​​由科学研究生院讲师山下高廣、名誉教授七田芳則 （现为立命馆大学客座教授）和冈山大学助理教授小島慧一领导的一个研究小组揭示了夜行壁虎如何在黑暗中具有分辨颜色的特殊能力。

我们人类只能在强光下分辨颜色，但在黑暗中却无法分辨。 这是因为我们有三个在强光下工作的感光蛋白（锥体视物质），但只有一个在黑暗中工作的感光蛋白（视紫质）。 这种在黑暗中辨别颜色的能力是许多脊椎动物的共同特点。许多种类的壁虎是夜间活动的，并被认为能够在黑暗中分辨出颜色。但是由于壁虎没有感光蛋白视紫质，它们需要在黑暗中使用通常在强光下工作的三种锥体来感受物质。研究小组调查了夜行壁虎的锥体光感受器的特性，发现，几个氨基酸的替换改变了光感受器的特性，使它们适应于"在黑暗中感受东西"。 换句话说，壁虎通过以自己的方式改变其光感应蛋白的属性，获得了在黑暗中分辨颜色的能力。生活在我们身边的壁虎利用其特殊的许多脊椎动物所不具备的视觉，准确地识别并捕食潜伏在黑暗中的害虫。这项研究的结果于2021年10月2日发表在国际期刊《Science Advances》上。

1. 背景

动物利用视觉信息来了解它们周围的环境，如食物和敌人的存在，并帮助它们活动。许多脊椎动物，包括人类，在观察物体时都能区分颜色。 这种颜色辨别需要动物的眼睛里有几种类型的感光细胞*1，每一种都对不同波长有光有反应。 人类有三种类型的感光细胞（锥体），它们在强光下工作，含有光敏蛋白*2（锥体感光器），分别吸收红、绿和蓝光。 另一方面，我们只有一种感光细胞（杆状细胞），它在黑暗中工作，其中的光敏蛋白视紫质（rhodopsin）与锥体感光蛋白略有不同。因此，人类能够在强光下分辨颜色（红-绿-蓝三色色觉），但在黑暗中却不能分辨。这种锥状体和杆状体的组合是许多脊椎动物所共有的，并导致了只在强光下分辨颜色的能力（图1）。

 

在日本，我们时常在房屋中看到壁虎，长期以来被人们称为 "房屋的守护者"，因为它们生活在黑暗中，能捕食屋内和屋外的害虫。与许多其他脊椎动物不同，人们早就知道夜行壁虎会改变其光感受器细胞库。具体说，夜行壁虎的眼睛有三种在黑暗中工作的感光蛋白（锥体视物质），包含吸收红、绿和紫光的锥体光感受器（图1）。夜行壁虎被认为在黑暗中使用这三种棒状蛋白来辨别颜色。然而，分子研究表明，这些棒状蛋白具有不同的特性，锥体视物质在白天强光下工作，而视紫质在黑暗中工作。因此，为了使夜行壁虎将其锥状光感受器用于"暗视觉"，必须改变锥状光感受器的特性。

图1 脊椎动物的感光细胞和感光蛋白

包括人类在内的许多椎动物的眼睛都含有一种杆状体和几种锥状体，每种杆状体都含有视紫质和锥状体蛋白。 在夜行壁虎的眼睛里，只有三种类型的杆状物，其中包含锥体视物质。

 

2. 研究方法和结果

利用我们开发的一种实验技术，我们研究了夜行壁虎杆中锥体光学物质的特性。我们关注的是光感应蛋白的特性，它不是 "在有光的情况下有反应"，而是"在没有光的情况下有错误的反应"。 光感应蛋白在有光的情况下做出反应是很重要的，但在极少数情况下，它在没有光的情况下也会出现错误的反应*3。 在没有光的情况下，这种错误的反应（噪音）会干扰 "黑暗中的视觉"，它对少量的光很敏感。人们知道，视紫质将这种噪音反应抑制到很低的水平，从而使 "黑暗中的视觉 "成为可能。另一方面，在强光下看物体时，由于强光进入眼睛，有必要降低对光的敏感性。由于这个原因，人们知道锥体视物质具有高噪音反应，并在 "强光视觉"中发挥作用。

 

