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Article title：Molluscan shell colour.

期刊：Biological Reviews Canbridge Philosophical Society

发表时间：2017

影响因子：10.701

通讯作者：Suzanne T. Williams

Abstract

软体动物门的种类十分壮观，在海洋生物领域是最大的一个门。绝大多数软体动物都有壳，包括几乎全部的双科贝类、大多数的腹足类（gastropods）和一些头足类（cephalopods）。软体动物贝壳的多样多彩以及模式都被人们的广泛认知，这都得益于数百年来收集家们和科学家们的贡献。他们充当分类学家的角色，可以识别和区分物种。然而它们贝壳颜色在动物中的功能有些还不清除，人们对它的研究主要集中于生态和进化领域。尽管已经有了许多的研究，但是关于软体动物贝壳颜色的进化几乎还是未知的。这篇综述首次归纳了不同研究在软体动物贝壳颜色相关的进化研究中的主要发现。并且讨论了壳色的重要性，包括对视觉选择和非视觉选择、食用及非生物因素的影响。同时作者还总结了在一些分类群（taxa）中壳色可以遗传的证据和最近对于理解壳色合成的分子机制所做的一些努力。作者描述了软体动物中发现的一些主要的贝壳色素（类胡萝卜素、黑色素和四吡咯，包括卟啉和胆汁色素 ），以及它们在化石记录中的耐久性。最后 ，作者认为色素似乎以与系统发育相关的方式分布，颜色的合成可能耗能巨大。

Introduction

了解贝壳着色的起源，即色素沉着的化学性质对于了解软体动物中壳色的进化和生态是非常重要的。理解它们与壳基体是如何进行化学作用的、如何共同合作的、它们产生时的能量消耗、它们在动物控制下的合成程度，与它们合成相关的分子通路、颜色为物种提供的益处以及在着色和模式的维持及分化过程中的生物及非生物因素。这些过程中的一些已经被很好的研究了，但仍然有一些人们对它的了解还有所欠缺，或者是根本没有研究数据来解决这个问题。

关于这个主题的文献历史跨度非常大，超过了一个世纪。同时学科的跨度也非常大，被报道在了许多不同的期刊上，例如化学、农业、生态和分子生物以及分光光度学（spectrophotometry）。大多数的化学方面的研究都是在上个世纪进行的，最近有一些对于贝壳素色沉积的研究是使用了综合分析技术。也有许多生态学方面的研究，但这些经常出现在一些小型分类期刊（small taxon-based journals）中，有时很难访问（access）。在最近的一些期刊中出现了分光光度学研究，但很难被生物学家所理解（generally accessible）。目前分子研究正在蓬勃发展（burgeoning），但很少是建立在超过几十年之前进行的早期研究获得的知识基础上的。这篇综述总结了一个多世纪的研究和广泛不同的主题的主要发现，以便更好地了解贝壳颜色起源和演变的当前知识状况。作者认为，色素以一种有生物遗传意义的方式分布在软体动物群体中，这表明合成色素可能耗能巨大。

Shell Growth and Colour

软体动物的壳是由外套膜的外部褶皱产生的并且壳的生长和色素沉着都受到神经分泌的控制 。贝壳通常通过向与外套膜组织接触的生长边缘添加新材料以线性方式生长。 贝壳是由碳酸钙晶体（ calcium carbonate crystals）与蛋白质材料和色素组成的多层结构。 壳的不同层可能表现出不同的微观结构，影响壳的许多物理特性，包括外观和强度 。贝壳上覆盖着一层薄的蛋白质层，称为外皮层（periostracum，它本身可能由几层组成），这是贝壳沉积的初始位置 。在某些物种中，外皮也可能起到保护作用，防止外壳腐蚀（corrosion），特别是生活在淡水或酸性环境（acidic conditions）中的物种，或那些分泌酸进入岩石（secrete acid to bore into rock）的物种 。色素由外套膜产生，并沿生长边缘并入（incorporated）外壳，随着新外壳的加入，外壳的位置不断变化 。但也有例外（an exception to this rule）是在腹足科动物中发现的。虽然幼年宝贝螺遵循这种模式，但成年宝贝螺的外套膜参与了大部分外壳表面的色素沉积，而不仅仅是边缘。色素通常沉积在软体动物外壳的外层，但在某些物种中，也可能在壳的不同层中发现。颜色也可能出现在贝壳的内层，而不是外层。 在某些情况下，颜色本身可能是偶然的，但与外壳结构有关。 例如，一些色素，如黑色素，已被证明可以加强和减少昆虫表皮（insect cuticles）和鸟类羽毛磨损（abrasion）的影响，因此在软体动物壳中可能起到类似的作用。有趣的是，参与黑色素途径的一种酶，酪氨酸酶，已被确定为关键的生物矿化（biomineralisation）基因。一个不相关且未经测试的想法是，色素沉着（尤其是模式）被外套膜边缘用作标记，以控制外壳的生长和形状。有一些证据支持这一观点，因为一些色素沉着的模式有时与贝壳塑造（sculpture）有关。

