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為什麼很多動物都有條紋?

2019年04月21日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 3 ℃ 次

【嚕嚕的回答(19票)】:

10.16日更新,在評論 @芝士喵的提醒下,特地去看了一下幾篇關於斑馬條紋的文章,不贊同現排名第一@趙騫(抱歉無法@) 的部分觀點。我認為@ 趙騫的這個觀點

「最好玩的是,這兩個研究都沒有觀察到條紋密度和獅群活動的相關性,把那個聽起來最神奇:神馬條紋會讓捕獵者在某些光線下產生幻覺的假說給排除了。」

並不正確,屬於誤解了原文作者的意思。文章鏈接:rsos.royalsocietypublishing.org 可以免費查看全文

原文作者並沒有排除條紋會迷惑捕食者這個可能性。而是以他的研究方法,無法做出這個推斷,理由如下:

正如@趙騫答主所介紹的,這篇文章研究了不同地方的同一個斑馬物種的不同種群各項條紋參數的差異,並且統計了各個地方的包括溫度、蚊蟲數量、獅子數量等等環境因素,得出的實驗結果

Environmental variables successfully explained at least 30% and as much as 63% of the variance for 12 of 18 striping characteristics: foreleg stripe number, thickness, saturation and overall definition, hind leg stripe thickness and definition, torso stripe number, length, thickness, saturation and definition, and belly stripe number (table 1). The most consistently important variables were isothermality

Estimated tsetse fly and lion distributions, by contrast, consistently failed to predict stripe pattern variation

大意是在眾多環境因素裡溫度與條紋的關係最大,采采蠅(一種叮咬斑馬的蟲子)和獅子的活動與條紋性狀沒有顯著關係

作者對此的討論是:

It is not particularly surprising that probabilities of lion occurrence failed to predict zebra stripe pattern, as lion are nearly ubiquitous throughout the range of plains zebra and the predicted probability of occurrence does not vary greatly (electronic supplementary material, figure S3). The predicted probability of lion in the region inhabited by the minimally striped quagga is approximately average relative to our other locations.

大意是獅子在作者並不驚訝獅子的活動與斑馬條紋情況相關性不大,因為獅子在選取的那些不同地點都大量分佈,數量(獅群活動)在不同的地方根本就差別不大。

One factor that could make it difficult to detect a true effect of striping on predation using our dataset is a potential interaction between the animal pattern and the background pattern in creating camouflage or predator confusion.Quantification of the backgrounds provided by the habitats inhabited by zebra would be useful.

大意要判斷條紋是否真的有偽裝迷惑作用有一個很大的研究困難,因為斑馬條紋和斑馬生活的環境背景之間的相互作用可能起到偽裝和迷惑捕食者者的作用。言外之意是條紋的稀疏等指標可能不能單獨拿來考慮,要和所處的不同環境一起考慮。舉個例子,小白兔渾身白毛在野外很顯眼,但是在寒冷的下雪的地方呢,則是一種不錯的偽裝,我也可以推斷,就算有些地區斑馬條紋稀疏不那麼密,也可能可以和當地的特殊環境一起構成一種強有力的偽裝和迷惑。

所以作者是有一句說一句,本文其實主要想要驗證的是環境溫度和條紋之間的關係,獅群活動作者只是作為一個次要指標順便看一看。

至於條紋是不是真的具有迷惑作用,這本身的研究並不多,倒是有用計算機模擬,假設人是捕食者,結果是條紋可以起到一定的迷惑作用。文章鏈接m.rspb.royalsocietypublishing.org

