在我們的眼中，世界呈現出看似無限絢麗的色彩，從金盞花陽光般的橙色到汽車底盤的炮銅灰色，從中冬天空歡快的藍色到祖母綠閃耀的綠色。因此，令人驚奇的是，對於大多數人來說，任何顏色都可以透過以特定強度混合三種固定波長的光來再現。人類視覺的這一特性，稱為三色視覺，之所以產生，是因為視網膜，即眼睛中捕獲光線並將視覺資訊傳遞到大腦的神經細胞層，僅使用三種類型的吸光色素來實現色彩視覺。三色視覺的一個結果是，計算機和電視顯示器可以混合紅色、綠色和藍色畫素，以生成我們感知到的完整光譜的顏色。
儘管三色視覺在靈長類動物中很常見，但在動物王國中並非普遍存在。幾乎所有非靈長類哺乳動物都是二色視覺動物，其色彩視覺基於兩種視覺色素。少數夜行動物只有一種色素。一些鳥類、魚類和爬行動物有四種視覺色素，可以探測到人類看不見的紫外線。因此，靈長類動物的三色視覺似乎很不尋常。它是如何進化的？基於數十年的研究，最近對靈長類動物色彩視覺的遺傳學、分子生物學和神經生理學的研究已經產生了一些出乎意料的答案，以及關於靈長類動物大腦靈活性的驚人發現。
色素及其過去 負責人類色彩視覺的三種視覺色素的光譜敏感性在 50 多年前首次被測量，現在已經非常精確地為人所知。每種色素都吸收來自光譜特定區域的光，並以其最有效吸收的波長為特徵。短波長 (S) 色素在約 430 奈米（奈米是十億分之一米）的波長處吸收光線最多，中波長 (M) 色素在約 530 奈米處吸收光線最多，長波長 (L) 色素在 560 奈米處吸收光線最多。（作為參考，470、520 和 580 奈米的波長分別對應於典型人感知為藍色、綠色和黃色的色調。）
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這些色素，每種都由與從維生素 A 衍生而來的吸光化合物複合的蛋白質組成，位於視錐細胞的膜中：視網膜中因其錐形而得名的感光神經細胞。當色素吸收光線時，它會觸發一系列分子事件，導致視錐細胞的興奮。這種興奮反過來又啟用其他視網膜神經元，最終沿著視神經將訊號傳遞到大腦。
儘管視錐色素的吸收光譜早已為人所知，但直到 20 世紀 80 年代，我們中的一人（內森斯）才鑑定出人類色素的基因，並從這些基因的 DNA 序列中確定了構成每種色素蛋白質的氨基酸序列。基因序列顯示 M 和 L 色素幾乎完全相同。隨後的實驗表明，它們之間光譜敏感性的差異源於僅對構成每種色素的 364 個氨基酸中的三個進行了替換。
實驗還表明，M 和 L 色素基因彼此相鄰地位於 X 染色體上，X 染色體是兩條性染色體之一。（男性有一個 X 和一個 Y，而女性有兩個 X。）這個位置並不令人意外，因為人類顏色感知中的一種常見異常，紅綠色盲，長期以來已知在男性中比在女性中更常見，並且其遺傳模式表明負責基因位於 X 染色體上。相比之下，S 色素基因位於 7 號染色體上，其序列表明編碼的 S 色素與 M 和 L 色素僅存在遙遠的親緣關係。
到 20 世紀 90 年代中期，將這三種色素基因與其他動物的色素基因進行比較，已經提供了關於其歷史的大量資訊。幾乎所有脊椎動物都具有與人類 S 色素基因序列非常相似的基因，這意味著某種版本的短波長色素是色彩視覺的古老元素。兩種較長波長色素（M 和 L）的親緣色素在脊椎動物中也很普遍，並且可能非常古老。但在哺乳動物中，M 和 L 樣色素的同時存在僅在靈長類動物物種的子集中被觀察到，這表明這一特徵可能是最近才進化出來的。
