在我们的眼中，世界呈现出看似无限绚丽的色彩，从金盏花阳光般的橙色到汽车底盘的炮铜灰色，从中冬天空欢快的蓝色到祖母绿闪耀的绿色。因此，令人惊奇的是，对于大多数人来说，任何颜色都可以通过以特定强度混合三种固定波长的光来再现。人类视觉的这一特性，称为三色视觉，之所以产生，是因为视网膜，即眼睛中捕获光线并将视觉信息传递到大脑的神经细胞层，仅使用三种类型的吸光色素来实现色彩视觉。三色视觉的一个结果是，计算机和电视显示器可以混合红色、绿色和蓝色像素，以生成我们感知到的完整光谱的颜色。
尽管三色视觉在灵长类动物中很常见，但在动物王国中并非普遍存在。几乎所有非灵长类哺乳动物都是二色视觉动物，其色彩视觉基于两种视觉色素。少数夜行动物只有一种色素。一些鸟类、鱼类和爬行动物有四种视觉色素，可以探测到人类看不见的紫外线。因此，灵长类动物的三色视觉似乎很不寻常。它是如何进化的？基于数十年的研究，最近对灵长类动物色彩视觉的遗传学、分子生物学和神经生理学的研究已经产生了一些出乎意料的答案，以及关于灵长类动物大脑灵活性的惊人发现。
色素及其过去 负责人类色彩视觉的三种视觉色素的光谱敏感性在 50 多年前首次被测量，现在已经非常精确地为人所知。每种色素都吸收来自光谱特定区域的光，并以其最有效吸收的波长为特征。短波长 (S) 色素在约 430 纳米（纳米是十亿分之一米）的波长处吸收光线最多，中波长 (M) 色素在约 530 纳米处吸收光线最多，长波长 (L) 色素在 560 纳米处吸收光线最多。（作为参考，470、520 和 580 纳米的波长分别对应于典型人感知为蓝色、绿色和黄色的色调。）
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们今天世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
这些色素，每种都由与从维生素 A 衍生而来的吸光化合物复合的蛋白质组成，位于视锥细胞的膜中：视网膜中因其锥形而得名的感光神经细胞。当色素吸收光线时，它会触发一系列分子事件，导致视锥细胞的兴奋。这种兴奋反过来又激活其他视网膜神经元，最终沿着视神经将信号传递到大脑。
尽管视锥色素的吸收光谱早已为人所知，但直到 20 世纪 80 年代，我们中的一人（内森斯）才鉴定出人类色素的基因，并从这些基因的 DNA 序列中确定了构成每种色素蛋白质的氨基酸序列。基因序列显示 M 和 L 色素几乎完全相同。随后的实验表明，它们之间光谱敏感性的差异源于仅对构成每种色素的 364 个氨基酸中的三个进行了替换。
实验还表明，M 和 L 色素基因彼此相邻地位于 X 染色体上，X 染色体是两条性染色体之一。（男性有一个 X 和一个 Y，而女性有两个 X。）这个位置并不令人意外，因为人类颜色感知中的一种常见异常，红绿色盲，长期以来已知在男性中比在女性中更常见，并且其遗传模式表明负责基因位于 X 染色体上。相比之下，S 色素基因位于 7 号染色体上，其序列表明编码的 S 色素与 M 和 L 色素仅存在遥远的亲缘关系。
到 20 世纪 90 年代中期，将这三种色素基因与其他动物的色素基因进行比较，已经提供了关于其历史的大量信息。几乎所有脊椎动物都具有与人类 S 色素基因序列非常相似的基因，这意味着某种版本的短波长色素是色彩视觉的古老元素。两种较长波长色素（M 和 L）的亲缘色素在脊椎动物中也很普遍，并且可能非常古老。但在哺乳动物中，M 和 L 样色素的同时存在仅在灵长类动物物种的子集中被观察到，这表明这一特征可能是最近才进化出来的。
