姚秋丽 王安俊

摘要：化学课程的教学可以与各种本质上是化学反应的生命活动结合起来，从而加强课程的应用性与趣味性，引导学生应用化学理论知识探究各种现象背后的本质规律。文章从分子水平去解析生命体所涉及的各种颜色：主要通过色素分子的化学变化过程重点探讨与人类密切相关的眼睛、皮肤、毛发、血液及肌肉的显色反应机制，并应用相关原理解释与颜色相关的医学现象，为化学课程的教学提供有意义的趣味素材。

关键词：化学反应；颜色；色素；虹膜；血液

文章编号：1008-0546（2021）12-0094-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.024

*本文系遵义医科大学教育教学改革项目（XJJG2018-02-016）研究成果。

化学课程的教学面临着知识点抽象枯燥、与现实生活联系不密切，导致课堂教学乏味、学生学习积极性低迷等问题。如何充分发掘化学与生活、生命科学之间的联系，并将这些素材应用到化学课堂的教学当中显得尤为紧迫。基于该现状，本文将从化学结构变化角度去解释与生命活动息息相关的颜色变幻机制，并应用相关化学原理解释与颜色相关的医学现象，为化学与生物医学的教学工作架起一座桥梁。

生命体的颜色在居多方面与遗传及环境密切相关，“飞鸿影下，青山绿水，白草红叶黄花”，各种颜色无不体现着缤纷多彩的生命活动，如体温调节、免受紫外线辐射、社交信号、防御等等。这些颜色变化背后对应着一连串让人着迷的分子结构变化。

颜色包括由色素产生的化学色以及由纳米结构产生的结构色[1]。化学色中最常见的色素是黑色素以及类胡萝卜素。黑色素分为真黑色素（显黑、黄色）和褐黑色素（显红、黄色）；类胡萝卜素由植物合成，属于多烯类化合物，主要吸收蓝光，显示出长波长的亮红色、橙色以及黄色。而结构色是由折射率不同的纳米结构散射造成的，可产生从紫外光到红光的光谱，大多数蓝光、紫光、紫外光以及色彩斑斓的光是由结构色产生。但二者通常相互结合而显色，比如冷血脊椎动物具有三维的多层表皮，表皮中同时有多种色素，表皮色素单元之间的作用可产生多种颜色。此外，色素与蛋白的相互作用也可能产生新的颜色[2]。化学色及结构色这两方面的因素决定了动物的表观颜色。

一、眼睛的颜色

1.虹膜的呈色机制

虹膜，以希腊神话中的彩虹女神命名，是眼睛中呈色的部位，通常分为蓝色、绿褐色、棕色这三大类。虹膜形态学上由外至内可分为虹膜前缘层（anterior border layer，ABL）、基质层（stroma）、括约肌（sphinc？ ter）、扩张肌纤维（dilator muscles fibers）以及后色素上皮层（posterior pigment epithelium，PPE）[3]。正常情况下PPE层的虹膜色素上皮细胞（iris pigment epitheli？ um，IPE）拥有最高含量的色素，能吸收过量的光，起到保护视网膜的作用，对虹膜的颜色影响很小。

决定虹膜表观颜色的主要是虹膜ABL及基质层[4]：这两层组织中色素的浓度越高，光被吸收得越多，虹膜呈现越深的棕色；而在蓝色等浅色的虹膜中，这两层的色素浓度几乎为零，光入射到PPE并反射回基质层，较长波长的光（如红光）被深色的基质层细胞吸收，而短波长的光（如蓝光）被散射出来使虹膜显蓝色。白患病个体中ABL及PPE均没有色素，光不被吸收，入射光将反射出血管的红色，虹膜显示红色。可见，虹膜是化学色及结构色的综合结果。此外，虹膜的厚度及密度、白色胶原纤维聚集程度、虹膜前缘层及基质层中组织缺损斑块等因素都对虹膜的呈色产生影响。

2.黑色素的合成机制

可以看出黑色素对表观颜色起决定性作用，深色虹膜中真黑色素与褐黑色素的含量比较浅色虹膜的比例高。它们在体内的合成过程是苯丙氨酸在苯丙氨酸羟化酶（PAH）催化下形成酪氨酸；酪氨酸被酪氨酸酶（TYR）或氨酸羟化酶1（TH-1）催化氧化为L-多巴；后者可进一步被TYR催化氧化为多巴醌，多巴醌的邻二酮结构不稳定，通过分子内环化为多巴色素。大多数多巴色素被酪氨酸酶相关蛋白-2（TRP-2）催化脱羧为5，6-二羟基吲哚，后者继而被氧化为吲哚-5，6-醌；少部分多巴色素被转化为5，6-二羟基吲哚-2-羧酸，后者被酪氨酸酶相关蛋白-1（TRP-1）催化氧化为吲哚-5，6-醌-2-羧酸。最后吲哚类真黑色素前体聚合成结构复杂的真黑色素（图1）。当半胱氨酸参与反应时，它与多巴醌反应经环合、脱羧反应转化为半胱苯并噻唑或噻嗪衍生物，进而聚合生成颜色較浅的褐黑色素[5]。

