互动科普

从万寿菊鲜艳的橙黄色到汽车车身的灰蓝色，从仲冬天空的蔚蓝色到翡翠的翠绿色，我们眼中的世界可谓五彩缤纷。令人惊叹的是，对大多数人来说，只要将三种特定波长的光以一定强度混合起来，就可能展现出任何颜色。人类视觉的这种特性叫做三色觉：视网膜是眼睛中的一个层状组织，由神经细胞组成，对光敏感，能将视觉信息传送至大脑，它只利用三种光吸收色素（light-absorbing pigment）就能产生色觉。正是由于三色觉，计算机和电视的显示屏才能通过混合红、绿、蓝三种像素，显示出我们能感知到的所有色彩。

虽然灵长类动物都拥有三色觉，但整个动物界却并非如此。几乎所有非灵长类哺乳动物都是二色觉，只利用两种视色素产生色觉。少数在夜间活动的哺乳动物甚至仅有一种视觉色素。不过，有些鸟类、鱼类和爬行类有四种视色素，它们能看到人类看不见的紫外光。看来，灵长类的三色觉并不寻常。这种视觉特性是如何进化而来的？

近几十年，科学家通过对色觉的遗传、分子生物学和视觉生理特性的研究，得到了一些出人意料的答案。在灵长类动物大脑的可塑性方面，也有一些惊人发现。

视色素的进化

50多年前，科学家便对赋予人类色觉的3种视色素的光谱灵敏度进行了首次测量，现在我们已有了非常深入的了解。由于每种色素都只吸收特定光谱区域内的光线，科学家就利用能被色素最有效吸收的光线的波长来描述相应色素：最大吸收光线的波长约为430纳米的是短波长（S）视色素；约为530纳米的是中波长（M）视色素；560纳米的则是长波长（L）视色素（波长为470、520和580纳米的光分别对应正常人所感知到的蓝、绿、黄）。

上述视色素都位于视锥细胞（cone cell）的细胞膜上，由一种蛋白和一种由维生素A衍生而来的光吸收化合物组成（视锥细胞是视网膜内的一种感光神经细胞，因锥形外表而得名）。当一种视色素吸收光线后，就会触发一系列分子事件，使视锥细胞兴奋起来。接着，兴奋的视锥细胞又会激活视网膜上的其他神经元，这些神经元将视觉信号沿视神经传递至大脑。

虽然在很早以前，科学家就知道了视色素的吸收光谱，但直到上世纪80年代，本文作者之一纳森斯才找到视色素的基因，并根据基因序列确定了每个色素蛋白的氨基酸序列。当时的基因序列分析显示，M和L色素几乎完全相同。但后续研究发现，构成两种色素蛋白的364个氨基酸中，只有3个氨基酸不同——正是这个细微差异，使视色素具有不同的光谱灵敏度。

试验还显示，M和L色素基因都位于X染色体上（X和Y染色体是性染色体，女性有两个X染色体，男性有一个X染色体和一个Y染色体），并彼此相邻（这两个基因叫做X连锁基因）。它们的这种定位方式并不奇怪，因为人们很早就知道，一种常见的视觉异常症状——红绿色盲多见于男性，而该症状的遗传模式也表明，与红绿色盲相关的基因位于X染色体上。相反，S色素基因位于7号染色体上，从基因序列来看，S色素与M、L色素间的相关性并不高。

上世纪90年代中期，通过比较分析人的三种视色素基因与其他动物的相关基因，科学家发现了一些与色觉进化相关的重要信息。几乎所有脊椎动物体内，均有一些在序列上与人的S色素基因十分相似的基因，这说明某种形式的短波长视色素是色觉的一个古老单元。较长波长的视色素也广泛存在于脊椎动物中，说明它们的历史同样非常悠久。但在哺乳动物中，M和L色素只存在于一部分灵长类动物中，这意味着它们可能是在进化后期才出现的。

