后院小鸟教给我们关于性别可变性的那些事儿
Scientific American 2025年2月18日，阅读时间约14分钟
后院小鸟教给我们关于性别可变性的那些事儿
白喉雀 (White-throated Sparrows) 证明，我们通常与性别相关的特征可能受到非性染色体上的基因的影响。
© Joel Sartore/Photo Ark
现在是您后院的春天。您看到一对棕色小鸣禽飞来飞去，阳光下它们白色的喉咙闪闪发光。其中一只鸟的头顶有醒目的黑白条纹，并不时地唱出它的歌声“Old Sam Peabody, Peabody, Peabody”。它的伴侣则比较黯淡，头顶是棕褐色和灰色的条纹，白色的喉咙中有棕色的条纹。根据关于鸣禽的传统观点——雄鸟炫耀而华丽，雌鸟则更隐蔽而安静——您决定将这只羽毛鲜艳的歌手命名为罗密欧，而将这只比较内敛的命名为朱丽叶。
但那天晚些时候，您注意到朱丽叶站在篱笆上，高声歌唱。朱丽叶的歌声甚至比罗密欧的更大更炫。您想知道，雌鸟会唱歌吗？然后您看到罗密欧带来一根树枝到这对鸟的巢穴，巢穴藏在灌木丛下。您的野外指南说，在这个物种中，雌鸟独自筑巢。这到底是怎么回事？
事实证明，当您命名罗密欧和朱丽叶时，您犯了与19世纪艺术家兼博物学家 John Audubon 同样的错误，他在描绘这个物种的水彩画中，将鲜艳的那只标为“雄性”，将暗淡的那只标为“雌性”。罗密欧可能看起来像雄性，即使对于像 Audubon 这样的鸟类专家来说，但他会筑巢并在其中产卵。朱丽叶可能看起来像雌性，但她有睾丸，并且会通过独自歌唱以及与罗密欧一起歌唱来捍卫这对鸟的领地，罗密欧也会唱歌。
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朱丽叶和罗密欧是白喉雀 (Zonotrichia albicollis)。乍一看，这种鸣禽的成员可能看起来相当普通。例如，像许多其他鸣禽一样，这些麻雀的每对繁殖配偶中，有一只的羽毛更引人注目——也就是说，它的外貌是我们传统上认为的鸣禽雄性的样子。这对鸟中的另一只则更像雌性，羽毛更暗淡。
仔细观察，白喉雀非常引人注目。如果我们假设每对繁殖配偶中较亮的那只鸟是雄性，那么我们只有一半的时间是正确的。在大约 50% 的白喉雀繁殖配偶中，较亮的那只鸟有睾丸，而较暗的那只鸟有卵巢，这与典型的鸣禽模式一致。然而，在其余的繁殖配偶中，羽毛更引人注目的那只鸟是拥有卵巢的那只，而较暗的那只鸟则拥有睾丸。
带有卵巢的白条纹鸟类的行为比我们对雌性鸣禽的预期更为雄性化。
研究人员自 20 世纪 60 年代以来就知道，白喉雀有两种颜色形态：一种是较亮的“白条纹 morph”，另一种是较朴素的“棕条纹 morph”。即使 morph 与性别无关——每种 morph 的鸟类都有相等的机会拥有卵巢或睾丸——这些鸟在选择配偶时仍然会注意 morph。无论是雄性还是雌性，棕条纹鸟几乎总是选择白条纹配偶，反之亦然。因此，每只鸟只从 25% 的种群中选择配偶；如果您是一只想要生育后代的棕条纹雌性，那么相同 morph 的雄性就行不通。您需要一只头上带有 白色 条纹的雄性。
这种有趣而复杂的情况为该物种赢得了“四种性别的鸟”的绰号。但需要明确的是，白喉雀并没有四种不同类型的性腺。与其他鸟类一样，每个个体通常要么有两个产生精子的睾丸，要么有一个产生卵子的卵巢。然而，正如最近的研究表明的那样，这个物种可以教给我们很多关于性别可变性的本质——性别相关行为如何受到基因、与性别相关的染色体的复杂结构以及有性繁殖本身的进化影响。重要的是，这个物种挑战了将自然界的神奇多样性扁平化为雄性和雌性这两个类别的做法。
