无论是绿色、蓝色、紫色还是橙色，对章鱼来说，都不是一件容易的事。头足类动物以其 惊人的伪装能力 和通过快速变色的皮肤进行 交流 的能力而闻名。然而，根据11月18日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项 研究，改变颜色或保持某种颜色需要付出相当大的努力。新的研究表明，章鱼激活其变色系统所消耗的能量，与它们维持静息代谢率的其他所有方面（包括消化、呼吸、器官功能和循环）所消耗的能量相当。
这些研究结果首次量化了激活色素细胞（连接到头足类动物肌肉和神经系统的特殊变色器官，像像素点一样布满在海洋无脊椎动物的皮肤上）所需的能量。静息状态下，色素细胞呈球形，显示为小的色素点——但当它们扩张时，会变成扁平的彩色圆盘，视觉上融合成令人惊叹的图案。
视频：白光下章鱼皮肤色素细胞的扩张。图片来源：Sophie Sonner.
不同种类的头足类动物拥有不同浓度的色素细胞。该研究使用的浅水章鱼（红章鱼）每平方毫米皮肤上的色素细胞约有 230个，这使得它们能够呈现高分辨率的色彩。
“章鱼拥有高清或4K分辨率的皮肤，”圣弗朗西斯大学研究头足类动物的海洋生物学家 Matthew Birk 说。Birk 未参与这项新研究，但他表示“这是一项非常出色的研究。”他解释说，“研究人员能够分离出这些章鱼每天消耗的能量中，有多少用于使用它们的伪装系统……我不知道还有其他人如此清晰地分离出[代谢]的这一部分。我非常惊讶于它的运行成本如此之高。”
在完全静息时，章鱼非常苍白——接近白色，带有细小的斑点。该研究的主要作者 Sofie Sonner（她在华盛顿州瓦拉瓦拉大学攻读硕士学位期间完成了这项工作）指出。这意味着，几乎任何时候你看到一张浅水章鱼外出活动的图片或视频，并且它呈现出紫褐色、红色或有图案的颜色，它都处于紧张状态。“它们必须收缩皮肤中的肌肉才能做到这一点，”瓦拉瓦拉大学生物学教授、该研究的合著者 Kirt Onthank 解释说。
为了量化这种颜色变化的运动所需的消耗，Onthank 和 Sonner 从17只活体红章鱼身上取了小块皮肤样本。科学家们暂时麻醉了这些头足类动物，以便在最小的不适下进行小切片活检。“我们将它们放入乙醇中，然后逐渐提高乙醇浓度，直到它们醉到昏过去为止，”Onthank 说。“我们醒来后，它们似乎并没有受到太多影响，”他补充道。
采集后15分钟内，每块皮肤样本都被安装在特制的显微镜载玻片装置上，该装置配有氧传感器和3D打印腔室。在重复试验中，科学家们在皮肤样本仍然新鲜且细胞保持活性和响应的情况下，将其暴露在黑暗和光照条件下，从而交替地激活和扩张色素细胞。他们测量了氧气消耗，以此作为实验每个阶段细胞代谢和能量使用的代表。
视频：华盛顿州惠德比岛附近野生红章鱼改变颜色。图片来源：Kirt L. Onthank.
过去对 鱼类 和 蝾螈 等其他变色生物的研究，试图通过将生物置于不同环境中来诱导变色，然后评估氧气或食物消耗，来量化整个个体变色的成本。然而，这些 past studies 并不精确，因为很难将诱导变色带来的影响与在实验室环境中操纵动物所带来的压力区分开来。
新方法消除了这一挑战，并显示当色素细胞扩张时，皮肤样本的氧气消耗急剧增加（从0飙升至60）。通过使用3D扫描仪扫描章鱼获得的复杂章鱼表面积模型，Onthank 和 Sonner 估计，激活色素细胞的总体身体成本大约相当于维持动物静息状态下所有其他生理过程的能量。“这相当于它们神经系统、肠道——它们所有其他部分的能量，”Onthank 说。“尽管章鱼能轻松地改变颜色，但对它们来说并非如此。”
Sonner 表示，即使是这个估计也可能过于保守——因为他们对章鱼表面积的评估过于简化和光滑化了头足类动物，未能考虑到每一个凹凸和纹理。此外，评估一小块皮肤的能量使用，并不能衡量头足类动物在协调全身伪装时可能动用的认知努力。Onthank 表示，未来的研究将希望比较不同物种的色素细胞能量消耗，研究质量与色素细胞需求之间的关系，并开发出一种更好的方法来测量与颜色变化相关的实时全身能量使用。
但目前，色素细胞明显的极高成本，加剧了这种昂贵系统如何进化的进化谜团，Birk 说。当代头足类动物的祖先有外壳来保护，但在这个谱系中，它们在某个时候失去了外壳——这可能因为拥有柔软灵活的身体而不是坚硬沉重的身体变得更有优势。“它们之所以这样做，有不同的可能性，但显然它们做到了，而且对它们很有用——考虑到成本如此之高，这令人印象深刻，”他说。
视频：在华盛顿州罗萨里奥海滩海洋实验室，一只章鱼捕食螃蟹并改变颜色。图片来源：Kirt L. Onthank。
虽然这提出了新的问题，但它也为其他问题提供了可能的答案。激活色素细胞网络所需的努力，可能解释了头足类动物行为和生态学的一些方面。例如，研究作者推测，颜色变化的能量成本可能解释了为什么章鱼花大量时间躲在洞穴里，并且倾向于夜行性，即使它们拥有高超的伪装能力。Onthank 说：“如果你每次出门都需要巨大的能量，因为你必须每次都盛装打扮，也许你会等到所有人都走了，你就可以穿着睡衣出门了”——这使得章鱼就像那些敬业但隐居的化妆和时尚影响者。
新的研究结果也可能阐明为什么深海头足类动物拥有简化的色素细胞系统。Onthank 说：“你越往下走，就越黑暗，这意味着章鱼不太需要担心被捕食者看到。‘大自然倾向于走更容易的路，’他补充道。‘如果你不需要一个非常昂贵的系统，那么你很可能会把它淘汰掉。’”
