它是動物界一朵奇葩，頭部像馬卻是魚、雄性懷孕生子、尾鳍缺失垂直遊泳……中國學者涉獵熱門研究對象海馬，并在《自然》發表。

文/記者 李荔 編輯/劉昭

新媒體編輯/黃珊

在偉大的自然界，有這麼一種怪胎：

它的頭長得像馬，但不是馬；

（誰叫我）

它的嘴巴是尖尖的管形；

（難道你說我）

它沒有牙齒，卻還喜歡“吃肉”；

它們雌雄異體，但雄性卻幹着雌性的活兒；

（人家純爺們）

它是一種魚類，但卻把“下肢”整丢了，隻能直着遊泳……不過在著名IP《口袋妖怪》中，它又萌得人一臉老血；

說到這，你肯定知道這朵奇葩是誰了——沒錯，就是海馬。海馬是地球上已知的唯一真正表現出雄性懷孕生子的脊椎動物，這一現象使得它們一直備受國際科學家的“偏愛”。

（圖片來自網絡）

由于海馬的這些“奇葩”特點，廣泛分布于世界海洋，被視為海洋生态系統中重要的環境指示物種；也因其特殊藥用功效而被譽為海洋“人參”，再加上海馬獨特的雄性育兒和特異的交配行為而一直受到科學界的高度關注。至今，美國、德國等多國科學家都曾試圖解開這一謎團。但中國科學院南海海洋所的林強研究員首次把海馬整個物種基因全部挖掘出來，組建了一個龐大的海馬基因庫，并在此基礎上對全基因組進行了分析研究,揭開了海馬衆多奇怪特征之謎。

12月15日，這項由林強研究員課題組主導，德國、新加坡等實驗室共同參與完成的研究論文已在國際學術期刊《自然》主刊以封面長論文的形式在線刊發。并且最新消息是，該論文剛發表便已入選《自然》集團本月前十位亮點發現。

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地球上唯一雄性育種的動物

▍為什麼說海馬爸爸既是精子提供者又是懷孕者？

“媽媽生寶寶，媽媽來孵化。”地球上多數的動物爸爸顯然不夠稱職。然而有一種雄性魚類，堪稱父親的楷模，擔當哺育、孵化的重任。它們徹底改變了人們對傳統意義上母親和父親的定義，它們就是地球上唯一一種由雄性育種的動物——海馬。長久以來，我們都知道海馬爸爸是懷孕育兒的那一支“獨秀”，但我們對海馬爸爸的腹囊中發生的事情知之甚少。

海馬爸爸是非常優秀的“母親”，在懷孕和生産過程中表現出了一般動物雌性才具備的功能。海馬爸爸既是精子的生産者同時也是懷孕者。海馬媽媽将它的卵子轉移到海馬爸爸的腹囊中，海馬爸爸在接收到卵子之後會釋放出精子使卵子受精，接着孵化15-30天直到小海馬出生。

▲海馬的育兒袋（供圖/林強）

▍決定海馬雄性育兒的是什麼基因？

中國科學院南海海洋所林強研究員告訴北京科技報 | “科學加”客戶端，和其他魚類相比，海馬顯得尤其特别。大多數魚類都是卵生，即雌魚排出卵，雄魚授精，就完成了生育使命。而少部分魚類如劍尾魚則屬于卵胎生，它們都是在雌性的卵巢裡發育再排出體外。而海馬雖屬于最低等的脊椎動物——魚類，但它的生育過程既不是卵生，也不是胎生，而是一個非常特殊的雄性卵胎生繁殖方式。并且在整個動物界，與人類和大多數動物的雌性産後代相比，而海馬有着最特殊的雄性育兒現象，至今這一奇特現象都堪稱動物進化史上的典範。

“這次基因分析中發現了一系列基因與育兒相關，論文中采用了一個pastn基因為代表去诠釋海馬育兒的過程。”林強說，這次發現pastn基因在海馬基因組中發生了重複，從而推斷該基因可能發揮着一個新的作用——雄性海馬育嬰囊的出現。在雄海馬受精，胚胎發育過程中，其他相關基因能提供包括生理、營養、免疫等在内的相應調控，且能對幼魚(幼苗)進行保護”。而pastn這一基因本身會影響育兒袋的産生，也會根據發育狀況不同起到不同的調控作用。不過，這一基因并非隻存在雄性中。“在雌性中也存在，但比較少，主要存在雄性育兒袋中。這是國際上第一次從基因層面論證了海馬雄性育兒的原因。”