大多數非靈長類哺乳動物只有一種較長波長的色素，它類似於較長波長的靈長類動物色素。較長波長的哺乳動物色素的基因也位於 X 染色體上。這些特徵引發了一種可能性，即兩種較長波長的靈長類動物色素基因最初是在早期靈長類動物譜系中以這種方式出現的：較長波長的哺乳動物色素基因在單個 X 染色體上被複制，此後，X 連鎖祖先基因的一個或兩個副本中的突變產生了兩種非常相似的色素，它們具有不同的光譜敏感性範圍，即 M 和 L 色素。
這種型別的基因複製的一種已知機制發生在卵子和精子的形成過程中。當產生卵子和精子的細胞分裂時，染色體對通常會在稱為重組的過程中交換部分，有時遺傳物質的不等交換會導致產生一條染色體，該染色體擁有一個或多個基因的額外副本。隨後在這些重複基因中引入的有益突變可以透過自然選擇來維持。也就是說，透過幫助生存，有益的突變會傳遞給後代並在種群中傳播。
在靈長類動物色彩視覺的情況下，基於“新的”M 和 L 色素（以及 S 色素）的三色視覺可能在某些環境中比二色視覺動物具有選擇優勢。例如，成熟水果的顏色經常與周圍的樹葉形成對比，但二色視覺動物不太能夠看到這種對比，因為它們對視覺光譜的紅色、黃色和綠色區域的顏色差異敏感度較低。識別可食用水果能力的提高可能會幫助攜帶賦予三色視覺突變的個體生存，並導致這些突變基因在種群中傳播。
早些時候概述的機制，基因複製，隨後是導致 DNA 序列分歧的突變，似乎是對靈長類動物 M 和 L 色素基因進化的合理解釋，因為已知這一系列事件發生在其他基因家族中。例如，考慮編碼血紅蛋白的基因，血紅蛋白是血液中攜帶氧氣的蛋白質。胎兒血紅蛋白的基因（從子宮內的第二個月開始產生）和成人血紅蛋白的基因似乎起源於單個祖先基因的副本，該基因隨後突變為對氧氣具有不同親和力的變體。同樣，免疫球蛋白，即介導免疫系統抗體反應的蛋白質，種類繁多，並且起源於單個祖先基因的複製。
通往三色視覺的兩條道路
然而，靈長類動物三色視覺進化的真實故事，結果證明既更復雜又更有趣。一個關鍵線索來自一項發現，即兩種不同的三色視覺遺傳機制似乎在靈長類動物中運作：一種在舊世界靈長類動物（在撒哈拉以南非洲和亞洲進化而來的群體，包括長臂猿、黑猩猩、大猩猩和人類）中運作，另一種在新世界靈長類動物（來自中美洲和南美洲的物種，如狨猴、絹毛猴和松鼠猴）中運作。
人類和其他舊世界靈長類動物在它們的每個 X 染色體上都攜帶 M 和 L 色素基因，並且具有三色視覺。但在過去幾十年中，對新世界靈長類動物的色彩視覺進行測試時，我們中的一人（雅各布斯）發現三色視覺僅發生在部分雌性中。所有被檢查的新世界雄性和大約三分之一的新世界雌性都表現出對中長波長顏色差異缺乏敏感性，這是二色視覺動物的典型特徵。畢竟，三色視覺並非在靈長類動物中普遍存在。
為了解釋這種奇怪的模式，幾位研究人員研究了這些新世界猴子中視錐色素基因的數量和排列。大多數物種被證明具有一個短波長色素基因（可能位於非性染色體上）和一個較長波長基因，位於 X 染色體上。換句話說，它們視覺色素的遺傳稟賦與二色視覺哺乳動物相當。那麼，它們中的任何一種怎麼可能是三色視覺動物呢？
答案是，新世界靈長類動物的基因庫包括 X 連鎖色素基因的幾種變體或等位基因，即 DNA 序列略有修改的不同版本。等位基因變異發生在許多基因中，但等位基因之間 DNA 序列的微小差異幾乎從不轉化為功能差異。然而，在新世界靈長類動物中，各種 X 連鎖色素等位基因產生具有不同光譜敏感性的色素。例如，典型的世界靈長類動物物種，如松鼠猴，在其基因庫中具有 X 連鎖視錐色素基因的三個等位基因：一個編碼類似於人類 M 色素的蛋白質，第二個編碼類似於人類 L 色素的蛋白質，第三個編碼光吸收特性大致介於前兩者之間的色素。
