管哲

會(huì)變色的水中小動(dòng)物們

說起章魚，大家一定不陌生，這是一類神奇的生物，向來以聰明著稱。它們有相當(dāng)發(fā)達(dá)的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，能夠走出科學(xué)家設(shè)計(jì)的迷宮，打開瓶蓋取出其中的食物，并且還是隱形的高手，除了會(huì)運(yùn)用擬態(tài)這種偽裝手段以外，還會(huì)巧妙的改變自身的顏色，和環(huán)境融為一體，欺騙捕食者和獵物。

在軟體動(dòng)物中，會(huì)變色的不只有章魚，魷魚和墨魚也同樣具有高超的變色偽裝技巧，它們同屬于頭足綱動(dòng)物。頭足綱動(dòng)物曾經(jīng)包括3個(gè)亞綱：菊石亞綱、鸚鵡螺亞綱和鞘亞綱，然而經(jīng)過數(shù)億年的進(jìn)化，菊石亞綱基本都已經(jīng)滅絕了，而鸚鵡螺亞綱也只剩下鸚鵡螺這一科?，F(xiàn)存的頭足類動(dòng)物多數(shù)都是屬于鞘亞綱的，主要就是章魚、墨魚和魷魚。

頭足類動(dòng)物快速的變色能力吸引了很多科研人員的注意，這其中主要涉及兩種類型的顏色：色素色彩和結(jié)構(gòu)性色彩。色素色彩，顧名思義是由色素分子引起的顏色。而結(jié)構(gòu)性色彩在本質(zhì)上與色素色彩完全不同，它是由于光線通過排列整齊的特殊微觀結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生了折射、衍射、散射等現(xiàn)象而產(chǎn)生的，是一種單純的物理現(xiàn)象。還記得2015年安徽高考的作文題目“蝴蝶的翅膀”嗎？“無色”的蝴蝶翅膀有著特殊的微觀結(jié)構(gòu)，于是實(shí)現(xiàn)了華麗轉(zhuǎn)身，成了色彩繽紛的自然界尤物。這就是自然界中結(jié)構(gòu)性色彩最典型的例子。

好了，回到頭足類。前面說到頭足類動(dòng)物的顏色可以分為色素色彩和結(jié)構(gòu)性色彩，接下來我們接著說這兩種色彩是怎么來的。能夠產(chǎn)生色素分子的細(xì)胞叫作色素細(xì)胞，位于真皮層的最上面，緊鄰表皮。能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性色彩的細(xì)胞有兩種，一種叫彩虹體細(xì)胞，一種叫白色體細(xì)胞（存在于章魚和墨魚體內(nèi)，除個(gè)別屬外，魷魚通常沒有），位于色素細(xì)胞層的下方。頭足類動(dòng)物產(chǎn)生的顏色就是這3種細(xì)胞共同作用的結(jié)果。

那么它們是怎么讓顏色變化的呢？對(duì)于色素色來說，每一個(gè)色素細(xì)胞的內(nèi)部都有一個(gè)富有彈性的色素囊，表面有輻射狀的肌肉纖維，這些肌肉纖維在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下能夠進(jìn)行收縮和舒張，控制著色素囊的大小，從而改變不同色素囊中色素分子的密度。但是對(duì)于頭足類動(dòng)物結(jié)構(gòu)色的變化，目前我們還不能清楚地解釋其中的原理。不過我們知道，彩虹體細(xì)胞中能夠使光線發(fā)生干涉的物質(zhì)主要是一種特殊的蛋白質(zhì)家族，這種蛋白質(zhì)具有非常高的折光率，高于其他所有目前所知天然存在的蛋白質(zhì)，因而被命名為Reflectin（反光蛋白質(zhì)）。人們還發(fā)現(xiàn)在章魚和墨魚的白色體細(xì)胞球形顆粒中，也有Reflecfin的存在。章魚和墨魚變色的奧秘，似乎就藏在Reflectin之中。

特立獨(dú)行的Reflectin從哪來

自然界中，Rdtectin只存在于有著“外星生物”之稱的頭足類動(dòng)物體內(nèi)，而且人家的基因也是獨(dú)特的，你在數(shù)據(jù)庫中找不到其他任何相似的同源蛋白。此外，Rdtectin的氨基酸組成也非常不同尋常：在普通蛋白質(zhì)中常見的幾種氨基酸（比如丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和賴氨酸）幾乎不存在于這一蛋白質(zhì)中，而相對(duì)稀少的氨基酸（如酪氨酸、色氨酸、甲硫氨酸和精氨酸）在Reflecfin中的含量卻達(dá)到了一半以上。

這么奇特的蛋白質(zhì)，它的基因到底是從哪里進(jìn)化來的呢？不久前，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就提出了一種可能性來解釋Reflectin的來歷。經(jīng)過對(duì)Reflectin基因序列的分析，我們發(fā)現(xiàn)，Reflectin的基因很可能最初來自費(fèi)氏弧菌（Vibrio fischeri）的基因組。費(fèi)氏弧菌是一類海洋發(fā)光細(xì)菌，常常與某些海洋軟體生物共生，甚至影響生物的生活。比如費(fèi)氏弧菌與夏威夷短尾魷魚的共生關(guān)系已經(jīng)被廣泛地研究，人們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)物種之間可能還存在著基因的交流，費(fèi)氏弧菌影響了魷魚的晝夜節(jié)律、免疫系統(tǒng)和早期發(fā)育。

