Cách Màu Sắc Xuất Hiện trong Thế Giới của Động Vật

Động vật sống trong màu sắc. Châu chấu vang lên với những cảnh báo được vẽ. Chim lấp lánh với mong muốn màu sắc lấp lánh. Cá tránh né kẻ săn mồi với màu sắc cơ thể nhấp nhô như ánh sáng trải dọc qua một ao nước gợn sóng. Và tất cả những màu sắc này trên tất cả những sinh vật này xảy ra vì những sinh vật khác có thể nhìn thấy nó.

Thế giới tự nhiên quá hấp dẫn, không có gì là lạ khi các nhà khoa học đã mê hoặc bởi màu sắc của động vật trong nhiều thế kỷ. Ngay cả ngày nay, câu hỏi về cách động vật nhìn thấy, tạo ra và sử dụng màu sắc vẫn là những câu hỏi hấp dẫn nhất trong ngành sinh học.

Cho đến vài năm gần đây, chúng ít nhất cũng là một phần không thể giải đáp hoàn toàn - vì các nhà nghiên cứu màu sắc chỉ là con người, điều này có nghĩa là họ không thể nhìn thấy những màu sắc phong phú, tươi sáng như những sinh vật khác. Nhưng bây giờ, các công nghệ mới, như máy quét siêu phổ di động và máy ảnh nhỏ đủ để đặt trên đầu một con chim, đang giúp các nhà sinh học nhìn thấy những điều không thể nhìn thấy trước đây. Và như mô tả trong một bài báo mới của Science, đó là một thế giới hoàn toàn mới.

Tầm Nhìn về Cuộc Sống

Cơ bản như sau: Ánh sáng chạm vào một bề mặt - một tảng đá, một cây cỏ, một sinh vật khác - và bề mặt đó hấp thụ một số photon, phản xạ những photon khác, khuếch tán những photon khác, tất cả theo sắp xếp phân tử của pigment và cấu trúc. Một số photon đó tìm đường vào mắt của một con động vật, nơi các tế bào chuyên biệt truyền tín hiệu của những photon đó đến não của động vật, não giải mã chúng thành màu sắc và hình dạng.

Chính não quyết định xem vật thể đầy màu sắc có phải là một hình dạng riêng biệt và thú vị, khác biệt so với những photon từ cây cỏ, cát, bầu trời, hồ, và những thứ khác mà nó nhận được cùng một lúc. Nếu thành công, nó phải quyết định xem vật thể đầy màu sắc này có phải là thức ăn, một đối tác tiềm năng, hay có thể là một kẻ săn mồi. “Sinh học của màu sắc liên quan đến những sự kiện dây chuyền phức tạp như vậy,” Richard Prum, một nhà nghiên cứu về các loài chim tại Đại học Yale và cộng tác viên của bài báo nói.

Ở thời điểm ban đầu, có ánh sáng và có bóng tối. Nói cách khác, tầm nhìn mức xám cơ bản có lẽ đã tiến hóa trước tiên, vì những con vật có thể dự đoán buổi bình minh hoặc tránh né khỏi bóng đổ là những con vật sống sót để lai tạo. Và những cấu trúc giống như mắt đầu tiên - những mảnh phẳng của các tế bào nhạy sáng - có lẽ không giải quyết nhiều hơn là vậy. Điều đó không đủ. “Vấn đề khi chỉ sử dụng ánh sáng và tối là thông tin khá nhiễu, và một vấn đề nảy sinh là xác định nơi một đối tượng kết thúc và đối tượng khác bắt đầu. ” Innes Cuthill, một sinh học hành vi học tại Đại học Bristol và cộng tác viên của bài đánh giá mới nói.

Màu sắc thêm ngữ cảnh. Và ngữ cảnh trong một cảnh quan là một lợi thế tiến hóa. Vì vậy, giống như với điện thoại thông minh, độ phân giải cao và màu sắc sáng hơn đã trở thành những doanh nghiệp cạnh tranh. Đối với phần độ phân giải, các tế bào nhạy sáng của miếng đã phát triển qua hàng triệu năm thành một chiếc mắt đúng đắn - trước tiên bằng cách rút lui vào một cái cốc, sau đó là một khe hở, và cuối cùng là một cầu nước đầy chất lỏng được đậy chặt bằng một ống kính. Đối với màu sắc, hãy nhìn sâu vào những tế bào nhạy sáng đó. Được gắn vào bề mặt của chúng là các protein được gọi là opsins. Mỗi khi chúng bị va chạm bởi một photon - một mảnh lượng tử ánh sáng chính nó - chúng chuyển đổi tín hiệu đó thành một cú sốc điện đến não người tồn tại nguyên thủy. Opsin ánh sáng/tối ban đầu biến đổi thành các phiên bản phát triển có thể phát hiện các phạm vi sóng cụ thể. Tầm nhìn màu sắc quan trọng đến nỗi nó đã tiến hóa độc lập nhiều lần trong vương quốc động vật - trong động vật chân bụng, động vật giun, và động vật có xương sống.

