美科學家發現一種魚可用皮膚「觀察」環境

【2023年09月09日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)過去,人們認為魚是透過眼睛來觀看和感應周圍的環境,讓身體產生相應的變化。現在美國的一所大學發現一種尖嘴珊瑚魚,在死後皮膚依然能變換成周圍物體的顏色和圖案,就像皮膚上長出「眼睛」一樣去感應環境。

這一發現源於北卡羅來納大學威爾明頓分校(University of North Carolina Wilmington)生物學家洛里·施韋克特(Lori Schweikert)博士。她幾年前在美國佛羅里達群島釣到一條「豬魚」(Lachnolaimus maximus),在將其扔進冷凍箱前,卻意外發現這種魚的皮膚與船甲板呈現相同的顏色和圖案。

豬魚是一種尖嘴珊瑚魚,常見於北卡羅來納州附近的西大西洋中,以皮膚變色而聞名。牠們在活著的時候能在幾毫秒內讓皮膚從白色變成斑駁,再變成紅棕色,最後與海中的珊瑚、沙子或岩石融為一體,藉此躲避捕食者。

不過,讓施韋克特博士驚訝的是,這條魚在死後皮膚依然能繼續變色偽裝。這種新發現讓她好奇地想知道,「豬魚」是否可以不依賴眼睛和大腦情況下,僅使用皮膚來檢測周圍的光線變化。

這種好奇讓她開啟了研究「皮膚視覺」之路。2018年她與杜克大學生物學家松克·約翰森(Sönke Johnsen)發現,「豬魚」皮膚攜帶一種稱為SWS1視蛋白的光敏蛋白基因。這種蛋白能夠在皮膚中被激活,但與「豬魚」眼睛中發現的視蛋白是不同的。

不過,這項發現並不能滿足施韋克特博士、約翰森博士和同事們的好奇心。他們更好奇為什麼「豬魚」的皮膚裡會有光探測器呢?這種皮膚是用來幫助牠們了解周圍的環境,還是用來觀看自己呢?

於是,團隊從「豬魚」不同的身體部位中採集皮膚樣本,在顯微鏡下觀測,並拍下這些皮膚的變化。這些「豬魚」的皮膚看起來就像一幅點彩畫,每個顏色點都是一個特殊的色素細胞,主要以紅色、黃色或黑色的顏色顆粒為主。

研究發現「豬魚」能利用顏色變化進行偽裝和散發社交信號。雌性和雄性「豬魚」都能夠在三種顏色之間進行快速變換,包括均勻的白色、紅棕色和斑駁色。

這些顏色的切換,源於色素細胞中的色素顆粒,當顆粒遍布整個細胞時,會讓細胞的顏色變更深,不過當它們聚集成一個用肉眼難以看到的小點時,細胞就會呈現透明狀。

研究人員在知曉這種皮膚變化後,使用一種免疫標記的技術來定位皮膚內的視蛋白,卻意外的發現,這種魚的變色色素細胞並不會產生視蛋白,這些視蛋白只存在於色素細胞正下方。他們還用透射電子顯微鏡拍攝細胞之間的位置圖像,揭示這種以前未知的細胞類型。

對此,施韋克特博士對杜克爾大學新聞室解釋,這項發現意味著,照射到皮膚的光必須先穿過充滿色素的色素細胞,最後才能到達光敏層。

此外,研究人員檢驗出豬魚的SWS1視蛋白對於藍光(波長415 nm左右)最敏感,而這恰巧是這種魚色素細胞中的色素顆粒吸收最好的光波長度。

研究結果表明,豬魚的光敏視蛋白的作用,類似於體內設置拍立得相機的膠片。當細胞內的色素顆粒擴散時,只能少數的光線通過,抑制SWS1視蛋白受體的作用。相反的,色素顆粒在聚集時,大量的光線就能通過色素細胞,並激活含有SWS1視蛋白的受體,並做出皮膚顏色改變。

這解釋了當初為何施韋克特博士在魚死後依然能夠看到魚的皮膚出現變化。

約翰森博士解釋道,「這種情況就像是豬魚可以從內部觀看到自己皮膚,但並非是豬魚皮膚就像牠們的眼睛一樣。因為眼睛不僅可以檢測光,還能攝取圖像,而皮膚只是形成一種感覺的反饋機制,讓豬魚能時時監控自己的皮膚顏色變化,並調整眼睛看到的情況。」

施韋克特博士則表示,「這種功能對於那些利用變色能力來躲避捕食者、警告競爭對手或求偶的生物來說十分重要,因為這攸關牠們的生死。」

該團隊在論文中表示,未來還有許多研究工作要做,包括真皮光感受器的生理中的細胞激活特徵等更多未解之謎。不過,他們希望這項研究能夠拓展更多未知領域,讓世界更加了解為何動物皮膚在感光後出現變化。

這項研究受到杜克大學、佛羅里達國際大學、海洋生物實驗室和國家科學基金會的支持,同時美國空軍研究實驗室也有參與實驗。目前這項研究成果於8月22日發表在《自然》科學雜誌上。

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