毛毛虫:我的皮肤也可以看世界

来源:科普中国发布时间:2019-10-18

有一些动物不用眼睛就能看到这个世界。

  眼睛是心灵的窗口,没有眼睛我们就看不到这个多彩的世界。毫无疑问,眼睛是一个重要的器官,毕竟大脑中大约有80%的信息都是通过眼睛获取的,这也是我们为什么更喜欢用“看”来了解一个东西,而不是“听”或者“闻”。 

眼睛 (图片来源:pixabay.com)

  但其实有一些动物不用眼睛就能看到这个世界。比如,本文的主角:桦尺蠖--一种毛毛虫。 

桦尺蠖 (图片来源:performance-vision.com)     

  小小“变色专家”——桦尺蠖 

  桦尺蠖大家应该不陌生,是一种在温带生活的夜行性蛾的幼虫。高中生物学上学到进化的专题时,书上用的例子就是桦尺蠖的成体——桦尺蛾,这是一种因为环境以及猎食它们的鸟类,而从白色群体中逐渐分化出黑色群体的虫子,并遗传了下来。

高中生物书上经典的一张关于生物进化的配图,随着工业化的出现,黑色桦尺蛾出现了 (图片来源:高中生物.人民教育出版社官网) 

  虽说桦尺蛾的颜色变化是否用于拟态,还有争议。但它们的幼体桦尺蠖的确是可以通过改变自身体色,来隐藏自己(这也是拟态的含义),从而避免被鸟发现,在拟态方面可以称得上是一个专家。刚刚孵化出来的幼虫都是又小又黑的,风一来,很容易就会被吹走。一旦落到其他树上或者其他植物上,它们就必须伪装自己,不然就会被饥饿的鸟吃掉。 

  不管落到的植物的颜色是桦木的白色,还是橡木的棕色,或又是柳条的绿色,桦尺蠖都可以生产出相应的色素,进而匹配落到该植物上的颜色。 

  

桦尺蠖的拟态 (图片来源:Wikipedia)

  曾有科学家用桦尺蠖做过一个实验,把桦尺蠖放到不同颜色的杆子上,然后观察它们的变化。果不其然,桦尺蠖爬到了不同的杆子上就能发生不同的颜色变化,哪怕是从深绿色变成浅绿色或者iPhone11 pro的午夜绿,它也能对体色进行微调,以尽可能地匹配颜色来隐藏自己,颜色变化可以说是相当精确了。 

桦尺蠖在不同颜色杆子上的颜色变化(图片来源:参考文献1) 

  为了更像一根枝条,桦尺蠖除了会变颜色外,还会把腰板挺直,模拟一根分叉出来的树枝。 

(图片来源:bugguide.net) 

  单眼看世界,太难了 

  进行拟态的一个重要前提是:它们能感知到外界的颜色。大家也许认为答案很简单,就是通过那两颗小眼睛来感受颜色的,但科学家觉得事情并不那么简单。 

  因为在幼虫阶段的桦尺蠖,它们的眼睛构造是十分简单的。幼体的桦尺蠖只有单眼(ocellus),一种结构简单的光感受器。单眼由视觉细胞、六角形角膜和圆锥形晶体组成。只能感觉光的强弱,不能感受到物体的颜色,也不能见物体的形状。一般来说,多存在于节肢动物上。 

马蜂有五只眼睛,其中两侧是高级的2个复眼,头顶还有3个单眼 (图片来源:Wikipedia)   

  并且幼虫在静止的时候,杵直的身体令其头部是远离枝干的位置的,这使得它那原本弱小的单眼发挥的能力就更小了。 

  用“皮肤”也能看世界 

  正因如此,科学家不太相信桦尺蠖是单靠眼睛来完成拟态变化的,而是猜想它的身体一定还有额外的感光方式。所以科学家就开始做试验来验证他们的想法。 

  首先,科学家测试了桦尺蠖的眼睛是否含有一种叫做视蛋白的东西。光看名字就知道这是一种具有感光能力的蛋白,准确来说这种蛋白受体参与了光线光子到电化学信号的转化,然后它们才感受到了视觉信号。测试结果是,它们的眼睛是有视蛋白的。 

