知否|誰說黑漆漆深海裡的生物,不是瞎子就是色盲?
2020-11-27 網易科技作者 | 辰辰
出品 | 網易科技《知否》欄目組（公眾號：tech_163）
圖示：生活在深海中的燈籠魚 研究發現燈籠魚家族中的一些成員眼睛中有多種視杆色素蛋白，能夠在黑暗的深海環境中感知到顏色。
長期以來，科學家們一直認為深海生物眼中所看到的是一個完全黑暗的無色世界。但是最新研究在部分深海魚體內發現了多種視杆色素蛋白，其之前在脊椎動物中從未發現過，但或許能夠讓生活在深海的一些魚分辨出更多顏色。
這一發現挑戰了長期以來關於深海生物如何感知顏色的假設。
「我們根本沒有意識到這一點，」該研究負責人、澳大利亞布裡斯班昆士蘭大學海洋生物學家法比奧·科特西（Fabio Cortesi）說。
波士頓大學生物學家克納利(Christopher Kenaley)雖然並沒有參與這項研究，但他說這份報告應該促使科學家重新考慮深海魚類視力非常有限的傳統觀點。
「深海裡有一些關於動物如何交流的重要問題，」他說，「新發現讓我們了解到它們可能如何能夠互相發現。」
脊椎動物的視覺是由眼睛後部的感光細胞實現的。這些被稱為視杆和視錐(rods and cones)的細胞含有色素蛋白，可以檢測到不同類型的光，並將信息傳遞給大腦。
典型的脊椎動物眼睛中有多種類型的視錐細胞，每種視錐都能夠在明亮工作環境下感應到一定範圍內的顏色。除此之外，眼睛中還有一種視杆細胞,能夠在昏暗環境下感知光線。由於視杆細胞有著相同的色素蛋白，因此視杆細胞不能分辨顏色。
圖示：人們在很多深海魚類的眼睛中發現了能夠過濾黃光的色素蛋白
科特西和他的同事們想知道是否能從長期生活在黑暗環境中的魚類中發現一些例外。2015年一項以淺水魚類為主要對象的科學研究引發了他們的疑問。該研究發現，其中一些魚類體內的視錐細胞色素蛋白基因比科學家們此前預期的要多。
「我們只是想，如果其他魚類的視覺系統比之前認為的更複雜，我們應該研究研究深海魚，」瑞士巴塞爾大學(University of Basel)進化生物學家沃爾特·薩爾茨伯格(Walter Salzburger)說，其曾經全程監督了該研究。畢竟，如果真的有魚類能夠在黑暗中以多種方式觀察環境，那麼它們肯定是生活在光線無法照射到的深海中。
人們對生活在海平面以下1000多米的魚類知之甚少。一些深海魚類的瞳孔會變大，視杆細胞能夠幫助它們捕捉周圍光線。在這些深度，大部分光線是由魚類自身通過生物發光產生的。
在這項新研究中，研究人員首先計算了101種生活在不同棲息地的魚類基因組中視杆和視錐色素蛋白的基因數量。儘管他們發現了12種擁有多達7個視錐色素蛋白基因的魚類，但真正讓他們震驚的是發現了13種擁有不止一個視杆色素蛋白基因的魚類。
圖示：擁有強視覺的深海魚：銀棘鰭魚（上）、燈籠魚（中）和管眼魚（下）
其中有四種魚類擁有五種以上視杆色素蛋白基因，它們分別是管眼魚(Stylephorus chordatus)、冰川燈籠魚(Benthosema glaciale)、長翼棘鰭魚(Diretmoides pauciradiatus)和銀棘鰭魚(Diretmus argenteus)。
這四種魚都生活在海平面以下1000到2000米的地方。其最近的共同祖先可以追溯到1億多年前，所以研究人員認為這些額外的基因在每個譜系中都是獨立進化的。
「是為了觀察獵物嗎？或者是在幾乎完全黑暗的環境中尋找伴侶？還是為了躲避捕食者？」 薩爾茨伯格說。「這是我們能想到的三個主要的進化優勢。」
但這些魚類真的藉助了額外的視杆色素蛋白嗎？為了回答這個問題，研究小組檢查了代表36種不同魚類的樣本。其中一些組織樣本已經保存在實驗室裡，另一些則是在垂釣時獲得的。
科特西和其他研究人員在晚上用拖網捕魚，這樣魚就不會受到可能損害其眼睛的陽光照射。科特西說，用拇指大小的魚裝滿一小桶就需要6個小時。
在這36種魚類中，大多數只有一種活性基因可以產生視杆色素蛋白。至少有三種魚類擁有5種視杆色素蛋白活性基因。
其中擁有最多視杆色素蛋白活性基因的是銀棘鰭魚。它有38種視杆色素蛋白基因，其中14種在眼睛內部起作用。相比之下，大多數人只用了三種視錐色素蛋白來感知整個世界的顏色。
薩爾茨伯格說，目前還不清楚銀棘鰭魚是如何利用所有這些視杆色素蛋白的，但科學家們懷疑它們可能會增加對微弱光線的敏感度。
為了弄清楚銀棘鰭魚可能會看到什麼顏色，研究人員用一些細菌在培養皿中培育了銀棘鰭魚的一些視杆色素蛋白，然後用一束光進行照射，看看色素蛋白能夠吸收哪一部分光譜。他們發現這些色素蛋白的探測範圍可以覆蓋到整個生物發光的光譜——從不同深淺的藍色、綠色到黃色。
最後，他們用這些結果來預測其他擁有多種視杆色素蛋白的深海魚類能夠看到哪些顏色。這些色素蛋白的形狀是關鍵因素，因為不同形狀的色素蛋白對不同波長的光敏感。
研究工作表明冰川燈籠魚、管眼魚和長翼棘鰭魚可能能夠探測到藍光，以及綠色和黃綠色的光。但它們的感知範圍不會像銀棘鰭魚那麼廣。
目前科學家並沒有行為實驗，因此還不能確定這些魚是否真的用它們的視杆細胞來看到各種顏色。薩爾茨伯格說，這項實驗很難成功，因為這些魚不僅很難捕到，而且一旦被帶出水面，就無法長時間存活。
儘管如此，沒有參與這項研究的科學家們一致認為，用多種視杆色素蛋白來辨別魚類本身就是一個新鮮事物。
生物學家大衛·亨特(David Hunt)專門研究脊椎動物的視覺進化，他稱這一發現「相當驚人」。
「這是未知的，完全出乎意料。」 亨特說，「我還在努力弄清它的真正含義。」
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