对于整个动物王国的情侣来说，找到合适的伴侣需要合适的化学反应。现在，洛克菲勒大学(Rockefeller University)的科学家们已经能够绘制出一条意想不到的路径，让动物选择正确的伴侣。在果蝇的研究中，科学家们研究了雄性如何从大量的苍蝇中挑选出同类，它们聚集在一个成熟的水果周围。发表在《自然》(Nature)上的答案，颠覆了人们长期以来对进化如何确保动物延续其物种的思维。
放眼未来
博科园-科学科普：长期以来，科学家们一直认为动物不会相互交配，因为进化改变了它们神经系统的外围部分，包括探测和处理信息素的感觉器官。信息素是一种化学物质，有助于识别同类中的其他物种。外界变化被认为是动物进化出物种特有行为的必要条件，包括交配，但是还不能确定这是否是神经系统的主要或唯一变化点。神经生理学和行为实验室的负责人瓦妮莎·鲁塔(Vanessa Ruta)和她实验室的一个团队开始研究进化是如何确保两种密切相关的果蝇——黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)和果蝇(Drosophila simulla simulla simulla)——在交配时能与它们的同类保持一致。
果蝇雄性果蝇在识别自己同类的雌性果蝇时就会被唤醒，这可以从它大脑中激活的P1神经元中得到证明(右)。图片：Laboratory of Neurophysiology and Behavior at The Rockefeller University
科学家们利用一系列先进的基因和成像工具，并发明了一些新的工具，追踪了在雄性前肢的感觉神经元上启动电化学脉冲，它们用来“品尝”信息素，一直到大脑的中央处理中心。发现，这种物种之间的差异存在于果蝇的大脑深处，在控制交配行为的一小簇神经元中。事实上，周围神经系统没有变化，这表明它们在不同物种不同的交配选择中没有作用，这是Ruta没有预料到的。该领域的科学家长期以来一直认为，这些变化很可能只局限于外围地区，部分原因在于，这是最容易看到的地方，人们在通过脑电路传播的时候，并没有能够真正追踪感觉信号的基因工具。
岔路口
D.黑素腹雌性会产生一种特殊的信息素，作为一种强大的催情剂，促使雄性交配。奇怪的是，d模拟雄性对相同的信息素反应强烈，但对它们来说，这是一个有力的失误，阻止它们向错误物种的雌性求爱。Ruta团队面临的一个大问题是，在神经系统进化过程中发生了什么变化，导致了果蝇对同一信息素的相反反应。为了寻找答案，Ruta实验室的博士生Laura Seeholzer利用Crispr-Cas9基因编辑技术，确定这两个物种的雄性以同样的方式检测信息素。发现神经通路在向大脑移动时也是一样的。在这两个物种中，这条路径分为两个通道：一个通道形成所谓的兴奋性神经元，鼓励交配，另一个通道形成抑制冲动的神经元。
果蝇雄性果蝇在识别自己同类的雌性果蝇时就会被唤醒，这可以从它大脑中激活的P1神经元中得到证明(右)。图片：Rockefeller University
当科学家们测试了一组名为P1的神经元簇，控制求偶行为时，苍蝇物种之间的功能差异的第一个信号就出现了。在一项实验中，两种物种的雄性都被允许触摸D. melanogaster的雌性，品尝她的信息素。D.黑素原体的雄性被适当地唤醒，它们的P1神经元通过大脑活动的功能成像被激活。但对于d，simulans雄性，它是熄灯。接下来，研究小组试图通过直接刺激P1节点来人为地刺激或抑制雄性的性欲。这是一个高度有序的实验：虽然基因工具可以很容易地操纵D. melanogaster（研究最广泛的动物物种之一）的神经元，但对D. simulans的研究却很少，迫使Seeholzer和他的同事们设计新技术来对该物种神经元进行基因标记，这样就可以研究它们在交配选择中的作用。
结果：在两种果蝇中都存在兴奋和抑制的途径，但研究发现输入与P1神经元之间的平衡是导致果蝇对同一信息素产生相反反应的原因。对于D. simulans雄性，品尝另一种物种的信息素会导致抑制途径主导，掩盖任何交配的冲动。Ruta说：看到不同物种的P1神经元的不同反应是我们想的重点，已经确定了一个发生进化变化的地点，以防止这两个物种相互交配。她希望扩大研究来比较其他种类的苍蝇，以发现进化可能驱动行为的其他方式。直到最近，这类研究还非常耗时。但是有了新的遗传工具，包括Crispr-Cas9，现在就可以比较不同物种之间的神经回路了。
博科园-科学科普｜参考期刊：Nature｜研究/来自：洛克菲勒大学
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