章鱼以快速变化的颜色与周围环境融为一体而闻名

它是科学中最古老的谜团之一。

章鱼可能是大自然的终极怪人：它们有柔软的身体，可以挤过微小的裂缝；八个可以再生的吸盘臂；三颗通过静脉泵送蓝色血液（富含铜）的心脏；与其他无脊椎动物相比，巨大的甜甜圈形状的大脑赋予了它们更高的智力。但章鱼最令人敬畏的特征可以说是它们能够迅速改变颜色并融入周围环境，随意伪装自己。

伪装是几乎所有头足类动物（包括鱿鱼和墨鱼在内的一组海洋无脊椎动物）共有的一项重要技能，但章鱼将其提升到了一个全新的水平。这些动物具有任何头足类动物中最高分辨率的图案，并显示出整个动物王国中一些最快的颜色过渡。 （章鱼目大约有 300 种章鱼。在本文中，“章鱼”一词用于描述整个群体的总体趋势，但并非每个物种都能够变色，它们使用的伪装机制可能会有所不同.)

自从科学本身开始以来，章鱼对伪装的掌握就让研究人员感到困惑。大约 2,400 年前，通常被认为是现代科学的奠基人之一的古希腊哲学家亚里士多德记下了对章鱼伪装的详细观察——马萨诸塞州东北大学的生物化学家莱拉·德拉维 (Leila Deravi) 是已知的第一个这样做的人研究章鱼伪装力学的人。但她说，尽管章鱼伪装“已经研究和观察了几个世纪，但直到最近才取得很多进展”。

原因如下：头足类动物的颜色变化是一个复杂的过程，涉及许多不同的微观成分。这使得“几乎不可能”准确地回答它是如何工作的，Deravi 说。然而，在过去的几十年里，尖端技术使研究人员能够“梳理”头足类伪装的各个组成部分，现在开始了解它们是如何工作的，她说。

是什么让章鱼变色？

章鱼可以改变色调，因为它们有色素细胞——散布在章鱼皮肤上的微小的变色器官。

Deravi 说，每个色素细胞的核心是微小的囊，里面装满了一种叫做黄色素的色素纳米颗粒。她补充说，色素囊被弹性基质包围，而弹性基质又与围绕囊呈尖星状的肌肉细胞相连。当这些肌肉细胞收缩时，色素囊就会伸展，这使得更多的光能够进入细胞并反射出黄色素颗粒。因为黄原素会吸收某些波长或颜色的可见光，所以它从色素细胞中反射回来的光与​​最初进入细胞的光是不同的颜色。

章鱼的皮肤有三层色素细胞，每一层都有黄色素颗粒，可以反射出不同的颜色。 Deravi 说，顶层产生黄色，中间层反射回红色，底层产生棕色。章鱼可以通过改变每一层色素细胞的形状来组合这些颜色，这使得头足类动物能够创造出各种各样的色调。

每个单独的色素细胞，根据物种的大小可能有数万甚至数百万个，由章鱼大脑的直接神经信号控制，导致囊周围的肌肉收缩或放松，改变其形状。 “这就像你如何弯曲你的二头肌，你的大脑发出弯曲的信号，它会弯曲，”Deravi 说。 “有了色素细胞，[章鱼的]大脑发出信号，拉动这些肌肉打开这些囊，”然后改变皮肤的颜色。

下面的 Instagram 帖子显示了鱿鱼的色素细胞随着 Cypress Hill 乐队的歌曲“Insane in the Brain”的节拍收缩和放松。在这种情况下，来自音乐的振动被色素细胞肌肉误解为神经信号。

色素细胞不是唯一参与变色派对的结构。某些章鱼物种皮肤中的其他器官，称为虹膜细胞和白细胞，可以帮助增强或改变它们产生的颜色。

虹彩细胞比色素细胞稍大，有助于创造章鱼更发光和金属的颜色。根据 2018 年发表在《IOP 科学》杂志上的一项研究，虹膜细胞含有一种称为反射蛋白的蛋白质，它在虹膜细胞内堆积以产生类似镜子的效果。 Deravi 说，白细胞的大小与色素细胞相似，但具有专门的白色颜料而不是黄原素，它可以散射或折射光线并帮助控制颜色的对比度和亮度。虹膜细胞和白细胞都被来自大脑的神经信号扩展和收缩，就像色素细胞一样。

章鱼的皮肤中也有机器，可以帮助它们改变质地，这为它们的伪装增加了另一层。它们有被称为乳头的微小凸起，可以松弛，使皮肤像海藻一样光滑，或收缩，使皮肤像岩石一样粗糙粗糙。 Deravi 说，乳突也由来自大脑的神经信号控制，但这种纹理变化过程比颜色变化更难理解。

是什么让章鱼如此善于变色？

许多动物依赖伪装，但章鱼却独树一帜，主要是因为它们可以在截然不同的颜色之间转换的速度和准确性。 “这只是一秒钟的时间，”Deravi 说。 “我认为最快的 [转换] 不到 100 毫秒（0.1 秒），这比眨眼还快。”