在过去的 25 年里，我一直在研究这个迷人的物种，试图了解社会行为和基因组结构如何相互影响对方的进化。白喉雀是这条研究路线的一个特别好的模型，因为性别和 morph 的类别都与特殊的染色体相关。性染色体，在鸟类中被称为 Z 和 W，会影响原始性腺是发育成卵巢还是睾丸。同时拥有 Z 和 W 的鸟类通常会发育出一个卵巢，而拥有两个 Z 拷贝的鸟类则会发育出睾丸。颜色 morph 与不同的染色体相关，即第 2 号染色体。与性染色体一样，白喉雀的第 2 号染色体有两种版本。第一个版本，我们称之为标准版本，是科学家们第一个进行测序的版本。另一个是重排的版本，包含一个“supergene”，从技术上讲，这是一个结合在一起的基因集合。无论是雄性还是雌性，拥有一份 supergene 拷贝的鸟类都会发育成白条纹；只有标准染色体的鸟类才会发育成棕条纹。
Rebecca Gelernter; 来源: “Multivariate Models of Animal Sex: Breaking Binaries Leads to a Better Understanding of Ecology and Evolution,” by J. F. McLaughlin et al., in Integrative and Comparative Biology , Vol. 63; October 2023 (reference)
虽然白喉雀的颜色 morph 在技术上不是性别，但第 2 号染色体的标准版本和带有 supergene 的版本与人类的 X 和 Y 性染色体分别具有相似的特征。在典型的繁殖对中，一只鸟有两个标准版本的拷贝，类似于人类的 XX 基因型。另一只鸟有一个标准版本的拷贝和一个 supergene 的拷贝，类似于 XY 基因型。正如拥有两个 Y 染色体的人类很少见一样，拥有两个 supergene 拷贝的白喉雀的数量也少得可怜。几乎所有白条纹 morph 的鸟都有一份标准版本的第 2 号染色体可以传下来，以及一份带有 supergene 的版本。因此，每对繁殖对的一半后代将继承 supergene，另一半则不会。
带有 supergene 的第 2 号染色体的版本在其他方面也与哺乳动物的 Y 染色体相似。要理解这些相似之处，让我们考虑它是如何产生的。当时在 Emory University 的遗传学家 James W. Thomas 和他的实验室证明，supergene 本身由几个倒置组成——DNA 序列的大段区域很久以前相对于标准序列翻转了 180 度。白喉雀第 2 号染色体上重排的区域非常大，以至于这两个不同的版本无法精确地彼此并排排列并交换基因，这个过程称为重组。一般来说，不匹配的序列不是一个大问题，只要附近有另一个相同版本的染色体可以排列并与之交换基因即可。但对于第 2 号染色体的 supergene 版本，通常没有这样的版本。正如哺乳动物的 Y 染色体的情况一样，拥有 supergene 染色体的个体通常只有一份拷贝。因此，虽然在棕条纹鸟类中，第 2 号染色体的两个标准版本可以彼此自由重组，但在白条纹鸟类中，supergene 版本的染色体是独立的，无法与伴侣重组。
这种隔离导致 supergene 内部的基因序列随着时间的推移慢慢地与标准版本上相应的序列分离，变得越来越不相似。逃避重组还会导致 supergene 内部的基因被锁定在一起，这意味着每只白条纹鸟都会继承一大块越来越分化的基因。对于这些麻雀来说，这些分化的基因转化为羽毛和行为的差异。
白喉雀第 2 号染色体中发生的进化变化大致概括了性染色体进化的经典理论。在哺乳动物的 X 和 Y 染色体的情况下，抑制重组被假设为导致基因功能的逐步丧失，甚至导致整个基因的丧失。随着时间的推移，Y 染色体已经退化，以至于它只与 X 染色体共享少数几个基因。相同的场景已经在各种物种的性染色体中上演，包括其他哺乳动物、鸟类和许多昆虫：与睾丸或卵巢发育相关的染色体已经停止与其先前的伴侣重组并已大大分化。白喉雀中带有 supergene 的第 2 号染色体似乎也处于同样的情况。为了更密切地研究这些相似之处，我们与 Georgia Institute of Technology 的研究人员合作，由 Soojin V. Yi 领导。我们的研究表明，supergene 仅显示出极小的退化迹象。因此，尽管带有 supergene 的染色体可能在许多方面重现了类似性染色体系统的进化，但我们没有看到明显的证据表明它会像 Y 染色体一样最终变得很小。
