變色太難了,直接長成透明的多省事兒

2021-01-21 物種日曆

廣闊的海洋中有一些生物，就算你用視力5.2的眼睛努力分辨，也未必看得到它們。因為它們是透明的。提到透明的海洋生物，很多人第一時間會想到水母，當然也可能會想到涼拌海蜇皮。其實透明的海洋生物種類多樣，小到深海魚類的幼體，大到章魚，種類可謂繁多。

透明生物種類繁多。圖片：Johnsen S / The Biological Bulletin（2001）

在漫長的進化歷程中，大多數動物進化出了強健的外層保護自己。而海水中搖曳的小透明們，看起來浪漫卻柔弱，總是讓人擔心它們像海上的泡沫一觸就破。其實，小透明有著自己的大本領。


在海裡，生物自我保護的方式多種多樣，有的以超高的遊泳速度溜之大吉，有的用化學物質進行防禦，還有的把自己變成小透明。說到自我保護，我們熟知的變色龍能根據環境變換顏色以掩人耳目，雖然也非常有效，但是缺點是要感知外界環境並快速轉變身體的花紋和顏色，相當耗費力氣。在這一點上，小透明們佔儘先機，它們的透明屬性「自動」地與環境融為一體。在水環境中，從各個角度以及不同深度來看，它們都是透明的，這種偽裝方式非常有用。要知道，在平靜的海平面下，每時每刻都在上演著弱肉強食的生存之戰。在捕食關係中，動物生存的關鍵在於自身能不被發現，以及自己能夠探測危險和獵物。透明的動物，雖然總有一種柔弱且不敏捷的既視感，但它不容易被捕食者發現，也就避免成為海鮮自助餐。葉水蚤（Sapphirina）的天敵想吃掉它就很困難，前一秒還看到它在那裡晃動，趕到現場後它立刻調皮地「隱身」了，你說氣人不？

瞬間「隱身」的葉水蚤。圖片：American Chemical Society

小透明都是這般柔弱的設定，都只能被動防禦？不，有些透明生物的大招就讓人眼前一亮。兩種管水母目動物（Athorybia rosacea 和 Aglama okeni）的身體有一部分是不透明的，這部分沉積有色素的區域可以模擬魚的幼體充當誘餌。當不明所以的動物接近這個小小的誘餌時，它並不知道自以為的美餐旁邊還有龐大的透明身軀在伺機而動。此刻的小透明早就不是柔柔弱弱不堪一擊的逃命者，而是瞬間化身為兇殘的深海幽靈。在我們的認識中，玻璃是透明的，水是透明的，但是有機物構成的動物卻是不透明的。為什麼這些海洋動物就透明了呢？此刻，請你將目光稍微移開手機屏幕，你會看到花瓶裡的玫瑰，或者床頭的一本書……這是因為這些物體反射的光進入你的眼睛，也就是能被眼睛看到。而如果你看向窗外，透過玻璃，你仍然能欣賞到路邊的綠樹，馬路上疾馳的車輛，這是因為玻璃並沒有阻礙這些物體反射的光進入你的眼睛，所以我們認為玻璃是透明的。原則上來說，有機體如果不能將光反射進入你的眼睛，那就是透明的。對水母來說，身體約95%都是水，因此是透明的。這種變身小透明的方法，可謂簡單粗暴。但小透明們的眼睛和內臟卻不透明，這是因為眼睛要靠吸收光才能看到物體，內臟則因為包含有內容物（比如消化中的食物）也是不透明的。

這種章魚（Japetella heathi）變透明時，眼睛和內臟還是可見的。圖片：Sarah Zylinski

不過，大多數小透明們會用一些特定的偽裝技巧來掩飾眼睛和內臟。例如，一些透明的軟體動物會用鏡面覆蓋眼睛，利用鏡面的反射作用就看不到眼睛了。還有研究人員認為，透明章魚將眼睛進化得細長，是為了將眼睛的陰影最小化，從而達到隱藏眼睛的目的。大多數透明蝦（Sergestes similis）則會利用與眼睛或內臟相反的生物螢光（counter-illumination bioluminescence）將不透明的眼睛和內臟隱藏起來。和海樣裡的小透明相比，陸生透明生物的種類卻少之又少，即使如鱗翅目中的寬紋黑脈綃蝶（Greta oto）等，也只是翅膀部分透明。究其原因，這與陸生生物的生存環境特質是分不開的。