Thực tế, cá ngừ động cơ đã có bốn opsins khác nhau, để cảm nhận bốn phổ - ánh sáng đỏ, xanh lá cây, xanh dương, và ánh sáng tử ngoại. Khả năng bốn lần đó được gọi là tetrachromacy, và khả năng khả năng đó có lẽ đã có ở khủng long. Vì chúng là tổ tiên của loài chim ngày nay, nhiều trong số chúng cũng là tetrachromats.

Nhưng loài động vật có vú hiện đại không nhìn thế. Điều đó có lẽ là vì động vật có vú sớm là những sinh vật nhỏ bé, hoạt động vào ban ngày và đêm, dành 100 triệu năm đầu tiên của chúng chạy quanh trong bóng tối, cố gắng tránh bị ăn thịt bởi khủng long tetrachromatic. “Trong giai đoạn đó, hệ thống thị giác phức tạp mà chúng kế thừa từ tổ tiên của chúng đã suy giảm,” Prum nói. “Chúng ta có một phiên bản màu sắc sau khi đã lắp đặt lại cồng kềnh. Cá, và các loài chim, và nhiều loài thằn lằn thấy một thế giới phong phú hơn nhiều so với chúng ta."

Thực tế, hầu hết các loài khỉ và khỉ đều là loại nhìn hai màu, và nhìn thế giới như là một màu xám và có một chút tông màu đỏ. Các nhà khoa học tin rằng loài linh trưởng sớm đã đạt lại tầm nhìn ba màu vì việc phát hiện trái cây tươi và lá chưa chín dẫn đến một chế độ ăn cung cấp chất dinh dưỡng hơn. Nhưng cho dù bạn thích mùa xuân hay màu sắc mùa thu, thế giới đa dạng màu sắc mà chúng ta sống hiện nay không phải là một buổi trình diễn dành cho chúng ta. Đa số là để cho côn trùng và các loài chim thưởng thức. “Cây hoa thực sự đã tiến hóa để gửi tín hiệu đến người làm phấn, Prum nói. “Việc chúng ta thấy chúng đẹp là tình cờ, và việc chúng ta có thể nhìn thấy chúng là do sự chồng chéo trong các phổ mà côn trùng và chim có thể nhìn thấy và những phổ mà chúng ta có thể nhìn thấy."

Mặc Đầy Màu Sắc

Và khi động vật có khả năng cảm nhận màu sắc, tiến hóa đã khởi động một cuộc đua trong việc trình bày màu sắc - các gam màu và mô hình giúp ích trong việc sống sót trở thành dấu hiệu của kỹ năng tạo nên đứa con tốt. Hầu hết mọi sự hiện diện của màu sắc trong thế giới tự nhiên đều xuất phát từ việc thông báo hoặc che đậy một sinh vật cho một cái gì đó khác.

Ví dụ, "aposematism" là màu sắc được sử dụng như một cảnh báo - màu sáng của bướm nói lên "đừng ăn tôi, bạn sẽ bị bệnh." "Crypsis" là màu sắc được sử dụng như sự ngụy trang. Màu sắc cũng phục vụ mục đích xã hội. Như là trong việc giao phối. Bạn có biết rằng sư tử cái thích nam giới tóc nâu không? Hoặc rằng ong giấy có thể nhận ra khuôn mặt của nhau không? “Một số ong giấy thậm chí có những đốm đen nhỏ giống như chiếc đai karate, báo cho ong giấy khác biệt rằng đừng cố gắng chiến đấu với họ,” Elizabeth Tibbetts, một nhà côn trùng học tại Đại học Michigan, nói.

Nhưng động vật hiển thị màu sắc bằng hai phương thức rất khác nhau. Phương thức đầu tiên là với pigments, các chất màu được tạo ra bởi tế bào gọi là chromatophores (ở loài bò sát, cá và bạch tuộc), và melanocytes (ở loài động vật có vú và chim). Chúng hấp thụ hầu hết bước sóng ánh sáng và phản xạ chỉ một số ít, giới hạn cả về phạm vi và sáng tạo. Ví dụ, hầu hết động vật không thể tự nhiên sản xuất màu đỏ; chúng tổng hợp nó từ các hợp chất thực vật được gọi là carotenoids.

