海马为何雄性产子、垂直游泳？揭开“最奇葩动物”的基因密码

记者 李荔

在伟大的自然界，有这么一种怪胎：它的头长得像马，但不是马;虽然雌雄异体，但雄性却干着雌性的活儿;它是一种鱼类，但却把“下肢”整丢了，只能垂直游泳……不过在任天堂著名的《口袋妖怪》中，它又是经久不衰的“萌宠”。

说到这，你肯定知道这朵奇葩是谁了——没错，就是海马。海马是地球上已知的唯一真正表现出雄性怀孕生子的脊椎动物，这一现象使得它们备受国际科学家的“偏爱”。

由于海马广泛分布于世界海洋，其被视为海洋生态系统中重要的环境指示物种;也因其特殊药用功效而被誉为海洋“人参”。至今，美国、德国等多国科学家都曾试图解开海马身上的诸多谜团。但中国科学院南海海洋所的林强研究员首次把海马整个物种基因全部挖掘出来，组建了一个庞大的海马基因库，并在此基础上对全基因组进行了分析研究,揭开了海马众多奇怪特征之谜。

12月15日，这项由林强研究员课题组主导，德国、新加坡等实验室共同参与完成的研究论文已在国际学术期刊《自然》主刊以封面长论文的形式在线刊发，并且最新消息是，该论文刚发表便已入选自然集团本月前十位亮点发现。

地球上唯一雄性育种的动物

为什么说海马爸爸既是精子提供者又是怀孕者?

“妈妈生宝宝，妈妈来孵化。”地球上多数的动物爸爸显然不够称职。然而有一种雄性鱼类，堪称父亲的楷模，担当哺育、孵化的重任。但海马彻底改变了人们对传统意义上母亲和父亲的定义，长久以来，我们都知道海马爸爸是怀孕育儿的那一枝“独秀”，但我们对海马爸爸的腹囊中发生的事情知之甚少。

海马爸爸是非常优秀的“母亲”，在怀孕和生产过程中表现出了一般雌性动物才具备的功能，他们既是精子的生产者同时也是怀孕者。海马妈妈将它的卵子转移到海马爸爸的腹囊中，海马爸爸在接收到卵子之后会释放出精子使卵子受精，接着孵化15-30天直到小海马出生。

▲《口袋妖怪》中的“萌宠”墨海马

雄性育儿是由什么基因导致的?

中国科学院南海海洋所林强研究员告诉北京科技报记者，和其他鱼类相比，海马显得尤其特别。大多数鱼类都是卵生，即雌鱼排出卵，雄鱼授精，就完成了生育使命。少部分鱼类如剑尾鱼则属于卵胎生，它们都是在雌性的卵巢里发育再排出体外。而海马虽属于最低等的脊椎动物——鱼类，但它的生育过程既不是卵生，也不是胎生，而是一个非常特殊的雄性卵胎生繁殖方式。

“这次基因分析中发现了一系列基因与育儿相关，论文中采用了一个pastn基因为代表去诠释海马育儿的过程。”林强说，这次发现pastn基因在海马基因组中发生了重复，从而推断该基因可能发挥着一个新的作用——雄性海马育婴囊的出现。在雄海马受精，胚胎发育过程中，其他相关基因能提供包括生理、营养、免疫等在内的相应调控，且能对幼鱼(幼苗)进行保护。而pastn这一基因本身会影响育儿袋的产生，也会根据发育状况不同起到不同的调控作用。不过，这一基因并非只存在于雄性中。“在雌性中也存在，但比较少，主要存在雄性育儿袋中。这是国际上第一次从基因层面论证了海马雄性育儿的原因。”

研究海马雄性育儿有哪些意义?

事实上，无论是企鹅的雄性孵化，还是海马的雄性育儿等，都可以发现雄性个体在后代繁殖过程中扮演的角色非常重要。而林强的研究团队也并不是要简单地分析雄性对繁殖的贡献，而是希望能借此研究动物繁殖过程中的能量分配。

林强说，动物生长到一定程度会进入繁殖阶段，繁殖过程是一个能量消耗的过程。正常情况下，个体的能量支出是一定的，即繁殖用的能量多，生长用的能量就少。那么在整个动物繁殖过程中，雄性提供的能量多，还是雌性提供的能量多，这在动物性角色的研究课题里是一个非常重要的内容。眼下他们的团队就有人专门在研究这些内容，比如雄海马在后代的保育过程中，到底在哪些具体的行为或生理活动中消耗了能量?这种能量来自哪里，哪些基因参与了调控?

林强笑着说，“也许未来借助像子宫一样的模型，男性或完全离体生育也不再是天方夜谭。”林强也希望海马作为雄性育儿的“独秀”，能成为科研新贵——“模式鱼”，为研究其他鱼类繁殖等相关课题提供一个新的对比或参照物。

▲豆丁海马

海洋里的“超级怪咖”

明明是鱼为什么长得像马?

