作者/鄭濤，韓策
大家經常走斑馬線，應該有印象斑馬線是在黑色的道路上刷白漆，就是黑底白紋。那麼問題來了，斑馬是黑底白紋還是白底黑紋？
如果你扒開斑馬的毛發，就會發現，它們的皮膚是黑色的。但斑馬并不是黑底白紋，因為你看到的黑色紋路是黑色的毛長在了黑色皮膚上的，是以斑馬是黑底黑白紋。
在自然界中，除了斑馬，還有很多動物身上有斑點、條紋，比如牛、金錢豹，甚至是家養的寵物貓、狗，等等，這些絢麗的皮毛圖案令人着迷。那麼這些美麗的動物皮毛圖案是如何形成的？能否人為設計制作一些近似于動物斑紋的圖案作為動物皮毛的替代品呢？
基因是斑圖的畫筆
不同的物種有獨特的斑圖特點，即使是同一物種，不同個體的斑圖也存在差異，具有隻屬于自己的獨特圖案和條紋、斑點。這也是在漫長的生物進化過程中，出現的生物多樣性的特點。
動物各種不同的花紋與色素的分布有關，這是漫長的進化結果。動物的斑圖花紋有隐藏、迷惑的作用。比如，中國的奶牛以“黑白花奶牛”為主，是用荷斯坦牛和中國黃牛雜交，通過長期選育得到乳用型奶牛品種；斑馬的條紋在其奔跑的時候會産生特殊的視覺效果，給追捕者制造視覺障礙以便順利逃脫。而藏身于叢林中的豹子，由于有身上的斑點圖案作僞裝，才能在狩獵的過程中出奇制勝。
從生命科學的視角，早在1953年，美國科學家沃森（J.Watson）和英國科學家克裡克（F.Crick）發表論文，正式提出DNA雙螺旋結構模型，自此打開了基因世界的大門。發現了DNA對生命中資訊傳遞的重要性，基因對性狀的控制成為生命的奧秘所在。2003年人類基因組計劃的測序工作完成，揭開了人體2.5萬個基因，30億個堿基對的秘密。基因可以決定性狀，成為科學界的共識。随着科學和技術的發展，在生命科學的研究領域，對于不同生物不同性狀的基因調控機理研究成果日益增多，其中對于毛皮動物毛色調控基因的研究越來越深入。
DNA雙螺旋結構模型示意圖
研究發現，動物的毛色主要是由黑色素細胞産生的黑色素的種類和分布決定。哺乳動物黑色素細胞能産生兩種不同類型的黑色素，最重要的是呈現黃、紅棕色的褐黑素和呈現黑、棕色的真黑素，褐黑素與真黑素的品質和比例決定了毛發和皮膚的最終顔色的數量比例和分布。
而調控毛皮動物毛色的主要候選基因有很多，MC1R基因、Agouti基因、TYR基因等超過100種基因對于動物毛色有影響，其中MC1R基因和Agouti基因是研究較早，并已證明能調控哺乳動物毛色變異的關鍵基因。
黑色素形成及黑色素細胞的移動
不同生物的MC1R基因序列存在差異，這些差異多由突變造成，會引起動物毛色的變化，并能遺傳給後代，MC1R基因作為控制毛色的重要候選基因之一，引起了廣泛關注，不同領域的科研人員對MC1R基因的結構、功能、作用機理等進行了深入的研究。比如：中國荷斯坦奶牛的毛色是其品種的重要特征之一，且與乳、肉等生産性能有直接關系。通過對公牛MC1R基因型的檢測，就能夠篩選出更具有經濟價值的個體，保證後代花色的穩定。
動物的毛色主要由黑色素細胞産生的黑色素種類和分布決定
中國荷斯坦奶牛的毛色是其品種的重要特征之一，且與乳、肉等生産性能有直接關系
由于基因在決定毛色的過程中，會受到很多因素的影響，比如環境、基因突變、代謝途徑等，都會造成最終毛色的差異。
簡言之，從生命科學的角度來解釋，不同物種的基因有差異，進而産生了毛色的差異。同一物種的不同個體間基因也有差異，造成了個體差異。
動物斑紋中的數理化之謎
如果仔細觀察，你會發現在自然界中斑馬的身體和尾巴都是條紋的，而豹子卻是身體斑點，尾巴有斑點的、也有條紋的。似乎沒有身體是條紋，而尾巴是斑點的動物。那這種現象又該如何解釋呢？是否在基因控制毛色的過程中，還要遵循實體和化學規律？畢竟生物體細胞中的新陳代謝過程，就是一個個化學反應過程。
如果我們追溯與毛色相關的色素起源，都是與胚胎發育時期的神經嵴相關。神經嵴是一種具有高度遷移能力的多功能細胞群。在動物胚胎發育的過程中，神經嵴細胞從神經闆遷移到表皮和真皮，之後分化為黑色素細胞的前體，最終分化為黑色素細胞。這個過程中，黑色素形成及黑色素細胞的移動，就可以從實體和化學的角度來分析。
早在DNA雙螺旋結構模型發現的前一年，也就是1952年，英國科學家圖靈發表了論文，提出用反應擴散方程組作為生物形态的基本化學反應模型，描述了不同的化學物質在一起反應、擴散到表面的情況。這一理論說明了生物在生長曆程中包括細胞分裂、分化過程中的實體化學過程，也說明了為什麼生物在生長曆程中形态各異。
從數學角度分析，斑圖的反應擴散方程組是定義在一個圓柱體表面，表示色素擴散的數學模型，毛皮面積的形狀和大小以及其擴散波長都有關系。這樣寫成的非線性反應擴散方程組一般是找不出解的表達式的，但是按圖靈的想法我們可以判斷常數解的穩定性，并得到在常數解附近線性化方程解的公式。這個公式是一個傅裡葉級數，有很多因素會影響此函數，最重要的因素是身體長度和腰圍的比值，比值越小越傾向于出現斑點型，比值越大越傾向于出現條紋型。是以可以看出自然界中，蛇等細長的動物，出現的多是條紋型斑圖。同一個生物，應使用同樣的反應擴散方程組，是以如果尾巴是斑紋，身體就不太可能出現條紋了。
現在已經有很多不同領域的研究學者，通過建立數學模型的方法，利用計算機模拟預測出不同的時空斑圖，并找到與自然界斑圖形成的一些共同特性。但目前來說，還沒有任何一個理論，能夠準确預測出某個生物從出生開始到生命結束毛色的變化過程。
要想揭開更多生物毛色的奧秘，還需要生物學家、數學家、實體學家和化學家一起，綜合多角度進行分析和研究。
本文來自《知識就是力量》雜志，原标題《斑點與條紋的基因密碼》，作者鄭濤、韓策，有删改，轉載請注明來源。