在中医当中，虹膜诊断是望目辨证的客观依据之一，可用于疾病的诊断[6]。色素缺失或色素带的沉积可能导致虹膜的颜色发生改变，这可提示机体的病变情况：在白化病患者中，TYR缺乏或该酶的活性组分铜离子代谢紊乱，机体难以合成黑色素，皮肤及毛发接近白色，虹膜则显示红色；而白癜风患者皮肤中的黑色素细胞被破坏，导致皮肤出现白斑；此外，虹膜异色症患者两侧虹膜的色素沉淀分布不一样，导致双眼颜色不一样。

3.视觉识别的化学变化机制

眼睛辨认颜色的机理涉及十分有趣的烯烃异构化反应（图2）：维生素A在体内可被氧化为维生素A醛（亦即11-顺视黄醛），在视网膜中亲脂性的11-顺视黄醛可与视蛋白的疏水性口袋结合，并通过醛基与氨基的脱水缩合反应形成亚胺衍生物，该产物是紫红色的，因此被称为视紫红质[7]。视紫红质中共轭烯烃的结构能吸收各种波长的可见光，因此它是视杆细胞中的光敏性物质。当视紫红质吸收光子，顺式烯烃结构异构化为全反式结构，引起视紫红质构象变化，启动大脑的神经冲动，形成视觉。全反式视紫红质由于链伸长，失去了视蛋白疏水性口袋的保护作用，随之被水解为全反式视黄醛以及视蛋白，前者可相继被视黄醛酶及异构化酶催化转化为维生素A，也可在光作用下在视网膜中被异构化酶催化转化为11-顺视黄醛。视紫红质的形成与破坏速度相等，从而使动物维持视觉。

由于视黄醛在转变过程中有损耗，当维生素A不足时，可引起夜盲症。动物体特别是鱼肝油中维生素A含量高，植物中的胡萝卜素也是维生素A合成的前体，因此，可通过这些食物补充维生素A。

二、皮肤的颜色

与虹膜类似，黑色素在皮肤的颜色中起着决定性的作用，色素细胞越多，皮肤的颜色越深。肤色的差异主要由遗传因素决定，而造成肤色的基因进化的主要因素是环境的影响——接近赤道的人肤色深，浓度高的黑色素能起到抵抗紫外线辐射，避免皮肤癌、日晒红斑等作用，同时也能减少紫外线对孕妇体内叶酸的破坏；远离赤道的人进化出色素较少的肤色，有利于人体吸收阳光中的紫外线，促进皮肤中的脱氢胆固醇转化为生命活动必须的维生素D[8]。

当皮肤受到太阳光照射后，表皮黑色素被氧化并进行重新分布，同时，紫外辐射可刺激黑色素细胞的增值、促进TYR的合成并提高其活性，因而持续的日照会促使黑色素合成、色素沉着，使皮肤颜色加深，在一定程度上能阻止紫外线进入皮肤，但黑色素过度增加可能增加黑素细胞瘤的危险。

基于上述原因，多种美白产品被开发应用（图3），如维生素C能还原多巴醌为L-多巴，从而抑制黑色素的合成；苯二酚衍生物（对苯二酚、4-甲氧基苯酚、对苄氧基苯酚、熊果苷、儿茶素）作为TYR抑制剂能抑制黑色素的合成；物理防晒产品如氧化锌、二氧化钛能有效阻挡紫外线入射皮肤；化学防晒剂如二芳基酮等能够将紫外线的能量吸收从而达到防晒的功能。

三、毛发的颜色

与眼睛、皮肤类似，毛发的颜色也主要是由黑色素的浓度及种类决定，不过，发色除了与黑色素有关之外，还与金属离子有关：亚洲人含有较多铜、铁等元素，头发呈黑色；美洲印第安人的棕红色头发主要含有铜、钴元素；欧洲白人含铜多者为红色、含钛多者为金色[9]。