▲日本海馬（供圖/林強）

▍研究海馬雄性育兒有哪些意義？

事實上，無論是企鵝的雄性孵化，還是海馬的雄性育兒等，都可以發現雄性個體在後代繁殖過程中扮演的角色非常重要。而林強的研究團隊也并不是要簡單地分析雄性對繁殖的貢獻，而是希望能借此研究動物性角色過程中的能量分配。

林強說，動物生長到一定程度會進入繁殖階段，繁殖過程是一個能量消耗的過程。正常情況下，個體的能量支出是一定的，即繁殖用的能量多，生長就用的能量少。那麼在整個動物繁殖過程中，雄性提供的能量多，還是雌性提供的能量多，這在動物性角色的研究課題裡是一個非常重要的内容。眼下他們的團隊就有人專門在研究這些内容，比如雄海馬在後代的保育過程中，到底在哪些具體的行為或生理活動中消耗了能量?這種能量來自哪裡，哪些基因參與了調控？為何基因控制的雄性和雌性懷孕的過程會如此相似？

不僅如此，未來，林強課題組作為我國唯一一個開展海馬基礎研究的科研團隊，還将從基因進化層面進一步關注海馬育兒袋的功能和形成機制，并希望将來這些研究能對研究動物和人類生殖等課題提供一些幫助。與此同時，海馬因其獨特的藥用功效而被譽為海洋“人參”，在中醫藥中具有非常廣泛的應用，是一種珍稀的海洋藥源動物。他們也希望能找到海馬的相關藥理基因，研發新藥造福人類。

林強笑着說，“也許未來借助像子宮一樣的模型，男性或完全離體生育也不再是天方夜譚”。林強也希望海馬作為雄性育兒的“獨秀”，能成為科研新貴——“模式魚”，為研究其他魚類繁殖等相關課題提供一個新的對比或參照物。

▲海馬“産子”過程（圖片來自網絡）

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海洋裡的“超級怪咖”

▍明明是魚為什麼長得像馬？

海馬的頭型為何長得這麼奇特？2014年美國德州大學奧斯汀分校海洋生物學家布萊德・蓋莫爾曾研究發現，海馬的頭型和它秘密的接近方式，以及閃電般的速度，能為它獵捕到一頓海洋中最令人觊觎的大餐：桡腳類動物。

蓋莫爾說，海洋中每種動物基本上都想要獵食桡腳類，它們已經演化出一些令人贊歎的方法來避免遭到捕食者捕捉。這些法寶包括敏感度與速度。桡腳類是一種微小的甲殼動物，它們看不見影像，所以仰賴對海水擾動的卓越敏感度來感覺靠近的捕食者。桡腳類從它們感覺有動靜到逃跑，大約隻有二到三毫秒的時間。它們的速度能讓它們在一秒内移動超過500個自己身長的距離。要捉到那麼迅速的獵物，動作就必須比它更快一些。而在風平浪靜的情況下，海馬比其他的魚更擅于捕捉桡腳類。海馬獵捕的成功率有90%，其他捕食者則隻有30%到40%。

▲海馬的捕食過程（圖片來自網絡）

在蓋莫爾的研究中指出，海馬的頭型能創造出一個擾動極小的範圍，讓它們得以非常靠近極為敏感且難以捉摸的桡腳類動物。但是究竟為什麼海馬本質上是一條魚，但頭部會像馬一樣？

這次林強研究團隊從基因層面發現，的确存在相關基因調控了海馬的體形特征。林強說：“較其它已知魚類，海馬的Hox基因CNE出現嚴重的缺失現象。這也就進一步證實了與體型相關的Hox基因CNE的缺失，對海馬體型起到了關鍵的調控作用。

▲線紋海馬（供圖/林強）

▍為什麼沒有牙齒用鼻管捕食？

事實上，海馬全身遍及各種離奇古怪，除了海馬長着“像馬一樣”的頭部、管狀的鼻子以外，它還沒有牙齒。海馬沒有牙齒，并且海馬的雙眼能夠獨立工作，能同時看到前方和後方，這些特征都跟其相應基因的特化息息相關。而這是除了蜻蜒和變色龍之外，其它動物都不能做到的。為什麼海馬在很短的時間進化出那麼多獨特的功能？

▲海馬的雙眼能夠獨立工作，同時看到前方和後方（圖片來自網絡）

林強課題組從基因層面找到了答案。林強說，海馬沒有鱗片和牙齒，周身包被角質皮層和環骨，研究人員發現其分泌型鈣結合磷蛋白（SCPP）主要參與骨骼、牙釉質和牙本質等的形成，而該類基因在海馬中嚴重缺失，隻保留了2個。由于海馬沒有牙齒，所以其利用長長的鼻管吸入浮遊生物以及其他小型獵物進食。