寬紋黑脈綃蝶。圖片：David Tiller / Wikimedia

首先，我們要明確一個與透明有關的數值概念——折射率。透明物體在一定程度上依賴於自身與周圍環境之間的折射率差值。如果兩者的折射率差值越大，則光線越容易被物體反射或者散射，物體也就不容易透明。而生物組織的折射率與其密度成正比，例如細胞質的折射率約為1.35，而緊密堆積的蛋白質的折射率可以達到1.55。海水的折射率根據溫度和鹽度不同而變化，但是大約為1.34。空氣的折射率較低，約為1。

所以，陸生生物與空氣之間的折射率差異，就使得其大概率無法擁有透明偽裝術。此外，陸地上的紫外線等級比較高，所以生物也需要色素在體內抵禦紫外線的傷害。同時，陸生生物自身也需要支持性的骨骼結構，這些物質往往都是不透明的。可見，無論是環境還是自身設定，都不利於透明生物在陸地上生活，因此種類極少也就可以理解了。

你是否也想像哈利波特一樣穿上隱形衣去圖書館看禁書，去禁林夜跑，去厄裡斯魔鏡前打卡？想隱形的人常有，而隱形衣不常有。想隱身或許可以參考一些小透明，看它們如何在身體上做文章。有些小透明對自己挺狠的。光通過生物組織的衰減程度是與厚度成指數相關的。什麼意思呢？如果光穿過1釐米厚度的組織後，衰減40%，組織厚度增加為2釐米後衰減64%，至3釐米厚度時則衰減78%。相反地，如果厚度減小到1毫米，則光的衰減僅為5%。因此，一些小透明們就利用這一原理，通過極限地扁平化自己的身體來達到透明狀態，例如櫛水母、淡水水蚤、葉形幼體等。

葉形幼體（phyllosoma）指無螯下目下一些動物的幼體階段。圖片：amicecorp / flickr

在某些特定情況下，葉形幼體甚至能將身體扁平化至1毫米厚度，有一種超越極限的感覺。然而把自己壓扁這種狠手段，我們人類好像不太能達到啊。畢竟二維化可是《三體：死神永生》中二向箔的殺傷性效果，還是算了吧。寬紋黑脈綃蝶使自己的翅膀變透明的方法，就沒有那麼簡單粗暴了。研究人員發現，寬紋黑脈綃蝶翅膀的透明區域覆蓋著一層細長的微毛，它們排列疏鬆、長短不一。

寬紋黑脈綃蝶的透明翅膀。圖片：Siddique R H, et al. / Nature communications（2015）

而在微毛之間的區域則隨機分布著如下圖所示的納米柱，它們恰恰就是寬紋黑脈綃蝶透明的秘密所在。這些不起眼的納米柱突起充當了折射率媒介的重要角色。在納米柱頂部，折射率與外界環境一致；在底部，表現為有機體本身的折射率；在中間區域，折射率就在這兩者的區間範圍內緩慢變化。這種超結構既不散射光，又能使反射光低至2%～5%，從而成就了透明的翅膀。

寬紋黑脈綃蝶透明翅膀上的納米柱（nanopillars）。圖片：Siddique R H, et al. / Nature communications（2015）

人類對於透明的嚮往由來已久，無論是魔法世界還是科幻電影都曾塑造過透明人，然而實現起來卻沒有那麼容易。2011年，日本科學家研製了一種神奇藥水，被其浸泡過的小鼠大腦可以變成透明的。科學家利用這種藥水，可以觀察到幾釐米深處的神經細胞網絡，進一步提高人類對大腦細胞網絡連接的認識。

小鼠大腦經過處理變透明，雷射照射觀察（上）；胚胎經過試劑處理後變透明（下）。圖片：Hama H, et al. / Nature neuroscience（2011）

目前，我們距離使活體變成透明狀態這一目標還很遙遠。不過，我們從未停止對未知的探索與對自然的學習，或許有天我們披上模擬蝴蝶翅膀超結構的披風，真的就變成透明人。

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