即使没有色素，壳的碳酸钙也可以着色。 在极少数情况下，双壳贝壳可能在同一层中含有两种形式的碳酸钙；更常见的文石与方解石斑块一起形成 。在这种贝壳中，方解石（calcite）通常是粉红色的，可能是因为掺入了镁(incorporation of magnesium) 。外壳微观结构也会影响颜色。珠光体是由文石片制成的，呈层或柱状排列。 这使得贝壳看起来像彩虹，但也比其他贝壳结构（包括最常见的替代形式（alternative form），交叉层状（crossed-lamellar）结构）具有更大的强度

Classification Of Inirinsic Shell Color

Pigments

贝壳颜色最常见的原因是生物色素的存在。 颜色能被感知的原因是色素反射（reflect）或透射(transmit)它们不能吸收的波长(wavelength)，使它们呈现出那些未被吸收波长的颜色。 上个世纪进行的化学研究表明，软体动物壳色素包括黑色素、卟啉(porphyrins)和胆汁色素(bile pigments) 。最近的拉曼研究发现贝壳中含有多烯（polyenes），通常被称为类胡萝卜素（carotenoids） 。大多数软体动物色素的生物化学研究都是在1960年之前进行的，Alex Comfort是该领域的领军人物 。尽管这些工作者研究了广泛的类群(taxa)，但许多软体动物色素的性质仍然未知，几乎没有色素被完全定性(completely characterised)。作者接下来讨论了到目前为止发现的三种比较常见的色素。

a)Tetrapyrroles

四吡咯（Tetrapyrroles）以称为卟啉（porphyrins）的环状结构或称为胆素(bilins)或胆色素(bile pigments)的线性结构出现。 它们可以是红色、橙色、绿色、蓝色、紫色（violet）、黄色或棕色的化合物 。卟啉（porphyrins）存在于细菌、植物和动物中，通过血红素（haem）途径合成，尽管据说软体动物壳卟啉的来源未知。卟啉通常与红色、棕色或紫色的外壳颜色有关 。胆汁色素存在于动物、红藻（red algae）、植物和蓝藻(cyanobacteria)中。 迄今为止，在软体动物壳中发现的胆汁色素或胆汁蛋白可能是蓝色、绿色、棕色或红色。当四吡咯色素与蛋白质或与金属离子时复合时，它们的颜色可能会不同 。紫外光下卟啉和胆汁色素呈现荧光红 ，但与蛋白质络合的色素则不会。红色荧光（red fluorescence）是鉴别卟啉的有用特征，因为非卟啉软体动物色素的红色荧光是罕见的 。卟啉、尿卟啉I（uroporphyrin）和微量(trace amount)的铜卟啉(coproporphyrin)在早期研究中广泛存在于古腹足类（Vetigastropoda）的壳中。据记录，尿卟啉I广泛存在于翼状双壳类（pteriomorph bivalves）和其他腹足类分支（gastropod clades）（主要是髌形星足类、神经型、利托里尼莫类和异分支）的壳中，但很少出现在一些新腹足类（neogastropod）和性腺双壳类属（venerid bivalve genera）中。它的存在并不总是与可见的颜色相关，如果存在，贝壳会呈现一系列颜色。彩色牡蛎珍珠（pearls）的一些颜色来源于游离卟啉（free porphyrins ）和与金属离子络合的卟啉。最近使用HPLC与质谱（mass spectrometry）联用在三种新腹足类动物的壳中检测到少量的原卟啉，黑白筍螺（Hastula hectica）、 紫金芋螺（Conus purpurascens）、斑芋螺（Conus ebraeus ）以及一种双壳贝类（Argopecten sp.）。如此少量的色素表明，这不是造成贝壳颜色的主要色素，作者认为可能存在其他色素。

