本杰明·德·比沃尔特在哈佛大学的实验室对果蝇来说就像是“土拨鼠日”。在德·比沃尔特的版本中，一只果蝇必须选择走过一个黑暗的隧道或一个明亮的隧道。一旦它做出选择——嗖！——一个真空吸尘器将果蝇吸回起点，在那里它必须再次做出决定……一遍又一遍……一遍又一遍。
这个装置可以追踪大量个体果蝇，从而分析不同果蝇的行为差异。当德·比沃尔特第一次使用它时，他发现的结果让他感到惊讶：即使这些果蝇在基因上几乎相同，并在相同的条件下饲养，它们的行为差异也比他预期的要大得多。德·比沃尔特说：“如果把遗传因素保持不变，环境也基本保持不变，你仍然会看到很多差异。”
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德·比沃尔特和他的团队现在正在详细探索这种现象，希望能发现是什么驱动了这种意想不到的个性。他发现不同的果蝇品系表现出不同程度的变异性。有些品系像训练有素的士兵一样，每只果蝇都效仿它的邻居。其他品系则像一群狂野的舞者，个体按照自己的节奏移动。通过比较士兵和舞者品系，德·比沃尔特认为他已经识别出可能导致这些差异的基因和神经回路。
德国德累斯顿神经退行性疾病中心的神经生物学家格尔德·肯珀曼说：“他们认为变异本身可能是一种遗传特征。” “这是一个新的有趣的转折。”换句话说，自然选择有时可能会偏爱产生多种行为（狂野的舞者）的遗传变异，而不是产生相同结果的变异。
德·比沃尔特的团队开发了一种名为“果蝇吸尘器”的设备来研究个体行为。进入一个腔室后，果蝇必须选择走向光亮端还是黑暗端。然后，真空吸尘器将其吸回起点，然后它再次做出选择。凯瑟琳·泰勒为《量子杂志》拍摄
德·比沃尔特的工作是更大努力的一部分，旨在理解为什么自然会产生如此多的变异性。这仅仅是影响所有生物的随机突变的副作用吗？还是自然选择会奖励变异性并偏爱产生变异性的突变？一个多样化的人群可能更容易在变化的环境中生存。一排在季节的不同时间播种的树木比一次性散播所有种子的树木更能抵抗早霜或晚雨。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的生物学家艾莉森·贝尔说：“变异本身是否是一种可以在个体或基因型之间变化的特征，这具有重要的意义，并且可能非常有趣，但很难研究。” 比较基因相同或几乎相同的果蝇品系，就像德·比沃尔特正在做的那样，“对于解决这个问题来说，确实是最好的策略。”
不良品种
巴夫奥平顿鸡是鸡世界中的哈巴狗，以其极度的友善而闻名。但是，这种品种偶尔会孵化出一只脾气暴躁的笨鸡，这让饲养员非常沮丧。巴夫鸡并非个例。这种变异在农场和实验室中都很普遍。为研究而饲养小鼠或果蝇的科学家们也遇到了类似的问题——即使是在严格控制的条件下饲养的高度近交的果蝇，其行为也会有所不同。尽管研究人员尽了最大努力来控制，但个体差异仍然存在。
德·比沃尔特说：“对大多数人来说，这是实验中的一个误差条。” 科学家通常会纳入大量的动物，以消除个体差异带来的噪音。
大多数科学家看到问题的地方，德·比沃尔特看到了机会。关注动物群体而不是个体，会忽略大量可能有趣的资讯。例如，想象一群果蝇，它们平均以相同的比例飞向光明或黑暗。这种行为可能是因为个体果蝇没有偏好，而是随机选择每个选项。或者，个体果蝇可能具有强烈的偏好，整个群体由 50% 的光照爱好者和 50% 的黑暗爱好者组成。
德·比沃尔特的团队开始使用一系列旨在追踪个体行为的设备来区分这些可能性。“土拨鼠日”装置——正式名称为“果蝇吸尘器”——包含 32 个腔室。每个腔室监控一只果蝇。自动追踪工具会捕捉各种行为的数据，例如对光明或黑暗的偏好、做出决定的时间和果蝇的整体活动水平。在为期两小时的试验中，每只果蝇最多可以做出 40 次选择。实验组合为研究人员提供了大量数据。
在德·比沃尔特实验室的另一个装置中，一只果蝇在一个微小的 Y 形迷宫中漫步，在 Y 形顶点处选择向左还是向右走。在摄像头的注视下，一盘迷宫可以让研究人员同时研究大量个体果蝇，因为它们一遍又一遍地走过迷宫。肯珀曼说，有了这些工具，变异“变成了一种生物学现象，而不是副作用或问题。”
这种 Y 形迷宫阵列使研究人员能够同时追踪许多果蝇的个体行为。当果蝇在迷宫中行走时，它必须决定是向左转还是向右转。凯瑟琳·泰勒为《量子杂志》拍摄
德·比沃尔特的团队分析了 150 种不同果蝇品系的“惯用手”（偏好向左或向右转）。他们发现，有些品系的果蝇之间的差异很大，有左撇子、右撇子以及介于两者之间的一切。其他品系的变异性要小得多，个体只表现出对向左或向右的轻微偏好。德·比沃尔特得出结论，变异的一个来源必须是硬连接到果蝇的 DNA 中的。
