熊猫为什么拍不出彩色照片?
鸟儿有漂亮的羽毛,大部分动物有灰色或棕色的皮毛,憨态可掬的大熊猫却有着黑白分明的毛色。熊猫要想拍彩色照片,还得ps处理,或者吐个舌头。
黑白色差异明显,不利于野外躲避捕食者,为何大熊猫会进化出黑白毛色?黑白色毛发的产生,在体内又经过了怎样的过程?
撰文:胡霞
自然界有很多黑白毛色的动物,其中,大熊猫因为独特的黑白色组合显得十分讨人喜爱。
大熊猫,平时也称作熊猫,体色为黑白两色,有着圆圆的脸颊,大大的黑眼圈,胖嘟嘟的身体,深受人们喜爱,堪称世界上最可爱的动物之一。(图片来源:pixabay)
亚洲貘,也称马来貘,又叫五不像,全身毛色亦是黑白相间。(图片来源:pixabay)
以黑白色条纹著称的斑马(图片来源:pixabay)
臭鼬,长着一身醒目的黑白相间的毛皮。(图片来源:pixabay)
毛色是如何产生的?
我们看到的动物毛发的颜色,是通过体内黑色素细胞合成的色素在毛发中沉积,而显现出来的。黑色素细胞位于表皮,合成的两种最重要的色素即真黑素(eumelanin)和褐黑素(pheomelanin),它们的比例决定了动物的肤色和毛色,大熊猫也不例外。但黑色素根本上受基因控制,因此,黑色素细胞中的基因组,是决定熊猫不同部位黑白色的根本原因。
两种黑色素的形成过程(图片引自参考资料[1])
调控黑色素产生的基因有很多种,其中最著名的是asip,mc1r等,两种色素的比例影响着毛色,真黑素越多颜色偏黑,褐黑素越多颜色则偏红。动物胚胎发育之初,色素细胞由临时结构神经嵴迁移分化而来,成熟过程受各种因素调控,从而引起动物不同部位之间黑色素的差异。同时,合成黑色素并不意味着毛色就此确定,色素还需进一步分散、沉淀,这一过程也会受到其他生物进程的影响。换言之,毛色的生成是一个极为复杂的过程[2] 。
毛色生成的过程示意图(图片引自参考文献[2])
对于纯色动物来说,色素沉淀均匀,动物花纹的形成则可能受到很多因素的影响。例如,某些部位色素细胞的基因发生了变异,该部位产生的色素就会不同。再者,色素细胞前体来自胚胎时期的神经嵴,这些细胞可能在迁移过程中分化,相对于背部脊椎附近,腹部、头部以及四肢的迁移距离更远,过程中出错的概率更大,因而四肢和头部更容易出现斑块。此外,在动物体内,活跃的转座子(可移动的遗传因子,一段dna顺序可以从原位上单独复制或断裂下来,环化后插入另一位点,并对其后的基因起调控作用)也会影响两种色素的表达。
关于动物毛色花纹的形成,还有一个著名的图灵理论,由计算机之父阿兰·图灵于1952年首次提出,他建立了一个简单的数学模型。他认为,动物身上会产生有规律的花纹是一对化学物质“成形素”的相互作用,其中一种激发细胞活性(fgf),而另一种抑制活性(shh),这个理论能帮助科学家预测猫科动物的条纹和斑点会长成什么样,但实验验证的难度较大。2012年,伦敦大学国王学院的研究者研究了胚胎口腔上腭脊纹的生长过程,识别出与该过程相关的一对特殊成形素,这是科学家首次在实验中证明,图灵理论可以预测生物花纹的形成。这意味着,未来我们可以结合生物与数学计算来预测动物毛色。
毛色是如何进化而来的?
关于熊猫毛色形成原因的解释有很多种:1. 对捕食者的警示;2. 适应雪原背景;3. 黑色的毛发是为了维持体温;4. 面部黑白色差异用于同类之间的沟通交流。动物学家tim caro等人通过集合所有食肉动物的特征,给出了一个综合的答案[4]。
熊猫腹背部大片的白色是为了适应雪原。熊猫生活在海拔2000-3000米的环境中,那里冬季积雪,白色可以帮助他们适应环境,隐藏自己。这与不冬眠的北极熊纯白毛色原因类似。与之相对,棕熊因为会冬眠,不需适应雪原,因而毛色偏黄。那么,大熊猫为何不冬眠呢?研究者认为,这与熊猫常年食用竹子有关,素食使得它们无法积累冬眠所需的脂肪,在冬季也要不间断地进食。
熊猫肩部和四肢的黑色则是为了适应森林的阴影环境。由于大熊猫需要在森林和雪原环境之间穿梭变换,黑毛可帮助它们在森林中隐藏自己,防止被捕食者发现。
大熊猫属于中等食肉动物,面部特征的作用一般是威慑猎物。介于吃竹子的大熊猫不需捕猎,根据分析,黑色的耳朵与震慑捕食者相关。至于大熊猫的“黑眼圈”,看起来十分呆萌,不起威慑作用。曾有研究发现,熊猫可以在6-12个月内记忆和辨别类似熊猫眼睛的图像,所以,“黑眼圈”很可能是大熊猫辨别同类的依据。
研究者并不认同熊猫的黑白色用于调节体温的说法。黑白色差异极大,也并非是混隐色(disruptive coloration,动物有时会为了隐藏自己,进化出多种颜色混合的状态来隐藏自己)。
用混隐色伪装自己的代表动物:猎豹(图片来自维基百科,by lukas kaffer,cc-by 3.0)
研究者认为,熊猫的腹背部白色部位是为了适应雪原而形成的保护色,四肢和肩部的黑色则是为了适应森林环境的阴影。最根本的原因可能在于大熊猫只吃竹子,营养单一,且无法彻底消化食物,这使得它们不能积攒充足的脂肪用于冬眠。大熊猫在一年中需要适应不同环境,既有白雪皑皑的高山,又有黑暗的热带雨林,加之无法像有些动物可以通过快速换毛适应背景(貂、北极狐等动物一年内通过换毛,可有两种颜色),因而折中进化出了黑白相间的皮毛。同样地,不冬眠的动物金刚狼(wolverine),也会出现黑白相间的毛色。
总之,熊猫的黑白色是自然选择的结果,也是基因调控的产物。早前,有一只名为“七仔”的熊猫因白化变异拍出了彩色照片,一般的熊猫虽只能拍出黑白照片,但也十分健康可爱。
参考文献:
1. richard a. sturm et al.,1998. human pigmentation genetics: the difference is only skin deep.
2. michael cieslak et al., 2011.colours of domestication.
3. 图灵生物花纹形成理论获实验证明,科技日报(2012)。
4. caro, tim, et al."why is the giant panda black and white?." behavioral ecology,2016.
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