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科学家最新研究揭晓动物的彩色视觉能力

作者:- 文章来源:- 点击数:35 更新时间:2017/8/10 7:52:07

  新浪科技讯 北京时间8月9日消息,据国外媒体报道,动物是鲜活的色彩,伴随着黄蜂嗡嗡叫声,它们释放出“黄色警告”,鱼类巧妙地利用身体颜色,隐藏在掠食者的视线之内,鱼类身体颜色颇似穿过涟漪池塘的斑纹光线。动物之所以拥有颜色,是因为其它动物能够看到它们。

  自然界非常艳丽,难怪科学家数百年以来对于研究动物的颜色非常着迷,即使是今天,关于动物视觉、创造和使用色彩仍是生物学最吸引人的问题。

  在过去几年里,动物视觉仍存在着未解之谜,因为色彩研究人员仅是人类,这意味着他们无法看到其它动物所看到的丰富鲜艳色彩。但是,目前最新技术将揭晓这一神秘面纱,便携式超光谱扫描仪和相机非常小,可以装配在鸟类头部,将有助于生物学家看到一些无法洞察的事物,正如《科学》杂志刊登的一篇科学报道,这将是一个全新的世界。

一只雄性孔雀展开美丽的尾巴,它在向雌性释放求爱信号,研究显示,雌孔雀并不关注美丽的羽毛,而是被雄孔雀的屁股所吸引。  一只雄性孔雀展开美丽的尾巴,它在向雌性释放求爱信号,研究显示,雌孔雀并不关注美丽的羽毛,而是被雄孔雀的屁股所吸引。

  生命视觉

  动物视觉的原理是:光子打击在岩石、植物或者其它动物的表面,其表面吸收一些光子,将另外一些光子反射,还有一些发生折射。这一过程都是基于色素和结构的分子排列,一些光子通过某些方式进入动物的眼睛,眼睛的特殊细胞传输这些光子信号至动物的大脑,而大脑能够将这些信号像颜色和外形进行解码分析。

  是大脑决定有颜色物体是否是清楚有趣的结构,不同于来自树木、沙子、天空、湖泊的光子,如果它成功了,将决定是否这些色彩事物是食物、潜在配偶或者是掠食者。研究报告合著作者、美国耶鲁大学鸟类学家理查德·普鲁姆(Richard Prum)说:“色彩生物学是复杂的级联事件。”

  动物最早的视觉模式只有光亮和黑暗,也就是说,基础的灰度级视力最可能首先进化,因为动物可以预期黎明,以及感知掠过的阴影,最早类似眼睛的结构——扁平的感光细胞,可能无法解析更多的事物。研究报告合著作者布里斯托大学行为生态学家英尼斯·卡西尔(Innes Cuthill)说:“仅使用光亮和黑暗的问题在于外界信息是完全吵闹的,同时,存在一个问题是如何确定一个事物的停止,以及另一个事物的开始。”

  就像智能手机一样,较高的分辨率和明亮色彩将更加吸引顾客,就分辨率而言,眼睛中的光敏细胞进化数百万年时间,最终形成充满液体、存在晶体的球状体;对于色彩而言,需要更深入地观察那些光敏细胞,锲入其表面的蛋白质是视蛋白,每次它们被光子击中,将转换信号为抵达原始动物未发展大脑的电刺激。

  原始的光亮/黑暗视蛋白将突变成分割状态,能够直接探测到特殊波长等级,色觉是非常重要的,以至于它在动物世界中多次独立进化,例如:软体动物、节肢动物和脊椎动物。

  事实上,原始鱼类具有四种不同的视蛋白,能够感知四种光谱——红色、绿色、蓝色和紫外线。这种四重视觉能力叫做“四色视觉”,恐龙可能具备这种能力。因为恐龙可能是现代鸟类的祖先,许多鸟类也具有“四色视觉”。

  但是现代哺乳动物的视觉并非如此,这可能是因为早期哺乳动物是夜间活动的小动物,它们在黑暗环境中进化了1亿多年时间,试图避免被拥有四色视觉的恐龙吞食。普鲁姆说:“在这一时期,早期哺乳动物从它们的祖先继承获得复杂的视觉系统,相比之下,人类拥有一个改造的色觉系统,而鱼类、鸟类和许多蜥蜴的色觉比人类更加丰富。”

