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隐形衣、变色化妆品、色素疾病治疗,章鱼的伪装中可能藏着这些问题的答案 | TED2019 现场报道

黎方宇2019-04-18 16:23:15

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从《海底两万里》的巨型章鱼,到流行文化中的“克总发糖”,头足纲生物以发达的智力和灵活的触手在人们对深海的恐惧之中稳据一席之地。同时,花枝、小卷、章鱼小丸子等高蛋白的代名词似乎又暗示了这一种群面对的危机。

借助对光线和形状的敏锐感受,头足纲的动物们学会了利用所看见的背景对自身进行伪装。它们利用色素细胞,改变皮肤的亮度和花纹,甚至还可以在皮肤表面形成突起,以便隐藏进周围的珊瑚之中。

Roger Hanlon 教授是位来自于芝加哥的海洋生物实验室(MBL)的进化生物学科学家,主要研究深海生物的保护色。在周二的 TED 分享中,他介绍了鱿鱼、章鱼和乌贼这些无脊椎动物,在黑暗神秘的海洋之中,如何探索出一条独特的进化之路。

隐藏在珊瑚中的章鱼,图片 Roger Hanlon

在捕食和避免被捕食的链条当中,变色伪装对头足纲来说是非常重要的保护手段。尽管它们大都是色盲,但利用对光线的敏锐感知和迅速的决策能力,它们能在 2 小时内变换 200 余次伪装。这对它们来说仅仅是日常。Hanlon 的研究发现,鱿鱼和乌贼可以直接利用皮肤感知光线,在它们皮肤的色素细胞中发现了生物体内最主要的感光物质——视蛋白。随后的研究表明,章鱼皮肤的神经末梢中也存在着视蛋白。

章鱼体表形成的突起,图片 Roger Hanlon

感受到外界光线变化后,大脑迅速发出指令,鱿鱼和乌贼皮肤的色素细胞迅速变换颜色,而章鱼的皮肤则在五分之一秒内,通过肌肉收缩得到块状突起(papillae)。通过这些“才艺”,章鱼可以模仿石头或珊瑚的颜色和纹理,鱿鱼会让皮肤发亮制造波光,乌贼甚至能将身体隐匿进复杂的棋盘背景当中。

尽管是人造的纹案背景,乌贼也能迅速适应,图片 Roger Hanlon

同样的智慧体现在交配选择上。乌贼在面对敌人和情人时会有两副面孔,在情人的位置发生变化时,对应的颜色也能够八面玲珑地迅速切换。

“阳奉阴违”的两面鱼,图片 Roger Hanlon

有研究表明,章鱼的短期和长期记忆也很可观:它们能在三到五次的学习中记住研究者设定的觅食路线,并将食物带回巢穴。科学家们还观测到了它们的快速动眼(REM)睡眠,这意味着它们有可能会做梦,在这个过程当中,记忆被得以巩固。

头足纲与脊椎动物在大约六亿年前分家,在海底进化出了高度发达的神经系统。以章鱼为例,它们的大脑呈环形围绕食道,有 35 个额叶和 8000 万个神经元,皮肤中则有 3 亿个神经元,每一条触手也都有着复杂的神经网络。曾经有研究发现,章鱼遇到危险时可能会自行断腕,而断掉的腕足在离体十分钟内还能继续爬行,据此认为腕足有着相对独立的“微型大脑”。但实验证明,腕足的运动并非独立完成,仍然要受中央大脑控制。

头足纲出众的智力可能显示了智慧的另一种起源,图片 Roger Hanlon

而这八只触手和数百个吸盘的协调控制,以及随时变形隐匿的能力,需要强大的计算能力,这可能源于复杂的大脑相关基因。冲绳理工学院对章鱼的基因组测序表明,许多基因都含有被称为原钙粘蛋白的编码,这种蛋白参与大脑环路的构建,连接正确的神经元。脊椎动物有 70 种原钙粘蛋白和 100 余种相关钙粘蛋白,而章鱼体内含有 168 种原钙粘蛋白。另一组值得注意的基因名为“锌指”,编码的蛋白为锌离子连接的指状结构,可以调节 DNA 的转录,人类有 764 种锌指,而章鱼体内高达 1790 种。这些基因的发现可能是章鱼复杂智力的线索。

头足纲的智慧不仅和它们高度发达的、和大脑相关的基因有关,还有赖于一种独特的“中心法则”。

在生命体的构建中,DNA 复制得到 RNA,RNA 再指导蛋白质的合成,进行复杂的生命活动。在人体或果蝇中,仅有不到 1% 的脑部蛋白质的 mRNA 会有相应修改,而章鱼等头足纲动物拥有高度发达的编辑 RNA 的能力,60% mRNA 都会得到编辑,进而影响蛋白质的编辑和神经元的响应。这种 RNA 编辑的能力让 DNA 的转录过程增加了更多的复杂性,有可能是章鱼智力的关键。随着数万计被保存下来的 RNA 编辑位点被发现,头足纲的聪明秘诀有待进一步阐明。

Roger Hanlon 教授介绍章鱼的大脑结构,图片 Bret Hartman / TED

受这些智慧生物的启发,Hanlon 教授及合作者开发出了会响应环境变化而变形和变色的智能面料。他也认为这些光敏成分在变色化妆品开发上也存在潜力,甚至在治疗黑色素瘤和白癜风上也具有指导作用。随着对章鱼大脑的进一步解谜,人类也许能从中得到灵感,借助克总的智慧指导人工智能的开发。

章鱼皮肤启发制成的智能材料,图片 Roger Hanlon

题图来自 Bret Hartman / TED

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