缺失的成分
是什么使高变异品系与更统一的品种区分开来？研究人员确定了几个在大脑中活跃的候选基因，包括一个名为 teneurin-A 的基因。当德·比沃尔特实验室的研究人员朱利安·艾罗尔斯在果蝇发育为成虫的过程中阻止该基因时，变异性增加了。开始时更擅长双手能力的群体发展出了一系列对左右的偏好。这些发现支持了特定突变会产生变异的想法。
当艾罗尔斯寻找遗传线索时，实验室的另一位研究人员肖恩·布坎南开始检查大脑。他使用了一系列基因工程技巧来增强或抑制特定神经元的活动，寻找动物惯用手由此产生的变化。布坎南发现，他可以通过操纵大脑中部复合体区域中的一组特定神经元来提高变异性。该区域对于处理感觉信息和控制运动至关重要。
此外，teneurin-A 在大脑的这一部分中表达，并且是其正常形成所必需的。这一事实表明，teneurin-A 和中部复合体这两个因素以某种方式协同工作来提高变异性，尽管目前尚不清楚具体是如何实现的。
德·比沃尔特有一些想法。科学家们知道 teneurin-A 有助于确定神经元如何连接在一起。将这个过程想象成一个颜色编码方案，其中 teneurin-A 改变神经元的颜色，而神经元只能连接到相同颜色的其他神经元。如果您有两组三个细胞——红色、黄色和蓝色——则只有一种可能的配置。但是，如果另一个版本的 teneurin-A 将所有六个细胞都变成红色，那么它们可以以多种方式连接。通过这种方式，teneurin-A 即使在基因相同的个体中也可以创造出新型神经连接的可能性。
早期影响
像这样的工作可能会揭示人类个性的本质吗？在这一点上，尚不清楚。肯珀曼说：“果蝇的大脑不像哺乳动物的大脑那样具有可塑性，”这意味着哺乳动物的神经连接更加灵活，会根据个体的经验而变化。“果蝇的大脑更多是硬连接的。”
当然，在人类中，一个人成长的环境起着巨大的作用。德·比沃尔特的团队尽了最大努力来排除这种变异性。他们对果蝇的生活条件进行了标准化，甚至将一些动物隔离起来饲养，以消除它们社会生活中的差异。（他们还通过使用近交果蝇品系来最大限度地减少遗传差异。）
尽管采取了这些预防措施，但基因或环境中的微小且难以察觉的变化仍有可能导致变异。例如，早期发育中的偶然事件可能会触发不同的行为。也许一个卵比另一个卵获得了更多的食物；这种微小的差异可能会随着时间的推移而扩大。假设果蝇的成长经历是相同的，就像“说人类双胞胎在成年之前都有相同的经历一样，”加州大学戴维斯分校的生物学家朱迪·斯塔姆普斯说。
2013 年发表在《科学》杂志上的一项小鼠研究表明，早期的差异可能有多么深刻。肯珀曼和合作者在相同的环境中饲养了同一品系的小鼠，其中充满了有趣的地方可供探索和玩耍的物体。随着时间的推移，小鼠发展出了不同的个性。有些动物变得更大胆，而另一些则变得更加沉默寡言。尽管他们不知道差异的确切来源，但科学家们推测，早期与某些物体或其他小鼠的互动可能会引发正反馈循环：大胆的小鼠接触到新的感觉并变得更加好奇。
德·比沃尔特正在果蝇中进行类似的实验，将它们饲养在丰富的栖息地中，并寻找行为上的变化。初步结果表明，丰富——提供刺激感官的环境——可以在某些方面增加变异性，但在其他方面则不然。
“对我来说，问题不是为什么个体之间会有差异，而是‘为什么我们会期望他们相同？’” Stamps说道。“你期望他们相同，唯一的理由就是你认为基因是唯一重要的因素。”
帮助还是阻碍
对于研究个体差异的科学家来说，最大的未解之谜之一就是为什么会存在这种差异。它对个体和种群是有益还是有害？“我们仍然对适应性后果知之甚少，”休斯顿莱斯大学的生物学家朱莉娅·萨尔茨说道。
某些基因版本可能仅仅是因为质量控制不佳，从而产生劣质且不稳定的产品。（科学家将其称为发育不稳定，通常认为它是有害的。）或者，也许某些变异能使菌株更强大。“如果你有更多的变异，捕食者就无法预测你下一步会做什么，”萨尔茨说。
后一种理论被称为“对冲策略”，因为它类似于分散投资以防范风险。生物对冲为种群提供了多种行为，其中一些行为可能更能适应变化无常的环境。例如，一个能耐受多种温度的果蝇种群可能比只喜欢高温或低温的种群更成功。本身就产生变异的突变比那些硬性固定为特定特征的突变更灵活。
德比沃特的团队最终希望通过所谓的公共花园实验来验证这一想法。他们将创建温度或亮度变化很大的果蝇栖息地，然后评估低变异性或高变异性菌株是否更有可能存活。“我坚信，某种程度的对冲策略对许多性状来说都是最优的，”德比沃特说。“尤其可能是行为特征。”
经《量子杂志》许可转载，《量子杂志》是西蒙斯基金会一个编辑独立的部门，其使命是通过报道数学、物理和生命科学的研究进展和趋势来增进公众对科学的理解。