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小鼠看到颜色以后
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每天早上去实验室，我都会在伯克利校园里遇到一位白发苍苍的盲眼老人，他是在一只导盲犬的带领下来这里散步的。尽管我知道经过训练的导盲犬很值得信赖，但一想到这位老人要穿过校园外繁忙的车流来到这里，而导盲犬并不能识别红绿灯这样的交通指示灯，我的心里还是会不自主地紧张一番。
出于职业的本能，我常常问自己，能不能培育出“升级版”的导盲犬，让它们能够分辨出交通指示灯和其他颜色，从而对盲人的服务更安全？又或者能不能让因为先天性基因缺陷而导致的红绿色盲病人得到彻底的治疗，让他们跟我们一样，享有丰富多彩的人生？
我们人类和一些高等的灵长目动物能够辨别以红、绿、蓝为基础的丰富多彩的颜色，就是人们通常说的色觉。这是因为在我们视网膜的细胞内有三种不同的感光色素，它们分别对红光、绿光和蓝光最为敏感。这三种感光色素的蛋白，也就是我们所说的“三色视觉受体”，分别由三个基因控制。而其他较为低等的哺乳动物，比如小鼠和狗，则缺乏对红色敏感的感光细胞，小鼠本身感光色素蛋白的基因一个常染色体上（蓝色），一个位于X染色体上（绿色），所以它们天生都是红绿色盲（小鼠也不能分辨绿色吗？它不是有绿色感光色素蛋白的基因吗？有红色色盲这一说法吗？我只知道红绿色盲）。
2007年3月，色觉研究取得了一个很重大的突破。约翰霍普金斯大学的杰里米?内森（Jeremy Nathans）教授和加州大学圣巴巴拉分校的科学家们用人类红色感光色素蛋白的基因替代了小鼠位于X染色体上的绿色感光色素蛋白的基因，然后让这个小鼠正常繁衍后代。在它的后代里，雄性还是色盲。因为雄性只有一个X染色体，也就只能有一个感光色素蛋白基因，最多不过是X染色体上的那个基因被“偷梁换柱”，由绿色变成了红色。雌性后代就不一样了，它们有两个X染色体，如果刚好一个是小鼠本身感光色素蛋白的基因（绿色），另一个是被替换过的（红色），加上常染色体上的蓝色感光色素蛋白的基因，神奇的事情就发生了：这种小鼠拥有了三个不同颜色的感光色素蛋白基因。也就是说，这种小鼠获得识别多种颜色的能力。
那么，怎么知道这些小鼠确实获得了识别颜色的能力呢？在实验室里，对小鼠进行了和作游戏一样的行为学实验：在密闭试验台上放置三块可以自动显示不同颜色的面板，面板的下面有可以控制开关的小门。面板的颜色是可以随机变化的，其中一个是参照色，两个是测试色。试验的时候，把小鼠放进去。小鼠开始在试验台里惶恐不安，到处乱撞，并不知道要它们干什么。当它无意用鼻子顶开颜色接近参照颜色的面板后，它得到了一滴自动分配到这个面板之下的豆奶。之后，反复测试。后来，只要把小鼠放进去，它就会去顶正确面板下面的小门，寻找豆奶。
说实话，天天在实验室里看小鼠为豆奶而努力，其实是个很枯燥的工作。不过经过数万次的测试，终于得到了一些不同寻常的结果——用基因技术改造过的小鼠频频轻而易举的获取豆奶，识别颜色的正确率在80％以上。而那些没有经过改造的正常小鼠则只能靠“蒙”来骗点吃吃喝喝。
这项试验，真正让科学家们惊奇的不是验证了这些小鼠的确获得了分辨颜色的能力，而是小鼠能够立刻利用这种能力。人类在利用色觉方面，更重要的是大脑在起作用：视网膜把光信号转换成电信号，传送给大脑。大脑做出一系列复杂的处理之后，才能在高级中枢产生意识，这样我们才能分辨不同的颜色。能够频频分辨出颜色的小鼠大脑里，显然发生了些变化。现在，我们正试图寻找出小鼠的大脑究竟发生了什么变化。虽然我们现在还不知道这些变化是什么，但大脑表现出的可塑性和接受、处理新信息的潜力是让人吃惊的。
内森说，我们今天在这些小鼠中看到的是“具有革命性意义的事件，正如同发生在某位很久远以前的灵长类共同祖先身上的改变一样。”小鼠色觉试验说明，一个好的基因突变发生了，大脑接受和处理新信息的能力使得这个个体马上获得了新的生存技能，表现出了生存的竞争优势。对于我们远古的某位祖先来说，忽然获得的基因突变，使它蹲在树上时可以更加容易的分辨出藏在绿叶丛中红色的果子。而红色，意味着成熟和更多营养，色觉对生存带来的好处再明显不过了。“这种改变最终使我们今天具有了色觉。”内森说。
同时，这项研究对我们理解其他感觉系统的进化也有借鉴意义，诸如味觉、嗅觉进化问题的研究和解释变得更容易理解了。比如狗有异常发达的嗅觉，可以区分出多种气味，原因在于狗的鼻腔里有众多嗅觉感受器。那么狗的祖先是如何获得如此多的嗅觉感受器的呢？可能的答案是基因突变产生了新的感受器，由于大脑的超强可塑性，突变个体就获得了处理新感受器发送来信息的能力，产生了生存优势，并在后代中传递了这些优秀的突变基因。
那么，今天利用同样的基因技术，培育出可以识别红绿的导盲犬就不再是幻想。不久的将来类似的转基因技术也许可以应用到我们人类自己身上，不但让红绿色盲病人看到色彩斑斓的世界，或者似乎也可以让人类拥有一些别的特殊能力，比如和狗一样灵敏的鼻子？品尝更富有丰富层次感美味的舌头？我们的大脑已经准备好了，随时接受新的信息！
