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隱形衣、變色化妝品、色素疾病治療,章魚的偽裝中可能藏著這些問題的答案 | TED2019 現場報道


從《海底兩萬里》的巨型章魚,到流行文化中的「克總發糖」,頭足綱生物以發達的智力和靈活的觸手在人們對深海的恐懼之中穩據一席之地。同時,花枝、小卷、章魚小丸子等高蛋白的代名詞似乎又暗示了這一種群面對的危機。

藉助對光線和形狀的敏銳感受,頭足綱的動物們學會了利用所看見的背景對自身進行偽裝。它們利用色素細胞,改變皮膚的亮度和花紋,甚至還可以在皮膚表面形成突起,以便隱藏進周圍的珊瑚之中。


Roger Hanlon 教授是位來自於芝加哥的海洋生物實驗室(MBL)的進化生物學科學家,主要研究深海生物的保護色。在周二的 TED 分享中,他介紹了魷魚、章魚和烏賊這些無脊椎動物,在黑暗神秘的海洋之中,如何探索出一條獨特的進化之路。

隱藏在珊瑚中的章魚,圖片 Roger Hanlon

在捕食和避免被捕食的鏈條當中,變色偽裝對頭足綱來說是非常重要的保護手段。儘管它們大都是色盲,但利用對光線的敏銳感知和迅速的決策能力,它們能在 2 小時內變換 200 余次偽裝。這對它們來說僅僅是日常。Hanlon 的研究發現,魷魚和烏賊可以直接利用皮膚感知光線,在它們皮膚的色素細胞中發現了生物體內最主要的感光物質——視蛋白。隨後的研究表明,章魚皮膚的神經末梢中也存在著視蛋白。


感受到外界光線變化後,大腦迅速發出指令,魷魚和烏賊皮膚的色素細胞迅速變換顏色,而章魚的皮膚則在五分之一秒內,通過肌肉收縮得到塊狀突起(papillae)。通過這些「才藝」,章魚可以模仿石頭或珊瑚的顏色和紋理,魷魚會讓皮膚髮亮製造波光,烏賊甚至能將身體隱匿進複雜的棋盤背景當中。

儘管是人造的紋案背景,烏賊也能迅速適應,圖片 Roger Hanlon

同樣的智慧體現在交配選擇上。烏賊在面對敵人和情人時會有兩副面孔,在情人的位置發生變化時,對應的顏色也能夠八面玲瓏地迅速切換。


有研究表明,章魚的短期和長期記憶也很可觀:它們能在三到五次的學習中記住研究者設定的覓食路線,並將食物帶回巢穴。科學家們還觀測到了它們的快速動眼(REM)睡眠,這意味著它們有可能會做夢,在這個過程當中,記憶被得以鞏固。

頭足綱與脊椎動物在大約六億年前分家,在海底進化出了高度發達的神經系統。以章魚為例,它們的大腦呈環形圍繞食道,有 35 個額葉和 8000 萬個神經元,皮膚中則有 3 億個神經元,每一條觸手也都有著複雜的神經網路。曾經有研究發現,章魚遇到危險時可能會自行斷腕,而斷掉的腕足在離體十分鐘內還能繼續爬行,據此認為腕足有著相對獨立的「微型大腦」。但實驗證明,腕足的運動並非獨立完成,仍然要受中央大腦控制。

頭足綱出眾的智力可能顯示了智慧的另一種起源,圖片 Roger Hanlon


而這八隻觸手和數百個吸盤的協調控制,以及隨時變形隱匿的能力,需要強大的計算能力,這可能源於複雜的大腦相關基因。沖繩理工學院對章魚的基因組測序表明,許多基因都含有被稱為原鈣粘蛋白的編碼,這種蛋白參與大腦環路的構建,連接正確的神經元。脊椎動物有 70 種原鈣粘蛋白和 100 余種相關鈣粘蛋白,而章魚體內含有 168 種原鈣粘蛋白。另一組值得注意的基因名為「鋅指」,編碼的蛋白為鋅離子連接的指狀結構,可以調節 DNA 的轉錄,人類有 764 種鋅指,而章魚體內高達 1790 種。這些基因的發現可能是章魚複雜智力的線索。

頭足綱的智慧不僅和它們高度發達的、和大腦相關的基因有關,還有賴於一種獨特的「中心法則」。

在生命體的構建中,DNA 複製得到 RNA,RNA 再指導蛋白質的合成,進行複雜的生命活動。在人體或果蠅中,僅有不到 1% 的腦部蛋白質的 mRNA 會有相應修改,而章魚等頭足綱動物擁有高度發達的編輯 RNA 的能力,60% mRNA 都會得到編輯,進而影響蛋白質的編輯和神經元的響應。這種 RNA 編輯的能力讓 DNA 的轉錄過程增加了更多的複雜性,有可能是章魚智力的關鍵。隨著數萬計被保存下來的 RNA 編輯位點被發現,頭足綱的聰明秘訣有待進一步闡明。


Roger Hanlon 教授介紹章魚的大腦結構,圖片 Bret Hartman / TED

受這些智慧生物的啟發,Hanlon 教授及合作者開發出了會響應環境變化而變形和變色的智能面料。他也認為這些光敏成分在變色化妝品開發上也存在潛力,甚至在治療黑色素瘤和白癜風上也具有指導作用。隨著對章魚大腦的進一步解謎,人類也許能從中得到靈感,藉助克總的智慧指導人工智慧的開發。

題圖來自 Bret Hartman / TED

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