章魚是如何變色的?

julie20098 發佈 2022-05-16T19:51:19.103525+00:00

章魚可能是自然界的終極怪人:它們有黏糊糊的身體,可以擠過微小的裂縫;八隻可以再生的覆蓋著吸盤的手臂;三個心臟通過血管輸送富含銅的藍色血液;與其他無脊椎動物相比,它們擁有巨大的、甜甜圈狀的大腦,這讓它們擁有更高的智力。


章魚可能是自然界的終極怪人:它們有黏糊糊的身體,可以擠過微小的裂縫;八隻可以再生的覆蓋著吸盤的手臂;三個心臟通過血管輸送富含銅的藍色血液;與其他無脊椎動物相比,它們擁有巨大的、甜甜圈狀的大腦,這讓它們擁有更高的智力。但章魚最令人敬畏的特徵可以說是它們能夠迅速改變顏色,融入周圍環境,隨心所欲地偽裝自己。

偽裝是幾乎所有頭足類動物都具備的一項重要技能——這是一種海洋無脊椎動物,包括魷魚和烏賊——但章魚把它提升到了一個全新的水平。這些動物擁有所有頭足類動物中最高的解析度模式,並在整個動物王國中顯示出一些最快的顏色轉換。(章魚目大約有300種。在本文中,術語「章魚」是用來描述整個群體的總體趨勢,但並不是每個物種都能改變顏色,它們使用的偽裝機制也不同。)

自科學誕生之初,章魚對偽裝的精通就一直令研究人員感到困惑。大約2400年前,被認為是現代科學奠基人之一的古希臘哲學家亞里士多德記錄下了對章魚偽裝的詳細觀察,他是已知的第一個這樣做的人。儘管章魚的偽裝已經被研究和觀察了幾個世紀,但直到最近才有很多進展。

原因如下:頭足類動物的顏色變化是一個複雜的過程,涉及許多不同的微觀成分。這使得幾乎不可能準確地回答它是如何工作的。然而,在過去的幾十年裡,尖端技術已經使研究人員能夠「梳理」頭足類動物偽裝的各個組成部分,現在開始了解它們是如何工作的。

是什麼讓章魚變色?

章魚可以改變顏色,因為它們有色素體——點綴在章魚皮膚上的微小的變色器官。

在每個色素體的中心都有微小的囊,囊內充滿了一種叫做黃質的色素納米顆粒。色素囊被彈性基質包圍,而彈性基質又與肌肉細胞相連,這些肌肉細胞以尖尖的星形包圍色素囊。當這些肌肉細胞收縮時,色素囊伸展,使更多的光線進入細胞並反射黃質顆粒。因為黃素吸收可見光的特定波長或顏色,它反射出的光與最初進入細胞的光相比是不同的顏色。

章魚的皮膚有三層色素體,每一層都有黃色素顆粒,可以反射出不同的顏色。頂層產生黃色,中間層反射紅色,底層產生棕色。章魚可以通過改變每一層色素體的形狀來組合這些顏色,這使得章魚能夠創造出各種各樣的顏色。

根據物種的大小,每個色素體可以有數萬個甚至數百萬個,由章魚大腦的直接神經信號控制,導致囊周圍的肌肉收縮或放鬆,改變其形狀。這就像你彎曲二頭肌一樣,你的大腦發出信號,二頭肌就會彎曲。有了色素體,章魚的大腦發出信號,拉動這些肌肉,打開這些囊,然後改變皮膚的顏色。

魷魚的色素體隨著Cypress Hill樂隊的歌曲《大腦里的瘋子》的節奏收縮和放鬆。在這種情況下,音樂的振動被色素體肌肉誤解為神經信號。

色素體並不是唯一參與變色的結構。某些章魚皮膚上的其他器官,被稱為虹彩團和白色團,可以幫助增強或改變它們產生的顏色。

虹彩體比色素體稍大一些,幫助章魚創造出更加發光和金屬的顏色。虹彩團中含有一種名為反射素的蛋白質,它堆積在虹彩團中,產生鏡面效應。白質團在大小上與色素團相似,但有專門的白色色素,而不是黃質,它們散射或折射光線,幫助控制顏色的對比度和亮度。虹膜團和白質團都是通過大腦的神經信號來擴張和收縮的,就像色素團一樣。

章魚的皮膚中也有幫助它們改變紋理的機制,這為它們的偽裝增加了另一層。它們有被稱為乳頭的小腫塊,可以放鬆,使皮膚像海藻一樣光滑,或收縮,使皮膚像岩石一樣粗糙。乳頭也受來自大腦的神經信號控制,但這種質地變化過程比顏色變化更不為人所知。

是什麼讓章魚如此擅長改變顏色?