大多数非灵长类哺乳动物只有一种较长波长的色素，它类似于较长波长的灵长类动物色素。较长波长的哺乳动物色素的基因也位于 X 染色体上。这些特征引发了一种可能性，即两种较长波长的灵长类动物色素基因最初是在早期灵长类动物谱系中以这种方式出现的：较长波长的哺乳动物色素基因在单个 X 染色体上被复制，此后，X 连锁祖先基因的一个或两个副本中的突变产生了两种非常相似的色素，它们具有不同的光谱敏感性范围，即 M 和 L 色素。
这种类型的基因复制的一种已知机制发生在卵子和精子的形成过程中。当产生卵子和精子的细胞分裂时，染色体对通常会在称为重组的过程中交换部分，有时遗传物质的不等交换会导致产生一条染色体，该染色体拥有一个或多个基因的额外副本。随后在这些重复基因中引入的有益突变可以通过自然选择来维持。也就是说，通过帮助生存，有益的突变会传递给后代并在种群中传播。
在灵长类动物色彩视觉的情况下，基于“新的”M 和 L 色素（以及 S 色素）的三色视觉可能在某些环境中比二色视觉动物具有选择优势。例如，成熟水果的颜色经常与周围的树叶形成对比，但二色视觉动物不太能够看到这种对比，因为它们对视觉光谱的红色、黄色和绿色区域的颜色差异敏感度较低。识别可食用水果能力的提高可能会帮助携带赋予三色视觉突变的个体生存，并导致这些突变基因在种群中传播。
早些时候概述的机制，基因复制，随后是导致 DNA 序列分歧的突变，似乎是对灵长类动物 M 和 L 色素基因进化的合理解释，因为已知这一系列事件发生在其他基因家族中。例如，考虑编码血红蛋白的基因，血红蛋白是血液中携带氧气的蛋白质。胎儿血红蛋白的基因（从子宫内的第二个月开始产生）和成人血红蛋白的基因似乎起源于单个祖先基因的副本，该基因随后突变为对氧气具有不同亲和力的变体。同样，免疫球蛋白，即介导免疫系统抗体反应的蛋白质，种类繁多，并且起源于单个祖先基因的复制。
通往三色视觉的两条道路
然而，灵长类动物三色视觉进化的真实故事，结果证明既更复杂又更有趣。一个关键线索来自一项发现，即两种不同的三色视觉遗传机制似乎在灵长类动物中运作：一种在旧世界灵长类动物（在撒哈拉以南非洲和亚洲进化而来的群体，包括长臂猿、黑猩猩、大猩猩和人类）中运作，另一种在新世界灵长类动物（来自中美洲和南美洲的物种，如狨猴、绢毛猴和松鼠猴）中运作。
人类和其他旧世界灵长类动物在它们的每个 X 染色体上都携带 M 和 L 色素基因，并且具有三色视觉。但在过去几十年中，对新世界灵长类动物的色彩视觉进行测试时，我们中的一人（雅各布斯）发现三色视觉仅发生在部分雌性中。所有被检查的新世界雄性和大约三分之一的新世界雌性都表现出对中长波长颜色差异缺乏敏感性，这是二色视觉动物的典型特征。毕竟，三色视觉并非在灵长类动物中普遍存在。
为了解释这种奇怪的模式，几位研究人员研究了这些新世界猴子中视锥色素基因的数量和排列。大多数物种被证明具有一个短波长色素基因（可能位于非性染色体上）和一个较长波长基因，位于 X 染色体上。换句话说，它们视觉色素的遗传禀赋与二色视觉哺乳动物相当。那么，它们中的任何一种怎么可能是三色视觉动物呢？
