隐藏在眼皮底下

鱼类和其他动物的伪装为视觉感知提供了深入见解

视觉感知的主要功能之一是在环境中检测物体,作为将其识别为猎物、捕食者或配偶的序幕。不足为奇的是,猎物和捕食者都竭尽全力通过与周围环境的颜色和纹理融为一体来隐藏其物理边界。实际上,我们几乎可以将大脑中更高级的视觉处理视为主要进化为击败伪装。因此,研究伪装策略也可以间接地告诉我们很多关于视觉机制的信息。

美国画家和业余博物学家艾伯特·汉德森·塞耶推测,动物进化出了“保护色”。正如他的理论所认为,“动物的着色是由自然界完成的,在那些容易被阳光照射到的部位颜色最深,反之亦然。” 他对这种效果肯定是对的(科学家现在称之为“反荫蔽”)。但随后他继续说道,甚至暗示孔雀的尾巴与树叶相匹配,火烈鸟是粉红色的,以便它们与日落融为一体 (a)!

对于现代科学家来说,塞耶显然有点得意忘形了。然而,正如俗话所说,“事实胜于雄辩”。有些动物,如墨鱼、章鱼和比目鱼,可以改变它们的斑纹和色调,以适应它们碰巧落脚的任何表面。虽然人们常常认为变色龙具有这种技能,但实际上它们在这方面非常糟糕;它们的大部分颜色变化主要用于吸引配偶和保护它们的领地,因此与伪装无关。


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生物学家弗朗西斯·B·萨姆纳是斯克里普斯海洋研究所的创始人之一(但不是唯一的比目鱼),他在近一个世纪前表明,冷水比目鱼具有惊人的能力,可以使其皮肤表面斑纹的“粗糙度”与背景中的砾石或鹅卵石相匹配。萨姆纳的工作得到了 S. O. 马斯特实验的补充,马斯特在 20 世纪初表明,这种匹配取决于视觉;失明的比目鱼不会发生变化。

萨姆纳的发现发表后引起了轰动。但后来遭到了神经生物学家威廉·M·赛德尔的挑战,他现在在卡姆登的罗格斯大学工作。赛德尔声称,比目鱼身上的斑纹变化不大,但它们具有一种“通用”纹理,使它们能够与大多数背景融为一体。因此,他认为,从某种意义上说,是观察者的眼睛在进行融合,而不是比目鱼本身。

冷水比目鱼生活在相当单调、单调的沙质环境中。我们想到,这个事实可能可以解释赛德尔的比目鱼表现不佳的原因,它们可能没有进化压力来适应更广泛的背景;与寒冷水域不同,热带环境包含更多样化的表面。因此,我们与克里斯托弗·W·泰勒、理查德·L·格雷戈里和钱德拉马尼·拉马钱德兰合作,决定用热带珊瑚礁比目鱼Bothus ocellatus(俗称眼斑星鲽)进行实验。

我们从一位水族馆管理员那里获得了六个标本。在鱼适应了饲养箱中“中性”米色细砾石地面 (b) 后,我们将它们移到小型实验箱中,每个实验箱的地板上都有不同的图案。我们选择了在自然界中找不到的图案,但这些图案将清楚地展示鱼类主动或动态适应周围环境的能力极限。

结果非常显著。在每种情况下,当比目鱼“放置”在粗方格图案 (c)、中细方格 (d)、鹅卵石 (e,下一页) 或细砾石的各种背景上时,它们都能够实现令人印象深刻的良好匹配。更令人吃惊的是,我们发现鱼在短短两到八秒内就发生了转变,而不是马斯特和萨姆纳暗示的几分钟。那时我们就知道,一定存在神经“反射”在起作用。这种反应太快了,不可能是激素性的。

我们确定,鉴于鱼位于底部的位置以及其光学系统的扭曲,鱼的眼睛一定获得了高度缩短、扭曲的背景视图。鱼的眼睛像炮塔一样安装在茎上,它们可以用它快速扫描周围的地板纹理。我们的同事常常非常困惑,在考虑到这些扭曲的情况下,匹配的保真度竟然如此精确。但对于像我们这样的神经科学家来说,这种一致性并不比我们没有看到颠倒的世界更令人意外,即使视网膜图像是颠倒的。因为大脑中不存在带有图片的真实电影屏幕,“校正”的问题甚至不会出现;大脑以这样一种方式编码视觉信息,即对有缺陷或嘈杂的感官输入的校正已经隐含在代码本身中。在很大程度上,鱼的大脑也必须进行调整,以便准确地产生伪装图案。

鱼是如何实现如此动态的伪装的?通过解剖显微镜检查发现,皮肤上有黑色素细胞簇,称为黑色素细胞。通过改变这些细胞中黑色素颗粒的分散,鱼可以改变小片皮肤的对比度。此外,我们还看到了似乎至少有四类不同大小的细胞簇,以及鱼体中部的一个孤立细胞簇。通过独立地改变这四种类型细胞簇的对比度——有点像在旧电视机上拨动对比度旋钮——鱼可以改变不同像素类型的比例,并获得它们生活海洋底部最常见的纹理的合理复制品。该系统类似于人们如何使用三种“原色”波长以各种比例来产生眼睛可以看到的任何可能的颜色。通过使用一种称为主成分分析的数学技术分析鱼和相应背景上的图案,我们能够确定鱼对每组斑纹都有独立的视觉控制。

只是为了好玩,我们尝试将鱼放在波尔卡圆点的背景上。令人惊讶的是,它们的整个皮肤都变得苍白而均匀,除了身体正中央的一个小而显眼的黑点 (f,下一页)。鱼正在勇敢地尝试匹配波尔卡圆点!看看你是否能在照片中找到这条鱼。

比目鱼还使用其他视觉技巧来欺骗捕食者。当我们用鱼缸网充满威胁地靠近一条比目鱼时,它会向前移动并搅动沙子,“假装”将自己埋在一个位置,而实际上它却以闪电般的速度撤退到其他地方并埋在那里。

弄清楚比目鱼动态伪装的机制可能具有明显的军事应用。从鱼身上吸取教训,军方可以使用少量变化的彩色斑点来使坦克与其背景“匹配”,效果远胜于静态油漆方案。这样的实验远非仅仅是捕鱼探险,它可以为我们提供关于视觉进化的重要线索。

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