本傑明·德·比沃爾特在哈佛大學的實驗室對果蠅來說就像是“土撥鼠日”。在德·比沃爾特的版本中，一隻果蠅必須選擇走過一個黑暗的隧道或一個明亮的隧道。一旦它做出選擇——嗖！——一個真空吸塵器將果蠅吸回起點，在那裡它必須再次做出決定……一遍又一遍……一遍又一遍。
這個裝置可以追蹤大量個體果蠅，從而分析不同果蠅的行為差異。當德·比沃爾特第一次使用它時，他發現的結果讓他感到驚訝：即使這些果蠅在基因上幾乎相同，並在相同的條件下飼養，它們的行為差異也比他預期的要大得多。德·比沃爾特說：“如果把遺傳因素保持不變，環境也基本保持不變，你仍然會看到很多差異。”
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德·比沃爾特和他的團隊現在正在詳細探索這種現象，希望能發現是什麼驅動了這種意想不到的個性。他發現不同的果蠅品系表現出不同程度的變異性。有些品系像訓練有素計程車兵一樣，每隻果蠅都效仿它的鄰居。其他品系則像一群狂野的舞者，個體按照自己的節奏移動。透過比較士兵和舞者品系，德·比沃爾特認為他已經識別出可能導致這些差異的基因和神經迴路。
德國德累斯頓神經退行性疾病中心的神經生物學家格爾德·肯珀曼說：“他們認為變異本身可能是一種遺傳特徵。” “這是一個新的有趣的轉折。”換句話說，自然選擇有時可能會偏愛產生多種行為（狂野的舞者）的遺傳變異，而不是產生相同結果的變異。
德·比沃爾特的團隊開發了一種名為“果蠅吸塵器”的裝置來研究個體行為。進入一個腔室後，果蠅必須選擇走向光亮端還是黑暗端。然後，真空吸塵器將其吸回起點，然後它再次做出選擇。凱瑟琳·泰勒為《量子雜誌》拍攝
德·比沃爾特的工作是更大努力的一部分，旨在理解為什麼自然會產生如此多的變異性。這僅僅是影響所有生物的隨機突變的副作用嗎？還是自然選擇會獎勵變異性並偏愛產生變異性的突變？一個多樣化的人群可能更容易在變化的環境中生存。一排在季節的不同時間播種的樹木比一次性散播所有種子的樹木更能抵抗早霜或晚雨。
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的生物學家艾莉森·貝爾說：“變異本身是否是一種可以在個體或基因型之間變化的特徵，這具有重要的意義，並且可能非常有趣，但很難研究。” 比較基因相同或幾乎相同的果蠅品系，就像德·比沃爾特正在做的那樣，“對於解決這個問題來說，確實是最好的策略。”
不良品種
巴夫奧平頓雞是雞世界中的哈巴狗，以其極度的友善而聞名。但是，這種品種偶爾會孵化出一隻脾氣暴躁的笨雞，這讓飼養員非常沮喪。巴夫雞並非個例。這種變異在農場和實驗室中都很普遍。為研究而飼養小鼠或果蠅的科學家們也遇到了類似的問題——即使是在嚴格控制的條件下飼養的高度近交的果蠅，其行為也會有所不同。儘管研究人員盡了最大努力來控制，但個體差異仍然存在。
德·比沃爾特說：“對大多數人來說，這是實驗中的一個誤差條。” 科學家通常會納入大量的動物，以消除個體差異帶來的噪音。
大多數科學家看到問題的地方，德·比沃爾特看到了機會。關注動物群體而不是個體，會忽略大量可能有趣的資訊。例如，想象一群果蠅，它們平均以相同的比例飛向光明或黑暗。這種行為可能是因為個體果蠅沒有偏好，而是隨機選擇每個選項。或者，個體果蠅可能具有強烈的偏好，整個群體由 50% 的光照愛好者和 50% 的黑暗愛好者組成。
德·比沃爾特的團隊開始使用一系列旨在追蹤個體行為的裝置來區分這些可能性。“土撥鼠日”裝置——正式名稱為“果蠅吸塵器”——包含 32 個腔室。每個腔室監控一隻果蠅。自動追蹤工具會捕捉各種行為的資料，例如對光明或黑暗的偏好、做出決定的時間和果蠅的整體活動水平。在為期兩小時的試驗中，每隻果蠅最多可以做出 40 次選擇。實驗組合為研究人員提供了大量資料。
在德·比沃爾特實驗室的另一個裝置中，一隻果蠅在一個微小的 Y 形迷宮中漫步，在 Y 形頂點處選擇向左還是向右走。在攝像頭的注視下，一盤迷宮可以讓研究人員同時研究大量個體果蠅，因為它們一遍又一遍地走過迷宮。肯珀曼說，有了這些工具，變異“變成了一種生物學現象，而不是副作用或問題。”
這種 Y 形迷宮陣列使研究人員能夠同時追蹤許多果蠅的個體行為。當果蠅在迷宮中行走時，它必須決定是向左轉還是向右轉。凱瑟琳·泰勒為《量子雜誌》拍攝
德·比沃爾特的團隊分析了 150 種不同果蠅品系的“慣用手”（偏好向左或向右轉）。他們發現，有些品系的果蠅之間的差異很大，有左撇子、右撇子以及介於兩者之間的一切。其他品系的變異性要小得多，個體只表現出對向左或向右的輕微偏好。德·比沃爾特得出結論，變異的一個來源必須是硬連線到果蠅的 DNA 中的。
