《科学画报》
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章鱼是怎样模拟身边五彩缤纷的环境的？
2020-10-28 10:35:00章鱼能够复制它们的眼睛看不到的生动图案，这一事实虽令人困惑，但这或许证明了它们可能不依靠眼睛也能观察世界。
章鱼是色盲吗
在西班牙西北海岸附近20米的水下，生物学家罗杰·汉隆正在跟踪他的猎物——一只章鱼。这只章鱼在朝着海藻丛生的地方前进，当它进入海藻叶子中后，其肤色迅速加深，以匹配周边丰富的红棕色。这种颜色变换的技能令人印象深刻，但也令汉隆十分费解，不是说章鱼都是色盲吗?为什么它们能够如此完美地模拟周围环境的颜色呢?
教科书告诉我们，一般的章鱼是色盲。汉隆在他最近出版的一本书中，列举了多个论据，表明章鱼、乌贼等头足类动物只能看到单色。然而，他对此仍然心存疑惑，并倾向于认为头足类动物能够以某种方式感知和匹配颜色。
头足类动物如何做到这一点让生物学家困惑了一个多世纪，他们也提出了一些奇怪的想法来解释这个难题。
和汉隆一样，诺贝尔生理学或医学奖得主、德国动物学家卡尔·冯·弗里希也不太相信头足类动物是色盲。20世纪10年代，他和眼科医生卡尔·冯·赫斯就此展开辩论。赫斯将乌贼放入一个蓄水池中来测试它们的视力，蓄水池很小，乌贼几乎不能移动。赫斯用彩色的灯光照射它们，并记录它们的瞳孔对灯光做出的反应，以及它们是否尝试游走。赫斯总结说，它们的反应与被彩色灯光照射的色盲人类相同。
1950年，动物学家阿尔弗雷德·基尔恩发现，如果用彩色灯光照射章鱼后再用棍子击打它，那么章鱼就能学会将这种颜色视为警告色并游走。他总结道，章鱼确实能够看到颜色。但是在20世纪70年代，英国剑桥大学的约翰·梅森格得到了相反的结果。他训练章鱼攻击彩色塑料以获得沙丁鱼奖励，发现它们能区分黑色和白色，但无法区分同样亮度的黄色和灰色卡片。
用皮肤代替眼睛
通过对头足类动物视力背后的生物学机理进行分析，有了更多关于它们是色盲的证据。科学家解剖了很多头足类动物的眼睛，都只能找到一种光检测蛋白，而没有发现类似人类用于彩色视觉的视锥细胞。到了20世纪80年代，科学家发现几乎所有头足类动物都是如此，这表明它们只能看见黑色和白色。
但这又加深了头足类动物伪装能力的神秘感。我们知道有些头足类动物可以将它们的肤色与周围环境的颜色相匹配，我们也知道它们通过在皮肤上形成生动的图案来彼此传递信号，所以它们只能看到灰度色的想法似乎很荒谬。
美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的丹·莫尔斯和汉隆的研究团队花了数年时间，试图揭开头足类动物皮肤图案的神秘面纱。这些图案的形成涉及一个复杂系统，该系统至少包含两层，上层为含色素的囊状物，下层为彩虹色的可调结构。然而，在马萨诸塞州海洋生物实验室工作的汉隆回顾色觉之谜实验时，认为他一定遗漏了某些东西。最后，他提出了一个想法：如果头足类动物的眼睛看不到颜色，也许它们是用皮肤看到的。
这听起来有些匪夷所思。与此同时，其他研究人员在一些物种的皮肤中发现了一种名为视蛋白的光检测蛋白质。这些蛋白质和它们眼睛中检测光线的视蛋白相同。
皮肤的“视觉”
汉隆检测了乌贼皮肤中的蛋白质，发现了视蛋白的存在。该发现开拓了一个全新的研究领域。汉隆与美国马里兰大学的视觉科学家托马斯·克罗宁和亚历山德拉·金斯顿合作，希望了解视蛋白是如何构成的，以及它们是否与皮肤的变色器官相连。如果头足类动物直接通过皮肤与颜色发生反应而不涉及大脑，就可以解释它们为什么在之前的行为研究实验中无法有意识地区分颜色了。
该团队花了5年的时间用灯光照射乌贼的皮肤，研究皮肤中的视蛋白。但这些蛋白质似乎杂乱无章，明显与变色系统没有任何联系。研究人员甚至在皮肤中发现了大量其他分子，这些分子可能参与处理来自光的信号。
与此同时，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的托德·奥克利和戴斯蒙德·拉米雷斯利用双斑章鱼取得了一些成果。他们把豌豆大小的双斑章鱼皮肤组织放在显微镜下，观察其色素囊，然后照亮它们。他们发现，经过一点延迟之后，色素囊发生了戏剧性的扩张。色素囊扩张是头足类动物创造颜色的一种方式。但是，虽然该实验表明章鱼皮肤对光有反应，但它没有解释反应的机理，也没有解释视蛋白是否参与其中。
令皮肤感应研究人员感到棘手的一个问题是，在头足类动物皮肤中发现的视蛋白与眼睛中的视蛋白相同。鉴于头足类动物不能用眼睛看到颜色，那么它们用皮肤去看颜色时就需要额外的物质。汉隆认为，皮肤中的色素囊可以作为视蛋白的粗过滤器，两个部件可以协同检测颜色，又或者皮肤中还有未被发现的视蛋白。汉隆的研究小组正在通过对乌贼基因组进行测序，试图给出上述问题的答案。
神秘的视蛋白
人类眼睛的视杆和视锥细胞中，存在着能对光做出反应并帮助我们看见周围世界的视蛋白分子。在过去的几年里，我们发现除眼睛以外，这些蛋白质还分布在我们身体的其他地方。这不禁让人提出问题：它们在那里有什么作用?
以罗非鱼为例，它们的鳍在产卵季节呈红色。2015年，加拿大女王大学进行的一项研究表明，罗非鱼皮肤中的视蛋白似乎对阳光颜色的季节性变化有反应。用紫外线照射这些视蛋白，会促使皮肤中的色素聚集在一起，并改变颜色。
在其他动物身上，眼睛部位以外的视蛋白可能在设定昼夜节律方面起到了一定作用。有些种类的小虾没有眼睛，但与其大脑连接的光探测器官中有视蛋白存在，也许它们会使用这种器官感知危险。
文/贾润田
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