人間は目で世界を見ますが、魚は皮膚で「世界を見る」ことができるのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 田大偉 (ポピュラーサイエンス作家)

プロデューサー: 中国科学博覧会

物を見るとき、私たちの最初の反応は目で見ることです。

しかし最近、科学者たちは、目で物を見るだけでなく、皮膚で周囲の環境を「観察」することもできる種類の魚がいることを突き止めました。死後も皮膚の受容体は機能し続けます。

ピグフィッシュは皮膚で世界を見る

この魚はLachnolaimus maximusと呼ばれています。豚の鼻に少し似た長い鼻を持っており、この鼻を使って砂の中に隠れた甲殻類を探します。この探索行動は豚が鼻を使って掘り返す行動に特に似ているため、ホグフィッシュとも呼ばれています。

ピグフィッシュ

(画像出典: Wiki)

イシダイの最も特別な点は、その鼻ではなく、色を変える能力です。

ピグフィッシュは、周囲のサンゴ礁環境に溶け込むために皮膚の色を素早く調整したり、競争相手を追い払ったり異性を惹きつけるために鮮やかな色に変えたりすることができます。

よく知られているカメレオンは、体色が変わるのに数分かかることが多いのですが、イシダイは体色が変わるのが非常に早く、皮膚の色も1秒未満で変化します。これはタコやイカなどの動物に匹敵します。

瞬時に色を変えるタコ

(画像出典: Wiki)

さらに興味深いのは、これらの魚は死後も色が変わるということです。この発見は生物学者のロリ・シュバイカート氏によってなされた。数年前、彼女は釣りをしているときにホッグフィッシュを捕まえました。そのホッグフィッシュは水から出てすぐに死んでしまいました。シュバイカートは死んだホグフィッシュを甲板に投げ捨てた。しばらくして、ホッグフィッシュを冷蔵庫に入れようとしたとき、ホッグフィッシュの皮が甲板と同じ色に変わっていることに気づいた。

この発見は彼女を大いに驚かせた。科学者たちはこれまで、イシダイは目で周囲の環境を観察し、脳を通じて皮膚に命令を送ることで体色を変えていると信じていた。しかし、ピグフィッシュが死ぬと、目と脳の視覚系は機能しなくなるのに、どうして色を変えることができるのでしょうか?イシダイは脳や目に頼らずに体色を変えることができるのでしょうか？

シュバイケルトが長毛ベラを釣る

（画像出典：ネイチャーコミュニケーションズ）

タコやイカなどの軟体動物は、皮膚の光受容器を通じて周囲の状況を感知できることはすでに知られています。しかし、これは魚類ではまだ見られていません。そこで、シュバイカート氏とその同僚は、ピグフィッシュの色の変化を研究し始めました。

2018年、シュバイカート氏とその同僚は論文を発表し、科学者らはイシダイの皮膚に光に敏感なタンパク質、視覚タンパク質SWS1が存在すると指摘した。このオプシンは、人間を含む多くの動物の錐体細胞に存在します。

5年後の2023年8月、シュバイカート氏とその同僚はネイチャー・コミュニケーションズ誌に別の論文を発表し、ブタフィッシュの皮膚の光感受性タンパク質が皮膚の色の調整にどのように役立つかを説明した。

これを理解するには、まず、ピグフィッシュの色の変化原理について話す必要があります。

生物学的色彩変化の原理

イシダイの色の変化の原理はカメレオンやタコ、イカと非常に似ており、体内の色素細胞を調節することで実現されています。

カメレオン

(画像出典: Wiki)

最新の研究で、シュバイカート氏とその同僚は、イシダイの皮膚に赤、黄、黒の色素細胞を発見した。これらの色素細胞の相対的な大きさを調整することで、皮膚は絵の具を使って色を混ぜるのと同じように、さまざまな種類の色を表現することができます。

さらに、シュバイカート氏とその同僚は、光学顕微鏡で虹色素細胞と白色色素細胞も観察した。これら 2 種類の色素細胞は、赤、黄、黒の色素細胞とは異なります。

虹彩色素細胞は実際には多くの色で存在するわけではありませんが、グアニン結晶の構造を調整して皮膚を鮮やかな色で見せます。

同様に白血球も実際に白い色素を持っているわけではなく、グアニン結晶の構造を調整することで光を反射します。

これらの色素細胞は皮膚に分布しており、イトマキエイを含む生物の色の変化の基礎となっています。

ピグフィッシュの皮膚と皮膚の色素細胞

（画像出典：参考文献[2]）

この過程で、視覚タンパク質SWS1は皮膚の内側から外側を「見る」役割を果たします。目に見える微妙な違いに基づいて、色素細胞を微調整します。

イシダイの皮膚では、SWS1 オプシンは色素細胞の下にあるため、色素細胞の大きさがオプシンに到達する光に影響します。

SWS1 は、受ける光の違いを利用して、色素細胞を微調整し、皮膚の色を周囲の環境の色に近づけることができます。

結論

動物の皮膚に視覚タンパク質が存在することは以前から知られていましたが、これらの視覚タンパク質が動物の色を変えるのにどのように役立つかを研究したことはありませんでした。

実は、生物の皮膚にある視覚タンパク質による「ものを見る」という仕組みは、「眼脳」の視覚メカニズムとは異なります。肌と環境色の違いをよりシンプルかつ迅速に判断できます。

生物学的な色の変化の原理を理解することで、近い将来、この原理に基づいた視覚センサーを作成できるようになるかもしれません。これにより、自動運転車を含む人工知能が世界をより簡単かつ迅速に「見る」ことができるようになります。

参考文献:

[1]Schweikert, LE, Fitak, RR & Johnsen, S. de novoトランスクリプトミクスにより、体色が変化する脊椎動物ホッグフィッシュ（Lachnolaimus maximus）の網膜と皮膚における異なる光伝達シグナル伝達成分が明らかになった。生理学ジャーナルA204、475-485（2018）。

[2]Schweikert、LE、Bagge、LE、Naughton、LF 他。魚の色の変化における感覚フィードバック システムとしての真皮オプシン上の動的光フィルタリング。 Nat Commun 14、4642（2023）。