對(duì)于整個(gè)動(dòng)物王國(guó)的愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，尋找合適的伴侶需要正確的化學(xué)反應(yīng)。現(xiàn)在，洛克菲勒大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)能夠繪制一條意想不到的路徑，在這條路徑中，動(dòng)物可以選擇正確的伴侶。

與果蠅一起工作，科學(xué)家們探討了雄性如何設(shè)法從眾多果蠅周圍的果實(shí)中挑選出自己物種的成員。本周發(fā)表在“自然”雜志上的答案顛覆了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于進(jìn)化如何確保動(dòng)物使其物種長(zhǎng)期存在的信念。

遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直認(rèn)為動(dòng)物不會(huì)雜交，因?yàn)檫M(jìn)化改變了神經(jīng)系統(tǒng)的周邊部分，包括檢測(cè)和處理信息素的感覺(jué)器官 - 有助于識(shí)別同一物種其他物種的化學(xué)物質(zhì)。已經(jīng)提出外周變化對(duì)于允許動(dòng)物發(fā)展物種特異性行為(包括交配)是必不可少的，但是不可能確定這是否是神經(jīng)系統(tǒng)中的主要或唯一變化位點(diǎn)。

神經(jīng)生理學(xué)和行為實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Vanessa Ruta與她的實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)一起開(kāi)始探索進(jìn)化已經(jīng)做了什么以確保兩種密切相關(guān)的果蠅種類 -果蠅和果蠅模擬物 -在交配時(shí)自己種類?？茖W(xué)家利用一系列最先進(jìn)的遺傳和成像工具，并發(fā)明了一些新的技術(shù)，從男性前腿的感覺(jué)神經(jīng)元開(kāi)始追蹤電化學(xué)沖動(dòng)，他們用它來(lái)“品嘗”信息素，一路走來(lái)進(jìn)入大腦的中央處理中心。

他們發(fā)現(xiàn)，物種之間的差異在于蒼蠅的大腦，在一小群控制交配行為的神經(jīng)元中。事實(shí)上，周圍神經(jīng)系統(tǒng)沒(méi)有變化，這表明他們不參與不同物種的獨(dú)特交配選擇，這是Ruta沒(méi)有預(yù)料到的結(jié)果。

“我認(rèn)為該領(lǐng)域的科學(xué)家一直認(rèn)為這些變化最有可能局限于外圍，部分原因在于它是最簡(jiǎn)單的觀察點(diǎn)，”她說(shuō)。“當(dāng)人們通過(guò)大腦回路傳播感知信號(hào)時(shí)，人們還沒(méi)有可用的遺傳工具。”

岔路

D. melanogaster雌性產(chǎn)生一種特定的信息素，作為一種強(qiáng)大的催情劑，驅(qū)使雄性交配。奇怪的是，D。simulans雄性對(duì)相同的信息素反應(yīng)強(qiáng)烈，但對(duì)它們來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)強(qiáng)大的岔路，阻止它們向錯(cuò)誤物種的雌性求愛(ài)。

對(duì)Ruta團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題是在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)生了進(jìn)化變化的原因，即蒼蠅對(duì)同一信息素的反應(yīng)。

在尋找答案時(shí)，Ruta實(shí)驗(yàn)室的博士生Laura Seeholzer使用Crispr-Cas9基因編輯來(lái)確定兩個(gè)物種的雄性以相同的方式檢測(cè)到信息素。她發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)通路在向大腦移動(dòng)時(shí)也是相同的。在這兩個(gè)物種中，路徑分成兩個(gè)通道：一個(gè)通路形成一個(gè)所謂的興奮中間神經(jīng)元，鼓勵(lì)交配，另一個(gè)通道抑制中間神經(jīng)，以抑制沖動(dòng)。

當(dāng)科學(xué)家測(cè)試控制求偶行為的一組稱為P1的神經(jīng)元中發(fā)生的事情時(shí)，蠅類之間功能差異的第一個(gè)跡象就出現(xiàn)了。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，允許兩個(gè)物種的雄性接觸D. melanogaster雌性，品嘗她的信息素。

在黑腹果蠅雄性適當(dāng)引起，與他們的神經(jīng)元P1點(diǎn)亮使用腦活動(dòng)的功能成像。但對(duì)于D. simulans雄性來(lái)說(shuō)，它是熄滅的。

接下來(lái)，研究小組試圖通過(guò)直接刺激P1節(jié)點(diǎn)來(lái)人工激發(fā)或抑制男性的性欲。這是一項(xiàng)高階實(shí)驗(yàn)：雖然遺傳工具可以很容易地操縱D. melanogaster中的神經(jīng)元，這是最廣泛研究的動(dòng)物物種之一，但對(duì)D. simulans的研究很少，迫使Seeholzer及其同事設(shè)計(jì)新技術(shù)遺傳標(biāo)記該物種的神經(jīng)元，以便他們可以檢查它們?cè)诮慌溥x擇中的作用。

結(jié)果：兩種蠅類均存在興奮性和抑制性途徑。但研究發(fā)現(xiàn)，它們對(duì)P1神經(jīng)元的輸入平衡是造成蒼蠅對(duì)同一信息素的相反反應(yīng)的原因。對(duì)于D. simulans雄性，品嘗另一物種的信息素導(dǎo)致抑制途徑占主導(dǎo)地位，掩蓋任何交配的沖動(dòng)。

Ruta說(shuō)：“看到物種中P1神經(jīng)元的不同反應(yīng)是我們認(rèn)為的點(diǎn)，我們已經(jīng)確定了一個(gè)發(fā)生進(jìn)化變化的地方”，以防止這兩個(gè)物種進(jìn)行雜交。

她希望擴(kuò)大研究范圍，以比較其他種類的果蠅，以發(fā)現(xiàn)進(jìn)化可能推動(dòng)行為的其他方式。直到最近，這種研究還非常費(fèi)時(shí)。但她說(shuō)，使用新的基因工具，包括Crispr-Cas9，現(xiàn)在可以比較不同物種之間的神經(jīng)回路。