大多数非灵长类哺乳动物仅拥有一种长波长视色素，这与灵长类动物的长波长色素相似。编码这些色素的基因位于X染色体上。这一现象暗示，灵长类动物的两种长波长视色素基因，可能是以这样的方式从早期灵长类动物进化产生的：在一个哺乳动物的单条X染色体上，长波长视色素的基因复制成两个拷贝，这两个拷贝（或其中之一）发生了突变，编码出两种十分相似、光谱吸收范围却又不同的视色素——M和L色素。

这类基因的一种已知复制机制见于卵子和精子的形成过程。随着产生卵子和精子的细胞不断分裂，成对的染色体常常在重组过程中交换部分遗传物质，有时还会出现不对等交换，导致某条染色体拥有一个（或多个）基因的多个拷贝。如果这些拷贝发生突变，有助于动物生存的有用突变就会通过自然选择保留下来，并向后代传递，在整个动物群体中扩散。

就灵长类动物而言，突变产生的M、L色素与S色素形成的三色觉，能在某些环境中赋予动物新的选择优势。虽然成熟果子的颜色常与周围的树叶有很大差异，但二色觉动物不容易发现，因为它们对可见光谱中红、黄、绿色之间的差异敏感性很低。如果三色觉的出现能提高动物识别可食用果子的能力，就会让拥有相应突变的个体更容易存活，同时导致突变基因在群体中扩散。

基因复制通常伴随着突变，而突变又致使不同基因拷贝的DNA序列出现细微差异——科学家早就探明的这一机制，似乎可以合理解释灵长类动物M、L色素基因的进化过程，因为其他基因家族也常发生类似事件，血红蛋白的基因就是一个例子。血红蛋白的作用是携带氧分子，为人体器官输送氧气。在胎儿中，从胚胎形成的第二个月，血红蛋白基因就开始表达，合成相应蛋白。不过，胎儿与成人的血红蛋白对氧气具有不同的亲和力，这是因为在胎儿与成人体内，虽然两种血红蛋白基因来自同一“祖先”，但“祖先基因”在复制时，产生了两种不同的变异体，它们合成的蛋白在功能上也略有差异。与此类似，种类繁多的免疫球蛋白（促进抗体反应的蛋白）也是单个古老基因在复制时，产生多个不同变异体的结果。

三色觉产生的两条途径

不过，灵长类动物三色觉的进化过程更复杂、更有趣。科学家发现，在灵长类动物中，三色觉似乎有两种不同的遗传机制：一种存在于旧大陆灵长类动物中（这类灵长类动物在撒哈拉沙漠以南的非洲及亚洲完成进化，包括长臂猿、黑猩猩、大猩猩和人类）；另一种则在新大陆灵长类动物中发挥作用 （包括中、南美洲的灵长类动物，如美洲小长尾猴、绢毛猴和松鼠猴）。这一发现是解开三色觉进化之谜的重要线索。

人类和旧大陆灵长类动物的每条X染色体都携带有M和L色素基因，有着完善的三色觉。但在过去几十年，本文作者之一雅各布斯检测新大陆灵长类动物的色觉时发现，只有部分雌性动物拥有三色觉，而在研究过的新大陆灵长类动物中，所有雄性和大约1/3的雌性都难以分辨中、长波段的光线的颜色差异——这是典型的二色觉。三色觉在新大陆灵长类动物中似乎并不普遍。

为了解释这种奇怪的模式，一些科学家研究了新大陆猴类视锥色素基因的数量和分布情况。他们发现，大多数猴子只拥有一个短波长色素基因（可能位于一个常规染色体上）和一个长波长色素基因（位于X染色体上），也就是说，这些猴子的视色素遗传配置与二色觉哺乳动物相似。那么，新大陆上的某些猴子是如何获得三色觉的呢？

