海马爸爸为何能“怀孕”？

刚出生的小海马。受访者供图

雄性海马。受访者供图

近日，中国科学院南海海洋研究所联合多家科研机构，系统揭示了海龙科鱼类“雄性怀孕”背后的细胞学、分子生物学与演化机制。这项研究不仅解答了一个长期存在的生物谜题，也为理解脊椎动物生殖方式演化提供了新视角。

雄性海马孵化后代

从昆虫到哺乳动物，在绝大多数动物类群中，怀孕生子几乎由雌性动物进行。然而，大自然永远在创造惊喜。在蔚蓝而神秘的海洋深处，海马及其近亲海龙，正在上演一场颠覆认知的生育奇观，在这里，承担怀孕重任的是雄性。

“我们长期关注海马雄性怀孕现象，有一个核心的科学追问，为何海马及其所属的海龙科鱼类能独立演化出结构、功能完备的雄性怀孕机制？”中国科学院南海海洋研究所研究员刘雅莉说，这一现象本身，可视为自然界一次关键的演化创新。“它不仅挑战了我们对生殖性别角色的传统认知，也提供了一个天然的实验系统，使得我们能在跨物种框架下，重新审视‘怀孕’这一复杂生命过程的本质与调控基础。”

以往科学研究发现，海马雄性的“怀孕”依赖于其特有的育儿袋结构。在繁殖季节，雌海马会将成熟的卵子通过产卵器，精准地输送进雄性腹部或尾部的育儿袋中。随后，雄性在袋内完成受精，胚胎便在这里开始了为期数周的“父孕”旅程。

然而研究团队发现，育儿袋这一器官的功能，远比想象中复杂。育儿袋不仅能够为胚胎提供物理庇护，还承担着气体交换、营养输送、渗透压调节以及免疫保护等多重任务。从功能上看，它已经与哺乳动物的子宫高度相似。

换言之，海马爸爸并非简单地把卵装在育儿袋里，而是通过这个器官，完成了一整套复杂而精细的妊娠过程。

育儿袋究竟是如何形成的？它又是如何发育成适应形态的？

找到育儿袋的“源头细胞”

为了找到这些问题的答案，研究团队引入了单细胞转录组测序技术，对育儿袋在7个关键发育阶段的细胞组成与基因表达变化进行了精细解析。

刘雅莉说，在研究中，他们鉴定出一类具有干细胞潜能的“育儿袋上皮祖细胞”。这类细胞在雄性激素调控下被激活，并协同胶原蛋白等结构基因的表达，启动育儿袋的形成过程。可以说，它们是育儿袋这一创新器官的“源头细胞”。

更具说服力的是，研究人员向雌性海马体内注射雄激素后，发现其体表竟然也能形成类似育儿袋的结构。这一结果明确表明，雄激素及其调控的上皮祖细胞，是激活育儿袋器官发生的开关。

突破不止一项。刘雅莉说：“在基因调控层面，我们首次构建了海马的基因敲降品系，证实了海马特异进化出的两个基因—sp-chia与pastn—在类胎盘的形成过程中起重要调控作用，这可能是海马实现‘父孕’的关键遗传基础。”

独特的免疫耐受机制

妊娠对脊椎动物来说，还是一场免疫学挑战。胚胎携带来自另一亲本的遗传物质，理论上被免疫系统识别为“异物”。在人类和其他哺乳动物中，这一问题通过复杂的免疫耐受机制得以解决。

那么，海马爸爸又是如何避免“排斥自己孩子”的？

刘雅莉解释：“它们丢失了脾脏这一重要免疫器官，并丢失了包括foxp3在内的若干关键免疫耐受相关基因。同时，多个免疫相关基因家族在海马身体中发生收缩甚至丢失。这些改变使得海马的免疫系统能够与胚胎‘和平共处’。”

为了追溯育儿袋的演化起源，研究团队还比较了多种海龙科鱼类的育儿袋类型。结果显示，不同物种之间存在显著差异。例如有的育儿袋是开放式的，有的半封闭，有的则完全封闭、功能高度复杂。

研究人员认为，育儿袋的演化起点，可能是一类特化的表皮细胞。在早期阶段，这些细胞的功能仅仅是帮助粘性卵附着在雄性体表。随着演化推进，这些细胞逐渐“招募”更多功能相似的细胞群，并通过新基因的产生与调控网络的重塑，最终演化出结构精巧、功能多样的育儿袋系统。

研究人员表示，这项研究揭示了海马的育儿袋并非完全“从头进化”产生的新结构，而是通过对已有“功能模块”进行重组、整合而形成的。这一发现具有重要的演化生物学意义，它表明自然界生物在构建复杂生殖结构时，倾向于巧妙重新利用已有的遗传与细胞元件，而非每次进行全新创造。这项研究为我们人类理解脊椎动物从“卵生”到“胎生”的演化规律提供了新视角。

海马“超级奶爸”的传奇，生动展现了生命演化的无限可能。