同樣這篇文章也可以免費查看全文。

以下原答案————————————————————————

謝邀,這個問題很有意思!值得琢磨一下,先佔個坑。

正文想分兩個方面講:第一,動物條紋是如何產生的;第二,動物條紋有什麼作用。盡量不涉及很深的知識,科普向。

第一方面,簡單介紹一下動物條紋的產生。皮膚具有條紋的動物有很多種,比如 老虎、斑馬、藪羚、縞鬣狗、珊瑚魚、青蛙、花鼠、馬蜂、一些蛇等等。動物的條紋是在胚胎發育時期形成的。胚胎發育涉及一系列化學物質的不均勻分佈,化學物質的極性分佈直接引導了細胞的遷移與分化,因此動物出現了前後、左右、背腹之分,也指導了手、腳等附肢的發育。舉個例子,在即將發育成手的胚胎部位,有某種物質(物質a)分佈不均勻,在遠端多靠近身體少,這將導致延這條化學物質梯度分佈的細胞將擁有不同的發育命運,遠端的細胞在高濃度物質a的作用下發育成手指,靠近身體的細胞接受低濃度物質a刺激,發育成手臂肌肉骨骼。實際情況非常複雜,可能涉及到很多種物質梯度的共同作用,屬於動物發育學的研究範圍,不做深究,當然,物質a是什麼也無需糾結。動物的條紋也差不多是基於這種原理,可以想像有一種物質b(僅僅是為了幫助理解,實際中肯定不止一種化學物質在作用)在皮膚中分佈不均勻,有些地方多有些地方少,以斑馬為例,在胚胎發育早期實際上胚胎呈現黑色,物質b的濃度在皮膚中按條紋狀分佈,這些部位由於有高濃度物質b存在,黑色素合成被抑制,在胚胎發育後期,將在這個部位形成白條紋。另外,有一個有趣的研究,為什麼有些動物是斑點皮膚而有些動物是條紋狀皮膚,有興趣的可以去這個鏈接看看。 動物皮毛上的斑點和條紋的數學特徵 有些斑馬這個過程抑制不徹底,會出現介於白色和黑色之間的顏色,如圖所示。

其他動物的條紋形成原理類似。

第二方面,動物條紋為什麼要產生條紋。

首先以斑馬為例,這個大家討論的多一些。1在我們的基本常識裡,斑馬的條紋與混淆天敵有關。 當斑馬成群結隊時,獅子所見到的影像就會相當模糊,影像之間毫無間隔,而斑馬成群奔跑時,斑紋則會使掠食動物眼花撩亂 (貓科動物的視網膜桿細胞夜視能力強,但錐細胞的辨色能力不好,所見之物都是黑白色) 。2研究表明,斑馬的條紋有助於防止蚊蟲叮咬。黑白條紋將干擾蚊蟲的感官判斷使得蚊子的叮咬減少3每一隻斑馬的條紋都不一樣,條紋有助於斑馬之間的個體識別。4有利於降溫散熱。因為白色反光吸熱量少,甚至有假說認為黑白條紋由於黑色部分吸熱多白色部分吸熱少,會形成局部對流,但是並沒有實際的證據證實。

蜜蜂、蛇類等條紋的作用比較明顯,配上鮮艷的顏色有助於警告天敵和其他動物,保護自己。

另外,看這個問題時也恰好想到了國寶大熊貓的膚色問題,為什麼大熊貓是黑白色的,畢竟大熊貓並不是群居動物,查了一下,把人家的一些解釋貼在這裡吧。 熊貓的顏色是黑白色的是因為熊貓出現在第四紀冰期,熊貓的體色應該也是為了適應寒冷的天氣而改變的,很多情況下,具有黑白色斑的動物可以打破輪廓線,讓捕獵者不容易判斷對方的具體位置和距離。

熊貓的黑白毛色主要是在未成年期,成年熊貓的白色毛上呈現「洗不掉」的棕色。熊貓的黑白色可以在雪地裡隱蔽自己,遠處只看到幾個黑斑,很難聯想到是一頭什麼動物,因為熊貓的外形輪廓在白色背景下是支離破碎的。

最後總結一下,動物的性狀都是為了更好的適應環境,產生條紋這種鬼斧神工之作,絕對不是巧合。貼上幾張漂亮的圖給大家看看。

【鄭有用的回答(16票)】:

謝邀,首先。

不論回答任何具體的生物學問題,總有一個「正確的廢話」式的答案:「某某現象」是進化,是自然選擇的結果。於是對於為什麼很多動物都有條紋這個問題,我們同樣可以給出這個回答:是自然選擇讓很多動物都有條紋。但「條紋界」一直有一個非常迷人的問題,公知式的答案似乎不足以說服人民群眾,這個問題被稱為「斑馬的謎語」。

非洲草原上的馬科動物斑馬是一種神奇的生物,每一隻斑馬身上都有與人類指紋一樣獨特的黑白相間的條紋,和非洲草原上大部分均色的食草動物完全不同,斑馬的特點使得其在平坦鮮有掩體的熱帶草原上異常突出,非常容易吸引獅子等獵手。那麼,斑馬為什麼要有條紋?