擁有一對 X 染色體的雌性松鼠猴，並且只有雌性松鼠猴可能繼承兩個不同的較長波長等位基因（每個 X 染色體上各一個），從而獲得三色視覺。然而，大約三分之一的雌性將會在它們的兩個 X 染色體上都繼承相同的色素等位基因，最終會像不幸的雄性一樣成為二色視覺動物。人們可以將新世界靈長類動物的三色視覺視為“窮人”或更準確地說是“窮女人”版本的舊世界靈長類動物所享有的普遍三色視覺 [要檢視相關側邊欄，請購買數字版]。
新舊世界靈長類動物之間色彩視覺的差異為這兩個群體中色彩視覺的進化提供了一個視窗。大約在 1.5 億年前，隨著非洲和南美洲大陸的逐漸分離，這兩個靈長類動物譜系開始分化；它們的遺傳隔離似乎在大約 4000 萬年前已經完成。人們可能會懷疑，這兩種三色視覺機制是在新舊世界靈長類動物譜系分離後獨立進化而來的。這兩個群體都可能從二色視覺動物開始，具有標準的哺乳動物補充：一種短波長色素和一種較長波長色素。舊世界靈長類動物中較長波長色素基因可能經歷了我們之前討論的基因複製，隨後是序列分歧。在新世界靈長類動物中，較長波長色素基因可能只是經歷了序列分歧，連續的突變產生了各種較長波長色素等位基因，這些等位基因在種群中持續存在。
然而，比較 X 連鎖視覺色素的氨基酸序列表明瞭另一種情況。在舊世界和新世界靈長類動物中，所有 M 色素都共享一組三個氨基酸，這些氨基酸賦予在 530 奈米處最大的光譜敏感性，而所有 L 色素都共享第二組三個氨基酸，這些氨基酸賦予在 560 奈米處最大的光譜敏感性。從對其他較長波長色素的吸收光譜的研究中，我們知道各種其他氨基酸中的序列變化可以將其最大敏感性轉移到更長或更短的波長。因此，新舊世界靈長類動物獨立地收斂到相同的氨基酸組以轉移其較長波長色素的敏感性似乎不太可能。
相反，認為像今天新世界靈長類動物那樣的等位基因變異是原始狀態，存在於這兩個群體的共同祖先中，並且其出現是這兩個群體通往三色視覺之路的第一步，這更有意義 [要檢視相關側邊欄，請購買數字版]。各種色素等位基因可能是透過哺乳動物較長波長色素基因中連續幾輪突變產生的，時間在舊世界和新世界靈長類動物譜系分離之前的某個時間。（我們假設中間波長色素是這種原始補充的一部分，因為其氨基酸序列包含區分 L 和 M 色素的三種序列變化的一部分，並且因為其吸收光譜介於兩者之間。）然後，在兩個靈長類動物群體分離後，在舊世界譜系的雌性中發生了一種罕見的重組錯誤，該雌性恰好攜帶較長波長色素基因的兩個不同等位基因。這種罕見事件將 M 等位基因與 L 等位基因並排放置在單個 X 染色體上，從而使三色視覺擴充套件到雄性和所有雌性。
這種遺傳創新為其攜帶者賦予瞭如此強大的選擇優勢，以至於僅具有一個較長波長色素基因的 X 染色體最終從舊世界靈長類動物的基因庫中消失了。在地理上和遺傳上分離的新世界靈長類動物中，原始的三種較長波長等位基因系統持續存在。
隨機性的作用
我們在新舊世界靈長類動物中的發現的另一個令人驚訝的含義與隨機性在三色視覺中的作用有關。我們這裡並非指最初產生賦予三色視覺的色素基因補充的隨機基因突變。生物學家通常發現，一旦有益的性狀透過這種偶然機制進化出來，它通常就會變得“硬連線”：也就是說，不偏離預定藍圖的細胞過程會一絲不苟地協調每個個體中性狀的發育。然而，對於靈長類動物的色彩視覺來說，每個生物體甚至每個發育中的視錐細胞中的隨機事件都起著巨大的，實際上是至關重要的作用。
