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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    章魚是怎樣模擬身邊五彩繽紛的環境的?

                    2020-10-28 10:35:00

                      章魚能夠復制它們的眼睛看不到的生動圖案,這一事實雖令人困惑,但這或許證明了它們可能不依靠眼睛也能觀察世界。

                    章魚   

                      章魚是色盲嗎

                      在西班牙西北海岸附近20米的水下,生物學家羅杰·漢隆正在跟蹤他的獵物——一只章魚。這只章魚在朝著海藻叢生的地方前進,當它進入海藻葉子中后,其膚色迅速加深,以匹配周邊豐富的紅棕色。這種顏色變換的技能令人印象深刻,但也令漢隆十分費解,不是說章魚都是色盲嗎?為什么它們能夠如此完美地模擬周圍環境的顏色呢?

                      教科書告訴我們,一般的章魚是色盲。漢隆在他最近出版的一本書中,列舉了多個論據,表明章魚、烏賊等頭足類動物只能看到單色。然而,他對此仍然心存疑惑,并傾向于認為頭足類動物能夠以某種方式感知和匹配顏色。

                      頭足類動物如何做到這一點讓生物學家困惑了一個多世紀,他們也提出了一些奇怪的想法來解釋這個難題。

                      和漢隆一樣,諾貝爾生理學或醫學獎得主、德國動物學家卡爾·馮·弗里希也不太相信頭足類動物是色盲。20世紀10年代,他和眼科醫生卡爾·馮·赫斯就此展開辯論。赫斯將烏賊放入一個蓄水池中來測試它們的視力,蓄水池很小,烏賊幾乎不能移動。赫斯用彩色的燈光照射它們,并記錄它們的瞳孔對燈光做出的反應,以及它們是否嘗試游走。赫斯總結說,它們的反應與被彩色燈光照射的色盲人類相同。

                      1950年,動物學家阿爾弗雷德·基爾恩發現,如果用彩色燈光照射章魚后再用棍子擊打它,那么章魚就能學會將這種顏色視為警告色并游走。他總結道,章魚確實能夠看到顏色。但是在20世紀70年代,英國劍橋大學的約翰·梅森格得到了相反的結果。他訓練章魚攻擊彩色塑料以獲得沙丁魚獎勵,發現它們能區分黑色和白色,但無法區分同樣亮度的黃色和灰色卡片。

                    章魚

                      用皮膚代替眼睛

                      通過對頭足類動物視力背后的生物學機理進行分析,有了更多關于它們是色盲的證據??茖W家解剖了很多頭足類動物的眼睛,都只能找到一種光檢測蛋白,而沒有發現類似人類用于彩色視覺的視錐細胞。到了20世紀80年代,科學家發現幾乎所有頭足類動物都是如此,這表明它們只能看見黑色和白色。

                      但這又加深了頭足類動物偽裝能力的神秘感。我們知道有些頭足類動物可以將它們的膚色與周圍環境的顏色相匹配,我們也知道它們通過在皮膚上形成生動的圖案來彼此傳遞信號,所以它們只能看到灰度色的想法似乎很荒謬。

                      美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校的丹·莫爾斯和漢隆的研究團隊花了數年時間,試圖揭開頭足類動物皮膚圖案的神秘面紗。這些圖案的形成涉及一個復雜系統,該系統至少包含兩層,上層為含色素的囊狀物,下層為彩虹色的可調結構。然而,在馬薩諸塞州海洋生物實驗室工作的漢隆回顧色覺之謎實驗時,認為他一定遺漏了某些東西。最后,他提出了一個想法:如果頭足類動物的眼睛看不到顏色,也許它們是用皮膚看到的。

                      這聽起來有些匪夷所思。與此同時,其他研究人員在一些物種的皮膚中發現了一種名為視蛋白的光檢測蛋白質。這些蛋白質和它們眼睛中檢測光線的視蛋白相同。

                      皮膚的“視覺”

                      漢隆檢測了烏賊皮膚中的蛋白質,發現了視蛋白的存在。該發現開拓了一個全新的研究領域。漢隆與美國馬里蘭大學的視覺科學家托馬斯·克羅寧和亞歷山德拉·金斯頓合作,希望了解視蛋白是如何構成的,以及它們是否與皮膚的變色器官相連。如果頭足類動物直接通過皮膚與顏色發生反應而不涉及大腦,就可以解釋它們為什么在之前的行為研究實驗中無法有意識地區分顏色了。

                      該團隊花了5年的時間用燈光照射烏賊的皮膚,研究皮膚中的視蛋白。但這些蛋白質似乎雜亂無章,明顯與變色系統沒有任何聯系。研究人員甚至在皮膚中發現了大量其他分子,這些分子可能參與處理來自光的信號。

                      與此同時,加利福尼亞大學圣巴巴拉分校的托德·奧克利和戴斯蒙德·拉米雷斯利用雙斑章魚取得了一些成果。他們把豌豆大小的雙斑章魚皮膚組織放在顯微鏡下,觀察其色素囊,然后照亮它們。他們發現,經過一點延遲之后,色素囊發生了戲劇性的擴張。色素囊擴張是頭足類動物創造顏色的一種方式。但是,雖然該實驗表明章魚皮膚對光有反應,但它沒有解釋反應的機理,也沒有解釋視蛋白是否參與其中。

                      令皮膚感應研究人員感到棘手的一個問題是,在頭足類動物皮膚中發現的視蛋白與眼睛中的視蛋白相同。鑒于頭足類動物不能用眼睛看到顏色,那么它們用皮膚去看顏色時就需要額外的物質。漢隆認為,皮膚中的色素囊可以作為視蛋白的粗過濾器,兩個部件可以協同檢測顏色,又或者皮膚中還有未被發現的視蛋白。漢隆的研究小組正在通過對烏賊基因組進行測序,試圖給出上述問題的答案。

                      神秘的視蛋白

                      人類眼睛的視桿和視錐細胞中,存在著能對光做出反應并幫助我們看見周圍世界的視蛋白分子。在過去的幾年里,我們發現除眼睛以外,這些蛋白質還分布在我們身體的其他地方。這不禁讓人提出問題:它們在那里有什么作用?

                      以羅非魚為例,它們的鰭在產卵季節呈紅色。2015年,加拿大女王大學進行的一項研究表明,羅非魚皮膚中的視蛋白似乎對陽光顏色的季節性變化有反應。用紫外線照射這些視蛋白,會促使皮膚中的色素聚集在一起,并改變顏色。

                      在其他動物身上,眼睛部位以外的視蛋白可能在設定晝夜節律方面起到了一定作用。有些種類的小蝦沒有眼睛,但與其大腦連接的光探測器官中有視蛋白存在,也許它們會使用這種器官感知危險。

                      文/賈潤田

                    本文來自《科學畫報》

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