毛发颜色的改变自然与黑色素及离子的浓度相关：如前所述，在白化病中TYR缺乏导致毛发呈白色；另外，如果机体中铜离子缺乏，酪氨酸酶的活性也将受到影响，可引起白发病；当酪氨酸原料不足，也可引起白发。此外，环境的改变也会引起毛发中金属离子浓度的改变，从而引起发色的变化。

四、血液或肌肉的颜色

1.血液或肌肉的呈色机制

在血液或肌肉中，与颜色形成联系最紧密的是血色素。其中，脊椎动物和部分无脊椎动物中的血色素是红色的，称为血红素，血红素是血液中血红蛋白或肌肉中肌红蛋白的辅基。血红素由卟啉分子与Fe2+螯合而成（图4），该Fe2+可形成6个配位键，它分别与卟啉的4个吡咯环上的氮原子以及球蛋白中组氨酸残基的咪唑环的N原子配位。

血红蛋白由四个亚基组装而成，每个亚基包含一条肽链和一个血红素分子，四条肽链在生理条件下盘绕折叠成球形，又称为球蛋白，它把血红素分子包裹在内部。当氧气从肺部扩散到动脉时，血红蛋白的Fe2+与O2键合，形成氧合血红蛋白，每个血红蛋白可结合4个O2分子，O2浓度越高，显现出来亚铁离子的鲜红色越鲜艳；在静脉血中，细胞利用O2并代谢出高浓度的CO2，此时，Fe2+释放O2，水分子从卟啉环下方与Fe2+配位，血液变为暗红色（图4）。

与血液的显色原理类似，脊椎动物肌肉的颜色由血红蛋白及肌红蛋白的浓度及转化状态决定。与血红蛋白不同的是，肌红蛋白由一分子血红素与一分子球状蛋白结合而成。活体动物的肌肉在富氧条件下以氧合肌红蛋白形式存在而显示鲜红色；当肌肉组织供氧停止时，肌红蛋白呈紫红色；在氧化剂存在下，它可被氧化为高铁肌红蛋白，呈现红褐色或褐色（图4）。

神奇的是，一些甲壳类动物的血色素含有铜离子，称为血蓝素；某些环节动物含有血绿素；海鞘类动物的血红蛋白含有钒离子，因而，血液可以呈现青蓝色、绿色或蓝色等多种色彩[10]。

2.血液或肌肉的颜色与健康的关系

血液的颜色也可以反映机体的健康状态，如贫血状态下血红蛋白浓度可低于正常值，此时血液的红色比正常情况更淡；在煤气中毒中，CO与血红蛋白的亲和力比O2高数百倍，形成碳氧血红蛋白，血液呈现樱桃红色；当亚硝酸盐中毒时，Fe2+被NO-2氧化为Fe3+，血红蛋白转变为高铁血红蛋白，导致血红蛋白携氧能力下降，机体缺氧，血液显棕黑色。

综上所述，各种色彩与生命体的活动、健康状态息息相关，构成了色彩斑斓的世界。然而，人类对色彩的研究仍然有许多谜团尚待解密，对机体中色素的调控仍然是天荒夜谈，在一些色素相关疾病面前人类束手无策。生命活动本质上是一系列相互协调、彼此制约的化学反应过程，从分子水平去理解包括色彩在内的各种生命活动将帮助人类更深入地理解自然现象与生命过程。在化学课程相关内容的教学当中可以结合上述素材，引导学生透过现象看到背后的根本原理，增强课程的应用性与趣味性。

参考文献

[1]Cuthill I C，Allen W L，Arbuckle K C，et al. The biology of color[J].Science，2017，357（6350）：eaan0221

[2]Shawkey M D，D’Alba L.Interactions Between Colour-Pro？ ducing Mechanisms and Their Effects on the Integumentary Colour Palette[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B，2017，372（1724）：2016-05-36

[3]Sturm R A，Larsson M.Genetics of Human Iris Colour and Patterns[J].Pigment Cell Melanoma Res，2010，22（5）：544-562

[4]Dorgaleleh S，Naghipoor K，Barahouie A，et al. Molecular and Biochemical Mechanisms of Human Iris Color：A Com？ prehensive Review[J].Journal of Cellular Physiology，2020，235（12）：8972-8982

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[6]董飛侠，程锦国，黄蔚霞.虹膜诊断与慢性肾病分期及中医辨证的相关性研究[J].江苏中医药，2010，42（2）：19-20

[7]吴恩逞.视觉的有机化学[J].大学化学，1990，5（4）：38-41

[8]Gibbons A. Shedding Light on Skin Color[J].Science，2014，346（6212）：934-936

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[10]张明峰.动物血液的颜色[J].生物学通报，2002，37（4）：28