漂亮基因組學I：膚色的光學和遺傳學

01-25

今天一起探討一下「美白」相關的話題。不過，我們不推薦任何產品或者所謂美白秘方，而是和大家談一談膚色背後的科學問題。這是一個涉及了物理學、光學、生理學、解剖學和遺傳學的多學科問題哦！

準備好了嗎？開始上課！

首先我們必須要明確，我們所看到的所有顏色都取決於光的反射、折射，皮膚的顏色當然也不例外。當光線照射到有色物體上，一部分光線被吸收，另一部分被反射。進入我們視覺範圍（眼睛）的廣譜刺激大腦中的感覺信號，這就是我們所看到的「顏色」。

如果物體把光線全部吸收了，沒有任何反射，就成為我們看到的「黑色」。反過來，如果這個物體沒有吸收任何的光線，而是全部反射出去，那麼所有的可見光廣譜都同時進入視覺範圍，就是「白色」。

那麼對於皮膚的顏色，同樣也是如此。

我們可以用「光線反射係數」這個指標來衡量皮膚對於光線的反射率。膚色越深，皮膚對於光線的反射係數就越低。根據測試，非洲人皮膚反射係數最低，約47.5%；藏族人、印度人次之，分別為58.7%、61.9%；漢族人約65.0%；歐洲人，最高，達到69.9%。

不過，同樣是「白」，有人「白裡透紅」，有人「臉色蒼白」。這是因為「白色」並不是「一種」顏色，而是「全部顏色」的光譜都反射進入了眼睛。從下面的圖片，我們可以很清晰地看到，「白色」是紅、綠、藍的色光疊加而成的。

體現在膚色上也是如此，我們可以用1976年CIE（CommissionInternational d』Eclairage）建立的 L*、a*、b系統來描述膚色。在這個系統中,任一種顏色都可以用三個變數（L*深淺變數；a*紅綠變數；b*黃藍變數來表述）。

那麼，在人體中，是什麼因素影響了膚色的L*值、a*值和b*值呢？

黑色素是決定「膚色」的最重要的色素，它吸收所有波長的光線，因此黑色素含量越高，吸收的光線也就越多，反射的光線也就越少。相應地，體現在反射率上，反映人眼對於亮度辨識的L*值也就越低。

從非洲人、亞洲人、歐洲人的地理分布和膚色對比可以大致看到這樣的規律：距離赤道越遠，人的膚色也就越淺。這並非偶爾現象，而是與人類對於環境的適應息息相關。黑色素能夠吸收紫外線，保護角質形成細胞細胞核，防止紫外線導致的染色體受損，從而避免過度的紫外線輻射損傷皮膚甚至誘發皮膚癌。

血紅素是另一種「載色體」，它在綠光波長有一個吸收峰，在紅光波長卻幾乎不吸收，這使得血液呈現出紅色。我們知道，血紅素的功能是攜帶、輸送氧氣。與氧氣結合的氧合血紅蛋白呈現的是亮紅色，而釋放氧氣後則成為暗紅色。動脈和皮膚毛細血管內，氧合血紅蛋白較多，因此給皮膚增添了一抹「紅暈」。在一定程度上，皮膚反射係數中的a*變數即與此相關。例如，藏族同胞為了適應高海拔地區的缺氧環境，體內需要較多的血紅素，這使得他們的a*值顯著高於漢族人。

此外，人體紅細胞的代謝產物「膽紅素」以及飲食中的胡蘿蔔素等色素可以使皮膚出現「黃色」。這在參數中的b*值——黃藍變數中得以體現。

除了色素以外，角質層的含水量也與「膚色」息息相關。飽滿的、儲水充分的角質能夠反射更多的光線，給人以明亮感。這也是為什麼去角質和補水後，皮膚變白、變亮的原因。

上面我們已經講了黑色素、血紅素和角質層等各種影響皮膚光反射的因素，那麼又是什麼決定了這些因素？

答案在於基因上的一些突變。比如SLC45A2是已知的「色素決定基因」，這個基因上的多態性決定了人的膚色和一些其他動物的皮膚、毛髮顏色（同時也是決定眼睛虹膜顏色的關鍵）。比如「白虎」之所以有著白皮膚、黑條紋，就是由於這個基因上的突變影響了黃色和紅色色素的形成，而不影響黑色素的產生。

而人和動物的白化病則與TYR（酪氨酸酶）基因有關。酪氨酸酶是黑色素合成的關鍵酶，這個酶不僅決定了膚色的深淺，還與白化病（不產生黑色素）、皮膚癌（沒有足夠的黑色素保護皮膚免受紫外線損傷）、雀斑、褐斑（黑色素過量表達）等。所以黑色素並非越少越好。

此外，東亞人還有一個特殊的「膚色基因突變」，即色素基因OCA2上的一個氨基酸突變。這個突變在東亞人群中有著廣泛分布，而在非洲、歐洲人中則沒有。這個突變會影響黑色素的形成和成熟，因此是東亞人的祖先「走出非洲」後膚色變淺的重要原因。

作者的話：

膚色的遺傳度在63-72%，想要通過後天努力從「黑人」變為「白人」是不可能的。但是，通過防晒，我們可以減少黑色素的生成；通過補水、去角質，我們可以增加皮膚的反光率；通過改善營養、睡眠和加強運動，可以促進新陳代謝，改善膚色的暗沉。當然，最簡單、最直接的方法，我們可以塗一些令皮膚看起來更加blingbling的化妝品。

最後，奉上一道思考題：下面兩種防晒劑，哪一種增加了皮膚的反射率，使膚色看上去更白？