在白喉雀中，白条纹鸟 (底部) 和暗淡的棕条纹鸟 (顶部) 都会唱歌。 Glenn Bartley/Minden Pictures (顶部); Scott Leslie/Minden Pictures (底部)
白喉雀的第 2 号染色体在行为后果方面也类似于哺乳动物的 XY 染色体系统。带有 supergene 版本的鸟类——即白条纹鸟类——平均比它们的棕条纹对应物更积极地捍卫它们的繁殖领地，后者花费更多的时间给巢中的后代带来食物。换句话说，我们期望与哺乳动物 Y 染色体相关的行为——即，将领地侵略性置于亲代护理之上——已经与 supergene 相关联，即使 supergene 不位于性染色体上。这些行为已经与性腺分离。
这种分离使得该物种对于理解性别相关特征的进化以及任何个体在多大程度上可以被称为一种性别而不是另一种性别特别有价值。在白喉雀中，我们看到“男性”和“女性”特征以一种明显正交于性腺性别的方式分布。带有卵巢的白条纹鸟类的行为比我们对雌性鸣禽的预期更为雄性化，而带有睾丸的棕条纹鸟类的外观和行为则相对女性化。由于 morph 之间的行为差异可以归因于与性别或性染色体无关的遗传序列，因此 supergene 提供了一个重要的工具，可用于识别基因变异，无论麻雀的性腺如何，这些变异都会推动麻雀朝着一个或另一个行为方向发展。
20 世纪的遗传学家 Theodosius Dobzhansky 曾说过：“生物学中没有任何东西能够理解，除非从进化的角度来看”，他推测倒置是适应性的，因为它们捕获并结合在一起基因变异，这些变异在共同继承时具有集体利益。构成白喉雀 supergene 的倒置已经捕获了大约 1,000 个基因，这些基因正在慢慢地与标准版本区分开——这当然是共同适应可能性的丰富来源。
在我在 Emory 的实验室里，我们继续寻找 supergene 内部的基因变异，这些变异分别将白条纹和棕条纹麻雀的行为转移到男性和女性的方向。我们知道，白条纹鸟类中循环的类固醇激素水平——即雄性中的睾酮和雌性中的雌二醇——高于棕条纹鸟类。然而，这种激素水平的 morph 差异并不能解释它们行为的差异。当我们通过实验将 morph 之间的类固醇激素水平相等时，白条纹鸟仍然更具侵略性，尽管它们的类固醇激素水平与棕条纹鸟相同。也许白条纹鸟只是对它们自己循环的类固醇更敏感。如果是这样，我们想知道，这种敏感性的生物学基础是什么？
为了回答这个问题，Brent M. Horton 和我带领一个团队采取了一种神经科学方法。我们认为，白条纹鸟对类固醇激素的敏感性增加可能来自它们大脑中这些激素受体的水平更高。果然，在与生殖行为相关的大脑部分，白条纹鸟具有非凡的基因活性，该基因编码一种对领地侵略性重要的类固醇激素受体。这个基因，被称为 ESR1，位于第 2 号染色体上与倒置位置相对应的区域内。随着进化时间的推移，supergene 内部的 ESR1 变异在基因上已经与其在标准染色体上的对应物不同。这种基因差异已经提高了 supergene 变异的活性，使得白条纹鸟在这个大脑区域的水平高于棕条纹鸟。此外，ESR1 的 supergene 变异相对于标准版本的活性越高，这只鸟就越具侵略性。我们找到了我们的确凿证据。