在新大陆灵长类动物的基因库中，X染色体上的色素基因有数个变异体（即等位基因， 同种基因的不同版本，只是DNA序列略有差异）。许多基因都会发生等位变异，但一般来说， DNA序列的细微差异不会使等位基因的功能发生变化。然而，在新大陆灵长类动物中， X染色体上的等位基因会产生多种色素，具有不同的光谱灵敏度。比如，松鼠猴等典型新大陆灵长类动物的基因库中，X染色体携带的视锥色素等位基因共有3种：一个编码与人类M色素相似的蛋白，另一个编码与人类L色素相似的蛋白，还有一个编码光吸收特性介于M和L色素之间的色素。

由于雌性松鼠猴有两条X染色体，就可能遗传两个不同的长波长色素等位基因（两条X染色体上各有一个等位基因），从而获得三色觉。然而，约1/3的雌性松鼠猴却不那么走运，只能遗传到两个相同的等位基因，因此它们和雄性松鼠猴一样，都是二色觉动物。我们可以把新大陆上的三色觉雌性松鼠猴看作是“异常”的，就像在旧大陆皆有三色觉的灵长类动物中偶尔出现的二色觉情况一样。

新旧大陆灵长类动物间的色觉差异，开启了研究这两种属群色觉进化的重要窗口。1.5亿年前，非洲和南美大陆逐渐分离，两个大陆上的灵长类动物也分道扬镳，朝不同的方向进化，它们之间的遗传分离似乎是在4,000万年前完成的。有人或许会猜测，新旧大陆灵长类动物相互分离后，三色觉的这两种机制是独立进化的。最初，两大类群可能都是二色觉动物，拥有一种短波长色素和一种长波长色素。在旧大陆灵长类动物中，长波长色素基因可能发生了前述的基因复制，以及随后的序列变异。而在新大陆灵长类动物中，可能只是长波长基因发生了序列变异，此后接连发生的突变产生了各种长波长色素的等位基因，并在群体中保留了下来。

然而，比较分析M和L色素蛋白的氨基酸序列，我们推出了另一种情况：不管是旧大陆还是新大陆的灵长类动物，所有M色素均含有一组氨基酸（共3个），使色素对波长为530纳米的光最敏感，而L色素则含有另一组氨基酸（也是3个），它们最敏感的光线波长为560纳米。在研究其他长波长色素的吸收光谱时，我们发现，多种其他氨基酸发生的序列变化，也可能改变这类色素的光吸收特性——最敏感的光线波长变短或变长。如此看来，新旧大陆灵长类动物的色素蛋白中不大可能独立地在相同几组氨基酸上发生改变，以使长波长色素的光吸收特性发生相应改变。

相反，我们可以更合理地认为，等位变异（如同在当今新大陆灵长类中所发生的那样）只是一个初始条件，存在于两类灵长类动物的共同祖先中。而且对两类灵长类动物来说，等位变异都是通向三色觉的第一步。不同色素等位基因的产生，可能是由于在新旧大陆灵长类谱系分开之前的某个时候，哺乳动物的一个长波长色素基因发生接连不断的突变所致。（我们认为，中间波段的色素就是这种初始变异产物之一，因为它的氨基酸序列包含一组三个氨基酸的改变，不同于L和M色素，吸收光谱也介于L和M色素之间。）两群灵长类动物分离后，旧大陆灵长类谱系中的一只雌性动物的DNA在重组时，发生了一个罕见错误，让它获得了两个不同的长波长色素等位基因。在这一罕见事件中，一个M色素等位基因和L色素基因出现在同一条X染色体上，并彼此相邻，从而使三色觉扩散至雄性动物以及所有雌性动物中。

这种遗传上的“创新”，使相应的动物获得了很大的选择优势，以至于仅携带一个长波长色素基因的X染色体，最终从旧大陆灵长类动物的基因库中彻底消失。而在地域和遗传上都与旧大陆灵长类动物隔离的新大陆灵长类动物，仍然保留着由三个长波长等位基因组成的原始色素基因系统。