針對這個問題,過去一些年有過一些假說,比如條紋可以幫助斑馬驅逐昆蟲,在某些光線的條件下迷惑天敵,調節體溫以適應環境或者讓不同的斑馬通過獨特的條紋識別對方等等。

2014年加州大學戴維斯分校的一個實驗室通過系統進化分析的方法給「斑馬的謎語」提供了一些解釋。

Caro, T., et al. (2014) Caro, T., et al. (2014)

這是論文中眾多結果中的一張圖示,可以很清晰的看出在全世界範圍內,馬科動物腿部條紋的密度和一些可以吸血並且能夠傳播致命疾病的蠅類的活力成正相關,也就是蠅類活力越高的地方,馬科動物需要進化出越多的條紋來抵禦蠅類,這個結論支持了斑馬條紋是為了驅逐昆蟲這一假說。

同樣,今年加州大學洛杉磯分校有一項研究,用一種相似的思路發現條紋和環境溫度也有關聯,簡單地說從埃塞爾比亞到南非的同一種斑馬,越溫暖的地方,條紋偏向越密集,恰好支持了條紋可能會幫助斑馬調節體溫的假說。

Larison, B., et al. (2015) Larison, B., et al. (2015)

最好玩的是,這兩個研究都沒有觀察到條紋密度和獅群活動的相關性,也就是那個聽起來最神奇:條紋會讓捕獵者在某些光線下產生幻覺的假說暫時還沒有得到有力的證明。

說了一大氣,好像沒能回答動物為什麼有條紋這個宏大的問題,等有人發表了類似於老虎為什麼有條紋,獵豹為什麼有斑點之類的論文我再來補充吧。

就這樣。

Caro, T., et al. (2014). "The function of zebra stripes." Nat Commun 5: 3535.

Larison, B., et al. (2015). "How the zebra got its stripes: a problem with too many solutions." R Soc Open Sci 2(1): 140452.

【YvetteNguyen的回答(13票)】:

沒人提這個?IT天才圖靈的生物花紋形成理論獲證實——

1952年,計算機之父阿蘭·圖靈首次提出了生物花紋形成理論,他認為,動物身上會產生有規律的花紋是一對化學物質「成形素」的相互作用,其中一種激發細胞活性(FGF),而另一種抑制活性(Shh)。60年後的現在,英國倫敦國王大學學院研究人員首次實驗證明了阿蘭·圖靈的理論,而且首次識別出與這一過程有關的「成形素」。這對於指導干細胞在分化成特定組織時生成各種結構和花紋具有重要意義。

有規律的間隔結構是生物界的基本圖案。從脊椎骨、毛囊到老虎、斑馬身上的條紋,有許多理論解釋這些自然花紋的產生,但缺乏相關證據。阿蘭·圖靈的理論能幫助科學家預測貓科動物的條紋和斑點會長成什麼樣子,果蠅身上有多少根毛,或一片樹葉上有多少渦紋。儘管科學家能用計算機模擬出圖靈這一理論,但尚未在實驗中得到證實。

此次研究人員用小鼠胚胎進行實驗,研究了胚胎口腔上顎脊紋的生長過程,並識別出與該過程相關的一對特殊成形素。他們發現這兩種化學物質控制著彼此的表達,產生激活和抑制,共同影響著每一道脊紋的位置。實驗還顯示,當這些成形素的活性增強或減弱時,會按照圖靈方程預測的那樣,對口腔上顎脊紋產生影響。

「此前,圖靈理論也只有間接證據。」 國王牙科學院顱面發育系傑裡米·格林說,「上顎脊紋在感覺和品嚐食物中非常重要,雖然醫學上的意義不大,但證明了圖靈提出的激活—抑制模型,這是最有價值的。」

格林還指出,實驗不僅證明了激活—抑制系統在花紋形成中的作用,還提高了圖靈假設的化學物質「成形素」的可信性,將來可以把這些成形素用於再生醫學中,在干細胞分化為特定組織時指示它們生成各種結構和花紋。

論文原文:nature.com/ng/journal/v

【Magnesium的回答(8票)】:

蟹妖~ 怪我,沒有把自己的資料寫清楚,只含糊的幾個字:生物學博士。額,我不是遺傳學專業,更毫不沾邊,所以作為知乎小白辜負了這彌足珍貴的首邀,半天沒憋出一個字。怪我咯?難道我一個黃花大閨女要告訴你們我是研究生殖免疫的嗎?告訴你們我整天研究動物發情,整天研究睪丸卵巢嗎????然而我不得不說,對@芝士喵 說,抱歉,這題我不會(?_?)

標籤:-生物學 -遺傳學 -發育生物學 -進化生物學


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