  实际上多数猴子和猿类都是二原色视者,它们看到的世界是淡灰色和淡红色调的。科学家认为,早期灵长目动物恢复了三色视觉,这是因为它们发现树木上有新鲜水果和不成熟树叶,这意味着存在富有营养的食物。但是不管你多么喜欢秋天的颜色,这个色彩斑斓的世界并没有给予我们太多精彩的色觉,虫子和鸟类是最大受益者。普鲁姆说:“开花植物不断进化,能够向传粉昆虫释放信号,通常人们会认为传粉是一个美丽的偶遇,事实上关键在于昆虫和鸟类视觉光谱上存在重叠。”

最新研究发现螳螂虾并非拥有3-4种色觉受体,而是拥有12种不同的色觉受体。最新研究发现螳螂虾并非拥有3-4种色觉受体,而是拥有12种不同的色觉受体。

  颜色覆盖

  随着动物们获得感知颜色的能力,动物进化开始了一场展示竞赛——色调和模式将有助于动物幸存下来,也成为动物幼年生存技能的标志。自然界每一种色彩表达都能传递信号或者具有暗示性。

  例如:“警戒态(aposematism)”是用于警告的颜色,蝴蝶明亮的颜色表达一种信号:“不要吃我,否则你会生病。”“保护色”是一种用于伪装的颜色,此外,还有用于“社交”的色彩表达,以及与异性交配的色彩暗示。你知道雌狮更喜欢深棕色的雄狮吗?或者你知道胡蜂能识别每只胡蜂的模样吗?美国密歇根大学昆虫学家伊丽莎白·蒂贝茨(Elizabeth Tibbetts)说:“一些黄蜂身体上有小黑点,其作用相当于空手道的腰带,这将暗示其它黄蜂不要试图与它打斗。”

  但是动物使用两种截然不同的方法显示颜色,第一种是色素,由色素细胞(涉及爬行动物、鱼类和头足类动物)和黑色素细胞(涉及哺乳动物和鸟类)产生色素,它们吸收了大部分光线波长,仅反射了少量,从而限制了它们的范围和亮度。例如:多数动物不能自然产生红色视觉,它们只能从一种叫做类胡萝卜素的植物化学物质中合成。

  动物制造色觉的另一种方法是纳米结构,昆虫、鸟类都是色觉基础结构专家,与颜料相比,纳米结构是令人难以置信的,结构着色体散射光线形成明亮色彩,例如:宽尾蜂鸟上闪烁的彩虹色,或者金色圣甲虫的金属状外壳。目前,科学家并不完全清楚彩虹色是如何进化,或许是向配偶发出信号,但为什么一直持续,这是为什么呢?

斑马身体的条纹图案具有很好的伪装性。斑马身体的条纹图案具有很好的伪装性。

  破解生命中的彩虹色

  彩虹色的问题与科学家关于动物着色的问题十分相近,他们能理解彩虹色在大范围内的作用,但是仍存在着一些细微差别可以分辨出来。

  美国加州大学戴维斯分校野生动物学家蒂姆·卡罗(Tim Caro)说:“雄性孔雀的尾巴非常美丽,这对雌性孔雀留下了深刻印象。但是雌性可能以不同的方式打动雄性。人们通常会盯着孔雀羽毛末端闪烁的眼睛状图案,而雌孔雀通常会盯着尾羽的底部,正是雄性孔雀的屁股吸引了雌性。为什么雌孔雀会认为长羽毛的雄性屁股非常性感呢?目前没有人知晓。

  另一项新技术——先进纳米材料,可使科学家重建动物将光线弯曲成彩虹色的能力,通过重建这些纳米结构,科学家能够发现动物制造纳米结构的基因重要性。

  同样地,科学家采用最新放大技术观看动物的眼睛结构,发现螳螂虾并非拥有3-4种色觉受体,而是拥有12种不同的色觉受体,以及分析它们如何在迷幻效果的高光谱饱和色觉受体中观看自然界事物。这并非完全真实的,螳螂虾色觉通道并非总是连接在一起,并不像其它动物。卡罗说:“我们正在考虑,或许那些颜色受体是在其它非色彩信号作用下打开或者关闭。”

  但很可能最重要的生物色觉现代创新方法是从不同学术领域将不同的专家聚集在一起,卡罗说:“目前有许多其它领域的专家开始研究动物色觉效果,他们包括:行为生物学家、神经生理学家、人类学家和结构生物学家等。”

  这些专家来自全球各地,卡罗指出,把这些专家聚集在一起的原因是他们能够最终综合所有科学分支,并在世界范围内对动物色觉产生全面理解认识。理解动物色觉的最重要技术不是相机或者纳米表面,动物色觉是一个非常复杂的系统,犹如一架飞机的复杂结构,或者线路交错叠加的互联网。(叶倾城)

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