答案是，新世界灵长类动物的基因库包括 X 连锁色素基因的几种变体或等位基因，即 DNA 序列略有修改的不同版本。等位基因变异发生在许多基因中，但等位基因之间 DNA 序列的微小差异几乎从不转化为功能差异。然而，在新世界灵长类动物中，各种 X 连锁色素等位基因产生具有不同光谱敏感性的色素。例如，典型的世界灵长类动物物种，如松鼠猴，在其基因库中具有 X 连锁视锥色素基因的三个等位基因：一个编码类似于人类 M 色素的蛋白质，第二个编码类似于人类 L 色素的蛋白质，第三个编码光吸收特性大致介于前两者之间的色素。
拥有一对 X 染色体的雌性松鼠猴，并且只有雌性松鼠猴可能继承两个不同的较长波长等位基因（每个 X 染色体上各一个），从而获得三色视觉。然而，大约三分之一的雌性将会在它们的两个 X 染色体上都继承相同的色素等位基因，最终会像不幸的雄性一样成为二色视觉动物。人们可以将新世界灵长类动物的三色视觉视为“穷人”或更准确地说是“穷女人”版本的旧世界灵长类动物所享有的普遍三色视觉 [要查看相关侧边栏，请购买数字版]。
新旧世界灵长类动物之间色彩视觉的差异为这两个群体中色彩视觉的进化提供了一个窗口。大约在 1.5 亿年前，随着非洲和南美洲大陆的逐渐分离，这两个灵长类动物谱系开始分化；它们的遗传隔离似乎在大约 4000 万年前已经完成。人们可能会怀疑，这两种三色视觉机制是在新旧世界灵长类动物谱系分离后独立进化而来的。这两个群体都可能从二色视觉动物开始，具有标准的哺乳动物补充：一种短波长色素和一种较长波长色素。旧世界灵长类动物中较长波长色素基因可能经历了我们之前讨论的基因复制，随后是序列分歧。在新世界灵长类动物中，较长波长色素基因可能只是经历了序列分歧，连续的突变产生了各种较长波长色素等位基因，这些等位基因在种群中持续存在。
然而，比较 X 连锁视觉色素的氨基酸序列表明了另一种情况。在旧世界和新世界灵长类动物中，所有 M 色素都共享一组三个氨基酸，这些氨基酸赋予在 530 纳米处最大的光谱敏感性，而所有 L 色素都共享第二组三个氨基酸，这些氨基酸赋予在 560 纳米处最大的光谱敏感性。从对其他较长波长色素的吸收光谱的研究中，我们知道各种其他氨基酸中的序列变化可以将其最大敏感性转移到更长或更短的波长。因此，新旧世界灵长类动物独立地收敛到相同的氨基酸组以转移其较长波长色素的敏感性似乎不太可能。
相反，认为像今天新世界灵长类动物那样的等位基因变异是原始状态，存在于这两个群体的共同祖先中，并且其出现是这两个群体通往三色视觉之路的第一步，这更有意义 [要查看相关侧边栏，请购买数字版]。各种色素等位基因可能是通过哺乳动物较长波长色素基因中连续几轮突变产生的，时间在旧世界和新世界灵长类动物谱系分离之前的某个时间。（我们假设中间波长色素是这种原始补充的一部分，因为其氨基酸序列包含区分 L 和 M 色素的三种序列变化的一部分，并且因为其吸收光谱介于两者之间。）然后，在两个灵长类动物群体分离后，在旧世界谱系的雌性中发生了一种罕见的重组错误，该雌性恰好携带较长波长色素基因的两个不同等位基因。这种罕见事件将 M 等位基因与 L 等位基因并排放置在单个 X 染色体上，从而使三色视觉扩展到雄性和所有雌性。
这种遗传创新为其携带者赋予了如此强大的选择优势，以至于仅具有一个较长波长色素基因的 X 染色体最终从旧世界灵长类动物的基因库中消失了。在地理上和遗传上分离的新世界灵长类动物中，原始的三种较长波长等位基因系统持续存在。
随机性的作用
