成年眼斑蜥蜴（Timon lepidus）的背部呈現黑色和綠色的複雜圖案。顏色圖案在動物中並不罕見，但眼斑蜥蜴以一種不尋常的方式形成其迷宮般的調色盤。
研究人員發現，在從幼年到成年的轉變過程中，蜥蜴背部的一些鱗片在檢測到相鄰鱗片的顏色後會改變顏色。該團隊在一項 4 月 12 日發表在《自然》雜誌上的研究中，將這些鱗片描述為決策單元。
一組稱為圖靈方程的數學規則描述了包括蜥蜴在內的許多動物如何形成條紋或斑點。由此產生的“圖靈模式”在整個生物體中是連續的，並且獨立於其他生物特徵（例如蜥蜴鱗片）確定。但是，成年眼斑蜥蜴的背部具有與單個鱗片相關的離散圖案。（該物種的鱗片由透明角蛋白製成，因此底層皮膚的顏色會透出來：每個鱗片要麼是黑色，要麼是綠色。）
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西班牙巴塞羅那基因組調控中心的系統生物學家 James Sharpe 說：“這就是這篇論文令人興奮的地方。生物學往往相當靈活和軟塌塌的，而這是數字化的和離散的。”
自我決定
為了研究這種現象，瑞士日內瓦大學的生物物理學家 Michel Milinkovitch 和他的同事拍攝了三隻雄性蜥蜴背部的高解析度照片。研究人員從動物兩週大時開始，一直持續到蜥蜴三到四歲。該團隊使用這些影像來追蹤每隻爬行動物背部約 5,000 個六邊形鱗片的命運。
隨著每隻蜥蜴年齡的增長，它們背部的整體圖案從帶有白色斑點的棕色變為綠色和黑色的複雜圖案。大約 1,500 個鱗片改變了顏色，使得綠色鱗片有四個黑色和兩個綠色鄰居，而黑色鱗片有三個黑色和三個綠色鄰居。這種“注意鄰居”的行為讓 Milinkovitch 想起了一個稱為細胞自動機的過程。
細胞自動機最初是在計算機科學方面描述的，是執行計算的自複製單元。在眼斑蜥蜴中，這意味著單個鱗片會彙總來自周圍鱗片的資訊——有多少是黑色，有多少是綠色——並決定自己的顏色。
Milinkovitch 說：“我們本可以就此止步。”但他想知道為什麼蜥蜴不遵循控制大多數其他動物標記的圖靈模式規則。
連線點
為了找出答案，該團隊專注於蜥蜴的皮膚細胞。蜥蜴和魚的皮膚由產生不同顏色的各種細胞型別組成。研究人員知道，例如，斑馬魚皮膚細胞相互作用以建立圖靈模式。
Milinkovitch 和他的團隊基於從斑馬魚資料中得出的方程，模擬了顏色細胞之間的相互作用，並將結果與蜥蜴皮膚上的圖案進行了比較。他們發現，眼斑蜥蜴的皮膚在每個鱗片下都很厚，這為細胞相互作用提供了空間。但在鱗片之間，皮膚很薄，細胞連線的空間較小。厚度的減小將顏色限制在蜥蜴背部的單個鱗片內。這表明動物皮膚的凹凸不平會破壞連續的圖靈模式。
Milinkovitch 說，研究人員已經表明，細胞自動機可以建立更大的圖靈模式，例如在貝殼上看到的那些。但最新的研究描述了科學家首次觀察到相反的情況：小的圖靈模式融入到大的細胞自動機中。
澳大利亞墨爾本大學的進化生物學家 Devi Stuart-Fox 說，動物顏色圖案的形成通常是定性描述的。眼斑蜥蜴的圖案可能有助於動物融入其環境。她說：“但是，當你可以證明存在可以描述生物過程的通用數學原理時，它就為理解正在發生的事情提供了一個很好的概念框架。”
本文經許可轉載，最初於 此處 發表，日期為 2017 年 4 月 12 日。