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[九月份] 2018年物种日历 9月25日 黑腹果蝇

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发表于 2018-10-9 10:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
当我们将吃剩的水果扔到垃圾桶,不消多时,就会看到小小的昆虫循味而来,这种小昆虫就是果蝇。
果蝇体长只有两毫米左右,小到大多数人都不会认真打量它的外貌——它长着一对橙红的复眼,翅膀薄透。然而,这种貌不惊人又微不足道的生物,几乎有着改变世界的意义。
果蝇嗜食酵母菌,所以腐败水果产生的酵母菌才是最吸引它们的地方。全世界的果蝇科昆虫有4000种以上,其中,最富盛名的就是我们今天的主角——黑腹果蝇,正是它叩开了现代遗传学的大门,使得这门学科有了突飞猛进的成就。

黑腹果蝇。图片:Sanjay Acharya / wikimedia
天生的实验动物
如今,各个领域都有对黑腹果蝇的研究,它也是被人类研究得最彻底的模式生物。
如果你恰好是生物狗,一定能深刻体会到黑腹果蝇作为实验动物的优点。饲养果蝇成本低廉,几乎不用花钱(即便是特殊品系,购买价格相对于其他实验动物都很便宜)、无需多大空间,用一些烂香蕉或者自配一些简单的培养基就可以养活一大堆果蝇。此外,它们繁殖快,生命周期短。

经典场景再次出现。图片:TheAlphaWolf / wikimedia
从外观就可以区分黑腹果蝇的雌雄。雌性个体大,腹部末端比较尖,腹部6节,背面有五条黑色条纹;雄性果蝇个体较小,腹部末端比较钝,腹部4节,背面有三条黑条纹。

两性对比示意图。图片:Madboy74 / wikimedia
雌、雄果蝇交配后,雌果蝇一次性可产下400枚卵。卵孵化出幼虫,幼虫历经两次蜕皮后化蛹,最后变为成虫,从卵到成虫只需10~12天。
从遗传学角度来看,黑腹果蝇还有一些特殊的优势。它们只有四对染色体——其中一对是性染色体,三对是常染色体——这种简单的遗传结构让科学家更容易找到其中的规律。

果蝇的染色体组,左为雌性,右为雄性。图片:Dixi / wikimedia
果蝇有一些容易观察的个体突变性状,比如说黄体、白眼、褐眼、棒眼、卷曲翅、小翅(长度不超过身体)、残翅等等。研究者通过杂交实验,就能分析出这些性状是如何遗传的。

果蝇的各种性状特征。图片:mun.ca;汉化:物种日历
此外,果蝇三龄幼虫的唾液腺中有非常特殊的多线染色体。这种染色体呈带状,长度是普通染色体的100~200倍,染色后会出现深浅不同、密疏各异的横纹,横纹的数量和位置是固定的,如果染色体有缺失、重复等异常现象,很容易被观察到。

果蝇的多线染色体,b为放大后的横纹细节。图片:J. Albert Vallunen / wikimedia
当摩尔根遇到果蝇
让果蝇名扬天下的,当属美国的现代遗传学之父摩尔根。
摩尔根并不是第一个研究果蝇的遗传学家,他最早研究的也不是果蝇,而是诸如蛙、水母、蜘蛛蟹、海胆等动物的胚胎学。

除了孟德尔,现代遗传学的另一位先驱就是摩尔根了。图片:um.edu.mt
早在1901年,哈佛大学的遗传学家卡斯尔就根据昆虫学家伍德沃德的推荐,将黑腹果蝇作为研究对象,试图通过这种小昆虫了解多代近亲繁殖的遗传规律。卡斯尔利用果蝇进行了五年杂交实验,并没有得到预期的结果。
昆虫学家卢茨经卡斯尔的推荐也开始研究果蝇,他发现了果蝇的一种突变,后来把自己研究的黑腹果蝇品系安利给了摩尔根。
当时,摩尔根对于人工诱变导致个体变异充满了兴趣。他让手下的研究生通过各种方法刺激果蝇,诸如摇动、喂食酸碱水等方式,企图让果蝇产生突变个体,然而都没有起到作用。