卟啉（主要是尿卟啉）也从一些缺乏壳的陆地(terrestrial)和海洋腹足动物(marine gastropods)的外皮（integument）中已知。胆汁色素已在鼻甲腹足类（turbinid gastropod）等贝壳中发现 。到目前为止，除了一些神经型（neritimorphs）外，在任何陆地或淡水蜗牛( freshwater snail)中都没有发现四吡咯 。

(b) Carotenoids

类胡萝卜素是最常见的生物色素形式，有600多种已知来自细菌、真菌、动物和植物 。它们只能由植物合成，动物需要从它们的饮食中获取它们，除了一些蚜虫和蜘蛛螨，它们从真菌中吸收了基因 。类胡萝卜素在植物中起到光捕获的作用，但在脊椎动物（vertebrates ）中可能起到免疫作用 ，并且可能在无脊椎动物的光保护中起作用 。在软体动物贝壳的早期研究中，类胡萝卜素并没有通过生物化学方法鉴定到，因此被认为并不存在软体动物的壳中。有人认为，早期的提取方法可能阻碍了类胡萝卜素的鉴定 ，但迄今为止，类胡萝卜素还没有从软体动物的壳中完全定性出来，尽管有多条证据表明它们可能在壳色的形成中发挥一定的作用。例如，核磁共振光谱（nuclear magnetic resonance spectral）分析从鼠腹足类化石壳中获得的有机残留物（organic residue）与胡萝卜素蛋白色素沉着一致 。最近对整个壳的共振光谱研究表明，一些壳的颜色是由多烯（含有多个双键的有机化合物，an organic compound containing multiple double bonds）或与其他分子结合的多烯 。尽管光谱本身（spectra alone）无法解析特定的分子结构 ，根据光谱特征和/或与类胡萝卜素标准的比较，软体动物壳中的多烯化合物通常被认为是类胡萝卜素 。拉曼研究发现，多烯主要存在于盲肠类、异分支类腹足类和少数单壳类、性腺类和果胶类双壳类的壳中。类胡萝卜素已从甲壳类动物、双壳类动物等的软组织中通过生物化学方法鉴定出来，而头足类动物中的类胡萝卜素更为罕见。在华贵栉孔扇贝（Chlamys nobilis）中的类胡萝卜素的含量与壳色是呈正相关的，表明类胡萝卜素可能是贝壳着色的原因，虽然这还不能确认，因为色素还没有被确认。类胡萝卜素黄酮（carotenoidflavoxanthin）已在珍珠牡蛎（ Pinctada fucata）的壳和珍珠中鉴定， 但它的存在可能是由于细菌。类胡萝卜素可以直接从摄取的绿藻（green algae）、蓝藻（cyanobacteria）和硅藻（diatoms）中吸收，而无需改变，或在软体动物吸收（uptake）后进行修饰。 一种可能的修饰涉及将饮食中的类胡萝卜素与动物产生的蛋白质结合，从而产生胡萝卜素蛋白。 植物类胡萝卜素通常为黄色、橙色和红色，但类胡萝卜素与无色载脂蛋白（colourless apoprotein）之间的相互作用可能会改变色素的颜色。例如，一些海洋无脊椎动物中与蛋白质结合的类胡萝卜素可能是蓝色的。这也表明载脂蛋白四级结构（quaternary structure）的遗传性（heritable）变化，或这些蛋白质的调节和/或结合（conjugation）可能是动物最终颜色的原因。这种遗传差异（在任何染色蛋白中，chromoprotein）也可以解释一些颜色多态性。