為了解釋隨機性如何幫助產生三色視覺，我們必須首先回顧視錐細胞如何將關於顏色的資訊傳遞到大腦。事實證明，擁有三種色素型別，雖然對於三色視覺是必要的，但僅僅是一個初始條件。由各種感光器產生的訊號的神經處理是下一步。這一步至關重要，因為單個視錐細胞無法傳遞關於波長的特定資訊。每個感光器的興奮可以由一系列不同的波長觸發，但視錐細胞無法發出訊號表明它吸收了該波段內的哪些特定波長。例如，無論是被 100 個它很好吸收的波長的光子擊中，還是被 1,000 個它吸收很差的波長的光子擊中，它都可能產生相同大小的訊號。為了區分顏色，視覺系統必須比較具有不同色素型別的相鄰視錐細胞的反應。
為了使這種比較能夠最佳地工作，每個視錐細胞必須僅包含一種型別的色素，並且產生不同色素的視錐細胞必須彼此靠近地排列成馬賽克狀。事實上，在靈長類動物視網膜中，每個視錐細胞確實僅包含一種型別的視覺色素，並且不同的視錐細胞型別以所需的馬賽克方式排列。然而，三色視覺動物中的每個視錐細胞都攜帶所有三種色素的基因。視錐細胞究竟如何“決定”僅表達一個色素基因尚不完全清楚。
細胞透過轉錄因子開啟或表達它們的基因：專用的 DNA 結合蛋白，它們附著在稱為啟動子的調控區域附近，從而觸發一系列事件，導致合成由基因編碼的蛋白質。對於短波長感光器，似乎在胎兒發育過程中，轉錄因子激活了 S 色素的基因。一些未知的過程也抑制了這些細胞中較長波長色素基因的表達。
但是，另一種額外的機制控制著新世界靈長類動物中較長波長視錐細胞中的色素基因表達，這種機制涉及固有的隨機過程。在兩個 X 染色體上具有不同色素等位基因的雌性新世界靈長類動物中，任何給定的視錐細胞表達哪個等位基因取決於稱為 X 染色體失活的分子擲硬幣。在這個過程中，每個雌性細胞在發育早期隨機停用其兩條 X 染色體中的一條。X 染色體失活確保在任何較長波長的視錐細胞中僅表達一個色素等位基因（即，將產生一種型別的色素）。由於該過程是隨機的，一半的細胞表達由一條 X 染色體編碼的基因，另一半表達由第二條 X 染色體編碼的基因，因此它也確保了新世界靈長類動物雌性中的較長波長視錐細胞將在視網膜表面混合在一起，形成允許三色視覺的馬賽克。
X 染色體失活發生在所有哺乳動物中，對於物種生存至關重要。如果沒有它，雌性細胞將使用兩條 X 染色體來產生蛋白質，導致兩性在蛋白質產生量上存在差異，從而損害其中一種或兩種性別的發育。但是，由於舊世界靈長類動物在每個 X 染色體上都具有 M 和 L 色素基因，因此僅靠 X 染色體失活並不能將表達範圍縮小到這些動物的每個視錐細胞僅一個色素基因。必須還有另一種機制在運作。
內森斯的研究表明，舊世界靈長類動物視錐細胞表達的兩個 X 連鎖色素基因中的哪一個是由附近的 DNA 序列決定的，該 DNA 序列被稱為基因座控制區。選擇可能是在發育過程中做出的，當時在每個視錐細胞中，基因座控制區與兩個相鄰色素基因啟動子中的一個且僅一個相互作用，即 M 或 L 色素的啟動子，但不是兩者都相互作用，並開啟該基因。相互作用的細節尚未詳細描述，但目前的證據表明，這種選擇可能是隨機的。
