Science封面:鱼对颜色的感知比人还丰富?

【字体: 时间:2019年05月13日 来源:生物通

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  一个国际研究小组发现了一种以前未知的视觉系统,这种系统可以让动物在黑暗的深海中保留色觉,过去人们曾认为深海动物们是色盲。这项研究发表在2019年5月10日《Science》杂志的封面上。

  

马里兰大学的生物学教授、论文的合著者Karen Carleton说:“这是第一篇研究各种鱼类的论文,并发现它们的视觉系统是多么的多样化和多变。决定我们眼睛光谱的基因对一组变异基因比较敏感,导致视觉系统进化比我们预期的要快得多。”

脊椎动物的眼睛使用两种感光细胞——视杆细胞和视锥细胞。杆状细胞和锥状细胞都含有被称为视蛋白的光敏色素,视蛋白吸收特定波长的光,并将其转化为电化学信号,大脑将其解释为颜色。光感受器细胞中所表达的视蛋白的数量和类型决定了动物感知到的颜色。

在这项新的研究之前,人们认为视锥负责色觉,视杆负责在昏暗的环境中检测亮度。这项新工作表明情况并非如此。通过分析101条鱼的基因组,研究人员发现有些鱼含有多种视紫质,这增加了它们拥有基于视紫质的颜色视觉的可能性。

锥细胞通常含有表达多种视蛋白的基因,这就是为什么它们被用于色觉。但它们不像探测单个光子用于低光视觉的杆细胞那样敏感。在99%的脊椎动物中,杆细胞只表达一种光敏视蛋白,这意味着绝大多数脊椎动物在弱光条件下是色盲的。

大多数深海鱼类的视力都遵循同样的模式,但新研究发现了一些明显的例外。通过分析生活在6500英尺深的浅表层水域的鱼的杆状和锥状细胞中表达视蛋白的基因,研究人员发现13条鱼含有不止一个视蛋白基因。其中四种,全部是深海鱼类,含有三个以上的杆状视蛋白基因。

最引人注目的是银色洞鳍鲷,令人惊讶的是,它有38种杆视蛋白基因。这比研究人员在其他鱼类的锥细胞中发现的视蛋白还多,而且在已知的脊椎动物中发现的视蛋白数量也是最多的(相比之下,人类的视觉使用四种视蛋白)。此外,在银色洞鳍鲷身上发现的杆状视蛋白对不同波长的光敏感。

Carleton说:“这太令人惊讶了。这意味着银色洞鳍鲷的视觉能力与我们想象的大不相同。那么,问题是,这有什么好处?这些鱼能用这些神奇的不同视蛋白做什么呢?”

Carleton认为答案可能与发现正确的猎物有关。长期以来,人们一直认为生活在深水中的动物不需要色觉,因为只有蓝光能穿透600英尺深。但是,尽管没有阳光,深海并不是没有颜色的。许多生活在黑暗中的动物通过生物发光产生自己的光。

这项新研究发现,在有多条视紫质的鱼中,它们的视紫质的特定波长被调整为与共享它们栖息地的生物发光生物发出的光谱重叠。

Carleton说:“这可能是因为它们的视觉高度适应了它们捕食的不同物种发出的不同颜色的光。”

值得注意的是,有三个以上杆视蛋白的四种鱼类是不相关的物种。这表明,基于杆状细胞的色觉可以被认为是深水色觉,它是独立多次进化,给生存带来一些好处。

研究人员说,他们的下一步行动是将研究范围扩大到其他深海鱼类,并寻找可能进化出大量杆视蛋白的银色洞鳍鲷的浅水亲戚。

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原文检索:Vision using multiple distinct rod opsins in deep-sea fishes

(生物通:伍松)

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