（神秘的地球）据《大众科学》（劳伦·勒弗）：成为绿色、蓝色、紫色或橙色并不容易——至少如果你是一只章鱼的话。头足类动物以其令人难以置信的伪装能力和通过快速变色的皮肤进行交流而闻名。但是，根据11月18日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究，改变色调或保持颜色的过程需要付出大量的努力。根据这项新的研究，章鱼在激活变色系统时消耗的能量与维持静息代谢率的所有其他方面相同，包括消化、呼吸、器官功能和循环。
这些发现首次量化了开启色素细胞的工作量，色素细胞是与头足类动物的肌肉和神经系统相连的特殊变色器官，点缀着海洋无脊椎动物的皮肤状像素。当处于静止状态时，色素细胞是球形的，看起来像颜料的小点——但当它们膨胀时，它们会变成扁平的颜色盘，在视觉上融合在一起，形成引人注目的显示。
不同类型的头足类动物具有不同浓度的色素细胞。浅水章鱼，如研究中使用的物种（冬章鱼），每平方毫米皮肤约有230个色素细胞，赋予它们高分辨率的色调。
宾夕法尼亚州圣弗朗西斯大学研究头足类动物的海洋生物学家Matthew Birk说：“章鱼有HD或4K皮肤。”。Birk没有参与这项新的研究，但他指出，“这是一项非常棒的研究。”作者“能够分离出这些章鱼每天消耗的能量中有多少是用于使用它们的伪装系统的……我不知道还有谁能把这部分[代谢]干净利落地分离出来，”Birk解释道。“我很惊讶它的运营成本有多高。”
当完全休息时，章鱼非常苍白——接近白色，有微小的斑点，主要研究作者Sofie Sonner指出，她在华盛顿瓦拉瓦拉大学完成了这项工作，作为硕士论文的一部分。这意味着，只要你看到浅水章鱼的图像或视频，它看起来是紫棕色、红色或有图案的，它就会绷紧。“他们必须弯曲皮肤上的肌肉才能做到这一点，”研究合著者、瓦拉瓦拉大学生物学教授Kirt Onthank解释道。
Sofie Sonner和Jaydee Sereewit在皮肤样本暴露于蓝光以扩大色素细胞的同时收集呼吸数据。图片来源：/Kirt L.Onthank。
为了量化这种颜色变化所需的努力，Onthank和Sonner从17只活红宝石章鱼身上采集了小皮肤样本。科学家们暂时麻醉了头足类动物，这样它们就可以在不适的情况下进行轻微的活组织检查。Onthank说：“我们把它们放在乙醇中，然后提高乙醇水平，直到它们喝得酩酊大醉，昏过去。”。他补充道：“我们叫醒他们后，他们似乎并没有太在意。”。
在采集后的15分钟内，每个皮肤样本都被安装在专门设计的显微镜载玻片上，配有氧气传感器和3D打印室。在重复试验中，科学家们将每一块皮肤暴露在黑暗和光明的条件下，同时它仍然新鲜，细胞仍然存活并有反应，这交替地使色素细胞失活和扩增。他们测量了氧气消耗量，作为实验每个阶段细胞代谢和能量使用的指标。
之前对鱼类和蝾螈等其他变色生物的研究试图通过将生物置于不同的环境中以刺激变化，然后评估氧气或食物消耗量，来量化整个个体的颜色成本。然而，这些过去的研究并不准确，因为很难将诱导的颜色变化的影响与在实验室环境中操纵动物的压力分开。
新方法消除了这一挑战，并揭示了当色素细胞膨胀时，皮肤样本的耗氧量会急剧上升（从0到60）。Onthank和Sonner使用将章鱼放入3D扫描仪中获得的章鱼表面积的复杂模型，估计激活色素细胞的全身成本大约相当于维持动物休息状态的所有其他生理过程所消耗的能量。Onthank说：“这与他们的神经系统、肠道以及其他一切一样重要。”。“虽然章鱼使颜色变化看起来毫不费力，但这并不适合它们。”
章鱼的手臂。手臂上可见的小点是色素细胞。图片来源：杰米·安德森·菲尔兹。
Sonner说，即使是这个估计也可能是保守的，因为他们的章鱼表面积评估过于简化和平滑了头足类动物，没有考虑到每一个凹陷、凹坑和纹理。此外，评估一块皮肤的能量使用并不能衡量头足类动物可能用来协调全身伪装的认知努力。Onthank说，在未来的工作中，研究人员希望比较不同物种的色素细胞能量消耗，研究质量和色素细胞需求之间的关系，并开发一种更好的方法来测量与颜色变化相关的实时全身能量使用。
Birk说，但就目前而言，色素细胞的明显极端费用增加了这种昂贵系统是如何发展起来的进化之谜。当代头足类动物的祖先有外壳作为保护，但在某个时候，谱系失去了外壳——这可能是因为软体和活泼的身体比坚硬和沉重的身体更有利。他说：“他们为什么这样做有不同的可能性，但很明显他们这样做了，而且对他们很有效——当它如此昂贵时，这令人印象深刻。”。
虽然它提出了新的问题，但它也为其他人提供了可能的答案。激活色素细胞网络所需的努力可以解释头足类动物行为和生态学的各个方面。例如，该研究的作者假设，颜色变化的能量成本可能解释了为什么章鱼会花这么多时间躲在巢穴里，倾向于夜间活动，即使它们有专业的伪装能力。Onthank说：“如果你起床出门需要耗费大量的精力，因为你每次都要打扮得漂漂亮亮，也许你会等到所有人都走了，然后你就可以穿着睡衣出门了。”章鱼就像专注但隐居的化妆和时尚达人。
新的发现也可能阐明为什么深水头足类动物的色素细胞系统减少。华盛顿瓦拉瓦拉大学生物学教授、该研究的合著者Kirt Onthank说：“随着深度的增加，它会变得越来越暗，这意味着章鱼真的不需要太担心捕食者会看到它们。”。他补充道：“大自然倾向于走更容易的路。”。“如果你不需要一个非常昂贵的系统，那么你可能会放弃它。”
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