(c) Melanins

黑色素被广泛定义为“由动物体内酪氨酸(tyrosine)的氧化(oxidation)和聚合(polymerization)或低等生物(lower organisms)中的酚类化合物(phenolic compounds)衍生的具有不同结构的色素” 。根据这个定义，黑色素在细菌、植物、真菌和动物中被发现。已知它们以两种形式存在于软体动物中：真黑色素（eumelanin），一种棕色或黑色色素；以及一种红色、黄色或棕色色素（pheomelanin）。 真黑色素是头足类油墨（cephalopod ink）的重要组成部分 ，并且保存在头足类化石的墨水囊（ink sacs）中 。事实上，头足类墨水通常被用作天然真黑色素的实验标准 。此前，人们认为棕黑色素只存在于哺乳动物（mammals）和鸟类中 ，但最近在甲壳虫眼睛（chiton shell-eyes）中也被发现了。 贝壳黑色素尚未完全定性，部分原因可能是难以分离黑色素。 真黑色素的表征特别具有挑战性，因为它是一种无定形颗粒物质（amorphous particulate substance），缺乏明确的（well-defined）光谱特征，不溶于大多数溶剂（solvents）。紧密结合蛋白和金属离子的可能存在为此类研究提供了机遇和挑战。 综述和技术论文中的用于其他类群的提取方法，这些方法可能在未来的软体动物学（malacological）研究中有价值 。“几乎可以肯定，黑色素在贝壳中很常见，但它们仅在椎实螺中通过碱洗脱（alkali elution）和酸沉淀（ acid precipitation）得到证实 （一种与硝酸（nitric acid）发生反应产生紫色的类黑色素）。最近的一项研究提供了组织学（histological）证据，表明珍珠（pearls ）中色素瑕疵中存在黑色素。主要基于（Based largely ）神经形态化石中可见外壳图案的耐久性 ，有人认为这种颜色是由于黑色素的存在 。仅基于外壳颜色范围 ，以及提取颜料的困难 ，Comfort认为贝壳的颜色可能是由于黑色素蛋白的存在，类似于鸟类羽毛中的黑色素蛋白 黑色素还与软体动物的感光细胞（photoreceptors）和软组织有关，尤其是外套膜和肝胰腺（hepatopancreas），被认为是双壳类虹吸顶端（siphonal tips）深色的原因 。

除鸟类和哺乳动物外，合成黑色素的分子途径尚不清楚 。在软体动物中，人们在头足类动物中的认识比较多，尽管还不完全 。尽管完整的途径尚不清楚，但有几种酶已被证明在软体动物体内黑色素的调节和产生中起重要作用。可以说（ Arguably），这些酶中最重要的一种是酪氨酸酶 。酪氨酸酶基因已在珍珠牡蛎（Pinctada fucata）（Miyamoto et al., 2013; Lemer et al., 2015这两篇文章）以及虾夷扇贝（Mizuhopecten yessoensis，旧名为Patinopecten yessoensis）（Jay, 1857；Sun et al., 2015这两篇文章）的外套膜组织中鉴定出来了，表明黑色素可能导致这些物种的贝壳（和珍珠）色素沉着。研究人员同时也提出钙代谢和黑色素生物合成之间可能存在联系。 一项研究提供了进一步的证据，该研究记录了色素沉着中的两种类型的酪氨酸酶蛋白。将从外套膜组织中获得的cDNA序列推导（deduce）出蛋白质序列。一些与黑色素合成相关的基因在珠母贝中被发现，基因ZINC（酪氨酸酶相关蛋白1的同系物）在白化（albino）贝壳中表达上调，但在色素沉着的标本中表达下调。尽管对其在软体动物中的作用知之甚少，黑色素已被证明能保护多种器官免受寄生虫（parasites）、污染物（pollutants）、低温、氧化应激（oxidative stress）、血氧不足（hypoxemia）和紫外线的侵害，并参与器官的发育和功能有关。黑色素（或黑色素化）也被证明在加强昆虫角质层（insect cuticles）、甲壳类外骨（crustacean exoskeletons）、和鸟类羽毛方面发挥作用，并且它在软体动物壳中也可能起到类似的作用。对太平洋牡蛎（Crassostraea gigas）整个（entire）基因组的分析支持软体动物壳黑色素的结构功能（或黑色素化过程）。该物种有26个编码酪氨酸酶的基因，其中大多数是外套膜组织特异性的，并且壳蛋白高度富集。奇怪的是（Curiously），在放射状外套肌中发现了表达最高的基因，它负责产生珍珠层、无色素层的外壳。作者认为酪氨酸的氧化可能是壳基质成熟所必需的。也有人认为，3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA；黑色素化途径中的一种中间产物）对几种双壳类动物皮膜硬化（sclerotisation）很重要。 双壳类圆蛤的壳基质通过聚合硬化，有研究表明基质中的赖氨酸和酪氨酸残基参与了这一过程。