这项研究表明，由于几个氨基酸的替换，夜行壁虎的棒状体中的锥体光感受器具有低噪音反应，类似于荷尔蒙，这使得它们适应于 "黑暗中的视觉"（图2）。换句话说，夜行壁虎已经将原本负责"光视觉"的光感应蛋白的特性调整为"暗视觉"。因此，夜行壁虎被认为获得了一种特殊的视觉功能，称为"黑暗中的色觉"，它使用三种在黑暗中工作的棒状物（图3）。 人们认为，我们熟悉的壁虎利用其特殊的色觉，即许多脊椎动物所不具备的色觉，准确地识别并捕食潜伏在黑暗中的害虫。

 

日本的壁虎一般是夜间活动，但在马达加斯加和其他热带国家，有昼伏夜出的壁虎，被称为 "山地壁虎"。这些物种被认为是独立于夜行动物进化的，昼伏夜出的壁虎的眼睛只有三种类型的锥体，锥体光感受器充当红-绿-紫光的吸收器（图3）。人们认为，昼伏夜出的壁虎利用这三种锥体在强光下辨别颜色。而对昼行壁虎的这些锥体特性的研究表明，它们具有较高的噪声反应，适合于 "强光视觉"（图3）。 换句话说，昼行壁虎在从夜行壁虎进化的过程中，重新调整了其光感应蛋白的特性，以适应"光视觉"。因此，昼伏夜出的壁虎使用在强光下工作的三类锥体重新获得了"光色视觉"（图3）。因此，可以说壁虎使它们的色觉适应它们的日常节奏，并在它们的活跃期利用颜色来感知它们的周围环境。

 

图2.壁虎锥体视觉材料中的噪音频率

夜间壁虎杆状锥体光感受器中的噪声频率低于昼间蜥蜴锥体光感受器中的噪声频率，这与荷尔蒙的情况相同。 相反，昼伏夜出的壁虎锥体中的锥体光感受器比较吵闹，蜥蜴的锥体光感受器也是如此。

 

图3.夜行壁虎的金字塔形视觉材料已经获得了一些特性，通过减少噪音使其适合 "在黑暗中看东西"。

人们认为，夜行壁虎使用三种棒状物，包括这种特殊的锥状物，在黑暗中辨别颜色。 昼伏夜出的壁虎的金字塔形光感受器比较吵闹，在 "见光 "方面起作用。 人们认为，昼伏夜出的壁虎使用三种锥体，包括这种锥体材料，在强光下辨别颜色。

 

3. 研究未来展望

这项研究表明，壁虎在进化过程中不仅通过改变眼睛中感光细胞的形态，而且还通过改变在其中起作用的光感应蛋白的性质来调整其视觉功能，以改变其生命节奏。 在自然界中，还有一些动物根据它们的生活模式和生活的光环境（如深海或土壤，光照很少），改变其光感受器细胞的形态和剧目。 通过澄清这些动物中光敏蛋白的性质，我们希望能更好地了解它们在分子水平上对其栖息地的适应程度。

 

4. 术语解释

*1 光感受器细胞 光感受器细胞（也叫感光细胞）存在于脊椎动物眼睛的视网膜中，负责视觉。 棒状体负责黑暗中的视觉，而锥状体负责光下的视觉。

 

*2负责动物视觉功能的光感应蛋白被称为光感受器，在脊椎动物中，它们通常被分为杆状光感受器（rhodopsins）和锥状光感受器（cones）。 在脊椎动物中，有两种类型的视质：通常存在于杆状体的视紫质（rhodopsin）和通常存在于锥状体的锥状视质。视质蛋白包含视网膜，这是维生素A的衍生物，它被光激活并引发光感受器反应。

 

*3虚假信号（噪音）

*正常情况下，光感受器对光有反应，引发光感受器的反应。 然而，如果光感受器在没有光的情况下发生错误的热反应，所产生的光感受器反应与依赖光的光感受器反应无法区分，因此是一个错误的信号，导致视觉功能的敏感性丧失。 由于黑暗中的视觉需要对光有很高的敏感度，所以在没有光的情况下减少错误反应（噪音）的频率是很重要的。另一方面，在强光下的视觉需要对光有较低的敏感性，所以在没有光的情况下增加错误反应（噪音）的频率是很重要的。

 

5. 研究者的话

众所周知，有些动物具有独特的获得特殊的视觉功能。在这项研究中，通过使用我们研究小组开发的实验方法，我们能够从分子水平上澄清壁虎特殊视觉功能的起源，而这一问题在90多年来一直是个谜。动物为了自己的生存策略，精心开发了人类所不具备的独特能力，这给我留下了深刻印象。​​​​