Cách khác mà động vật tạo ra màu sắc là thông qua cấu trúc nano. Côn trùng và, một cách ít hơn, các loài chim, là những người làm chủ trong cấu trúc dựa trên màu sắc. Và so với pigment, cấu trúc là tuyệt vời. Màu sắc cấu trúc phân tán ánh sáng thành các màu sắc sống động, như bộ lông lóe sáng bóng của chú chim ruồi Broad-tailed, hoặc vỏ kim loại của con bọ cánh cứng Golden scarab. Và các nhà khoa học chưa chắc làm thế nào màu lóe sáng đã tiến hóa. Có lẽ để thông báo với đối tác, nhưng vẫn là: Tại sao?

Giải mã cầu vồng của cuộc sống

Câu hỏi về màu lóe sáng tương tự như hầu hết các câu hỏi mà các nhà khoa học đặt ra về màu sắc của động vật. Họ hiểu những gì màu sắc làm trong những nét chung, nhưng vẫn còn rất nhiều sắc thái để phân biệt. Điều này chủ yếu là do, cho đến gần đây, họ bị giới hạn trong việc nhìn nhận thế giới tự nhiên thông qua đôi mắt của con người. “Nếu bạn đặt câu hỏi, màu sắc này dùng để làm gì, bạn nên tiếp cận nó theo cách động vật nhìn thấy những màu sắc đó,” Tim Caro, một nhà sinh học động vật hoang dã tại Đại học California, Davis và là người tổ chức sức mạnh đằng sau bài báo mới nói. (Nói về những bí ẩn, Caro gần đây đã hiểu tại sao ngựa vằn có sọc.)

Nhìn con công. “Đuôi của con đực thật đẹp, và nó tiến hóa để làm ấn tượng với con cái. Nhưng con cái có thể được ấn tượng theo một cách khác so với bạn hoặc tôi,” Caro nói. Con người thường ngắm nhìn những đôi mắt lóe sáng ở đỉnh của mỗi lông đuôi; con cái thường nhìn vào đáy của lông, nơi chúng gắn vào mông của con công. Tại sao con cái thấy đáy lông hấp dẫn? Không ai biết. Nhưng cho đến khi các nhà khoa học gắn máy quay nhỏ vào đầu của con công, được tạo ra từ ngành công nghiệp điện thoại di động, họ thậm chí không thể theo dõi ánh nhìn của con cái con công.

Công nghệ mới khác: Các vật liệu nano tiên tiến mang lại cho nhà khoa học khả năng tái tạo các cấu trúc mà động vật sử dụng để làm cong ánh sáng thành các hiển thị lóe sáng. Bằng cách tái tạo những cấu trúc đó, nhà khoa học có thể xác định xem chúng tạo ra có đắt đỏ gen không.

Tương tự, các kỹ thuật phóng đại mới đã giúp nhà khoa học nghiên cứu cấu trúc của đôi mắt của động vật. Bạn có thể đã đọc về cách tôm kiến có không phải là ba hoặc bốn mà là tới 12 bộ thu màu khác nhau, và cách họ nhìn thế giới trong sự bão hòa phổ hyperspectral siêu vi kỳ diệu. Điều này không hoàn toàn đúng. Những kênh màu này không liên kết với nhau—không giống như ở các loài động vật khác. Có lẽ tôm không nhìn thấy 12 phổ màu khác nhau và chồng chéo. “Chúng tôi đang nghĩ rằng có lẽ những bộ thu màu này đang được bật hoặc tắt bằng một tín hiệu khác, không phải màu sắc,” Caro nói.

Nhưng có lẽ đổi mới quan trọng nhất trong nghiên cứu màu sắc sinh học là kết hợp tất cả những người khác nhau từ các lĩnh vực khác nhau lại với nhau. “Có rất nhiều loại người đang làm việc về màu sắc,” Caro nói. “Một số nhà sinh học hành vi, một số nhà thần kinh sinh học, một số nhà nhân loại học, một số nhà sinh học cấu trúc, và như vậy.”

Và những nhà khoa học này rải rác trên khắp thế giới. Anh ta nói rằng lý do anh ta mang mọi người đến Berlin là để họ có thể tổng hợp tất cả những phân ngành này lại với nhau và chuyển sang hiểu biết rộng hơn về màu sắc trong thế giới. Công nghệ quan trọng nhất trong việc hiểu màu sắc của động vật không phải là máy ảnh hay bề mặt nanotech. Đó là máy bay. Hoặc internet.