缺失的成分
是什麼使高變異品系與更統一的品種區分開來？研究人員確定了幾個在大腦中活躍的候選基因，包括一個名為 teneurin-A 的基因。當德·比沃爾特實驗室的研究人員朱利安·艾羅爾斯在果蠅發育為成蟲的過程中阻止該基因時，變異性增加了。開始時更擅長雙手能力的群體發展出了一系列對左右的偏好。這些發現支援了特定突變會產生變異的想法。
當艾羅爾斯尋找遺傳線索時，實驗室的另一位研究人員肖恩·布坎南開始檢查大腦。他使用了一系列基因工程技巧來增強或抑制特定神經元的活動，尋找動物慣用手由此產生的變化。布坎南發現，他可以透過操縱大腦中部複合體區域中的一組特定神經元來提高變異性。該區域對於處理感覺資訊和控制運動至關重要。
此外，teneurin-A 在大腦的這一部分中表達，並且是其正常形成所必需的。這一事實表明，teneurin-A 和中部複合體這兩個因素以某種方式協同工作來提高變異性，儘管目前尚不清楚具體是如何實現的。
德·比沃爾特有一些想法。科學家們知道 teneurin-A 有助於確定神經元如何連線在一起。將這個過程想象成一個顏色編碼方案，其中 teneurin-A 改變神經元的顏色，而神經元只能連線到相同顏色的其他神經元。如果您有兩組三個細胞——紅色、黃色和藍色——則只有一種可能的配置。但是，如果另一個版本的 teneurin-A 將所有六個細胞都變成紅色，那麼它們可以以多種方式連線。透過這種方式，teneurin-A 即使在基因相同的個體中也可以創造出新型神經連線的可能性。
早期影響
像這樣的工作可能會揭示人類個性的本質嗎？在這一點上，尚不清楚。肯珀曼說：“果蠅的大腦不像哺乳動物的大腦那樣具有可塑性，”這意味著哺乳動物的神經連線更加靈活，會根據個體的經驗而變化。“果蠅的大腦更多是硬連線的。”
當然，在人類中，一個人成長的環境起著巨大的作用。德·比沃爾特的團隊盡了最大努力來排除這種變異性。他們對果蠅的生活條件進行了標準化，甚至將一些動物隔離起來飼養，以消除它們社會生活中的差異。（他們還透過使用近交果蠅品系來最大限度地減少遺傳差異。）
儘管採取了這些預防措施，但基因或環境中的微小且難以察覺的變化仍有可能導致變異。例如，早期發育中的偶然事件可能會觸發不同的行為。也許一個卵比另一個卵獲得了更多的食物；這種微小的差異可能會隨著時間的推移而擴大。假設果蠅的成長經歷是相同的，就像“說人類雙胞胎在成年之前都有相同的經歷一樣，”加州大學戴維斯分校的生物學家朱迪·斯塔姆普斯說。
2013 年發表在《科學》雜誌上的一項小鼠研究表明，早期的差異可能有多麼深刻。肯珀曼和合作者在相同的環境中飼養了同一品系的小鼠，其中充滿了有趣的地方可供探索和玩耍的物體。隨著時間的推移，小鼠發展出了不同的個性。有些動物變得更大膽，而另一些則變得更加沉默寡言。儘管他們不知道差異的確切來源，但科學家們推測，早期與某些物體或其他小鼠的互動可能會引發正反饋迴圈：大膽的小鼠接觸到新的感覺並變得更加好奇。
德·比沃爾特正在果蠅中進行類似的實驗，將它們飼養在豐富的棲息地中，並尋找行為上的變化。初步結果表明，豐富——提供刺激感官的環境——可以在某些方面增加變異性，但在其他方面則不然。
“對我來說，問題不是為什麼個體之間會有差異，而是‘為什麼我們會期望他們相同？’” Stamps說道。“你期望他們相同，唯一的理由就是你認為基因是唯一重要的因素。”
幫助還是阻礙
對於研究個體差異的科學家來說，最大的未解之謎之一就是為什麼會存在這種差異。它對個體和種群是有益還是有害？“我們仍然對適應性後果知之甚少，”休斯頓萊斯大學的生物學家朱莉婭·薩爾茨說道。
某些基因版本可能僅僅是因為質量控制不佳，從而產生劣質且不穩定的產品。（科學家將其稱為發育不穩定，通常認為它是有害的。）或者，也許某些變異能使菌株更強大。“如果你有更多的變異，捕食者就無法預測你下一步會做什麼，”薩爾茨說。
後一種理論被稱為“對沖策略”，因為它類似於分散投資以防範風險。生物對沖為種群提供了多種行為，其中一些行為可能更能適應變化無常的環境。例如，一個能耐受多種溫度的果蠅種群可能比只喜歡高溫或低溫的種群更成功。本身就產生變異的突變比那些硬性固定為特定特徵的突變更靈活。
德比沃特的團隊最終希望透過所謂的公共花園實驗來驗證這一想法。他們將建立溫度或亮度變化很大的果蠅棲息地，然後評估低變異性或高變異性菌株是否更有可能存活。“我堅信，某種程度的對沖策略對許多性狀來說都是最優的，”德比沃特說。“尤其可能是行為特徵。”
經《量子雜誌》許可轉載，《量子雜誌》是西蒙斯基金會一個編輯獨立的部門，其使命是透過報道數學、物理和生命科學的研究進展和趨勢來增進公眾對科學的理解。