本文发表于华夏地理杂志
https://blog.sciencenet.cn/blog-3195-6127.html
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下一篇：墙内开花的中医怎样的墙外香？
出于职业的本能，我常常问自己，能不能培育出“升级版”的导盲犬，让它们能够分辨出交通指示灯和其他颜色，从而对盲人的服务更安全？又或者能不能让因为先天性基因缺陷而导致的红绿色盲病人得到彻底的治疗，让他们跟我们一样，享有丰富多彩的人生？
我们人类和一些高等的灵长目动物能够辨别以红、绿、蓝为基础的丰富多彩的颜色，就是人们通常说的色觉。这是因为在我们视网膜的细胞内有三种不同的感光色素，它们分别对红光、绿光和蓝光最为敏感。这三种感光色素的蛋白，也就是我们所说的“三色视觉受体”，分别由三个基因控制。而其他较为低等的哺乳动物，比如小鼠和狗，则缺乏对红色敏感的感光细胞，小鼠本身感光色素蛋白的基因一个常染色体上（蓝色），一个位于X染色体上（绿色），所以它们天生都是红绿色盲（小鼠也不能分辨绿色吗？它不是有绿色感光色素蛋白的基因吗？有红色色盲这一说法吗？我只知道红绿色盲）。
2007年3月，色觉研究取得了一个很重大的突破。约翰霍普金斯大学的杰里米?内森（Jeremy Nathans）教授和加州大学圣巴巴拉分校的科学家们用人类红色感光色素蛋白的基因替代了小鼠位于X染色体上的绿色感光色素蛋白的基因，然后让这个小鼠正常繁衍后代。在它的后代里，雄性还是色盲。因为雄性只有一个X染色体，也就只能有一个感光色素蛋白基因，最多不过是X染色体上的那个基因被“偷梁换柱”，由绿色变成了红色。雌性后代就不一样了，它们有两个X染色体，如果刚好一个是小鼠本身感光色素蛋白的基因（绿色），另一个是被替换过的（红色），加上常染色体上的蓝色感光色素蛋白的基因，神奇的事情就发生了：这种小鼠拥有了三个不同颜色的感光色素蛋白基因。也就是说，这种小鼠获得识别多种颜色的能力。
那么，怎么知道这些小鼠确实获得了识别颜色的能力呢？在实验室里，对小鼠进行了和作游戏一样的行为学实验：在密闭试验台上放置三块可以自动显示不同颜色的面板，面板的下面有可以控制开关的小门。面板的颜色是可以随机变化的，其中一个是参照色，两个是测试色。试验的时候，把小鼠放进去。小鼠开始在试验台里惶恐不安，到处乱撞，并不知道要它们干什么。当它无意用鼻子顶开颜色接近参照颜色的面板后，它得到了一滴自动分配到这个面板之下的豆奶。之后，反复测试。后来，只要把小鼠放进去，它就会去顶正确面板下面的小门，寻找豆奶。
说实话，天天在实验室里看小鼠为豆奶而努力，其实是个很枯燥的工作。不过经过数万次的测试，终于得到了一些不同寻常的结果——用基因技术改造过的小鼠频频轻而易举的获取豆奶，识别颜色的正确率在80％以上。而那些没有经过改造的正常小鼠则只能靠“蒙”来骗点吃吃喝喝。
这项试验，真正让科学家们惊奇的不是验证了这些小鼠的确获得了分辨颜色的能力，而是小鼠能够立刻利用这种能力。人类在利用色觉方面，更重要的是大脑在起作用：视网膜把光信号转换成电信号，传送给大脑。大脑做出一系列复杂的处理之后，才能在高级中枢产生意识，这样我们才能分辨不同的颜色。能够频频分辨出颜色的小鼠大脑里，显然发生了些变化。现在，我们正试图寻找出小鼠的大脑究竟发生了什么变化。虽然我们现在还不知道这些变化是什么，但大脑表现出的可塑性和接受、处理新信息的潜力是让人吃惊的。
内森说，我们今天在这些小鼠中看到的是“具有革命性意义的事件，正如同发生在某位很久远以前的灵长类共同祖先身上的改变一样。”小鼠色觉试验说明，一个好的基因突变发生了，大脑接受和处理新信息的能力使得这个个体马上获得了新的生存技能，表现出了生存的竞争优势。对于我们远古的某位祖先来说，忽然获得的基因突变，使它蹲在树上时可以更加容易的分辨出藏在绿叶丛中红色的果子。而红色，意味着成熟和更多营养，色觉对生存带来的好处再明显不过了。“这种改变最终使我们今天具有了色觉。”内森说。
同时，这项研究对我们理解其他感觉系统的进化也有借鉴意义，诸如味觉、嗅觉进化问题的研究和解释变得更容易理解了。比如狗有异常发达的嗅觉，可以区分出多种气味，原因在于狗的鼻腔里有众多嗅觉感受器。那么狗的祖先是如何获得如此多的嗅觉感受器的呢？可能的答案是基因突变产生了新的感受器，由于大脑的超强可塑性，突变个体就获得了处理新感受器发送来信息的能力，产生了生存优势，并在后代中传递了这些优秀的突变基因。
那么，今天利用同样的基因技术，培育出可以识别红绿的导盲犬就不再是幻想。不久的将来类似的转基因技术也许可以应用到我们人类自己身上，不但让红绿色盲病人看到色彩斑斓的世界，或者似乎也可以让人类拥有一些别的特殊能力，比如和狗一样灵敏的鼻子？品尝更富有丰富层次感美味的舌头？我们的大脑已经准备好了，随时接受新的信息！
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