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科普天地

为了让自己更绿,它们一生都在生病……

2020年07月29日 浏览量: 评论(0) 来源:环球科学 作者:石云雷 责任编辑:yjcadmin
摘要:一项最新研究发现,草蛙的皮肤中缺乏色素细胞,因此不得不在体内大量富集一种有毒色素(胆毒素),几乎接近其他蛙类的200倍。

一项最新研究发现,草蛙的皮肤中缺乏色素细胞,因此不得不在体内大量富集一种有毒色素(胆毒素),几乎接近其他蛙类的200倍。 

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草蛙(Espadarana)拥有半透明的皮肤,其皮肤中存在淋巴囊。这种草蛙能利用由血红蛋白降解产生的有毒的胆绿素。(图片来源:Santiago R. Ron)


为了捕食和躲避天敌,蛙类(无尾目)演化出了能有效融入环境的皮肤。大部分蛙类通过皮肤中的色素细胞拥有绿色或其他颜色的皮肤。但对于一些同样呈现出绿色皮肤的树蛙和草蛙来说,事情就没有这么简单了。一项最新研究发现,它们的皮肤中缺乏这些色素细胞,因此不得不在体内大量富集一种有毒色素(胆毒素),几乎接近其他蛙类的200倍。与此同时,它们还演化出了复杂的皮肤及其下层组织。


撰文 | 石云雷


发荧光的树蛙

蛙类常见的绿色皮肤帮助它们在自然环境中隐藏自己,便于捕食或逃跑。那么这些蛙类是如何变成绿色的?之前的一些研究发现,蛙类的皮肤表层存在一些色素细胞。这些细胞的排列方式、产生的各种色素成分能使蛙类表面呈现出绿色或其他颜色、特殊花纹和斑点。我们通常见到的侧褶蛙属(Pelophylax),就是其中的一类。

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一种侧褶蛙(Pelophylax esculentus)。图片来源:维基百科

2017年,阿根廷一家自然科学博物馆的研究人员在《美国科学院院刊》上发表了一篇论文。他们首次发现了一种生活在南美洲的树蛙——圆点树蛙(Boana punctata)能自然发出荧光。当用紫外线光束照射这种树蛙时,它们的皮肤能发出蓝绿色荧光。

由于荧光在四足动物中并不常见,这些研究者进一步分析了这些树蛙。他们发现,树蛙的皮肤、淋巴组织和腺体中存在一些荧光分子,将吸收的短波长的光转变成长波的光,反射出去。随后,科学家陆续在多种树蛙中发现这种现象,但关于树蛙皮肤的秘密才刚刚被揭开。

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产生蓝绿荧光的圆点树蛙(图片来源:Taboada et al,. 2020)

与大部分蛙类不同,这些树蛙是半透明的,它们缺乏色素细胞,但依旧拥有绿色的皮肤。这一现象吸引了得克萨斯大学奥斯汀分校研究人员的注意。在近期发表于《美国科学院院刊》的一篇论文中,他们指出,这些树蛙是因为变得更“毒”或者一直处于病态,才获得了保护性的绿色。

天生患病

圆点树蛙的绿色皮肤来源于它们的皮下腺体、淋巴等组织中存在的一些非细胞色素团。其中,最常见的一种色素是胆绿素。胆绿素一般由血红蛋白的代谢产物胆红素进一步代谢产生。对人体来说,这种化合物具有很高的毒性,因此当人体内产生胆绿素时,机体会通过肝胆将其迅速排除体外。而这种化合物在人体内的富集,通常会伴随出现一些代谢功能受损,如严重的肝硬化,胆管阻塞等疾病。

但是,让研究人员感到惊讶的是,圆点树蛙存在大量的胆绿素,包括它们皮下的血液、淋巴、软组织甚至是骨骼。一部分科学家认为这种树蛙天生患有黄疸,类似于人类新生儿会出现的生理性黄疸(皮肤泛黄的现象),但它们的严重程度远不止于此:圆点树蛙体内的胆绿素浓度达到了代谢功能受损的患者的4倍。相比于那些不患黄疸的其他蛙类,其胆毒素水平更是它们的200倍。

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圆点树蛙淋巴色素团主要存在一种色素蛋白(BBS)

这项新研究还显示,这种现象可能普遍存在于430多种蛙类中,它们生活在不同的地区,如马达加斯加、南美洲和东南亚等。其中,99%的蛙类为树蛙、草蛙或是与树蛙存在亲缘关系的蛙类。研究人员发现,这些分布在不同地区的蛙类通过漫长的趋同演化,各自学会了利用有毒的胆绿素。

这些蛙类到底是如何利用胆绿素的?实际上,圆点树蛙体内并非大量存在的胆绿素单体,而是后者与一种糖蛋白结合形成的化合物——胆绿素结合丝氨酸酶抑制剂(biliverdin-binding serpin,BBS)。除蓝光、绿光和部分红光外,BBS能吸收其他的可见光。正是通过这种方式,这些蛙类消除了这些胆绿素的毒性,并成功在体内保留和应用这种色素。

半透明的皮肤

当然,除了丰富的胆绿素,这些半透明的蛙能呈现出不同的绿色皮肤,还与另外一个因素有关。研究人员注意到圆点树蛙皮肤及下层的结构十分复杂,包括了4种不同的组织层,依次是皮肤组织、淋巴层(含有淋巴囊)、肌肉组织以及结缔组织下层的鸟嘌呤晶体层。

当自然光通过外层皮肤组织进入淋巴层时,经过BBS吸收后剩余的蓝绿光和部分红光会进一步穿过其肌肉组织,而结缔组织下层中由鸟嘌呤晶体形成的“反光板”,能将未被吸收的光线反射出去。因此,圆点树蛙的表面呈现为绿色和一部分红色。

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不同半透明蛙类的BBS色素团会存在差异

在独立的演化进程中,这些树蛙、草蛙体内的胆绿素能与不同的丝氨酸酶抑制剂结合,产生不同结构的BBS色素团。此外,在它们的骨骼、淋巴囊等组织中,也分布着不同的色素团。这些因素导致这些蛙类皮肤的吸收光谱发生变化,进而呈现出不同颜色的皮肤。

而最终,这些半透明的树蛙、草蛙等进过复杂的演化,也能像具有色素细胞的蛙类一样,拥有有利于在环境中隐藏和捕食的绿色皮肤。此外,它们也彻底发挥了这种演化的优势,将有毒胆绿素转变成了有益物质——研究人员发现,这些BBS色素还具有抑制病毒、清除自由基等作用,帮助这些蛙类抑制感染和炎症。


原始论文:

Multiple origins of green coloration in frogs mediated by a novel biliverdin-binding serpin

https://doi.org/10.1073/pnas.2006771117


参考链接:

Naturally occurring fluorescence in frogs

https://doi.org/10.1073/pnas.1701053114

https://phys.org/news/2020-07-green-skin-deep-hundreds-frog-species.html


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