视蛋白3d模型 (图片来源:Wikipedia) 

  然后,科学家对其体表的皮肤进行了同样的测试,发现体表竟然有差不多一样高的视蛋白表达量。换言之,它们的皮肤和眼睛一样,也能看到东西。 

  但这些都是对数据的简单判断,并没有实验来证明。所以为了测试桦尺蠖是否有眼睛以外的感光器官,科学家又做了一个实验。 

  首先得把眼睛感受光的能力给排除掉,最简单的方式就是把这些幼虫的眼睛给蒙上,科学家选择黑色丙烯酸涂料涂在它们的单眼上,这下就阻止了桦尺蠖通过眼睛接收信息。然后把它放到不同颜色的杆子上进行观察。 

B为被蒙上眼睛的桦尺蠖 (图片来源:参考文献4) 

  给桦尺蠖蒙上眼睛听上去是一个简单的事情,但实际操作起来真的很难。因为桦尺蠖幼体的眼睛太小了,所以得在显微镜下,用足够小的画笔进行涂抹,而且实验的桦尺蠖数量足足有321只,这需要巨大的耐心才能完成。 

  并且,桦尺蠖的幼虫在蜕变为蛾子之前,就会进行多次蜕皮,每一次蜕皮就会把眼睛上的涂料给弄掉,所以光是在一个实验中就要进行多次涂抹。当然这也意味着实验结束后,桦尺蠖不会变成瞎子,因此也不用过多担心这个实验不够人道。 

  

被蒙上眼睛的桦尺蠖 (图片来源:参考文献4) 

  蒙上眼睛的和没被蒙上眼睛的桦尺蠖,被放在了各种颜色的杆子上。首先,他们尝试了用绿色和棕色的杆子。在随后的实验中,研究人员又使用了黑色和白色的杆子。不出所料,被蒙住眼睛的桦尺蠖和没有蒙上眼睛的表现得没啥差别,它们都一次又一次地成功改变了其颜色,完成了拟态。 

  

实验中被蒙上眼睛的和蒙上眼睛在完成拟态上没有差别  

(图片来源:参考文献4) 

  后面科学家甚至还准备了条纹的杆子,发现桦尺蠖也跟着变成条纹状。不过由于实验样本数量太小,就没放在论文里。 

  所以科学家得出结论,桦尺蠖在拟态过程中基本不依靠眼睛来看东西,更多是依靠体表皮肤。 

  不过对于桦尺蠖是如何通过皮肤接收信息和使用信息的,科学家目前还没搞清楚。 

  除了本文的主角桦尺蠖之外,科学家也在其他的一些动物的体表,如比目鱼、蝾螈、乌贼、蜥蜴等,发现了视蛋白,也就是说它们也可以通过体表看到东西。 

乌贼可以通过眼睛和体表一起看到东西(图片来源:参考文献5) 

  原来,至少对于一些动物来说,眼睛并不是心灵的唯一窗口,还有皮肤。 

  —————————————————————————————— 

  参考文献: 

  1、Eacock A, Rowland H M, Edmonds N, et al. Colour change of twig-mimicking peppered moth larvae is a continuous reaction norm that increases camouflage against avian predators[J]. PeerJ, 2017, 5: e3999. 

  2、Ichikawa T, Tateda H. Distribution of color receptors in the larval eyes of four species of Lepidoptera[J]. Journal of comparative physiology, 1982, 149(3): 317-324. 

  3、Skelhorn J, Rowland H M, Speed M P, et al. Masquerade: camouflage without crypsis[J]. Science, 2010, 327(5961): 51-51. 

  4、Eacock, A., Rowland, H. M., van’t Hof, A. E., Yung, C. J., Edmonds, N., & Saccheri, I. J. (2019). Adaptive colour change and background choice behaviour in peppered moth caterpillars is mediated by extraocular photoreception. Communications Biology, 2(1). doi:10.1038/s42003-019-0502-7 

  5、Mäthger, L. M., Roberts, S. B., & Hanlon, R. T. (2010). Evidence for distributed light sensing in the skin of cuttlefish,Sepia officinalis. Biology Letters, 6(5), 600–603. doi:10.1098/rsbl.2010.0223 

扫码加蝌蚪五线谱微信