海马的头型为何长得这么奇特?2014年美国德州大学奥斯汀分校海洋生物学家布莱德·盖莫尔曾研究发现，海马的头型和它秘密的接近方式，以及闪电般的速度，能为它猎捕到一顿海洋中最令人觊觎的大餐：桡脚类动物。

盖莫尔说，海洋中每种动物基本上都想要猎食桡脚类，它们已经演化出一些令人赞叹的方法来避免捕食者捕捉。这些法宝包括敏感度与速度。桡脚类是一种微小的甲壳动物，它们看不见影像，所以仰赖对海水扰动的卓越敏感度来感觉靠近的捕食者。桡脚类从它们感觉有动静到逃跑，大约只有2~3毫秒，能够在1秒内移动超过500个自己身长的距离。要捉到移动那么迅速的猎物，动作就必须比它更快一些。而在风平浪静的情况下，海马比其他的鱼更擅于捕捉桡脚类。海马猎捕的成功率有90%，其他捕食者则只有30%到40%。

在盖莫尔的研究中指出，海马的头型能创造出一个扰动极小的范围，让它们得以非常靠近极为敏感且难以捉摸的桡脚类动物。但是究竟为什么海马本质上是一条鱼，但头部会像马一样?

这次林强研究团队从基因层面发现，的确存在相关基因调控了海马的体形特征。林强说：“较其它已知鱼类，海马的Hox基因CNE出现严重的缺失现象。这也就进一步证实了与体型相关的Hox基因CNE的缺失，对海马体型起到了关键的调控作用。

为什么没有牙齿用鼻管捕食?

事实上，海马全身遍及各种离奇古怪，除了海马长着“像马一样”的头部、管状的鼻子以外，它还没有牙齿。并且，海马的双眼能够独立工作，能同时看到前方和后方……为什么海马在很短的时间进化出那么多独特的功能?

林强课题组从基因层面找到了答案。林强说，海马没有鳞片和牙齿，周身包被角质皮层和环骨，研究人员发现其分泌型钙结合磷蛋白(SCPP)主要参与骨骼、牙釉质和牙本质等的形成，而该类基因在海马中严重缺失，只保留了2个。由于海马没有牙齿，所以其利用长长的鼻管吸入浮游生物以及其他小型猎物进食。

为什么没有尾鳍、腹鳍?

海马的身体由硬化的骨片状皮肤覆盖，还能改变体色来伪装自己以逃避掠食者。海马的游动方式也很奇特，它们几乎总是昂立着身体垂直上下游动，而非水平地游动。海马依靠卷曲的尾部勾住海草来固定身体位置或者防止被海流冲走。此外，最不同于一般鱼类的是，海马没有尾鳍和腹鳍。

课题组发现，其他鱼类基因组中对应于腹鳍的基因，以及高等动物基因组对应于下肢的基因，在海马基因组中都缺失了。因此海马依靠其背部的小而几乎透明的鱼鳍快速扇动来实现游动，并且利用其靠近头后部的小小的胸鳍来实现转向。

“海马的腹鳍相当于高等动物的下肢或人的腿，是很重要的一个器官。”林强说，一个基因的缺失直接导致腹鳍丢失的现象，这在动物界中也是不多见的。Tbx4基因是决定肢体发育的重要基因。他们通过比较基因组分析发现海马基因组中丢失了这个基因，推测海马腹鳍的缺失可能与此相关。为了验证这个推测，研究人员在斑马鱼中进行基因敲除实验，结果发现敲除Tbx4基因的斑马鱼真的没有腹鳍。这就进一步证实了Tbx4基因缺失对海马腹鳍确实起到了调控作用。

林强说，此外，由于海马为直立游泳，运动能力弱，其尾巴常卷在附着物上，通过伪装色来捕食和躲避敌害生物。这些特殊的生活史特征，与其生存的环境是密切相关的。其关联基因在长期的进化过程中，或许已经“造就”了海马特异的体型。

是忠贞之鱼还是调情高手?

海马是忠贞之鱼，一生恪守“一夫一妻制”?事实并非如此，林强说，海马们个个都是调情高手，甚至有“同性恋行为”。其实海马专不专一与其生活环境相关。在海洋中生活的海马，由于其数量较少，异性海马之间一旦碰面就会心生情愫并且不会轻易分开。但是海马在实验室的条件下观察，几乎所有的海马品种都会打破一夫一妻制，甚至很多雄性个体间还会出现假交配现象。

▲中科院南海所海马研究团队

研究海马的初衷

“海马长得漂亮，且药用价值高”，提及研究海马的初衷，林强道出了缘由。林强说，从研究生开始，他就钟情于海马的相关行为学研究，至今已有将近15年的研究基础。2010年他留学回国后主导组建了国内唯一的海马研究团队。2013年，他们课题组启动了海马全基因组工作。历经3年的协同攻关和深入探索，研究团队最终在国际上首次完成了海马的全基因组测序及数据分析，将为鱼类的基础与应用研究提供重要的数据信息。

林强介绍到，虽然人类起源于海洋生物，但是鱼类是最原始的脊椎动物，海马与人类之间跨度极大，但是海马的许多基因与其它怀孕动物的基因很相似。海马爸爸们和人类的母亲一样，需要确定它们能为受精卵提供氧气和营养等。只不过我们在子宫中用胎盘，而海马爸爸用腹囊中增厚的类胎盘来达到同样的目的。

也就是说，动物之间的很多基因都是相同的，未来他们还会研究海马在繁殖过程中，它的一些基因是否与哺乳动物比如人类、小鼠等一样存在平行进化现象，探讨繁殖基因进化问题。

“这次研究结果出来后，受到了国际同行的广泛关注。”林强表示，很多国际同行跟他们索要海马的相关基因数据。他们也希望，这一研究成果能给国际上更多的相关实验室研究提供便利。

林强最后强调，科学的意义在于不断的探索和发现，海马神秘的面纱正在被慢慢地揭开，然而海洋带给他们的太多未知仍需要去继续发现。