暴雨過後，蝴蝶總愛聚集在喬治亞州西北部鴿子山中的泥窪邊。詹姆斯·亞當斯和歐文·芬克爾斯坦手持捕網悄悄埋伏。突然間，一隻很奇特的蝴蝶從兩人身邊飛過。它的左翼呈黃色，右翼呈黑色，就如同有人將兩隻不同的蝴蝶撕成兩半又完美地拼接了起來一樣。芬克爾斯坦不禁叫出聲來。詹姆斯抑制住自己內心的興奮，追了幾步捕到了它。詹姆斯立即意識到，自己剛剛捕到了一隻雌雄同體蝶——一種一半雌性、一半雄性的生物。
蝴蝶收藏者喜愛雌雄同體蝶，是因為它們罕見而且特別，是造物主創作的對稱樂章中的意外之作。科學家也愛雌雄同體蝶，因為它們為雌性、雄性及雌雄同體生物的研究提供了絕好的實例。
幾百年來，生物學家一直記錄著他們所發現的雌雄同體生物，包括昆蟲、蜘蛛、龍蝦、鳥類。近年來，利用複雜精密的實驗手段，通過對雌雄同體生物的研究，研究者推翻了傳統的性別形成理論。
現實和科學史都已證明，這些生物看似怪異、奇特、不對稱，無法被歸入任何生物門類，卻最能揭示生物的生長模式。這樣的結論並非來自科學家對大量正常小鳥的研究，而是來自對極少數雌雄同體小鳥的研究。
這一切還要從一隻斑胸草雀說起。
雄鳥籠中的鳥蛋
20世紀末，洛克菲勒大學實驗室的一名飼養員發現，在一個只有雄性斑胸草雀的鳥籠中接二連三地出現了鳥蛋。為了找到「元兇」，這名飼養員將它們分別移入單獨的鳥籠觀察，發現這些蛋來自一隻很特別的鳥。這隻小鳥和其他斑胸草雀很不相同。從右側看，它具有所有雄性斑胸草雀的特徵：臉頰上的橘色羽毛、頸部的斑馬紋，還有漂亮的棕底白點翅羽。而從左側看，它是一隻典型的雌性斑胸草雀：幾乎全灰的羽毛、面部少量的黑白斑紋及淺黃色的胸脯。這個鳥類實驗室的負責人是洛克菲勒大學的神經科學家，名叫費爾南多·諾特博姆。當他意識到這隻特別的鳥是雌雄同體時，便把鳥交給了他原來在加州大學洛杉磯分校的學生阿特·阿諾德。他認為，阿諾德主要研究性別差異，或許可以從這隻鳥身上研究出點兒什麼。
長久以來，科學家認為鳥類的性別形成過程與哺乳類動物的性別形成過程相同。起初，一隻小鳥只是一個無性別的胚胎。之後，在性別染色體的主導下，小鳥長出一對睪丸或卵巢。從睪丸或卵巢中釋放的荷爾蒙又會促使小鳥按照某種性別特徵繼續生長。但是，後來的一些研究似乎表明這個解釋版本過於簡單了。
順著這條線索，阿諾德和他的同事決定對這隻斑胸草雀的腦部細胞進行深入的研究。通常來講，雄性斑胸草雀大腦中的神經迴路網是為其學習求偶歌曲而設計的，要比雌性的同一區域大得多。如果性別形成主要由荷爾蒙決定，那麼這隻雌雄同體鳥的大腦左側和右側就應具有相近的結構。說到底，從其睪丸或卵巢中釋放出的雌雄同體型荷爾蒙性激素應遍布其體內的各個器官。
然而，阿諾德的研究小組發現，這隻斑胸草雀大腦右半部的情歌學習區域要比左半部的大82%。為進一步研究，研究者將其大腦切片並浸泡在充滿放射性核糖核酸的溶液中，這些具有放射性的核糖核酸會吸附於Z或W性染色體中的一種上。將其置於感光板後，科學家發現其腦部的右半球充滿了由兩個Z染色體組成的雄性細胞，而左半球則充滿了包含Z和W兩種染色體的雌性細胞。這就說明是性染色體，而非荷爾蒙主導了大腦中每個細胞的命運。阿諾德說：「那隻雌雄同體鳥顛覆了一些我頭腦中的所謂經典的科學認識。腦細胞組織並非一個任由荷爾蒙書寫的白板，它在生物出生前就已被設定。」
性染色體改變細胞
2015年前後，愛丁堡大學的發育生物學家邁克·克林絲開始收集英國周邊農場中的雌雄同體雞，並對它們加以研究。從一側看，這些雞是雄性，羽毛為白色和金色，下頜有紅色的大肉垂，腿部有角狀的長刺；從另一側看，它又像雌性，羽毛為棕褐色，下頜的肉垂和腿部的長刺也都小得多。克林絲的研究團隊對雌雄同體雞的血液、皮膚以及肌肉細胞中的DNA進行了檢測。他們發現，雌雄同體雞不僅僅在外表上呈現出兩種類型，就像之前那隻斑胸草雀一樣，在細胞層面上，其整個身體也基本上可分成兩種不同的類型——大量ZW雌性細胞在一側，ZZ雄性細胞在另一側，但也有一部分兼有兩種細胞。這就好像一個分隔瓶裡裝著兩種口味的糖豆，它們大都是分開的，少量也會混在一起。
