互动科普

精妙的生理适应性通过进化使多种多样的海底生物透明的惊人。

除了我所在的小汽艇和远处白色的母舰以外，这儿只有蓝天与大海从水肺调节器中深吸一口气，我便从汽艇一倒翻入水中，这海水是如此清澈以致我几乎可看到100米深的地方。当我与其他三位同事一起下潜的时候，我们周围蓝色的海水渐渐变暗，呈一种中等的钴绿色，当我们向下看时，它又加深至紫色。

我们的目的地距离陆地数百公里，它不是繁茂的珊瑚礁，也不是历史上有名的船舶遗骸，而是我们在浩瀚的海洋中任选的一点在我们下方，3000多米的深渊豁然裂开。我们身处地球上最大的生物栖息地，它占据了地球上99％以上的可生存空间。这是一个没有特点的世界，只有光和颜色微弱的渐变标志着时间或空间的变化。

对于我们来说。失去了参照物就意味着完全迷失了方向，而对于生活在这儿的动物来说，这就意味着无处藏身。

在18米深的地方，我们停止下潜，把夹子夹在从汽艇上垂下的安全绳上，便开始了我们的搜索。当我们的眼睛适应之后，我们不必向远处看，便发现自己被许多移动缓慢的透明动物所包围。在这群奇特而迷人的玻璃般的生物中，有许多是水母，但大多数生物并不能立即辨识。它们可以小如拇指，也可大到比篮球还大。虽然有些因为它们胃里的食物或者特殊颜色的斑点以及闪亮的珠光而被发现，但还有一些极其透明，以致于它们就是近在咫尺也很难发现。我们从网袋中取出玻璃罐，开始采集标本．

凝胶状的生命

大多数这类生物所具有的共同点是它们身体的大部分由凝胶物质组成，这给它们带来了很多好处。由于这种物质大部分是不可压缩的水，所以能够保护这些动物不被深海的水压碎。而且它又恰好有足够的浮力让这类动物像气球一样悬浮于这深渊之上，这种物质是无生命的且易于制造，因此由它构成的生物可仅以极少的食物为生。而当食物充足时，这类生物则能够以惊人的速度生长繁殖，一些种类的个体甚至可在一周内剧增至数十亿，遍及几千平方公里。

也许凝胶物质最重要的优点以及它在海底王国中进化成功的基础在于它所具有的透明性，几乎所有的海洋动物若不是以牙齿，毒素或者微小的体形来保护自己，便或多或少地具有一定的隐形性。实际上，透明性仅是在阳光不可及的深度才很少见到。

凝胶状动物的弱点在于它们的柔弱以及移动的缓慢。它们中有许多都几乎完全做赖于这种伪装的最高形式——隐形来逃避它们的捕猎者并偷袭它们的猎物。

尽管透明性在海洋环境中很重要，但总体上它们仍然是一种神秘的特性。因此，我自己的研究便着重于一些很基本的问题，比如:这些动物能透明到何种程度？是什么不寻常的生理特性使这些生物具有高度的透明性?

了解透明性的生态学的第一步就是解决这些动物到底有多透明的问题。在这项工作中，最困难的事情就是在捕捉时保持其完好的形态。凝胶状动物只有在健康地生活时才具有典型的透明性，而在其死后，它们便很快变得不再透明。捕捉这些健康动物是十分困难的，因为它们极其脆弱:有些动物甚至会仅仅因为附近鱼尾的摆动而四分五裂，正是由于这个原因，采集凝胶状动物的标准技术便依愤于潜水员和潜水艇了。

我和同事们利用这两种技术，采集到多种几近完美状态的透明动物。随后，在研究船上的实验中，我使用那种眼科医生用来测定人眼透明度的分光计来测量这些生物在整个可见光光谱上的透明度。

这些动物透明度的变化范围远比快捷的肉眼能估测的大得多。它们身体的透光度为20%-90%。较大的动物具有较多的组织，它们以提高组织透明度的方式来弥补其不足，这并不令人奇怪。而我们发现在750米深的地方所捕捉到的动物竟和在接近海面处捕到的动物一样透明，这却令人震惊。

这一观察结果使我迷感不解，我原以为那些接近海面生活的动物应该更透明，因为海面更明亮且更难以藏身。但结果却是一些深海动物似乎透明过度了，超出了它们要在距其捕，食者几厘米甚至几毫米处隐形所必需的透明度。

为了理解生物怎么能如此透明，我们应当考虑到某物体的可见度依赖于它的对比度，即它相对于其周围环境的亮度。对于海洋生物来说，动物与其观察者之间的水体散射并吸收这种生物所反射的光线。这样，动物离得越远，它形象的对比度就越小，它就越不容被看到。在一定距离处(此距离与动物独特的对比度以及水体对光线影响，内大小有关)．其对比度可以降至观察者看不见的程度。这个距离被称为可视距离，超过这个距离，动物便隐形了(也就是安全的)。

透明性与结构

与其他的伪装形式不同，透明性不仅仅只包括动物的外表，还包括其整个身体。这一点向我们提出了许多令人着迷的问题，而这些问题在进化中已经以十分精妙的方式解决了。

有些解决途径是能够为肉眼所见的。有些这类生物扁而薄，这是因为较薄的物体可以透过更多的光线。如果l厘米厚的透明蜗牛可透过1.9的光线。那么0．5厘米厚的则可透过1/3的光线。扁平的形态同样也可以使动物从侧面难以辨识。有些动物(例如一种叫Lcptocephalus(叶鳗)的鱼苗更是将这种技巧应用到登峰造极的地步。它们如一张活动的糯米纸，只有一二毫米厚，却长达数十厘米。有种栉水母有着能引起人们产生浪漫联想俗名——维纳斯的腰带，它如皮带一样又扁又长，还有加勒比多刺的龙虾幼苗如半个一美元那么大，却薄如纸张。大概探知它们的唯一方法便是捕捉到它们影子闪现的一瞬。