許多動物都依靠偽裝,但章魚卻獨來獨去,這主要是因為它們能在截然不同的顏色之間快速準確地轉換。最快的轉換速度在100毫秒(0.1秒)以下,比一眨眼的時間還快。

相反,變色龍需要幾秒鐘到一分鐘以上的時間才能完全改變顏色。

章魚能做出如此快速的顏色變化,是因為它們的大腦與皮膚表面有很深的聯繫。它們有這些非常快速的信號機制,能夠在全身發出『這裡打開』和『那裡關閉』的信號。

大腦和皮膚之間相互聯繫的主要原因是,與大多數動物的大腦不同,章魚的大腦並不局限於單個區域(比如頭部)。除了甜甜圈形狀的大腦,章魚的全身和手臂上都有「腦袋」或節點。研究人員認為,這使得章魚的每一條手臂都有自己的思想,這可能在顏色變化中發揮作用。然而,試圖理解這是一個完全不同的研究領域。

每平方英寸的皮膚上,章魚比烏賊和烏賊有更多的色素體,這有助於它們創造出比其他頭足類動物更高解析度的圖案。

然而,頭足類動物的偽裝仍有一個未解之謎:它們如何如此善於將自己的膚色與周圍環境相匹配。儘管它們有能力創造出各種不同的顏色,但大多數章魚和其他頭足類動物實際上是色盲。章魚的眼睛只有一種光感受器,這些細胞將光轉換為神經信號,這意味著它們只能檢測到光強度的差異。(人眼有四種感光器。)

一種可能的解釋是,章魚的眼睛可以在沒有感光器的情況下看到顏色。章魚眼睛中有我們不熟悉的額外受體類型,可以使頭足類動物以不同於人類和其他動物的方式看到顏色。

也有理論認為,皮膚中的光感受器可以幫助章魚匹配周圍的顏色。先前的研究表明,章魚的前肢可以在章魚看不見的情況下對光線強度的變化做出反應。然而,目前還沒有證據表明這有助於它們看到顏色。

了解章魚是如何變色的非常具有挑戰性,因為由於它們的智力,研究人員不允許在它們活著的時候對它們進行實驗。(章魚被認為是聰明的,因為它們可以解決複雜的問題,使用工具和感知疼痛。)在英國,曾有人提議將章魚和魷魚列為有知覺的生物。

為什麼章魚需要偽裝?

雖然章魚的偽裝機制仍在研究中,但科學家們對這些令人敬畏的動物變色的原因有了更好的理解。

章魚沒有外部保護,對捕食者來說,章魚是一種「不受保護的蛋白質」,這意味著海洋里的所有的生物基本上都在尋找它們。

從進化的角度來說,章魚沒有選擇,沒有物理保護,它必須進化出不被發現的方式。

有些章魚發展出了其他的隱藏方式。例如,難以捉摸的玻璃章魚已經失去了所有的色素體,變得幾乎完全透明。然而,對於依賴顏色變化的物種來說,適應它們的顏色是一種與生俱來的能力,從它們出生的那一刻起就可以做到。

偽裝還有其他用途,比如打獵。它是一種防禦能力,但這並不意味著偷偷接近某物是沒有用的。

除了不被獵物發現外,章魚還可以使用令人吃驚的表現方式,它們打破偽裝,在迅速捕獲獵物之前,用劇烈的、快速的顏色變化把獵物打暈。

烏賊利用皮膚上的顏色來進行個體間的交流。一些章魚也會這樣做,它們可以在繁殖過程中產生純色條紋來吸引配偶或警告競爭對手,但這比其他頭足類動物的交流方式更基本。然而,章魚往往是非常反社會的動物,很少與其他章魚互動,所以它們不太需要交流。

也就是說,章魚有時會用它們的顏色與其他動物交流。藍環章魚——四種微小但毒性極強的章魚,會產生明亮的發光環,警告動物遠離它們,以免中毒。

2019年,科學家捕捉到一隻名叫海蒂的章魚在睡眠中改變顏色的視頻,這引發了人們的猜測,章魚可能在做夢時也會改變顏色。研究人員已經在章魚身上發現了類似人類的睡眠周期,但並不是所有的研究人員都相信顏色的變化一定可以被標記為做夢。

雖然偽裝是大多數章魚與生俱來的能力,但研究人員懷疑,在章魚的一生中,它們的偽裝能力會變得更好,通常在一到兩年左右。它們年輕的時候表現得很好,隨著年齡的增長,他們會更好地理解其中的細微差別。隨著時間的推移,它們還學會了將顏色變化與其他行為結合起來,比如隱藏在裂縫中或改變體型。

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2021-10-13T07:55:51.105254+00:00

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