我们在新旧世界灵长类动物中的发现的另一个令人惊讶的含义与随机性在三色视觉中的作用有关。我们这里并非指最初产生赋予三色视觉的色素基因补充的随机基因突变。生物学家通常发现，一旦有益的性状通过这种偶然机制进化出来，它通常就会变得“硬连线”：也就是说，不偏离预定蓝图的细胞过程会一丝不苟地协调每个个体中性状的发育。然而，对于灵长类动物的色彩视觉来说，每个生物体甚至每个发育中的视锥细胞中的随机事件都起着巨大的，实际上是至关重要的作用。
为了解释随机性如何帮助产生三色视觉，我们必须首先回顾视锥细胞如何将关于颜色的信息传递到大脑。事实证明，拥有三种色素类型，虽然对于三色视觉是必要的，但仅仅是一个初始条件。由各种感光器产生的信号的神经处理是下一步。这一步至关重要，因为单个视锥细胞无法传递关于波长的特定信息。每个感光器的兴奋可以由一系列不同的波长触发，但视锥细胞无法发出信号表明它吸收了该波段内的哪些特定波长。例如，无论是被 100 个它很好吸收的波长的光子击中，还是被 1,000 个它吸收很差的波长的光子击中，它都可能产生相同大小的信号。为了区分颜色，视觉系统必须比较具有不同色素类型的相邻视锥细胞的反应。
为了使这种比较能够最佳地工作，每个视锥细胞必须仅包含一种类型的色素，并且产生不同色素的视锥细胞必须彼此靠近地排列成马赛克状。事实上，在灵长类动物视网膜中，每个视锥细胞确实仅包含一种类型的视觉色素，并且不同的视锥细胞类型以所需的马赛克方式排列。然而，三色视觉动物中的每个视锥细胞都携带所有三种色素的基因。视锥细胞究竟如何“决定”仅表达一个色素基因尚不完全清楚。
细胞通过转录因子开启或表达它们的基因：专用的 DNA 结合蛋白，它们附着在称为启动子的调控区域附近，从而触发一系列事件，导致合成由基因编码的蛋白质。对于短波长感光器，似乎在胎儿发育过程中，转录因子激活了 S 色素的基因。一些未知的过程也抑制了这些细胞中较长波长色素基因的表达。
但是，另一种额外的机制控制着新世界灵长类动物中较长波长视锥细胞中的色素基因表达，这种机制涉及固有的随机过程。在两个 X 染色体上具有不同色素等位基因的雌性新世界灵长类动物中，任何给定的视锥细胞表达哪个等位基因取决于称为 X 染色体失活的分子掷硬币。在这个过程中，每个雌性细胞在发育早期随机禁用其两条 X 染色体中的一条。X 染色体失活确保在任何较长波长的视锥细胞中仅表达一个色素等位基因（即，将产生一种类型的色素）。由于该过程是随机的，一半的细胞表达由一条 X 染色体编码的基因，另一半表达由第二条 X 染色体编码的基因，因此它也确保了新世界灵长类动物雌性中的较长波长视锥细胞将在视网膜表面混合在一起，形成允许三色视觉的马赛克。
X 染色体失活发生在所有哺乳动物中，对于物种生存至关重要。如果没有它，雌性细胞将使用两条 X 染色体来产生蛋白质，导致两性在蛋白质产生量上存在差异，从而损害其中一种或两种性别的发育。但是，由于旧世界灵长类动物在每个 X 染色体上都具有 M 和 L 色素基因，因此仅靠 X 染色体失活并不能将表达范围缩小到这些动物的每个视锥细胞仅一个色素基因。必须还有另一种机制在运作。
内森斯的研究表明，旧世界灵长类动物视锥细胞表达的两个 X 连锁色素基因中的哪一个是由附近的 DNA 序列决定的，该 DNA 序列被称为基因座控制区。选择可能是在发育过程中做出的，当时在每个视锥细胞中，基因座控制区与两个相邻色素基因启动子中的一个且仅一个相互作用，即 M 或 L 色素的启动子，但不是两者都相互作用，并开启该基因。相互作用的细节尚未详细描述，但目前的证据表明，这种选择可能是随机的。
