深海魚類の極黒迷彩

Ultra-black Camouflage in Deep-Sea Fishes.

• Alexander L Davis
• Kate N Thomas
• Freya E Goetz
• Bruce H Robison
• Sönke Johnsen
• Karen J Osborn

抄録

水深200mを超える海洋では、周囲の太陽光はほとんどないが、生物発光生物は動物を視覚的な捕食者や獲物から明らかにすることができる別の光源となる [1-4]。浅い水域の拡散太陽照明の下では、透明で鏡面のような表面が一般的なカモフラージュ戦略であるが、体表からの反射により、指向性のある生物発光源によって照らされると目立つようになる [5, 6]。色素形成により、動物は生物発光源からの光を吸収し、深海の暗い背景に対して視覚的に検出できないようにすることができる [5]。我々は、反射生物発光を減少させるための圧力が、7つの遠縁な目にまたがる16種の深海魚における極黒の皮膚（反射率<0.5％）の進化につながったことを示唆する証拠を提示する。組織学的データは、この低反射率は真皮の最外層にある高密度のメラノソームの連続的な層によって媒介されていることを示唆しており[7, 8]、この層は他の色の濃い魚類に見られる色素細胞間の未着色のギャップを欠いていることを示唆している[9-13]。有限差分、時間領域モデリングと他の吸熱性脊椎動物に見られるメラノソームとの比較 [11, 13-21] を用いて、これらの超黒色種の真皮層を構成するメラノソームは、反射率を最小化するためにサイズと形状が最適化されていることを発見した。反射率が低いのは、メラノソームが層内で光を散乱させ、光路長を長くしてメラニンによる光吸収を増加させているためである。反射率を下げることで、極黒魚は反射率2%の魚に比べて、視覚捕食者の照準距離を6倍以上に短縮することができます。強吸収・高散乱粒子の単純なアーキテクチャを介した効率的な光吸収のこの生物学的な例は、新しいウルトラブラック材料を刺激する可能性がある。

At oceanic depths >200 m, there is little ambient sunlight, but bioluminescent organisms provide another light source that can reveal animals to visual predators and prey [1-4]. Transparency and mirrored surfaces-common camouflage strategies under the diffuse solar illumination of shallower waters-are conspicuous when illuminated by directed bioluminescent sources due to reflection from the body surface [5, 6]. Pigmentation allows animals to absorb light from bioluminescent sources, rendering them visually undetectable against the dark background of the deep sea [5]. We present evidence suggesting pressure to reduce reflected bioluminescence led to the evolution of ultra-black skin (reflectance <0.5%) in 16 species of deep-sea fishes across seven distantly related orders. Histological data suggest this low reflectance is mediated by a continuous layer of densely packed melanosomes in the exterior-most layer of the dermis [7, 8] and that this layer lacks the unpigmented gaps between pigment cells found in other darkly colored fishes [9-13]. Using finite-difference, time-domain modeling and comparisons with melanosomes found in other ectothermic vertebrates [11, 13-21], we find the melanosomes making up the layer in these ultra-black species are optimized in size and shape to minimize reflectance. Low reflectance results from melanosomes scattering light within the layer, increasing the optical path length and therefore light absorption by the melanin. By reducing reflectance, ultra-black fish can reduce the sighting distance of visual predators more than 6-fold compared to fish with 2% reflectance. This biological example of efficient light absorption via a simple architecture of strongly absorbing and highly scattering particles may inspire new ultra-black materials.

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