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在无边的黑暗中,它们进化出了一种超能力

时间:2019-05-18 17:12:52  来源:环球科学

在无边的黑暗中,它们进化出了一种超能力

环球科学 2019-05-18 17:12

深海给了我黑色的眼睛,我却用它来寻找光明。

在深海之中,一些鱼进入到了漆黑一片的洞穴深处,在黑暗的环境中繁衍生息。在历经了世代更替之后,它们的眼睛几乎如同消失了一般。

但神奇的是,在阳光都无法穿透的深海中,有一些鱼却进化出了超强的视觉能力,它们能高度适应其他生物所发出的任何微弱的光芒或闪烁。进化生物学在这些鱼的体内发现了杆视蛋白视黄醛蛋白的基因数量的异常增加,而这些正是与探测微弱光线有关的蛋白。

好彩票注册平台这些多出来的基因非常多样,它们能产生的蛋白质可让这些鱼在多种波长下捕获每一个可能的光子。这或许意味着,在深海中遨游的这些鱼类虽然生活在黑暗中,实际上却能够看到颜色!

好彩票注册平台这一发现几乎颠覆了科学家对深海视觉的基础认知。从过去的研究中我们了解到的是,在越深的海洋中生活的鱼类,它们的视觉系统就越简单。研究人员原本假定这种趋势会一直持续到海底。而这次的发现让我们知道,在海洋最深处生活的鱼类是拥有这些视蛋白的,这意味着在深海中,光与进化之间的相互作用比我们想象的要复杂得多。

阳光在海水中能照射的深度。| 图片来源:美国国家海洋和大气局(NOAA)

在海洋中,最后一丝阳光通常消失1000米的海洋深处。但在过去15年里,研究人员意识到,深海中弥漫着一种微弱的生物发光,这些光来自闪光的虾、章鱼、细菌,甚至还有鱼类。大多数脊椎动物的眼睛几乎察觉不到这种微妙的闪光。那么鱼类是如何看见这些亮光的呢?

为了研究这个问题,进化生物学家Walter Salzburger带领一个研究小组,对深海鱼的视蛋白展开了研究。视蛋白氨基酸序列发生变化能改变检测到的光的波长,因此如果视蛋白种类繁多,就能使色觉成为可能。其中,一种被称为RH1(视紫红质1)的视蛋白在微弱的光线下可以很好地工作。这种视蛋白存在于眼睛的视杆细胞中,它使人类能够在黑暗中看见东西,但只能看到黑白两色。

研究人员在101个鱼类物种中寻找视蛋白基因,其中7个物种为大西洋的深海鱼类,他们对这些鱼类的基因组进行了完整测序。结果发现,大多数鱼类和许多其他脊椎动物一样,含有一到两种RH1视蛋白,但有4种深海物鱼类(即灯笼鱼、管眼鱼,以及两种黑银眼鲷,分别是银色洞鳍鲷和短鳍拟银眼鲷)格外不同,它们全部至少拥有5种RH1基因,而其中银色洞鳍鲷拥有38种。这对于脊椎动物的视觉来说是前所未闻的。

具有超强视力的深海鱼类:(上)银色洞鳍鲷、(中)灯笼鱼、(下)管眼鱼。| 图片来源:Pavel Riha/ 捷克布杰约维采南波西米亚大学

为了确保这些额外的基因并不只是些没有功能的副本,研究人员对其中的36个物种进行了基因活性测试,其中包括11种深海鱼类。结果表明,这些深海物种含有多种处于活跃状态的RH1基因,而在一直生活于海底2000米的成年银色洞鳍鲷体内,他们发现了14个RH1基因。乍看之下,这是非常矛盾的结果,因为这里是光线最少的地方。

研究人员可以根据一种视蛋白的氨基酸序列来预测其最敏感的波长。深海鱼中共有24种基因的突变改变了它们的RH1蛋白的功能,其中每一种都被调适到可以看见一些蓝光和绿光,而这也正是生物发光的颜色。行为生态学家Gil Rosenthal好彩票注册平台表示:“其中一些视蛋白可能被用来检测与食物、危险或社会互动相关的特定的生物发光信号。”

这4种深海鱼类属于鱼类谱系树的三个不同分支,这表明这种超视觉反复进化了多次。视觉生态学家Eric Warrant表示:“这表明生活在极端光照环境中的动物,可能会面临极端的需要提高视觉功能的自然选择压力。”

丰富的视蛋白也有助于解释黑银眼鲷为何拥有不同寻常的视网膜结构。这种鱼类的一些视杆细胞比普通情况下要长得多,而且许多视杆细胞会一层层堆叠起来,而不是排列成单一的一层。扩大了的细胞与堆叠的结构有助于确保检测到更多的入射光子,但长期以来,研究人员一直假设这些视杆细胞都具有相同的视蛋白。现在看来,就像旧式感光胶片上的涂层一样,不同大小的视杆细胞是可以捕捉不同波长的光的。

由于这些鱼类生活在海洋深处,我们不可能收集到活体样本来检测它们的视力。但Salzburger和其他人一致认为,多种杆视蛋白可能使这些鱼类得以辨别不同的颜色。对这些鱼而言,如墨般黑暗的深海之中,微弱的生物发光或许就如明亮的地面世界一样,生动而充满变化……

参考链接:

[1] http://www.sciencemag.org/news/2019/05/deep-dark-ocean-fish-have-evolved-superpowered-vision

[2] http://medium.com/@robertroybritt/freaky-deep-sea-fish-evolve-clever-color-detection-systems-93f59bbd252d

《环球科学》2019年5月刊现已上市



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