为了明确表明这种受体在白条纹侵略性中起着因果作用，当时是 Emory 研究生的 Jennifer R. Merritt 领导了一项实验来操纵 ESR1 基因的分子产物。我们假设，如果白条纹鸟类由于激素受体水平较高而更具侵略性，那么如果我们通过实验将这些鸟类中受体的产量降低到所讨论大脑区域中棕条纹水平，那么侵略性的 morph 差异应该消失。正如我们预测的那样，受体水平降低的白条纹鸟类表现出的侵略性并不比棕条纹鸟类更强。换句话说，我们能够通过改变单个基因的活性将它们的行为从白条纹变为棕条纹。
尽管这一发现令人兴奋，但我们并没有抱有幻想，即仅凭一个基因就能解释白条纹 morph 的侵略性行为。我们相信，正如 Dobzhansky 所说的那样，这种行为受到 supergene 内部多个共同适应基因的影响。由 Emory 研究员 Wendy M. Zinzow-Kramer 领导的我们对 supergene 内部所有基因的分析表明，ESR1 是 supergene 内部预测领土侵略性的大型基因网络的一部分。也许这些基因以某种方式共同作用以改变羽毛和行为。
白喉雀通过迫使我们承认性别以外的变异来源，帮助我们看穿了性别的二元性。
有了影响基因的邻居可以具有相关功能的知识，我们将注意力转向了在 supergene 内部几乎与 ESR1 相邻的基因。这个基因被称为 VIP，它在大脑中广泛活跃，并影响脊椎动物的各种社会行为。在鸣禽中，当它在大脑的某个部分被激活时，它会促进侵略性，而在另一个部分则会促进亲代行为。由于这些行为是白喉雀中 morph 之间的差异，因此该基因是进一步研究的主要候选者。
Horton 和他的团队表明，在大脑中 VIP 与侵略性相关的大脑区域，VIP 基因的活性在白条纹 morph 中更高。在与亲代相关的脑区域，其活性在棕条纹 morph 中更高。由于白条纹鸟更具侵略性，而棕条纹鸟更具亲代性，因此这一发现强烈表明 VIP 在行为差异中发挥作用。但是，同一种基因变异如何在一个大脑区域被激活而在另一个大脑区域被减弱呢？
当时是 Emory 研究生的 Mackenzie R. Prichard 领导的一个小组提供了一条重要的线索。supergene 内部的 VIP 变异不仅在基因上与标准版本不同，而且在另一个重要方面也不同。DNA 可以用不是基因序列一部分的化学标记进行标记——它们以外遗传的方式附着在 DNA 上，这可以沉默该基因。在大脑中 VIP 促进侵略性的脑区域，这些标记在 VIP 的 supergene 变异上显着减少。尽管我们不完全理解调节标记的机制，但从 supergene 中移除它们可能允许 VIP 编码的肽在白条纹鸟的这个大脑区域以更高的水平产生。与亲代相关的脑区域情况不同，supergene 变异的相对活性显着降低。
19 世纪的艺术家和博物学家 John Audubon 错误地认为白喉雀的白条纹变体都是雄性，而棕条纹鸟都是雌性。
Fine art images/Heritage Images via Getty Images
这些发现令人兴奋，因为它们表明 VIP 肽的产生在每个大脑区域的调节方式不同，这对于每种 morph 来说都是适应性的。在大脑中 VIP 促进侵略性的脑区域，supergene 版本的基因的制动器已经松开。由此产生的较高活性可能允许白条纹鸟类产生更多的 VIP 肽，这对于侵略性是必需的。在 VIP 促进亲代行为的区域，对 supergene 施加了更多的制动器，这可能会降低白条纹鸟类中该区域的 VIP 产量，并使它们不太具有亲代性。
ESR1 和 VIP 的两个 supergene 变异在 supergene 内部如此接近是否重要？它们在分子水平上是否共同适应？我们还不知道。即使基因产物没有直接相互作用，两者都会导致相同的侵略性、白条纹表型。Dobzhansky 可能会争辩说，仅这种共享功能就使它们的联系具有适应性。随着进化时间的推移，supergene 可能会积累更多的基因变异和外遗传标记，这些变异和标记补充了侵略性表型，这符合与性别相关的染色体进化背后的理论。
