斑马鱼鳞状虹膜细胞的解剖、晶体特性和变色能力。资料来源:美国国家科学院院刊(2024)

尽管斑马鱼比它们在陆地上的同类小得多，也没那么出名，但这种小鱼有一种独特的能力:当它们感到痛苦时，它们可以迅速地把它们特有的条纹从蓝色变成黄色。

像变色龙一样，斑马鱼通过结构变化来实现这种颜色转换。通过精确地同时改变鳞片和皮肤上的反光晶体的方向，斑马鱼可以在几秒钟内改变全身条纹的颜色。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一项新研究中，科学家们已经确定了这种颜色变化背后复杂的细胞机制。利用先进的成像技术，他们已经确定了细胞内的分子、结构和信号机制，当斑马鱼处于压力下时，这些分子、结构和信号机制共同作用，使斑马鱼的条纹从蓝色变成黄色。

Jennifer lippincottt - schwartz是Janelia 4D细胞生理学研究领域的高级组长和负责人，她是这项与美国国立卫生研究院约翰·哈默实验室合作的新研究的资深作者，她说:“以前没有人在这个水平上见过这些结构，也没有人展示过它们如何对光线和颜色的变化做出反应。”“有一种说法是，这些晶体以某种方式改变了它们的排列，从而改变了它们的颜色，但我们正在精确地展示这是如何发生的。”

新的发现可以帮助科学家更好地理解其他动物(从变色龙到桡足动物)颜色变化的分子机制，这些动物利用类似的结构颜色变化来交流、调节体温和制造伪装。

“这是有道理的，所需的相同成分在其他系统中是可用的，所以我们认为这可能是生物体改变颜色的一种强有力的方式。”我们有一些初步的迹象表明，这实际上也发生在其他生物体中，”魏茨曼科学研究所的研究员德维尔·古尔说，他领导了这项新工作。

调查斑马鱼的条纹

Gur作为利平科特-施瓦茨实验室的博士后研究员，开始研究斑马鱼是如何获得条纹的。2020年，Gur、Lippincott-Schwartz和一组研究人员确定了斑马鱼鳞片中微小鸟嘌呤晶体的顺序是如何产生蓝色和黄色条纹的。

在研究这条鱼时，研究人员对斑马鱼的蓝色条纹是如何在一个鱼饲养员进入房间或在与一个占主导地位的雄性鱼的战斗中失败时消失的很感兴趣。

在许多动物中，当色素囊在细胞内分散和聚集时，颜色就会发生变化。但斑马鱼的虹膜细胞却不是这样，细胞内晶体的这种运动会导致虹膜细胞失去其基于结构的颜色。有迹象表明，鱼可以改变晶体的方向，以不同的角度反射光线，产生不同的颜色，但这是如何发生的还不清楚。

Gur说:“这确实是促使我们研究促进这些细胞颜色变化的机制的触发器。”“我们知道肯定还有别的办法。”

近距离观察

研究小组首先使用高分辨率成像和基于同步加速器的x射线衍射，仔细观察了颜色变化前后的晶体。

他们发现，在虹膜团内部，晶体排列成一堆长长的、板状的结构。颜色的变化是由于这些晶体同时而精确地倾斜而产生的。Gur将这个过程比作百叶窗的运动，其中板条一起倾斜以控制通过的光线量。当斑马鱼受到压力时，晶体会以20度的角度倾斜，从而改变它们之间的间距和照射它们的光线角度。这改变了虹膜中晶体的光学特性，导致鱼的条纹从蓝色变成黄色。

接下来，研究人员使用实时成像来了解是什么驱动了这个过程。在人工诱导鱼的应激反应后，研究小组发现，这种倾斜是由一种叫做动力蛋白的运动蛋白实现的，这种运动蛋白沿着细胞内的微管行走，并与晶体连接，拖动和倾斜它们，从而产生颜色变化。

这个过程是由一种叫做环AMP的分子调节的，这是一种第二种信使分子，当鱼受到压力时，它就会被激活。循环AMP同时向鱼体内的许多细胞发送信号，触发倾斜，并导致所有条纹同时改变颜色。

除了提供结构颜色变化的机制外，新的发现还有助于阐明为什么一些动物会形成这些分子晶体，而这些分子晶体在人类中会形成肾结石和痛风。它们还可以为利用这些自然特性的人造材料和设备的设计提供信息。

Gur说:“对我来说，这真的是关于好奇心驱动的科学:我们所做的一切都是因为我们想更好地了解自然。”他补充说，看到微小的生物如何实现人类凭借先进技术无法实现的事情，这是非常了不起的。“但是，从中可以得到许多不同的东西，这些东西最终也可能有用，从利用自然作为学习仿生学原理的来源，到使用类似方法的光学设备，再到下一代可调谐光子晶体。”