▍為什麼沒有尾鳍腹鳍垂直遊泳？

▲海馬的運動方式（圖片來自網絡）

海馬的身體由硬化的骨片狀皮膚覆蓋，還能改變體色來僞裝自己以逃避掠食者。海馬的遊動方式也很奇特，它們幾乎總是昂立着身體垂直上下遊動，而非水平地遊動。海馬依靠卷曲的尾部勾住海草來固定身體位置或者防止被海流沖走。此外，最不同于一般魚類的是，海馬沒有尾鳍和腹鳍。

課題組發現，值得注意的是，其他魚類基因組中對應于腹鳍的基因、以及高等動物基因組對應于下肢的基因，在海馬基因組中都缺失了，所以海馬沒有腹鳍。因此海馬依靠其背部的小而幾乎透明的魚鳍快速扇動來實現遊動，并且利用其靠近頭後部的小小的胸鳍來實現轉向。

▲豆丁海馬（圖片來自網絡）

海馬“下肢”，為何沒了？為适應海馬直立遊泳的運動方式，海馬的腹鳍在長期進化中丢失了。“海馬的腹鳍相當于高等動物的下肢或人的腿，是很重要的一個器官”。林強說，一個基因的缺失直接導緻腹鳍丢失的現象，這在動物界中也是不多見的。Tbx4基因是決定肢體發育的重要基因。他們通過比較基因組分析發現海馬基因組中丢失了這個基因，推測海馬腹鳍的缺失可能與此相關。為了驗證這個推測，研究人員在斑馬魚中進行基因敲除實驗，結果發現敲除Tbx4基因的斑馬魚真的沒有腹鳍。這就進一步證實了Tbx4基因缺失對海馬腹鳍确實起到了調控作用。

林強說，此外，由于海馬為直立遊泳，運動能力弱，其尾巴常卷在附着物上，通過僞裝色來捕食和躲避敵害生物。這些特殊的生活史特征，與其生存的環境是密切相關的。其關聯基因在長期的進化過程中，或許已經“造就”了海馬特異的體型。

▍是忠貞之魚還是調情高手？

▲海馬的“求偶之舞”（圖片來自網絡）

海馬是忠貞之魚，一生恪守“一夫一妻制”？事實并非如此，林強說，海馬們個個都是調情高手，甚至有“同性戀行為”。其實海馬專不專一與其生活環境相關。在海洋中生活的海馬，由于其數量較少，異性海馬之間一旦碰面就心生情愫不會輕易分開。但是海馬在實驗室的條件下觀察，幾乎所有的海馬品種都會打破一夫一妻制，甚至很多雄性個體間還會出現假交配現象。

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研究海馬的初衷

▲中科院南海所熱帶海洋生物資源與生态重點實驗室海馬實驗系統（供圖/林強）

“海馬長得漂亮，且藥用價值高”，提及研究海馬的初衷，林強道出了緣由。林強說，從研究生開始，他就鐘情于海馬的相關行為學研究，至今已有将近15年的研究基礎。2010年他留學回國後主導組建了國内唯一的海馬研究團隊。2013年，他們課題組啟動了海馬全基因組工作。曆經3年的協同攻關和深入探索，研究團隊最終在國際上首次完成了海馬的全基因組測序及數據分析，将為魚類的基礎與應用研究提供了重要的數據信息。

人和老鼠的基因有95%以上是相同的，那麼人類與海馬呢？林強說，雖然人類起源于海洋生物，但是魚類是最原始的脊椎動物，而人類是最高級的脊椎動物，海馬與人類之間跨度太大，因此根據科研問題的設置，這次并沒有将海馬跟人的基因進行對比研究。但是海馬的許多基因與其它懷孕動物的基因很相似。海馬爸爸們和人類的母親一樣，需要确定它們能為受精卵提供氧氣和營養等。隻不過我們在子宮中用胎盤，而海馬爸爸用腹囊中增厚的類胎盤來達到同樣的目的。

也就是說，動物之間的很多基因都是相同的，未來他們還會研究海馬在繁殖過程中，它的一些基因是否與哺乳動物比如人類、小鼠等一樣存在平行進化現象，探讨繁殖基因進化問題。

“眼下，這次他們的研究結果出來後，受到了國際同行的廣泛關注。”林強表示，很多國際同行跟他們索要海馬的相關基因數據。他們也希望，這一研究成果，能給國際上更多的相關實驗室研究提供便利。

林強最後強調，科學的意義在于不斷的探索和發現，海馬神秘的面紗正被慢慢的揭開，然而海洋帶給他們的太多未知仍需要去繼續發現。

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