGE COLLECTION
撰文：JOANNA KLEIN
美國共有近6000萬隻寵物貓，標準虎斑貓是最常見的一種。它們的皮毛上有條紋、圓點和漩渦圖案，額頭上有“M”字樣。
雖然虎斑貓（比如著名的加菲貓）很受歡迎，但科學家對它們為何擁有如此獨特的毛色卻知之甚少。
在發表於本週《自然通訊》的一項研究中，科學家報告稱，在貓的皮毛髮育之前，胚胎面板細胞中決定虎斑圖案的基因就已被啟用。在顯微鏡下，早期面板細胞甚至模擬出了虎斑條紋，科學家從未在胚胎細胞中見過這種情況。
研究作者推測，這一獨特的遺傳過程可能與野生貓科動物身上條紋和斑點的產生機制相同。”“虎斑貓”（tabby）一詞來自“al-‘Attābiyya”，這是16世紀巴格達的一個地區，出產精美的條紋狀塔夫綢。但斑紋本身可能源於家貓的直系祖先，即帶有斑紋的近東野貓。
“多瞭解一點世界，我們就會產生一種滿足感，”研究負責人Greg Barsh說，他是阿拉巴馬州亨茨維爾的哈德遜阿爾法生物技術研究所的研究員。這一發現也同樣令人感到驚奇，他說：“生物學反覆利用同樣的工具，因此很少出現無法解釋很多其他情況的現象。這次可能也是這樣。”
家貓的顏色和圖案背後的遺傳學一直是科學家感興趣的話題。例如，查爾斯·達爾文提出，大多數耳聾的貓都是長著藍眼睛的白貓。他說，在進化過程中，物種有時會產生無關緊要的變化，比如毛髮顏色，因為它們與其他更有用的變化有關。
他還補充說，有些變化甚至看不見。雖然達爾文沒有學過現代遺傳學，但事實證明他是對的：確實存在遺傳性基因異常。
不同斑紋的細胞
在經過倫理批准的研究方案中，Barsh和同事收集了近1000個原本打算被丟棄的胚胎。它們來自獸醫診所被切除卵巢的野貓，很多野貓在送來時已經懷孕。
團隊裡的資深科學家Kelly McGowan藉助顯微鏡，檢查了25到28天的胚胎的面板細胞，她注意到面板較厚的區域中散佈著較薄的區域，形成了暫時顏色圖案，就像成年虎斑貓的毛色。
令她非常驚訝的是，在胚胎髮育的早期階段就出現了這樣的圖案，遠遠早於毛囊和色素的出現，而後者是動物毛色的關鍵因素。
為了進一步觀察，研究團隊分析了胚胎的單個面板細胞，發現有兩種型別，每種都表達了不同的基因。其中，差別最大的基因被科學家命名為“DKK4”（Dickkopf WNT Signaling Pathway Inhibitor 4）。
他們觀察了約20天的胚胎細胞如何進行表達，發現參與的細胞是幾天後形成厚面板的那些。
Barsh解釋說，DKK4也是一種信使蛋白，被稱為“分泌型分子”；它向周圍細胞發出訊號，彷彿在說：“你是特別的。你這裡將會長出深色毛髮。”
虎斑貓的斑紋源於家貓的直系祖先：近東野貓。
攝影：TODD GIPSTEIN, NAT GEO IMAGE COLLECTION
當一切按計劃進行，攜帶DKK4的細胞最終變成虎斑貓身上的暗色斑紋。但突變經常發生，帶來了其他毛色和圖案，比如白色斑點或細條紋。色素沉著也會有影響：例如，當原本產生各種顏色的色素細胞只產生深色色素時，我們就會得到一隻黑貓。
自發形成的圖案
為了找出這些細胞如何形成貓身體上的斑紋，研究團隊求助了計算機科學家、數學生物學創始人艾倫·圖靈。1952年，圖靈用一種方法，從數學角度解釋了這些圖案如何在自然界自發形成。
他的理論被稱為“反應擴散”，可以預測在分子存在的情況下（在貓身上，是基因產生的分子），系統在發展過程中如何進行自我組織，它們（活化因子和抑制因子）以不同的速度擴散，從一個細胞移動到另一個。如果抑制因子比活化因子的擴散速度更快，那麼從數學角度來看，系統會進行自我清理。在虎斑貓身上，抑制因子是基因DKK4，而活化因子未知。
圖靈不知道活化因子和抑制因子是什麼，甚至不知道它們的存在。但70年後，包括虎斑貓的發現在內，很多現象證明圖靈是正確的。
“我們通常認為，在發育過程中，細胞四處移動，但它們很早就以這種三維方式，用厚度決定了斑紋……這真的很厲害，”Elaine Ostrander說。她在馬里蘭州國家衛生研究院國家人類基因組研究所，負責研究家犬的遺傳學。
Ostrander沒有參與此次研究，她補充說，分析單個細胞“可以梳理不同過程，所有這一切對於虎斑貓的斑紋來說，都很重要。”
現在，Barsh的團隊認為貓的顏色圖案生成有兩個過程：首先，面板細胞決定了斑紋圖案的深淺；然後，毛囊生長，產生色素。
透過分析這些過程在其他動物身上的情況，以及為什麼有的動物有斑紋，有的動物卻沒有，研究團隊希望瞭解顏色圖案隨時間推移的進化過程。Barsh說，他們甚至可能發現與毛色無關的因素，就像達爾文所說的無形的變化。
（譯者：Sky4）
