變色龍的新把戲—骨頭裡的螢光訊息

■過去變色龍因特殊的眼睛(可看到360度,無死角)與視覺溝通(皮膚變色)而聞名;如今,牠將再度因為能使用螢光(fluorescence)而震驚爬蟲界。

撰文|莊宇真

俄國的知名短篇小說家契訶夫,曾寫了一篇名為《變色龍》的小故事,描寫一位執法者因為不敢得罪高官而反覆改變說詞的荒謬情境,十分有趣。現在我們也會把「變色龍」當作形容人的特質,通常是指那種會因為環境而快速改變的人。

而在真實世界裡的變色龍(chameleons),則是以能夠快速改變皮膚顏色花紋而聞名。變色的原因包括為了不被掠食者發現、或是與同類溝通(競爭、表達情緒、社交功能)等。變色龍的此種特異功能也引發科技研究者的興趣,不少電子變色產品的研發,例如:按壓變色的電子皮膚1,2等,就是以牠的變色機制做為靈感。

變色龍之所以能如此快速的變色,主要歸功於皮膚裡的虹彩色素細胞(iridophore),這種細胞同時含有色素,也有不同大小尺寸與排列方式的鳥嘌呤(guanine)奈米結構。當變色龍受到光線、情緒等刺激時,只需要緊繃或放鬆皮膚,就可改變細胞內鳥嘌呤的結構,進而改變光線折射,使皮膚顏色快速改變3,4

不過,變色龍的特異功能似乎不只是如此。德國的研究團隊發現,變色龍的頭部與臉部在紫外光照下有發光的情形;而這些亮光,是來自骨骼、並顯現在皮膚的螢光(fluorescence)。

螢光實際上不是真正的「發光」,與一般我們所知道的「生物發光」(bioluminescence)並不相同(例如:螢火蟲、藍眼淚等)5。螢光是「光致發光」(因為光照所產生的光,不是本身發光)的物理現象;在生物體,通常是因為具有一些特殊的蛋白質分子,這些分子在吸收高能量光線(例如紫外光、藍光)後,能夠瞬間轉換為較低能量的光(如綠、黃、橙、紅色光等)6

生物螢光的現象在海裡十分普遍,陸地生物則較少相關紀錄,主要是因為白天在紫外線照射下,即使有生物螢光產生,人眼也無法觀察到。透過在夜間帶著紫外光源進入叢林,科學家發現像是蠍子與某些蜘蛛,在紫外光照下會產生螢光。其他還有鸚鵡的羽毛、樹蛙等,也都有生物螢光的發現6。有關陸地生物的生物螢光,目前仍屬於方興未艾的研究領域。

研究團隊使用紫外光源,分別對160個來自馬達加斯加Calumna屬的31種變色龍樣本、165個來自馬達加斯加與非洲Furcifer屬的20種變色龍樣本、以及棲息地裡實際生活的變色龍進行攝影。接下來再使用微電腦斷層掃描(micro-computed tomography, micro-CT)的3D X光造影技術,將紫外光下攝影中的光點,與骨頭上突起的結節(tubercles)進行比對,發現螢光的源頭是來自骨頭上的結節。

在紫外光照下,幾乎所有種類的變色龍,都會在皮膚上出現藍色的斑點。多數是出現在頭臉部,也有部分出現在身體的(如下圖)。根據研究團隊推測,這些斑點之所以呈現藍色,是因為由變色龍薄薄的外層皮膚扮演了濾鏡的功能,進而調節螢光的波長。

圖片來源:參考資料2

薄薄的皮膚延展覆蓋在骨頭結節外,讓紫外光能夠進入碰觸到骨頭,激發螢光後並反射回到皮膚表層。研究團隊推測,變色龍的棲息地屬於陰涼潮溼的叢林,像這樣間歇地發出可見螢光,可在不驚動掠食者的情況下,與其他變色龍之間進行溝通連繫。

這也說明了,為何這些螢光點大多集中在頭部與眼睛周圍。過去研究發現,這對變色龍的視覺溝通而言,是非常重要的區域。一般而言,雄性變色龍在螢光點的分布比雌性顯著,因此雖然目前還無法清楚得知變色龍使用螢光的目的,但此證據說明這可能與性別有關。

生物螢光在陸生脊椎動物的比例很可能被低估了;也就是說,有生物螢光的陸生動物,很可能遠多過我們目前所知的。另外,生物螢光對動物而言是否具有實質功能?如何從演化觀點解釋?這些都還屬於未知的領域。如同研究團隊所說的,這個研究或許還不能說明什麼,但對於陸生動物的生物螢光研究而言,是值得期待的精彩開端!

 

參考文獻:

  1. Chameleons' Secret Glow Comes from Their Bones
  2. Widespread bone-based fluorescence in chameleons
  3. 賴婉婷、歐陽盛菊、歐陽盛芝(2017年4月3日)。『臺博新知』:電子皮膚仿生安班加豹變色龍。取自國立臺灣博物館blogspot。
  4. Chou H-H., et al. (2015). A chameleon-inspired stretchable electronic skin with interactive colour changing controlled by tactile sensing. Nature Communications 6, Article number: 8011
  5. 賴婉婷、歐陽盛菊、歐陽盛芝(2017年3月13日)。豹變色龍變色機制啟發新型仿生變色材料。取自科技大觀園網站。
  6. Teyssier J., et al. (2015). Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature Communications, 6, Article number: 6368.
  7. 鄭明倫(2017)。照亮生命科學的地球微光(一)生物發光。國立自然科學博物館館訊,第358期。
  8. 鄭明倫(2017)。照亮生命科學的地球微光(三)生物螢光。國立自然科學博物館館訊,第360期。

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作者:莊宇真,畢業於交通大學科技法律研究所,現任生物醫學倫理領域專任研究助理。人生最樂之事莫過於找到自己的志業,寫作之於我正是如此。為城邦部落格《健康知心》之格主,擔任國內《熟年誌》雜誌醫藥新知特約作者。知識是觸角,讓人掌握世界;健康是財富,讓人享受人生。

 

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