如果基因座控制区和一个启动子的这种配对确实决定了视锥细胞中的色素基因表达，并且如果它实际上是随机的，那么旧世界灵长类动物视网膜的任何小区域内 M 和 L 视锥细胞的分布也应该是随机的。罗切斯特大学的大卫·威廉姆斯和他的同事的研究表明，在当前用于绘制视锥细胞分布图的技术限制范围内，这一预测成立。
偶然的色彩学家
检查灵长类动物色彩视觉基础的研究也暗示，某些与较长波长色彩视觉相关的视网膜和大脑机制可能具有高度可塑性。尽管存在专门的电路用于将来自 S 视锥细胞的视觉信息与来自较长波长视锥细胞的组合信号进行比较，但大脑和视网膜在将来自 M 视锥细胞的信号与来自 L 视锥细胞的信号进行比较时，似乎更具即兴性。特别是，视觉系统似乎仅通过经验来学习这些视锥细胞的身份，也就是说，通过监测视锥细胞对视觉刺激的反应。
更重要的是，似乎传达来自这些较长波长视锥细胞的反应的主要神经通路甚至可能不是专门用于色彩视觉的。相反，从 L 和 M 视锥细胞中提取关于色调信息的能力可能是一个意外的幸运，这要归功于一种古老的用于高分辨率空间视觉的神经装置，该装置进化而来是为了检测物体的边界及其与观察者的距离。剑桥大学的约翰·莫伦指出，在灵长类动物中，高分辨率空间视觉是由较长波长视锥细胞介导的，并且涉及与较长波长色彩视觉相同的神经处理类型，也就是说，将一个 L 或 M 视锥细胞的兴奋与大量 L 和 M 邻居的平均兴奋进行比较。尚未发现用于较长波长色彩视觉的单独电路，也许不需要单独的电路。在这种观点看来，三色色彩视觉可以被认为是预先存在的空间视觉系统的一种爱好。
神经可塑性在色彩视觉中的暗示引导我们提出了一个有趣的问题。我们设想，灵长类动物三色视觉进化的第一步是在所有现代灵长类动物的早期雌性祖先中出现第二个较长波长的 X 连锁等位基因。祖先灵长类动物的大脑是否能够即兴发挥到足以“立即使用”新的色素，而无需进化出新的神经回路？获得第三种类型的色素本身是否足以增加色彩视觉的另一个维度？
我们突然想到，如果我们可以在二色视觉哺乳动物（如实验小鼠）中重新创造灵长类动物三色视觉进化的最初步骤，我们或许可以检验这个想法。我们通过对小鼠 X 染色体进行基因工程改造开始了这项实验，使其编码人类 L 色素而不是小鼠 M 色素，从而引入了等位基因变异，我们认为这种变异可能发生在数百万年前的二色视觉灵长类动物中。然后，我们证明了由此产生的小鼠品系在其视锥细胞中表达人类基因，并且人类 L 色素传递光信号的效率与小鼠 M 色素相当。此外，正如预期的那样，表达人类 L 色素的小鼠比普通小鼠对更广泛的波长范围敏感。
但对于我们的目的而言，关键问题是：具有两个不同 X 染色体色素基因的雌性小鼠是否可以使用 X 染色体失活产生的 M 和 L 视锥细胞视网膜马赛克，不仅感知而且辨别这个更广泛波长范围内的差异？简短而令人惊讶的答案是，它们可以。
在实验室测试中，我们能够训练同时具有 M 和 L 色素的雌性小鼠区分绿色、黄色、橙色和红色面板，而这些面板在普通小鼠看来完全相同。伴随着新的 L 色素，这些小鼠显然获得了额外的感官体验维度，这意味着哺乳动物的大脑具有从新颖且性质不同的视觉输入类型中提取信息的先天能力。
这一发现对感觉系统的整体进化具有启示意义，因为它表明，系统“前端”的改变，即感觉受体基因的改变，可以驱动整个系统的进化。关于灵长类动物的三色视觉，小鼠实验也表明，第一只具有两种不同较长波长色素的灵长类动物看到了一个以前任何灵长类动物都从未见过的色彩世界。
编者注：本文最初以“灵长类动物色彩视觉的进化”为标题发表