在費(fèi)氏弧菌的質(zhì)粒中，存在著一類轉(zhuǎn)座子序列，它的一部分與Reflectin的8個(gè)核心氨基酸（YMDMSGYQ）的核苷酸序列高度相似。所以，Reflectin最初很有可能是通過水平基因轉(zhuǎn)移的方式，從費(fèi)氏弧菌的轉(zhuǎn)座子序列中獲得的，然后經(jīng)過基因的重排和復(fù)制，逐漸構(gòu)成Reflectin的核心結(jié)構(gòu)域基因，最后變化為頭足類動(dòng)物現(xiàn)在所擁有的Reflectin，成為其結(jié)構(gòu)性色彩的本質(zhì)基礎(chǔ)。我們將這8個(gè)氨基酸稱之為“Protopeptide”，亦即原肽，這是因?yàn)樗赡苁荝eflectin基因形成的源頭。Reflect_n如何使小章魚變色

對(duì)Reflectin蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)功能的研究能幫助我們從分子水平逐漸揭開頭足類動(dòng)物色彩變化的神秘面紗。經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)嘗試后，我們獲得了可溶且具有組裝活性的高純度Reflectin重組蛋白。通過電子顯微鏡進(jìn)行觀察，我們發(fā)現(xiàn)Reflectin會(huì)白發(fā)地組裝成雙層的一個(gè)“六邊形”或一個(gè)“五邊形”的基本單元，我們稱之為Reflectin bricks（反光蛋白質(zhì)磚塊），因?yàn)檫@些基本單元能像磚塊一樣，在一個(gè)平面上相互延展過去，兩個(gè)、三個(gè)或者更多個(gè)，線性延伸甚至形成分支狀的結(jié)構(gòu)，組裝成不同的形態(tài)。

然而在研究過程中最令人興奮的是，研究人員發(fā)現(xiàn)Rdtectin自組裝成的顆粒能夠在一種叫作咪唑分子的物質(zhì)的作用下，進(jìn)行進(jìn)一步的組裝，形成更大的六邊形結(jié)構(gòu)，并且這個(gè)過程是可逆的。這就不得不讓人想到，在頭足類動(dòng)物的皮膚細(xì)胞中，很有可能存在類似于咪唑分子的物質(zhì)，能夠控制Rettectin從小磚塊組裝成更大的結(jié)構(gòu)，從而控制頭足類動(dòng)物結(jié)構(gòu)色的變化。

由于咪唑分子具有一個(gè)共軛大π鍵，而Reflecfin中芳香族氨基酸以及組氨酸的比例高達(dá)40%。芳香族氨基酸的側(cè)鏈都含有苯環(huán)，苯環(huán)是什么？那就是4-典型的共軛大π鍵啊;組氨酸側(cè)鏈的五元環(huán)，也同樣是個(gè)大π鍵。所以這么看來，Reflectin簡直就是一個(gè)天然的π鍵庫。因此研究人員推測，咪唑分子很可能是通過π-π堆疊的方式與Reflectin分子發(fā)生了相互作用，從而引起了Reflectin結(jié)構(gòu)的改變，促進(jìn)了它更高級(jí)的組裝。

那么，在頭足類動(dòng)物的體內(nèi)有哪些物質(zhì)有成為“咪唑分子”的潛力呢？經(jīng)過篩選，我們得到3種能夠引起Reflectin更高級(jí)組裝的神經(jīng)遞質(zhì)，這3種物質(zhì)分別是：組胺、章魚胺和五羥色胺。得到的不同的組裝形態(tài)很可能揭示了Reflecfin在頭足類體內(nèi)分布的廣泛以及形態(tài)的多變的內(nèi)在原理。

更為神奇的是，通過進(jìn)一步追本溯源，研究人員發(fā)現(xiàn)Reflectin全長蛋白質(zhì)獨(dú)特的自組裝和π-π堆疊誘發(fā)的高級(jí)組裝這一特征，竟然可以通過它的單個(gè)結(jié)構(gòu)域，甚至是來自于費(fèi)氏弧菌的8個(gè)氨基酸的短肽（YMDMSGYQ）而實(shí)現(xiàn)。似乎費(fèi)氏弧菌轉(zhuǎn)座子編碼的這8個(gè)氨基酸片段，不僅僅是Reflectin基因的源頭，同時(shí)也是Reflectin蛋白質(zhì)功能和結(jié)構(gòu)的源頭？抑或，頭足類結(jié)構(gòu)色彩變換這一神奇現(xiàn)象竟然可以追溯到可能是億萬年前出現(xiàn)在地球上的一種簡單的單細(xì)胞細(xì)菌中的一個(gè)轉(zhuǎn)座子？這些疑問還需要進(jìn)一步的研究才能解答。

生物演化是一個(gè)很有意思的事情。一些東西在歷史中湮滅，另一些則被自然選擇保留下來直至今天，還有一些東西，則被精雕細(xì)琢、重新組合、改頭換面，最終面目全非地呈現(xiàn)在我們眼前，比如Reflectin的基因。也許在年代尚不可考的遠(yuǎn)古，一段簡簡單單的8個(gè)氨基酸序列，在物種的進(jìn)化過程中，從費(fèi)氏弧菌的轉(zhuǎn)座子上通過水平基因轉(zhuǎn)移漂流到與之共生的頭足類動(dòng)物體內(nèi)，完成一項(xiàng)神奇的任務(wù)，成為Reflecfin蛋白的雛形，又經(jīng)過漫長的演化過程，逐步賦予了頭足類動(dòng)物產(chǎn)生動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)性色彩的非凡能力，最終奠定了頭足類動(dòng)物成為自然界當(dāng)之無愧的動(dòng)態(tài)變色和擬態(tài)隱形的王者地位。而人類的研究，輕輕地掀起了塵封已久的神秘面紗的一角，將這一段光怪陸離的旅程呈現(xiàn)在我們的面前。