这个问题来自于云南省大理州宾川县拉乌乡拉乌完小何文慧小朋友。我们希望知乎人士能够给出认真而有趣的解答。 TFCer - 知乎专栏 哥哥姐姐们，我有十万个为什么 - TFCer - 知乎专栏 赵永峰，DON'T do theory in an experimental lab. 这个问题其实非常非常大……不过生物就是这样，小朋友不小心提一个问题搞不好就是未解的难题……所以我估计这个答案暂时不太容易解释给小朋友听。 应该说人们并不确切清楚答案。与此相关的领域是系统生物学如今非常活跃的一个研究领域——斑图形成（Pattern Formation）。顺带一提，另一个关于西瓜的问题与另一个系统生物学非常活跃的领域有关——生长控制（Growth Control）。如果说前者我们还有些假说，那么后者几乎还是一个谜。 具体到西瓜皮上的斑图，我不清楚有没有具体的研究。但是至少到现在，此类斑图我们有一些假说。首先一个非常流行的基本假说是成形素（morphogen），这个假说可以用一张图简单地概括（啊 slide 里写错字了……）： 这个机制需要有一部分细胞分泌成形素并且形成梯度，而细胞对这个信号的响应有一个阈值。在这种机制下，我们可以得到一个自动缩放的斑图——如果系统的大小变化，斑图的大小也会跟着变化。但这个假说有很多容易令人疑惑的部分——有些系统成形素是什么并不明确；某部分细胞怎么知道自己是要分泌成形素的“领导”；要命的是，因为细胞表面受体饱和的问题，领导们也很难控制分泌成形素的量来控制分界线的位置；而最要命的是，如果有噪声，我们根本看不到这么明显的边界。 另一个可能的机制是由图灵提出来的——图灵斑图（Turing Pattern）。在这个机制中，我们需要两种成形素：一种促进剂，促进两种成形素的产生；另一种是抑制剂，能够分解促进剂。如果抑制剂的扩散速度比促进剂快，那么两种成形素会无法和平地共处（术语：发生图灵分岔导致空间均匀态失稳），而在空间中形成周期性的斑纹——就像是斑马纹或者西瓜的纹路，事实上图灵一开始也是为了解释斑马纹而提出的这个模型。 这两个机制结合起来似乎可以作为很多斑纹形成的假说，但事实是不是如此其实我们并不太清楚。因为生物中的斑纹还需要控制好噪声，需要能够根据个体大小自动调节斑纹的尺寸（或者维持尺寸不变）等等。如果要满足需要的种种要求，有可能会需要一个非常复杂的通路，而我们既不清楚控制斑纹形成的全部通路，也不知道怎样的通路结构可以给我们怎样的斑纹。 除了这两种经典的模型，斑纹的形成还可能有其他机制。比如细菌如果可以感受到周围细菌的密度，使得越拥挤的地方细菌游得越慢，这种抱团的结果也可以形成斑图。再比如两类细胞如果各自的粘附性不一致，也可能自发地分离开来形成明显的斑纹。甚至不靠成形素，而靠相邻细胞直接通信，也可能产生斑纹……总之，可能的假说还有很多很多…… 生长控制我们还没有什么好的假说……简单地猜想可能是通过一些负反馈调节让个体只长到固定的大小，但考虑到误差、稳定性、稳健性、scaling 等等问题，实际远远没有说起来这么简单……这个话题接触不多，我就不多说了…… 知乎用户，从事遗传学研究；赞宇宙之大，爱自然之美。微博@Aleni_ 上面赵永峰的解释，提到了形态素理论，图灵的斑图理论，及其它相关理论。面面俱到，上小学的小朋友觉得深奥，大朋友估计也会迷失在理论中。这里，直面西瓜皮，说下遗传学上的解释。 首先来看看商品化的西瓜的皮纹有哪些：想不到还有黄色、白色的西瓜皮吧。下图有 10 种瓜皮，那么决定瓜皮的基因有多少？是数个基因（质量遗传）还是成千上百个基因（数量遗传）决定的？瓜皮条纹看起来像是数量遗传，其实是质量遗传。研究发现，决定瓜皮条纹性状的基因不到 10 个。 西瓜农艺性状的遗传学，人们开展研究比较早。最早的一篇文献，1937 年 Porter 报道了瓜皮浅色 vs 深色，线纹 vs 条纹等性状的群体遗传学规律（见下图）[1][2]。群体遗传实验经典的就是孟德尔的豌豆实验，不同品种的豌豆进行杂交，豌豆成熟后收集种子，数各种种子的个数。不过这里是对西瓜品种进行杂交，然后看瓜皮条纹、瓜瓤颜色、西瓜形状、种子形状等。当然，那时候摩尔根的染色体遗传大行其道，Porter 也运用了这一理论来解释瓜皮的遗传。看懂了下面 3 张图，也就看懂了瓜皮的遗传学： （图 1. 瓜皮“深色 vs 浅色”的遗传, 分别由 g allele 和 G allele 决定） （图 2. 瓜皮“线纹 vs 条纹”的遗传，分别由 p allele 和 P allele 决定） （图 3. 瓜皮形状“椭圆、长圆、圆形”的遗传，由 m gene 及其等位基因决定） 由此可见，20 世纪 30-40 年代人类就弄清楚了西瓜皮的遗传规律。只不过，在 50 年代后随着分子生物学的创立，人们的研究更加精细了，弄清了上述位点上的基因是什么。 现在西瓜研究的圣地是北卡罗来纳大学园艺系的Todd C. Wehner实验室。他们不仅研究西瓜各种性状的分子遗传（要 mapping gene），也培育了很多西瓜新品种，转基因西瓜，三倍体无籽西瓜，四倍体西瓜等等。看看下面紫皮黄斑红瓤儿、绿皮黄斑黄瓤儿的西瓜是怎么回事？他们都叫星月西瓜（Moon and Star Watermelon）[3]。 这是怎么回事？西瓜转了海参的基因吗？？？ (不是啦，是非洲黄瓜) 遗传学很有趣吧，遗传学家也要从娃娃抓起，哈哈，谢谢何文慧小朋友！ 参考文献： [1] Porter, D.R. 1937. Inheritance of certain fruit and seed characters in watermelons. Hilgardia 10: 489-509. [2] G. Gusmini - T. C. Wehner. Genes Determining Rind Pattern Inheritance in Watermelon 2005 HortScience 40(6) 1928-1930 [3] Poole, C.F. 1944. Genetics of cultivated cucurbits. J. Hered. 35: 122-128. (星月西瓜的遗传) 延伸阅读： 决定西瓜性状的基因一览 CGC Watermelon Genes 2007（图表很丰富，Wehner, 2007: 8 genes added, 60 genes total，plus 111 molecular markers) 中国西瓜品种 西瓜种类,西瓜品种大全 西瓜品种英文目录 Watermelons & Watermelons reviews 查看知乎原文