這些雌雄同體生物證實了鳥類的性別是通過細胞的逐個改變而最終形成的，並不像哺乳類動物那樣在荷爾蒙的統一影響下形成的。但是，目前尚不清楚每個細胞內的性染色體具體怎樣使性別形成免受荷爾蒙的影響。或許，從受精那刻起，ZW染色體組合就開始促成某種表現基因的改變——讓DNA周圍的分子促進或抑制其各種活動。克林絲和他的同事發現，正常發育的雌性或雄性鳥類胚胎，在其性器官形成以前就已經按不同的基因模式生長了。
哺乳動物的性別形成
現在，阿諾德和他的團隊希望知道，他們在鳥類研究中得出的結論是否也同樣適用於哺乳動物。為了確定荷爾蒙和染色體在哺乳動物性別形成中的作用，阿諾德的團隊一直在研究一些特殊的老鼠——儘管從基因上看，它們都屬於雄性，有的卻擁有特別多的X或Y染色體，有的會釋放雌性荷爾蒙。阿諾德希望他的研究可以為一些人類疾病提供新的解決辦法，因為很多硬化症、癌症、心臟病及其他疾病的發病率和嚴重程度都有著特定的性別傾向。阿諾德說：「如果我們可以弄清為什麼某種性別在疾病形成的過程中會受到保護，就可以找到新的治療辦法。要解決這個問題，我們需要知道決定性別差異的各種因素。在過去，我們一直以為荷爾蒙是決定性別差異的唯一因素。」
很多硬化症，比如一種神經系統受到免疫系統攻擊和摧毀的嚴重硬化症，在女性患者中更普遍，但是，一旦患病，男性患者的惡化速度會更快。阿諾德對基因為雄性但釋放雌性荷爾蒙的特殊老鼠的研究表明，面對同一種疾病，是XY染色體的組合（而非荷爾蒙）使得細胞更易受到攻擊。
對雌雄同體斑胸草雀和雌雄同體雞的研究使其他領域的研究者感到震驚。加州大學伯克利分校的生物生長學家尼帕姆·帕特爾說：「有關脊椎動物的細胞如何獲得其性別的問題，雌雄同體生物的確顛覆了人們長久以來的固有想法。」
除了以上這些研究，帕特爾對獨特的雙性蝴蝶的研究同樣改變了人們根深蒂固的觀念。歷經十幾年的苦心鑽研，帕特爾認為，在某些情況下，雌雄同體生物並非僅是一個兼有雌性和雄性器官的生物，而是兩種類型生物的融合體。
許多科學家把雌雄同體蝶的出現歸因於細胞分裂時產生的差錯。像鳥類一樣，雄性蝴蝶的每個細胞內都含有兩個Z染色體，而雌性蝴蝶則是一個Z和一個W染色體。按照傳統的解釋理論，當一隻毛毛蟲開始蛻變，最終形成雌雄同體蝶翅膀的分裂細胞也會分裂其染色體，從而使其中一個得到一個Z和一個W染色體並成為雌性，另一個則得到兩個Z染色體並成為雄性。這兩個子細胞會生長為蝴蝶的左右翅膀，因此，蝴蝶會呈現出以中線為界的雌雄同體的外表。
另一種雌雄同體蝶
科學家清楚地闡釋了這樣的過程，但帕特爾收集到的一些圖片使他認為雌雄同體的產生還另有原因。每隔一段時間，帕特爾就會碰到一種奇異的蛺蝶。這種蝴蝶色彩繽紛，雌雄兩性的外表看上去很相似。帕特爾之所以能發現它們之中的雌雄同體者，是因為雌雄同體蝶的腹部在大小和結構上略有差別——腹部左右兩側分別長著雌性和雄性的外生殖器。
於是，帕特爾想到，它們除了是兩性體，也許更是混合體，其兩個翅膀上不同的花紋樣式暴露了它們基因的不同，而這種差異僅用雌雄細胞混合體這樣的說法無法解釋。比如說，Optix基因負責賦予蛺蝶後翅以紅色，WntA基因則像一支黑色記號筆一樣負責賦予其黑色，而Z和W染色體中並沒有這兩種基因。傳統解釋認為，雌雄同體蛺蝶兩側的基因差異只存在於Z和W染色體上，但它們的翅膀在色彩組合基因上也明顯不同，這表明它們有兩套完全不同的基因組。在帕特爾看來，既然雌雄同體蛺蝶的差異不僅存在於性別特徵上，那麼，就可以將之看作雌雄兩種動物的合二為一體。
怎麼會這樣呢？昆蟲的卵細胞其實有一個比它小的姐妹細胞——極體。極體是在生成卵細胞的細胞分裂過程中產生的副產品。有時，兩個精子可以在卵細胞內分裂，並使卵細胞的細胞核和極體同時受精，這樣便生成兩個胚胎，就像是連體雙胞胎。然而，這兩個生命的細胞界限並不總是那麼涇渭分明。這也就解釋了為什麼有的雌雄同體生物外表的不對稱嚴格依據中線而分，有的則不然，會出現越過中線的馬賽克花紋。儘管之前也有專家用雙受精理論解釋雌雄同體生物的產生，但是，帕特爾提供的資料是目前為止最清晰的證據之一。