另一种明显的变化涉及到那些由于物理原因而不可能成为透明的部分。由于要看见东西，视网膜必须吸收一定的光线．因此至少眼睛的一部分总是可见的。这个问题有三种解决方案。一些生物体的眼睛长在长长的柄端．以使其尽可能地远离身体。而另一些动物(如甲壳类动物Phronima具有非常紧凑的视网膜并利用类似于光纤的天然导管来引导光线到达其视网膜。还有一些动物如大型甲壳类动物Cystosoma，其大大的眼睛的角膜下有很薄且颜色很浅的视网膜。

胃是另一个必然可见的器官。其原因并不在于胃本身，而在于其内含物：部分消化的动物或植物通常是不透明的。然而在某些透明动物中，胃的形状像针那样，且不论动物朝哪个方向运动，胃总是指向下方。这样的安排十分有效，因为许多捕食者都是向上看，找寻来自海面的光留下的影子来猎取食物的。另一对策便是将胃隐匿于反光的组织中。在广阔的海洋中。这种组织是隐形的。这是因为它能够像镜子一样，使其反射的光与其背后的光无法区别。顺便说一句，同样的原理可以解释为什么那么多的鱼在其身体表面具有银色的、像镜子一样的鳞片。

皮肤是第三种令人感到麻烦的器官。因为它总会反射掉一部分光，一些动物以简洁的体形来减少皮肤的面积和反射的复杂性。而有些生物在其体表具有凹凸不平的显微结构，这是以一种既令人着迷而又十分傲妙的方式来最大限度地减少反射性，这种方式不常见却更有趣。

悉尼澳大利亚博物馆的Andrew Parker在其最近发表的论文中便是以这种对策为其论题的。它依靠反映光在某物质中传播速度的折射率。光在折射率高的物质中比在低折射率的物质中传播得慢。

如果表面有许多比入射光半波长更小的凸起，则整个表面就相于均一的物质，这种物质的折射率为这些凸起及其周围介质(如水)的折射率的平均值。但因为这些凸起底部较顶部大，同时底部的折射率更接近物质本身的折射率，而物质的折射率又通常较水高，故凸起顶部的折射率较低。

这样，从周围水体到动物身体，折射率的增加并不是突然的，而是逐渐的、缓慢的。这种渐变式的过渡减少了反射。实际上，这种减少反射的方式是十分有用的，以至于现在透镜设计者们将这个原理用于改良精密光学仪器中透镜的镀膜技术。据报道，它还被Glunnnm公司用于其13—2型隐形轰炸机上，以最大限度地减少飞机表面对雷达波的反射。

隐形的必要条件

保持最小的反射量对于隐形是必要条件，但非充分条件。光线还必须无阻碍地穿过身体， 就要求光线在穿过身体时既不被散射也不被吸收。对光的散射和吸收都会使身体显形，然而由于只有极少数有机分子吸收光线，所以散射便成为这两者中实现动物透明的最大障碍。

对光的散射是山于折射率的变化引起的。当光由一种介质传播到另一种介质时，折射率的变化将引起光传播速度的变化，而且除非是完全垂直地入射到新介质中，否则光的传播方向是会改变的。

动物的各种组织的折射率一般是不同的，这是因为生命必需的组分是多种多样的(如细胞纤维，细胞核，神经等)。甚至含有较多水分的凝胶状动物也有折射率的变化。折射率的变化与光敞射的关系极其复杂，我们还不知道活组织中折射率分布的详细情况。

然而我利用简化的模型和组织存活需要一定量各种成分的假设量，考察了这些成分的大小、形状及折射率对光散射总量的影响。房屋涂料的开发商们利用相似的方法来最大限度地增加光的散射，以便增加油漆的隐匿性。

影响散射的最重要的因素是这些组分的分布及大小。如果一个细胞的存活需一定量的脂肪，但又必须尽可能少地散射光线，那么最佳对策便是将脂肪分散成很多极小的液体稍次一点的方法是将脂肪分成少数大液流而最次的方法便是将脂肪分成与入射光波长差不多大小的液滴。脂肪的折射率并不是最重要的因素，而液滴的形状则更不重要。这些因素将指导我们在透明动物的显微解剖中寻找些什么东西。

但是折射率的变化并不总是引起光的散射。如果所有的折射率变化都小于入射光半波长，那么所有被散射的光都会被相消干涉所消除。在相消干涉中，光波的叠加方式使它们互相抵消。

例如眼睛的眼白及角膜都是山致密的胶原纤维层构成的，但是由于角膜的纤维更小且排列得更整齐，所以折射率的变化都小于入射光的半波长。因此角膜具有强烈的相消干涉，而且该器官也是透明的。如果没有干涉效应，角膜将完全透明。当老年白内障发生时，这种均一纤维排列将变得混乱，而促使相消干涉被破坏掉。

透明性是进化适应恶劣环境的一个突出例子。通过对其身体和细胞巧妙的修饰，这些娇弱的动物已经找到了在一个无处藏身的危险环境中寻求生存的方法。它们通过自然进化所形成的方法可与最新的技术突破(即在纤维光学、抗反射光学镀膜以及房屋涂料等方面的突破)相匹敌，这是千真万确的。对于它们的研究不仅与白内障的研究有关，而且还与日益扩展的皮肤病的光学疗法及诊断领域有关。这些透明动物很普通，也很神秘，它们有许多令人惊叹的内幕等待着我们去探索。