成年眼斑蜥蜴（Timon lepidus）的背部呈现黑色和绿色的复杂图案。颜色图案在动物中并不罕见，但眼斑蜥蜴以一种不寻常的方式形成其迷宫般的调色板。
研究人员发现，在从幼年到成年的转变过程中，蜥蜴背部的一些鳞片在检测到相邻鳞片的颜色后会改变颜色。该团队在一项 4 月 12 日发表在《自然》杂志上的研究中，将这些鳞片描述为决策单元。
一组称为图灵方程的数学规则描述了包括蜥蜴在内的许多动物如何形成条纹或斑点。由此产生的“图灵模式”在整个生物体中是连续的，并且独立于其他生物特征（例如蜥蜴鳞片）确定。但是，成年眼斑蜥蜴的背部具有与单个鳞片相关的离散图案。（该物种的鳞片由透明角蛋白制成，因此底层皮肤的颜色会透出来：每个鳞片要么是黑色，要么是绿色。）
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西班牙巴塞罗那基因组调控中心的系统生物学家 James Sharpe 说：“这就是这篇论文令人兴奋的地方。生物学往往相当灵活和软塌塌的，而这是数字化的和离散的。”
自我决定
为了研究这种现象，瑞士日内瓦大学的生物物理学家 Michel Milinkovitch 和他的同事拍摄了三只雄性蜥蜴背部的高分辨率照片。研究人员从动物两周大时开始，一直持续到蜥蜴三到四岁。该团队使用这些图像来追踪每只爬行动物背部约 5,000 个六边形鳞片的命运。
随着每只蜥蜴年龄的增长，它们背部的整体图案从带有白色斑点的棕色变为绿色和黑色的复杂图案。大约 1,500 个鳞片改变了颜色，使得绿色鳞片有四个黑色和两个绿色邻居，而黑色鳞片有三个黑色和三个绿色邻居。这种“注意邻居”的行为让 Milinkovitch 想起了一个称为细胞自动机的过程。
细胞自动机最初是在计算机科学方面描述的，是执行计算的自复制单元。在眼斑蜥蜴中，这意味着单个鳞片会汇总来自周围鳞片的信息——有多少是黑色，有多少是绿色——并决定自己的颜色。
Milinkovitch 说：“我们本可以就此止步。”但他想知道为什么蜥蜴不遵循控制大多数其他动物标记的图灵模式规则。
连接点
为了找出答案，该团队专注于蜥蜴的皮肤细胞。蜥蜴和鱼的皮肤由产生不同颜色的各种细胞类型组成。研究人员知道，例如，斑马鱼皮肤细胞相互作用以建立图灵模式。
Milinkovitch 和他的团队基于从斑马鱼数据中得出的方程，模拟了颜色细胞之间的相互作用，并将结果与蜥蜴皮肤上的图案进行了比较。他们发现，眼斑蜥蜴的皮肤在每个鳞片下都很厚，这为细胞相互作用提供了空间。但在鳞片之间，皮肤很薄，细胞连接的空间较小。厚度的减小将颜色限制在蜥蜴背部的单个鳞片内。这表明动物皮肤的凹凸不平会破坏连续的图灵模式。
Milinkovitch 说，研究人员已经表明，细胞自动机可以创建更大的图灵模式，例如在贝壳上看到的那些。但最新的研究描述了科学家首次观察到相反的情况：小的图灵模式融入到大的细胞自动机中。
澳大利亚墨尔本大学的进化生物学家 Devi Stuart-Fox 说，动物颜色图案的形成通常是定性描述的。眼斑蜥蜴的图案可能有助于动物融入其环境。她说：“但是，当你可以证明存在可以描述生物过程的通用数学原理时，它就为理解正在发生的事情提供了一个很好的概念框架。”
本文经许可转载，最初于 此处 发表，日期为 2017 年 4 月 12 日。