培养果蝇的经典装置。图片:Robert Cudmore / flick
1910年5月,摩尔根的实验室里终于出现了一只奇特的果蝇,这就是具有划时代意义的白眼果蝇,与它同代的果蝇都是红眼的。这只白眼果蝇被这样写入了高中生物教材:
摩尔根精心照料这只果蝇。在自己的第三个孩子出生时,摩尔根赶到医院,他妻子的第一句话竟是:“那只白眼果蝇怎么样了?”摩尔根的第三个孩子长得很好,但那只果蝇却很虚弱。摩尔根晚上把它带回家中,让它呆在床边的一个瓶子里,白天又把它带回实验室。在实验室,它临死前抖擞精神,与一只红眼果蝇交配,把突变基因传了下来。

这只“抖擞精神”的白眼果蝇留下了1240只后代(F1),除了三只是白眼,其他都是红眼。这一代果蝇交配后得到第二代(F2),红眼与白眼的比例约为3:1,和孟德尔几十年前的研究结果一致。

红眼和白眼的黑腹果蝇。图片:fineartamerica.com
诺奖孵化器
摩尔根的研究室被称为“蝇室”(Fly Room),环境闷热恶劣又简陋,散发着饲养黑腹果蝇用的腐烂香蕉味。果蝇就养在四处搜刮来的牛奶瓶里,计数板上都是压扁果蝇后留下的霉斑。

摩尔根的蝇室。图片:American Philosophical Society
然而就是在这样的环境下,摩尔根完成了对果蝇的各种遗传研究。1933年,摩尔根凭借对果蝇遗传突变的研究获得了诺贝尔生理学或医学奖。这一研究解释了果蝇获得白眼突变的过程,指出由DNA组成的基因位于染色体上,而染色体可以传递给后代。
这一发现为现代遗传学研究奠定了基础。此后,摩尔根又发现了基因的连锁、伴性遗传等重要遗传学规律。当然,黑腹果蝇功不可没。
从摩尔根开始,科学家们培育了果蝇,果蝇也“培育”了一批批诺贝尔奖得主。从1933年到2017年,共有8个诺奖以果蝇为研究对象,奖项集中在生理学或医学奖,在组织学、生理学、免疫学、胚胎发育等领域,小小的黑腹果蝇都起到了巨大的作用。

根据摩尔根研究成果绘制的遗传连锁图谱,展示了控制果蝇某些性状的基因在染色体上的相对位置。图片:Twaanders17 / wikimedia
黑腹果蝇的大部分基因与人类基因同源,而目前发现有超过60%的人类疾病基因与果蝇同源,研究果蝇似乎就能找到人类疾病背后的基因密码。
在今年的第28个第一届(这是个梗)搞笑诺贝尔奖中,获得生物学奖的研究就是关于果蝇的。瑞典科学家保罗·贝歇尔(Paul Becher)等人发现,品酒师能闻出醉倒在葡萄酒里的果蝇的气味,还能分辨雌雄,原理是雌性果蝇会散发一种独特而难闻的信息素(Z4-11Al)吸引雄性。

明年是不是就能闻出是野生型还是突变型了(大雾)。图片:improbable.com
我相信,关于果蝇的研究还有更为广阔的未来,让我们拭目以待吧。
写完这篇,我看了一眼垃圾桶里水果残渣引来的果蝇,怀着对它们的敬意,迅速地扎好了垃圾袋口,将它们扔到了垃圾桶。
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让岁月凝结成文明,让我遇见你。2018年《物种日历》,一同品鉴文明。

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发表于 2018-10-9 11:48 来自手机 | 显示全部楼层
全民科普
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发表于 2018-10-10 19:10 来自手机 | 显示全部楼层
涨姿势了
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发表于 2018-10-11 09:30 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-12 13:32 来自手机 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-12 22:05 来自手机 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-13 13:08 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-13 22:49 | 显示全部楼层
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