遊戲開發日誌:色彩與生物學

#秘撈遊戲開發日誌  #只是遊戲原型還未做美工很醜別介意  #考考你遺傳學

這週末設計了甲蟲的顏色的遺傳學,為此參考了很多生物界中有關顏色的科學,順道為大家簡介一下。首先,我們能看得出種種顏色,主要是因為我們眼睛內部的視網膜上,有三種視錐細胞,負責檢察不同波長的光,分別對紅、綠、藍三種波長的光最敏感。整個可見光譜中,不同波長的光,按相應比例刺激我們三種視錐細胞,我們的大腦再將這些比例解讀成各種顏色。正因如此,紅、綠、藍(RGB)就是「三原色」,只有這三種光,就能調出絕大部份我們能見的顏色。

咦?小時候美術課學的三原色,不是「紅黃藍(RYB)」嗎?其實,美術課的「三原色」,是描述顏料的,和光的三原色有所不同。光的三原色是疊加的,每多加一種光,就會刺激更多視錐細胞,越加越光,三種顏色相加就會變成白光,這又叫「加色法」(Addictive Colour)。顏料呢?相信大家也知道,只會越混越暗。這是因為顏料不能發光,只能吸收光,你見到黃色的顏料,只是因其吸收掉紅光藍光,因此,每加一種顏料,就會吸收更多光,顯得越暗,這又叫「減色法」(Subtractive Colour)。而減色法下,「紅黃藍」其實也不是原色,反而是「青、洋紅、黃」(CMY),分別完全吸收紅光、綠光、藍光,更加「純正」,這樣才能調出更多顏色。不過因為歷史原因,而且對於孩童,CMY沒有RYB簡單易明(你也大概不會常用Cyan和Magenta來形容顏色吧),所以至今也是更流行的,而在印刷業中,很早已改用CMYK(K是黑色)。這裡,需要印刷的朋友注意了(特別是科學家們!),屏幕上的RGB要轉成印刷的CMYK,可能會有很大的色差,所以如果做Poster匯報,最好一開始就用CMYK設計!

生物中的顏色,也是相同原理,利用不同色素,吸收不同波長的光,以減色法調出大自然的色彩繽紛!然而,不是每種顏色的色素,都是這麼容易生產的,生物界就用不同方法補足。例如鮮紅的紅鸛(Flemingo),就是靠食物中大量的類胡蘿蔔素(Carotenoids),而變成紅色。另外,動物界中的藍色色素極為罕有,大部份動物的藍色,例如蝴蝶和孔雀,都是利用超精細的分子結構,形成光波干涉(Interference),強化藍色並消除其他顏色,由於最後的顏色是基於光反射的角度,看起來就像閃爍晶盈的藍寶石。雄性孔雀屏上的羽毛,更能以繞射光柵(Diffraction grating),形成閃光燦爛的彩色。除了減色法,部份生物還會發光!例如部份水母會生產螢光蛋白(fluorescence protein),就像漆黑中的螢火蟲一樣咁鮮明咁出眾。

有不少動物,在同一物種裡都有不同顏色,背後的遺傳學又是如何的呢?這裡就以信鴿為例,告訴大家,細微的分子改變,都會有可見的效果!信鴿主要有三種顏色:藍、棕、紅,是靠細胞內三種黑色素(melanin)(黑、棕、紅)形成,一般情況下三種色素都會生產,但由於黑色色素蓋過其餘色素(減色法!),所以有黑色色素,信鴿就是深藍色。TYRP1蛋白,是黑色色素的工廠,但在棕色鴿子中,TYRP1是失去功能的變種型【棕】(aka廢物棕),無法製造黑色素,而信鴿則只會剩下棕色和紅色色素,所以看起來就是棕色。不過,雄性有兩套TYRP1,各來自父母,只有一套壞了,還有另一套可用(雌性只有來自爸爸那套TYRP1)。所以,純種的藍色(藍/藍)和雌性的棕色(棕/無)交配,生下來就一定會是藍色,因為後代起碼有一套健全的TYRP1 (藍/棕)(藍/無)。所以,我們說藍色相對於棕色,是顯性基因,相反,棕色較於藍色,是隱性基因。紅色的信鴿,則擁有TYRP1變種型【紅】(aka 綁匪紅),不單失去製做黑色色素的能力,而且還是壞份子,會綁架負責製造黑色及棕色色素的工廠,令細胞無法製造黑色或棕色色素。結果,信鴿就只剩下紅色色素,變成紅色了。與變種型【廢物棕】不同,變種型【綁匪紅】是個綁架犯,一個已經可以綁架別人,而且會形響正常的TYRP1功能,這又叫做顯性負面(Dominant negative)。

先講這麼多,那麼問題來了:
藍鴿A和紅鴿B交配,生下來的有一半是紅、四分一棕、四分一是藍。

問題一: A再和棕鴿C交配,生了一堆孩子,請問孩子會是什麼顏色?
問題二: C再和B交配,會生出什麼來呢?

答得最好的最詳細的同學,我遊戲裡其中一條基因會以你命名!(很有科學家的感覺對不對)
Tag你快考高考/DSE生物學的朋友吧!

參考: https://learn.genetics.utah.edu/content/pigeons/color/

 

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生物圖案是如何形成的?

#秘撈遊戲開發日誌 #邊遊戲邊科學
昨晚更新了圖案系統!不會繪圖的我,如何能畫出能見人的圖案呢?答案是科學!
生物界中有很多漂亮的紋理與圖案,斑點、豹紋、線條、迷宮等等,看似很複雜!種種複雜的圖案的形成機理,一直都迷倒不少科學家。天才數學家圖靈(Alan Turing)(沒錯!又是他!)早在1952年就發表了《The Chemical Basis of Morphogenesis》(形態發生的化學基礎),大膽提出,原來只需要兩種互相影響,而又有不同擴散速度的分子,就已經足夠做出不同複雜的紋理!這個模型叫做Reaction-Diffusion Model(RD)。這些圖案,又稱為圖靈樣式(Turing Patterns)。
可惜,當時分子生物學仍在初生階段,根本無人能用實驗證明自然界的紋理是基於RD的。但愈來愈多的科學研究發現很多生物樣式都是基於RD,最著明的例子是手指發育,是基於幾個分子互相作用而自主形成樣式(1)。而科學家亦在不同動物創傷或發育過程中留意到與RD吻合的現象。圖靈早在1952年已經一早預測了!
不過,不是所有生物樣式都是圖靈樣式,另一種常見的是位置訊息模型(Positional Information, PI),由土木工程背景的生物學博士生Lewis Wolpert提出。PI 即是由已有分子濃度差異的樣式(pre pattern),相互影響後,導致不同位置有不同訊息。 PI描術了很多生物模式,包括果蠅胚胎肢節生成,亂弄這個有機會令果蠅的頭長出腳來!曾幾何時,有人以為RD與PI是敵對的,但後來證明兩者均是生物中很重要的模式,甚至互相合作,做出種種生物界中神奇的花紋樣式!
而我的遊戲,就想利用RD與PI。部份花紋我是用RD畫出來的!有興趣這裡有個網站工具,看看你能做出什麼圖案吧!
https://pmneila.github.io/jsexp/grayscott/
1.) Cooper KL. Self-organization in the limb: a Turing mechanism for digit development. Curr Opin Genet Dev. 2015;32:92-7.
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