科学家揭开鱿鱼皮肤变色的奥秘：靠大脑神经元控制表皮细胞

科学家揭开鱿鱼皮肤变色的奥秘：靠大脑神经元控制表皮细胞

鱿鱼的变色能力一直是科学家们研究的热点。最近，加州大学圣塔芭芭拉分校教授丹尼尔·莫尔斯在《应用物理学快报》上发表的研究，揭示了鱿鱼皮肤变色的奥秘。研究表明，鱿鱼不仅可以通过调节反射光的颜色来变色，还可以通过调节反射光的亮度来实现更复杂的伪装效果。这一发现为开发具有类似调光特性的材料提供了新的思路。

对人类来说，鱿鱼长期以来一直是个迷，充满了传奇、迷信和神话。他们奇特的外表和智慧，以及对大海的精通，激发了人们的敬畏之情。除了传说之外，鱿鱼身上各种表现直到现在为止，还在吸引着人们对它进行研究，例如加州大学圣塔芭芭拉分校教授丹尼尔·莫尔斯（Daniel Morse）。鱿鱼已经进化了数亿年，可以在广阔的、通常没有特色的广阔水域中捕食、交流、逃避食肉动物和交配，鱿鱼已经进化出动物界中最复杂的皮肤。

几个世纪以来，人们对乌贼改变其肤色和图案的能力感到惊讶，而鱿鱼的确表现出色，它们能够进行摄食和水下交流，相互之间以及向其他物种发出信号，从而远离或吸引交配和其他种类的信号。

像头足类的表亲一样，章鱼和乌贼也具有特殊的色素填充细胞，称为染色体，它们会膨胀以暴露于光线下，从而产生各种阴影的色素颜色。摩斯特别感兴趣的是，鱿鱼具有闪烁和闪烁，反射不同颜色并在其皮肤上反射光的能力。人们认为这是一种模仿上层海洋斑驳光的效果——这是否则的鲜明海景中的唯一特征。通过了解鱿鱼如何设法使其褪色甚至进入最原始的背景——或脱颖而出——可能生产出具有相同调光特性的材料以用于各种应用。

莫尔斯（Morse）在过去十年中一直致力于揭开鱿鱼皮的秘密，在陆军研究办公室和《应用物理学快报》（Applied Physics Letters）上发表的研究的支持下，他和合著者以斯帖·塔森（Esther Taxon）更加接近于阐明鱿鱼皮复杂的机制。

我们发现，鱿鱼不仅可以调节反射光的颜色，而且还可以调节其亮度。迄今为止的研究已经证实，某些叫做反射蛋白的蛋白质是导致虹彩的原因，但是鱿鱼调节反射光亮度的能力仍然是个谜。

莫尔斯（Morse）先前的研究发现了乳白的近岸乌贼（Doryteuthis opalescens）皮肤中的虹膜细胞（反射光的细胞）可以吸收几乎每种颜色的彩虹的结构和机制。它在细胞膜上发生，它折叠成称为薄片的纳米级手风琴状结构，形成微小的亚波长宽的外部凹槽。

那些微小的凹槽结构就像我们在光盘的雕刻面上看到的那样。反射的颜色取决于凹槽的宽度，该宽度对应于某些光波长（颜色）。在鱿鱼的虹膜细胞中，这些片状细胞具有一个额外的特征，即能够通过由反射蛋白在片状细胞内浓缩或扩散而产生的微调“渗透运动”的作用来变形，加宽和变窄这些凹槽。

研究人员认为，尽管包含反射蛋白的材料系统能够近似地改变鱿鱼的虹彩颜色变化，但尝试复制增强这些反射亮度的能力的尝试却总是很短。

事实证明，正是这种膜包裹着反射蛋白薄片，负责将光分解成其构成不同的颜色。

进化不仅优化了色彩调整，而且使用相同的材料，相同的蛋白质和相同的机制对亮度进行了调整。一切都始于一个信号，即来自鱿鱼大脑的神经元脉冲。

反射蛋白通常带有非常强的正电荷，虹彩蛋白在未激活时看起来像一串珠子。他们相同的指控意味着他们彼此排斥。但是，当神经信号导致反射蛋白结合带负电的磷酸基团以中和正电荷时，情况可能会改变。没有排斥力，蛋白质就保持无序状态，它们会折叠并相互吸引，从而在薄片中积聚成更少，更大的聚集体。

这些聚集在薄片上施加渗透压，薄片是一种半透膜，被构造成在将水释放到细胞外之前只能承受团聚的反射蛋白产生的很大压力。水从类似手风琴的结构中挤出来，使手风琴塌陷，因此折叠之间的间隔厚度减小了，这就像使光盘的凹槽更靠近在一起，因此反射的光可以从红色逐渐变绿到蓝色。

同时，膜的塌陷使反射蛋白集中，导致其折射率增加，从而放大了亮度。渗透压是驱动这些光学特性调整的电动机，它以高度校准的关系将薄片与反射蛋白紧密耦合，从而优化了输入（神经信号）的输出（颜色和亮度）。

这是一种非常聪明的间接方式，可以通过控制所谓的依数性（渗透压）的物理行为来改变颜色和亮度，这不是立即显而易见的，但它揭示了进化过程的复杂性，即突变的千年和自然选择一起磨练和优化了这些过程。

膜的存在可能是开发具有生物启发性的薄膜以及乳白近岸鱿鱼的光学调节能力的重要环节。该膜在调节反射光亮度中起关键的作用，对未来的混合材料和具有可调光学特性的涂层的设计具有令人感兴趣的意义，可以保护士兵及其设备。

这种渗透放大器的反射蛋白在进化上经过磨练，有效耦合，与精心设计的电子、磁性、机械和声学系统中激活剂、传感器、放大器网络的阻抗匹配耦合非常相似。 在这种情况下，激活剂将是神经元信号，而反射蛋白起着换能器的作用，而渗透压控制的膜起着放大器的作用。

没有反射膜周围的膜，这些人造薄膜的亮度就不会改变。他与工程学同事合作，研究了一种更乌贼般的皮肤状薄膜的潜力。