春天来了，给你点“颜色”瞧瞧

用微信扫码二维码

分享至好友和朋友圈

正值春天万物复苏，当在踏青时，春风拂面，杨柳飘飘，这时几只鸟儿欢快地飞过，站在枝头高声歌唱，定睛一看，鸟儿的羽色却不尽相同，你是否不禁会产生同样的疑问：“为什么同一物种会有不同的颜色呢？”

颜色鲜艳的虎皮鹦鹉（图片来源：参考文献1）

事实上，地球上的生物呈现出各种各样的颜色和图案，自然界的多样之美大都来自于动物体色的惊人多样性。通常，我们把这种同一物种内出现多种体色个体的现象称为“体色多态性”，不仅在鸟类中，这种现象在绝大部分动物类群中都存在，尤其是有鳞目爬行动物，它们的体色尤其丰富多变，其形成机制一直备受科学研究者的关注。

豹变色龙体色由绿变黄（视频来源：参考文献2）

其中，绿瘦蛇（Ahaetulla prasina）就是代表物种之一，它主要在我国南方季雨林带分布，是一种标志性的树栖体色多态性蛇类。在野外，常见的绿瘦蛇有绿色和黄色两类，为什么它们会产生不同的体色呢？近日，中国科学院成都生物研究所李家堂研究团队结合透射电镜、组学测序和功能实验等多技术手段，对绿瘦蛇体色差异的分子机制进行了探讨，该成果于3月9日在国际学术期刊《基因组生物学》上发表。

绿瘦蛇（图片来源：成都生物所）

动物界中的颜色

自然界中的动物体色，可以按形成机制分为两类：色素色和结构色。色素色的产生是通过色素成分的含量变化以及颜色的叠加实现的，类似于“三原色”的原理；而结构色是通过细密的生理结构反射光线产生不同波长的反射光而形成的颜色，其基础主要是光学原理。

色素色和结构色的原理示意图（右图来源：网络）

对动物来说，这些身体颜色有着很重要的生物学意义：①保护色：色素图案可以使猎物避免被发现，或使捕食者能够隐蔽伏击猎物，例如飞蛾的隐蔽、雪豹的花纹；②警戒色：一些鲜艳的颜色图案可以警示天敌其有毒或危险的性质，例如箭毒蛙的色彩斑纹；③性选择：例如蜂鸟、太阳鸟等物种，它们利用醒目的颜色来向潜在的配偶“推销”自己，向他们保证较好的遗传质量。

不同色彩斑纹的箭毒蛙（图片来源：参考文献5）

色素细胞在“作祟”

事实上，在脊椎动物中，这些不同体色的形成是由色素细胞来主导的。在哺乳动物和鸟类中，毛发和羽毛的颜色主要由黑色素的分泌所主导，例如我们所熟知的“白化”现象，便是黑色素合成障碍导致的，同时，在一些物种中，皮肤内的一些微结构组织，例如胶原蛋白，可以通过光学原理产生结构色。

白化的孟加拉虎（图片来源：参考文献6）

而在鱼类、两栖类和爬行类中，色素细胞的种类相对较为丰富，它们的类型和排列变化可以导致不同颜色的产生。在蛇类的皮肤中，主要有三种色素细胞，分别是黄色素细胞（xanthophores）、虹彩细胞（iridophores）和黑色素细胞（melanophores）， 它们各自发挥着不同的作用，其中虹彩细胞扮演着结构色的关键角色，通常情况下，三种色素细胞在真皮层从上向下依次排列。

有鳞目爬行动物的色素细胞排列示意图

基于以上背景，研究人员利用透射电子显微镜（TEM）的技术，对绿瘦蛇黄色和绿色个体的皮肤进行了成像，结果发现，两种颜色的个体在虹彩细胞的形态上有着明显差异，这种变化会导致虹彩细胞反射光的波长改变，从而产生颜色变化，这提示了虹彩细胞的差异很有可能是绿瘦蛇体色差异的形态学基础。

两种体色绿瘦蛇的色素细胞形态比较

虹彩细胞为何长得不一样？

相信大家读到这里，新的疑惑又产生了，虹彩细胞为什么会长得不一样呢？事实上在蛇类中，虹彩细胞和其他两类色素细胞一样，都是在胚胎发育时期由一类叫做神经嵴细胞（NCCs）的多能细胞发育分化而来的，在胚胎发育成熟的过程中，神经嵴细胞发挥着多种功能，它可以分化形成骨细胞、肌细胞、胶质细胞以及色素细胞等一系列细胞系，这种分化的过程有着复杂的基因网络进行调控，而其中的细微变化都可能导致最后色素细胞的发育产生改变。而绿瘦蛇黄、绿两色个体在色素细胞形态上的差异，极有可能是色素细胞发育过程的变化引起的。研究人员利用多种组学分析技术，发现了基因SMARCE1在绿瘦蛇体色差异的形成中发挥着重要作用，更进一步地，利用斑马鱼胚胎模型，发现异常的SMARCE1果然导致斑马鱼的虹彩细胞发育产生了变化。研究结果提示，SMARCE1异常最终影响色素细胞，特别是虹彩细胞的发育，进而导致了绿瘦蛇颜色的差异。

斑马鱼模型实验结果（WT：对照组；MO：实验组）

色素细胞带来的启示

大自然是一位神奇的魔术师，使用多变的色素细胞，为我们创造了色彩丰富的世界。《哈利波特与魔法石》中，在霍格沃茨特快列车上，青涩的罗恩试图用变色咒把自己的宠物鼠斑斑变黄，虽然最终失败了，但使用变色咒可以使物体或者动物改变成想要的颜色。在现实生活中，我们无法像哈利波特的世界中拥有魔法，但利用色素细胞的原理，我们也许真的可以将宠物“改造”成喜爱的颜色。另外，基于虹彩细胞的光学原理，未来或许有一天，随着场景变换而动态变化迷彩图案和颜色的仿生迷彩服会出现在我们的视野中。多姿多彩的大自然，等待着你我去探索。

参考文献：

1. Cooke T F, Fischer C R, Wu P, et al. Genetic mapping and biochemical basis of yellow feather pigmentation in Budgerigars [J]. Cell, 2017, 171(2): 427-39 e21.

2. Teyssier J, Saenko S V, Van Der Marel D, et al. Photonic crystals cause active colour change in chameleons [J]. Nat Commun, 2015, 6: 6368.

3. 赵尔宓. 中国蛇类 [M]. 安徽科学技术出版社, 2006.

4. Hashimoto H, Goda M, Futahashi R, et al. Pigments, Pigment Cells and Pigment Patterns [M]. Springer, 2021.

5. Stuckert A M M, Moore E, Coyle K P, et al. Variation in pigmentation gene expression is associated with distinct aposematic color morphs in the poison frog Dendrobates auratus [J]. BMC Evolutionary Biology, 2019, 19(1): 85.

6. Xu X, Dong G X, Schmidt-Kuntzel A, et al. The genetics of tiger pelage color variations [J]. Cell Research, 2017, 27(7): 954-7.

7. Bagnara J T, Fernandez P J, Fujii R. On the blue coloration of vertebrates [J]. Pigment Cell Research, 2007, 20(1): 14-26.

8. Petratou K, Subkhankulova T, Lister J A, et al. A systems biology approach uncovers the core gene regulatory network governing iridophore fate choice from the neural crest [J]. PLoS Genetics, 2018, 14(10): e1007402.

来源：中国科学院成都生物研究所 中国科学院成都分院

本账号稿件默认开启微信“快捷转载”

转载请注明出处

其他渠道转载请联系 [email protected]

特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.