视网膜中的随机事件

在研究新旧大陆灵长类动物时，我们惊奇地发现，随机事件竟在三色觉中发挥着重要作用。这里所说的“随机事件”并不是指最初产生多种色素基因而让灵长类动物获得三色觉的随机突变。生物学家经常发现，如果动物通过随机机制，进化出某种有益性状，那么该性状就会“固定”下来。也就是说，只要与此相关的细胞过程不偏离机体发育的“预定蓝图”，每个生物体都将获得该性状。然而，对于灵长类动物的色觉而言，每个生物体甚至每个视锥细胞发育过程中的随机事件，都在进化中都起着非常关键的作用。

随机事件如何产生三色觉？要回答这个问题，我们先得回顾一下视锥细胞如何把颜色信息传递至大脑。虽然3种色素对三色觉是必不可少的，但这只是一个初始条件，是产生三色觉的第一步。神经回路加工处理各种光感受器（包括视锥细胞和视杆细胞）产生的视觉信号是第二步，这是非常关键的一步，因为单个视锥细胞无法传递关于光线波长的特异信息： 100个能有效吸收的光子和1,000个吸收不那么有效的光子都可能在某个视锥细胞产生强度相似的信号。为了区分颜色，视觉系统必须比较拥有不同类型视色素的相邻视锥细胞的反应。

为了有效进行这种比较，每个视锥细胞只能含有一种色素，而且携带着不同色素的视锥细胞们必须以镶嵌的方式紧靠在一起（事实也的确如此）。但是，三色觉动物的每个视锥细胞都有3种色素基因，这些细胞又如何决定表达哪一种基因呢？到目前为止，科学家尚未完全弄清楚这个问题。

细胞启动、表达基因要借助转录因子。这种蛋白专与DNA结合，黏附到一个调节区（即启动子）附近，触发一系列分子事件，以合成该基因编码的蛋白质。就短波长光感受器而言，早在胚胎发育期时，转录因子似乎就会激活S色素基因，而M和L色素基因则受到某种未知机制的抑制，不在这些细胞上表达。

但在新大陆灵长类动物中，还有一种机制调控着长波长视锥细胞的色素基因表达，涉及一种遗传上的随机过程。雌性新大陆灵长类动物的两条X染色体携带着不同的色素等位基因，其中哪个基因会表达，取决于一种类似于“抛硬币”的分子机制——X染色体失活（X-inactivation）。在雌性动物发育早期，任何长波长视锥细胞都会随机使一条X染色体失活，保证只有一个色素基因表达，合成一种色素。由于这个过程是随机的——一半细胞表达一条X染色体上的色素基因，另一半细胞则表达另一条X染色体上的色素基因，因此在雌性新大陆灵长类动物的视网膜上，混合镶嵌着含有不同长波长色素的视锥细胞，这为三色觉的产生提供了可能。

X染色体失活存在于所有哺乳动物中，对于物种生存至关重要。如果没有这种机制，雌性动物细胞的两条X染色体都会合成蛋白质，使雌雄动物在蛋白数量上出现差异，影响某一性别或两性动物的发育。但由于旧大陆灵长类动物的每条X染色体都有M和L色素基因，单条X染色体失活无法限制每个细胞只表达一个色素基因，因此在这些动物体内，必然还存在另一种调控机制。

本文作者之一纳森斯的研究显示，旧大陆灵长类动物的视锥细胞中，一条X染色体上的两个色素基因哪个能成功表达，取决于这两个基因附近的一段DNA序列——基因座控制区（locus control region）。当动物还处于发育期时，基因座控制区就可能与色素基因的启动子相互作用，启动基因表达。但是，该区域只会启动一个色素基因，也就是说M和L色素基因中只有一个能成功表达。科学家还没有完全弄清基因座控制区的调控机制，但近年的证据显示，该区域与哪个色素基因的启动子发生相互作用可能是随机的。