相比之下，变色龙可能需要几秒钟到一分钟以上才能完全改变颜色。

章鱼可以做出如此快速的颜色变化，因为“它们的大脑与皮肤表面紧密相连，”德拉维说。 “他们有这些非常快速的信号机制，能够在他们的整个身体上说‘这里打开’和‘那里关闭’。”

大脑和皮肤之间存在这种相互联系的主要原因是，与大多数动物的大脑不同，章鱼的大脑并不局限于单个区域（即头部）。德拉维说，除了甜甜圈状的大脑外，章鱼的全身和手臂上都有“脑袋”或节点。研究人员认为，这使得章鱼的个体手臂能够拥有自己的思想，这可能会在颜色变化中发挥作用。 “然而，试图了解它是如何工作的则是另一个研究领域，”她补充道。

德拉维说，章鱼每平方英寸皮肤的色素细胞也比鱿鱼和墨鱼多，这有助于它们与其他头足类动物相比，创造出超高分辨率的图案。

然而，围绕头足类伪装还有一个未解之谜：它们如何如此擅长将自己的肤色与周围环境相匹配。尽管它们能够创造出多种不同的颜色，但大多数章鱼和其他头足类动物实际上是色盲：章鱼的眼睛只有一种感光器，细胞将光转化为神经信号，这意味着它们只能检测光的差异根据 2020 年发表在《生理学前沿》杂志上的一篇评论论文，强度。 （人眼有四种感光器。）

一种可能的解释是章鱼的眼睛能够在没有光感受器的情况下看到颜色。 2016 年发表在《生物物理学与计算生物学》杂志上的一项研究假设，章鱼眼睛中存在我们不熟悉的其他受体类型，它们可以使头足类动物以不同于人类和其他动物的方式看到颜色。

还有一些理论认为，皮肤中的光感受器可以帮助章鱼匹配周围的颜色。先前的研究表明，当章鱼看不见时，章鱼的手臂可以对光强度的变化做出反应。然而，目前还没有证据表明这有助于他们看到颜色。

德拉维说，更多地了解章鱼如何改变颜色是极具挑战性的，因为研究人员在头足类动物还活着的时候，由于它们的智慧而不能对其进行实验。 （章鱼被认为是聪明的，因为它们可以解决复杂的问题、使用工具并感到痛苦。）在英国，有人提议将章鱼和鱿鱼列为有情生物。

为什么章鱼需要伪装？

尽管章鱼伪装的机制仍未被发现，但科学家们对为什么这些令人敬畏的动物会变色的原因有了更好的理解。

“章鱼没有外部保护，”加拿大莱斯布里奇大学专门研究头足类动物行为的心理学家詹妮弗·马瑟告诉 Live Science。对于捕食者来说，章鱼是“不受保护的蛋白质包”，这意味着“基本上海洋中的每个人都想得到它们，”她说。

“进化论“从理论上讲，章鱼别无选择，”马瑟说，“没有物理保护，它必须进化出不被人看到的方式。”

一些章鱼已经开发出其他隐藏方式。例如，难以捉摸的玻璃章鱼已经失去了所有的色素细胞，变得几乎完全透明。然而，对于依赖变色的物种来说，调整色调是他们从出生那一刻起就具备的固有能力（正如您在下面的弗吉尼亚水族馆和海洋馆孵化章鱼的视频剪辑中看到的那样科学中心）。

伪装还有其他用途，例如狩猎。 “我们倾向于将其视为一种防守能力，我认为它作为一种防守更为重要，”马瑟说。 “但这并不意味着偷偷摸摸没有用。”

Mather 说，除了不被猎物注意之外，章鱼还可以使用令人吃惊的展示方式，打破伪装，用剧烈、快速的颜色过渡击晕猎物，然后迅速将其困住。

鱿鱼和墨鱼使用皮肤上的彩色显示器在个体之间进行交流。马瑟说，一些章鱼物种也这样做——它们可以产生纯色带来吸引配偶或在繁殖过程中警告对手——但这比其他头足类动物的交流显示要基本得多。然而，章鱼往往是非常反社会的动物，很少与其他章鱼互动，因此它们不太需要交流，她补充说。

也就是说，章鱼有时会使用它们的颜色与其他动物交流。例如，根据 2019 年发表在《软体动物研究》杂志上的一项研究，蓝环章鱼——四种微小但剧毒的章鱼——会产生明亮的发光环，以警告动物远离它们以免中毒。

2019年，科学家捕捉到一只名叫海蒂的章鱼在睡眠中变色的视频片段，这引发了人们猜测章鱼在做梦时也可能会变色。研究人员已经在章鱼身上发现了类似人类的睡眠周期，但并不是所有的研究人员都相信这种颜色变化绝对可以被标记为做梦。 “试图弄清楚人们如何做梦已经够糟糕的了，”马瑟说。 “完全不可能弄清楚章鱼是如何做梦的。”

虽然伪装是大多数章鱼与生俱来的能力，但研究人员怀疑这是它们在整个生命周期中变得更好的东西，通常是一到两年。 “我认为他们长大后会变得更好，”马瑟说。 “他们年轻的时候很不错，但我认为他们长大后会变得更好。”她补充说，随着时间的推移，他们还学会了将颜色变化与其他行为结合起来，例如躲在缝隙中或改变身体形状。