白喉雀证明，我们通常与性别相关的特征可能受到非性染色体上的基因的影响。在这个物种中，其中一些基因彼此相关，并且与一个明显的、性别相邻的表型相关，这使得这些关联易于研究。但性别相关基因与性染色体的分离根本不是例外。在所有有性繁殖的物种中，包括人类，已知大多数有助于性别相关变异的基因与任何特定的基因组结构无关。甚至参与性腺发育和激素合成的基因也可以在大多数染色体上找到，映射到整个基因组中自由重组的位置。每个个体都会继承一种新的遗传和外遗传物质组合，从而产生违背二元类别的多样性。
在大多数有性繁殖物种中，制造一个胚胎需要两个配子：一个卵子和一个精子。这种二元性很明显。但卵子-精子的二元性并不适用于该胚胎最终发育成具有性别相关行为的性别身体。这种发展在概念上是分开的，并且在许多方面绝对是非二元的。要理解为什么，让我们考虑有性繁殖的理论进化功能。
生物学家长期以来认为，性别的遗传功能——即在后代产生过程中混合基因组——是创造基因组合，这些组合可以在不可预测的未来环境中赋予优势。有性繁殖加快了新组合的形成，这意味着与我们只是克隆自己并等待基因随机突变成更有益的形式相比，有利的组合建立得更快。换句话说，拥有性别的全部意义在于产生多样性。每个新生物都拥有一个前所未见的基因组，与任何一个亲本的基因组都不同。
由于科学家迄今仍不清楚的原因，最多样化的特征是那些与繁殖本身相关的特征。除了白喉雀之外，跨物种的性表型的多样性是巨大而壮观的。即使在大多数有性繁殖物种中，胚胎通常由一个卵子和一个精子制成，但性别身体的发育却具有深刻的灵活性和可塑性。许多鱼类将其配子生产从卵子变为精子，反之亦然；一些蠕虫同时生产两者；一些蜥蜴物种根本不生产精子。在许多爬行动物中，胚胎是发育卵巢还是睾丸取决于卵子孵化的温度，而不是由遗传密码决定。自然界是一个性形式和功能异质性的游行。
直到最近，性别变化的鱼类、全雌蜥蜴和具有“四种性别”的白喉雀等物种都被视为奇特的生物——似乎打破规则的古怪生物。但这种观点正在迅速改变。研究性发育基础过程的新工具对规则本身提出了质疑。我们正在了解到，指导身体发育卵巢、睾丸或其他性别相关特征的分子途径在进化上是不稳定和不确定的。即使是密切相关的物种，有助于制造性腺的基因和蛋白质也各不相同。这些途径没有得到很好的保护，这表明它们仍然具有灵活性是有充分理由的。
性别相关特征的发展不仅在物种之间，而且在物种内部都惊人地多样化。每个人，麻雀或人类，都具有男性和女性特征。当我们把个体归为两类，并把每个个体都看作是一个同质的群体时，这种多样性就会被掩盖。当我们比较“女性”和“男性”这两个类别时，我们经常报告“性别差异”——一种由二元方法不可避免地造成的二元结果。这种方法未能认识到几乎在任何衡量标准上，性别之间都存在深刻的重叠。
白喉雀通过迫使我们承认性别以外的变异来源，帮助我们看穿了性别的二元性，实际上，性别只是许多物种变异的一个小贡献者。表型表达的多样性和可塑性是常态，特别是对于与性别相关的特征。性别相关特征根本不是硬连线的。进化生物学家认为，这种可塑性——就像性别决定的分子途径的惊人多样性一样——可能在不断变化的环境中具有适应性。在性别相关特征的表达中保持最大灵活性的个体能够更快地适应不断变化的环境，或者在某些情况下，甚至能够改变他们的性别。
有性繁殖，就其本质而言，会产生多样性。身体发育成男性、女性、两者或都不是的途径可能与物种本身一样多。基因组是流动的，不断变化和进化。基因序列连接在一起并分离，进行永无止境的舞蹈。环境也在不断变化，以不可预测的、有时是破坏性的方式指导着发展。每一种新进化出来的发育为性别身体的途径都开启了一个新的、生成性的过程，从而产生了更新的途径。从这个角度来看，很明显，物种内的性别多样性是一种进化适应——一种特征，而不是一个错误。就像我们后院的麻雀罗密欧和朱丽叶一样，我们每个人都在表达我们自己独特的表型，正如大自然所期望的那样。