如果基因座控制区和启动子的配对确实决定了视锥细胞中某个色素基因的表达，而且这种配对的确是随机的，那么在旧大陆灵长类动物的视网膜中，任一区域上M和L色素的分布也应该是随机的。美国罗切斯特大学的戴维·威廉姆斯（David Willams）及同事的研究证实，在现有检测技术条件下，这个预测是成立的。

三色觉源自偶然事件？

对灵长类动物色觉机制的研究也提示，与长波长色觉相关的某些视网膜和大脑机制可能具有高度可塑性。大脑内，有专门的神经回路来比较S视锥细胞与长波长视锥细胞发出的视觉信号，但大脑和视网膜在比较M和L视锥细胞发出的视觉信号时，更像一种即兴行为。确切地说，视觉系统似乎仅凭经验——单纯通过监视视锥细胞对视觉刺激的反应，即可判定视锥细胞的身份。

更有甚者，M和L视锥细胞发出信号后，用于传递这些视觉信号的主要神经通路甚至可能并非“色觉专用信号通路”。在某种程度上，大脑从M和L视锥细胞提取视觉信号的能力，可能源于发生在某个古老神经机制上的偶然事件——该种机制本来负责行使高分辨率空间视觉，具有检测物体边线及物体与观察者间距的能力。英国剑桥大学的约翰·莫伦（John Mollon）指出，灵长类的高分辨率空间视觉是通过M和L视锥细胞实现的，相关神经过程与M和L色觉相同——也就是说，在空间视觉中，大脑也会对比M或L视锥细胞与大群相邻同类细胞的兴奋度。目前，科学家尚未发现单独处理M和L色觉的神经通路——也许色觉本身就不需要专门的神经通路。依这种观点，三色觉可以看作是业已存在的空间视觉系统的一种“业余爱好”。

色觉存在神经可塑性让我们想到一个非常有趣的问题。先来看看灵长类动物三色觉进化的第一步：在所有现存灵长类动物的一个雌性祖先体内，一条X染色体上出现了第二个较长波长的色素等位基因。当时，我们灵长类祖先的大脑难道已经做好充分准备，来利用刚进化出来的色素，而不必再进化出新的神经回路了吗？获得一种新的色素，就足以使色觉增加一个“维度”吗？

在我们看来，如果能在一种二色觉哺乳动物中（如实验小鼠），重现灵长类动物三色觉进化的第一步，或许就有可能检验上述假设。几年前，我们开始进行相关试验：利用遗传工程技术，改造雌性小鼠的一条X染色体，使之编码人类L色素，而不是小鼠M色素，从而将亿万年前发生在灵长类动物身上的等位基因变异，导入实验小鼠体内。我们发现，经过基因改造的小鼠的视锥细胞会表达人类基因，产生人类L色素，而该色素传递光信号的效率与小鼠原来的M色素相近。正如我们预期的那样，拥有人类L色素的小鼠的敏感光谱范围要比普通小鼠更广。

我们最关心的问题是，X染色体上具有两个色素基因的雌性小鼠，能否利用镶嵌在视网膜上的、由X染色体失活机制产生的M和L视锥细胞，在更广的光谱范围内，感知并分辨不同颜色？答案只有一个字：能。

在实验室测试中，我们能训练具有M和L色素的雌性小鼠，让它们辨别绿、黄、橙和红色的图标——对普通小鼠而言，这些图标看起来几乎相同。有了新的L色素，这些小鼠的颜色分辨能力明显提高，这说明哺乳动物大脑天生就能从新的、性质迥异的视觉输入信号中提取信息。

上述发现对于理解感觉系统的进化具有非常重要的意义，因为我们从中了解到，发生在感觉系统“前端设备”（感觉感受器的基因）上的改变，能驱动整个感觉系统的进化。就灵长类动物的三色觉而言，小鼠试验告诉我们，首个具有两个不同长波长色素的灵长类动物所看到的颜色世界，是以前任何灵长类动物都从未看到过的。