黑色素途径在无脊椎动物（包括重要经济双壳类）的伤口愈合（wound healing）和病原体感染（pathogen infection）中也起着关键的防御作用 。珍珠牡蛎的壳和珍珠中也会出现黑色色素沉着（black pigmentation），可能是由于黑色素沉着(melanisation)所致，这是对外来物质的炎症反应（inflammatory reaction）的结果

Importance and function of color and pattern

有学者认为软体动物的壳色只是代谢废物（disposal）处理的副产品（by-product），虽然这可能解释了色素是如何从进化的角度（ evolutionary sense）首次结合到贝壳中的，但其他人认为这不可能是现存物种中颜色持续存在和多样性的唯一原因。研究认为这种外壳颜色可能是从祖先遗传来的，并且是选择性中性的。在其他情况下，颜色可能完全是人造的。并且有研究报道贝壳的某些着色仅仅是由于沉淀物的染色。

Genetic control and biochemical pathways of shell colour

对双壳类和腹足类的育种研究表明，许多物种的色素颜色是一种遗传性状，在某些情况下可归因于单一基因座 。贝类中色素的特征描述和分子合成途径的鉴定落后于对植物、脊椎动物和其他（主要是陆地）无脊椎动物群体的研究 。只有少数软体动物对合成贝壳颜色的分子过程进行了一些详细的研究。然而，到目前为止，在遗传分析之前，还没有任何分子研究对色素进行生物化学鉴定。这导致了识别与颜色产生有关的潜在基因存在的一些问题。最重要的问题是，在大多数研究中，虽然已经确定了一些可能对外壳颜色有一定控制的基因，但这些基因也可能在外壳构建中起到其他作用。 外套膜是一种可收缩的组织，因此许多高表达序列也存在于肌肉组织中，包括肌动蛋白、胶原蛋白、肌钙蛋白、钙蛋白、脂肪分化相关蛋白和肌球蛋白 。尽管尚未通过实验证明，但卟啉很可能是软体动物通过高度保守的血红素途径从头产生的。软体动物产生黑色素的途径尚不完全清楚，但关键酶已被确定。另一方面，与胆汁色素或类胡萝卜素相关的蛋白质可能是物种特异性的。

Colour Pattern

在某些分类群中，模式可以随饮食和环境而改变。例如，在实验室饲养的淡水蜗牛中，水中钙与镁的比例的变化导致了贝壳色素沉着模式的改变，而其他环境变化，如盐度或食物质量，则没有改变。

Systematic Distribution of Pigments

Comfort检测的大多数海胆以及所有侧耳藻和海胆都缺乏红色荧光，这是可以预料的，因为大多数海胆和海胆壳都含有胆汁色素。这些颜料属于四吡咯类颜料，通常在紫外光下不发荧光。

Phylum Mollusca 软体动物门           speciose 夸张的                 realm 领域                 the great majority 绝大多数

gastropods 腹足类                  cephalopods头足类                serve taxonomists as characters充当分类学家的身份

majorfindings of disparate studies 不同研究的主要发现               abiotic 非生物               underpinning支持

fossil 化石                 phylogenetically系统发育的                   manner方式              undertaken进行

energetically costly耗能巨大的                  spectrophotometry分光光度学                   comprehensive综合的

neurosecretory 神经分泌              linear fashion线性方式             calcium carbonate crystals 碳酸钙晶体

periostracum 外皮层、角质层            corrosion腐蚀               juvenile青年的               cowries宝贝螺

incidental 偶然的                    abrasion磨损                    insect cuticles昆虫表皮                 feathers羽毛 

biomineralisation 生物矿化           sculpture塑造、雕刻                        aragoniten. [矿物] 霰石

iridescent 彩虹色的 闪光的               Tetrapyrroles 四吡咯                      Vetigastropoda古腹足类

co-opted 增选               to data 迄今为止             nuclear magnetic resonance spectral  核磁共振光谱

organic residue有机残留物                    is consistent with与...一致          ingest（摄入）

cyanobacteria蓝藻细菌            diatoms 硅藻             uptake吸收             colourlessapoprotein无色载脂蛋白

inflammatory reaction炎症反应           buried in sediments埋在沉积物中           sediment surface沉积物表面