如果基因座控制區和一個啟動子的這種配對確實決定了視錐細胞中的色素基因表達，並且如果它實際上是隨機的，那麼舊世界靈長類動物視網膜的任何小區域內 M 和 L 視錐細胞的分佈也應該是隨機的。羅切斯特大學的大衛·威廉姆斯和他的同事的研究表明，在當前用於繪製視錐細胞分佈圖的技術限制範圍內，這一預測成立。
偶然的色彩學家
檢查靈長類動物色彩視覺基礎的研究也暗示，某些與較長波長色彩視覺相關的視網膜和大腦機制可能具有高度可塑性。儘管存在專門的電路用於將來自 S 視錐細胞的視覺資訊與來自較長波長視錐細胞的組合訊號進行比較，但大腦和視網膜在將來自 M 視錐細胞的訊號與來自 L 視錐細胞的訊號進行比較時，似乎更具即興性。特別是，視覺系統似乎僅透過經驗來學習這些視錐細胞的身份，也就是說，透過監測視錐細胞對視覺刺激的反應。
更重要的是，似乎傳達來自這些較長波長視錐細胞的反應的主要神經通路甚至可能不是專門用於色彩視覺的。相反，從 L 和 M 視錐細胞中提取關於色調資訊的能力可能是一個意外的幸運，這要歸功於一種古老的用於高解析度空間視覺的神經裝置，該裝置進化而來是為了檢測物體的邊界及其與觀察者的距離。劍橋大學的約翰·莫倫指出，在靈長類動物中，高解析度空間視覺是由較長波長視錐細胞介導的，並且涉及與較長波長色彩視覺相同的神經處理型別，也就是說，將一個 L 或 M 視錐細胞的興奮與大量 L 和 M 鄰居的平均興奮進行比較。尚未發現用於較長波長色彩視覺的單獨電路，也許不需要單獨的電路。在這種觀點看來，三色色彩視覺可以被認為是預先存在的空間視覺系統的一種愛好。
神經可塑性在色彩視覺中的暗示引導我們提出了一個有趣的問題。我們設想，靈長類動物三色視覺進化的第一步是在所有現代靈長類動物的早期雌性祖先中出現第二個較長波長的 X 連鎖等位基因。祖先靈長類動物的大腦是否能夠即興發揮到足以“立即使用”新的色素，而無需進化出新的神經迴路？獲得第三種類型的色素本身是否足以增加色彩視覺的另一個維度？
我們突然想到，如果我們可以在二色視覺哺乳動物（如實驗小鼠）中重新創造靈長類動物三色視覺進化的最初步驟，我們或許可以檢驗這個想法。我們透過對小鼠 X 染色體進行基因工程改造開始了這項實驗，使其編碼人類 L 色素而不是小鼠 M 色素，從而引入了等位基因變異，我們認為這種變異可能發生在數百萬年前的二色視覺靈長類動物中。然後，我們證明了由此產生的小鼠品系在其視錐細胞中表達人類基因，並且人類 L 色素傳遞光訊號的效率與小鼠 M 色素相當。此外，正如預期的那樣，表達人類 L 色素的小鼠比普通小鼠對更廣泛的波長範圍敏感。
但對於我們的目的而言，關鍵問題是：具有兩個不同 X 染色體色素基因的雌性小鼠是否可以使用 X 染色體失活產生的 M 和 L 視錐細胞視網膜馬賽克，不僅感知而且辨別這個更廣泛波長範圍內的差異？簡短而令人驚訝的答案是，它們可以。
在實驗室測試中，我們能夠訓練同時具有 M 和 L 色素的雌性小鼠區分綠色、黃色、橙色和紅色面板，而這些面板在普通小鼠看來完全相同。伴隨著新的 L 色素，這些小鼠顯然獲得了額外的感官體驗維度，這意味著哺乳動物的大腦具有從新穎且性質不同的視覺輸入型別中提取資訊的先天能力。
這一發現對感覺系統的整體進化具有啟示意義，因為它表明，系統“前端”的改變，即感覺受體基因的改變，可以驅動整個系統的進化。關於靈長類動物的三色視覺，小鼠實驗也表明，第一隻具有兩種不同較長波長色素的靈長類動物看到了一個以前任何靈長類動物都從未見過的色彩世界。
編者注：本文最初以“靈長類動物色彩視覺的進化”為標題發表