人類用眼睛看世界，而魚(yú)卻可以用皮膚“看世界”？

出品：科普中國(guó)

作者：田達(dá)瑋（科普作者）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

說(shuō)起看東西，我們的第一反應(yīng)就是用眼睛看。

但最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有一種魚(yú)，不僅能夠用眼睛看東西，而且還能用皮膚“觀察”周?chē)沫h(huán)境，甚至在死后，皮膚里的感受器還在發(fā)揮作用。

用皮膚“看世界”的豬魚(yú)

這種魚(yú)叫做長(zhǎng)棘毛唇隆頭魚(yú)（Lachnolaimus maximus）。它長(zhǎng)著一個(gè)有些像豬鼻子的長(zhǎng)鼻子，用這個(gè)鼻子來(lái)搜尋藏在沙子中的甲殼動(dòng)物，這個(gè)搜尋動(dòng)作也特別像豬用鼻子拱來(lái)拱去，所以它們又被稱作豬魚(yú)（Hogfish）。

豬魚(yú)

(圖片來(lái)源：維基）

豬魚(yú)最特別的地方還不是它的鼻子，而是它們的變色能力。

豬魚(yú)能夠快速調(diào)整皮膚的顏色，使自己融入周?chē)汉鹘傅沫h(huán)境之中，或者變成鮮艷的顏色以趕走競(jìng)爭(zhēng)者，或吸引異性。

人們熟悉的變色龍往往需要幾分鐘才能完成變色，而豬魚(yú)變色的速度很快，甚至能在不到一秒鐘的時(shí)間里改變皮膚的顏色，跟章魚(yú)、烏賊之類的動(dòng)物有得一拼。

能瞬間變色的章魚(yú)

（圖片來(lái)源：維基）

更有意思的是，這些魚(yú)甚至在死后依然能變色。發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的是生物學(xué)家洛里·施韋克特。幾年前，她在釣魚(yú)時(shí)釣起了一條豬魚(yú)，豬魚(yú)離開(kāi)水之后很快就死掉了，施韋克特把死去的豬魚(yú)扔在了甲板上，過(guò)了一會(huì)等她打算把豬魚(yú)放進(jìn)冰箱時(shí)，她發(fā)現(xiàn)豬魚(yú)的皮膚竟然變成了跟甲板一樣的顏色。

這一發(fā)現(xiàn)讓她非常驚訝。之前科學(xué)家們認(rèn)為，豬魚(yú)是通過(guò)眼睛觀察周?chē)沫h(huán)境，然后再通過(guò)大腦向皮膚發(fā)出指令來(lái)改變顏色的。但豬魚(yú)死后，眼睛和大腦的視覺(jué)系統(tǒng)都停止運(yùn)轉(zhuǎn)了，它們?cè)趺催€能變色？難道豬魚(yú)變色可以不依賴于大腦和眼睛？

施韋克特正在捕撈長(zhǎng)棘毛唇隆頭

（圖片來(lái)源：《自然·通訊》）

雖然人們已經(jīng)知道，像章魚(yú)、烏賊這樣的軟體動(dòng)物，確實(shí)能夠通過(guò)皮膚上的光感受器來(lái)探測(cè)周?chē)沫h(huán)境。但人們還沒(méi)有在魚(yú)類身上看到這一點(diǎn)。于是，施韋克特和同事開(kāi)始了對(duì)豬魚(yú)變色相關(guān)的研究。

在2018年，施韋克特和同事就發(fā)表了一篇文章，科學(xué)家們指出在豬魚(yú)的皮膚里存在一種能夠感光的蛋白——視蛋白SWS1。這種視蛋白在多種動(dòng)物的視錐細(xì)胞中都存在（包括人類）。

在5年后，也就是2023年8月，施韋克特和同事們又在《自然·通訊》上發(fā)表了一篇論文，解釋了豬魚(yú)皮膚中的感光蛋白是如何幫助它們調(diào)整皮膚顏色的。

為了了解這一點(diǎn)，我們要先從豬魚(yú)的變色原理說(shuō)起。

生物變色的原理

豬魚(yú)變色的原理和變色龍、章魚(yú)、烏賊的變色原理很相似，是通過(guò)調(diào)節(jié)體內(nèi)的色素細(xì)胞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

變色龍

（圖片來(lái)源：維基）

在最新的研究中，施韋克特和同事們?cè)谪i魚(yú)的皮膚里檢測(cè)到了紅、黃、黑色素細(xì)胞，通過(guò)調(diào)節(jié)這些色素細(xì)胞的相對(duì)大小，就可以讓皮膚呈現(xiàn)出不同類型的顏色，類似于我們用顏料調(diào)色一樣。

另外，施韋克特和同事們還從光學(xué)顯微鏡下看到了彩虹色素細(xì)胞和白色素細(xì)胞。這兩種色素細(xì)胞和紅、黃、黑色的色素細(xì)胞不太一樣。

彩虹色素細(xì)胞并不是真的存在許多種顏色，而是通過(guò)調(diào)節(jié)鳥(niǎo)嘌呤晶體的結(jié)構(gòu)，讓皮膚呈現(xiàn)絢麗的顏色。

同樣的，白色素細(xì)胞也并不是真的存在白色色素，也是通過(guò)調(diào)節(jié)鳥(niǎo)嘌呤晶體的結(jié)構(gòu)反射光線。

這些分布在皮膚中的色素細(xì)胞，是包括豬魚(yú)在內(nèi)的生物變色的基礎(chǔ)。

豬魚(yú)皮膚以及皮膚中的色素細(xì)胞

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

而視蛋白SWS1在這個(gè)過(guò)程中，起到了從皮膚內(nèi)向外“看”的作用。它通過(guò)“看”到的細(xì)微差別，對(duì)色素細(xì)胞進(jìn)行微調(diào)。

在豬魚(yú)的皮膚中，SWS1視蛋白存在于色素細(xì)胞下方，因此，不同色素細(xì)胞的大小，會(huì)影響抵達(dá)視蛋白的光線。

通過(guò)接收到的光線差異，SWS1就可以微調(diào)色素細(xì)胞，讓皮膚呈現(xiàn)更接近周?chē)h(huán)境的顏色。

結(jié)語(yǔ)

之前人們已經(jīng)知道動(dòng)物皮膚中蘊(yùn)含的視蛋白，但卻一直沒(méi)有研究這些視蛋白是如何幫助動(dòng)物實(shí)現(xiàn)變色功能的。

事實(shí)上，生物皮膚中視蛋白“看東西”的機(jī)制和“眼睛-大腦”這套視覺(jué)機(jī)制并不相同，它能更簡(jiǎn)單快速地判斷皮膚和環(huán)境顏色的差異。

通過(guò)對(duì)生物變色原理的了解，人們?cè)诓痪玫膶?lái)可能有望制造出基于這種原理的視覺(jué)傳感器，讓包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)在內(nèi)的人工智能更簡(jiǎn)單、快速地“看見(jiàn)”世界。

參考文獻(xiàn)：

[1]Schweikert, L.E., Fitak, R.R. & Johnsen, S. De novo transcriptomics reveal distinct phototransduction signaling components in the retina and skin of a color-changing vertebrate, the hogfish (Lachnolaimus maximus). J Comp Physiol A 204, 475–485 (2018).

[2]Schweikert, L.E., Bagge, L.E., Naughton, L.F. et al. Dynamic light filtering over dermal opsin as a sensory feedback system in fish color change. Nat Commun 14, 4642 (2023).