Octopusy, chobotnice a další hlavonožci jsou barvoslepí – jejich oči vidí pouze černou a bílou barvu – ale jejich podivně tvarované zorničky jim podle týmu otce a syna vědců z Kalifornské univerzity v Berkeley a Harvardovy univerzity možná umožňují rozpoznat barvy a napodobit barvy svého pozadí.
Po desetiletí si biologové lámali hlavu nad paradoxem, že navzdory své zářivě zbarvené kůži a schopnosti rychle měnit barvu, aby splynuli s pozadím, mají hlavonožci oči obsahující pouze jeden typ světelného receptoru, což v podstatě znamená, že vidí pouze černobíle.
Proč by samec riskoval, že bude během pářícího tance blikat svými zářivými barvami, když ho samice ani nemůže vidět, ale blízká ryba ano – a rychle ho spolkne? A jak by tito živočichové mohli sladit barvu své kůže s okolím jako kamufláž, když barvy ve skutečnosti nevidí?“
Podle postgraduálního studenta Kalifornské univerzity v Berkeley Alexandra Stubbse mohou hlavonožci skutečně vidět barvy – jen jinak než ostatní živočichové.
Klíčem k tomu je neobvyklá zornice – ve tvaru písmene U, W nebo činky -, která umožňuje světlu pronikat do oka čočkou z mnoha směrů, a ne jen přímo na sítnici.
Člověk a ostatní savci mají kulaté zornice, které se smršťují na dírky a umožňují nám ostré vidění, přičemž všechny barvy jsou zaměřeny na stejné místo. Ale jak ví každý, kdo byl u očního lékaře, rozšířené zornice nejenže vše rozmazávají, ale vytvářejí kolem předmětů barevné okraje, což se nazývá chromatická aberace.
Je to proto, že průhledná oční čočka – která u člověka mění tvar, aby zaostřila světlo na sítnici – funguje jako hranol a rozděluje bílé světlo na jednotlivé barvy. Čím větší je plocha zornice, kterou světlo prochází, tím více jsou barvy rozloženy. Čím menší je zornice, tím menší je chromatická aberace. Objektivy fotoaparátů a dalekohledů trpí podobně chromatickou aberací, což je důvod, proč fotografové své objektivy zastavují, aby získali co nejostřejší obraz s co nejmenším rozmazáním barev.
Neobvyklé zornice hlavonožců (shora sépie, chobotnice a chobotnice) propouštějí světlo do oka z mnoha směrů, což rozkládá barvy a umožňuje tvorům určovat barvy, i když jsou technicky vzato barvoslepí. (Foto: Roy Caldwell, Klaus Stiefel, Alexander Stubbs)
U hlavonožců se však vyvinuly široké zornice, které zvýrazňují chromatickou aberaci, uvedl Stubbs, a možná mají schopnost posuzovat barvy tak, že na sítnici zaostří specifické vlnové délky, podobně jako živočichové jako chameleoni posuzují vzdálenost pomocí relativního zaostření. Tyto vlnové délky zaostřují tak, že mění hloubku oční bulvy, mění vzdálenost mezi čočkou a sítnicí a pohybují zornicí, čímž mění její polohu mimo osu a tím i množství chromatické neostrosti.
„Navrhujeme, že tito tvorové mohou využívat všudypřítomný zdroj degradace obrazu v očích zvířat, čímž se z chyby stává vlastnost,“ řekl Stubbs. „Zatímco u většiny organismů se vyvinuly způsoby, jak tento efekt minimalizovat, zornice chobotnic a jejich příbuzných chobotnic a sépií ve tvaru písmene U ve skutečnosti maximalizují tuto nedokonalost jejich zrakového systému a zároveň minimalizují jiné zdroje obrazových chyb, čímž rozmazávají svůj pohled na svět, ale v závislosti na barvě a otevírají jim možnost získávat barevné informace.“
Zornice ve tvaru písmene U
Stubbse fascinoval paradox barvosleposti/kamufláže od doby, kdy o něm četl na střední škole, a během potápěčských exkurzí v Indonésii i jinde na vlastní kůži zažil, jak barevné sépie, chobotnice a chobotnice – a jejich okolí – jsou.
Na myšlenku, že by hlavonožci mohli využívat chromatickou aberaci k vidění barev, přišel poté, co fotografoval ještěry, kteří se zobrazují ultrafialovým světlem, a všiml si, že UV fotoaparáty trpí chromatickou aberací. Ve spolupráci se svým otcem, harvardským astrofyzikem Christopherem Stubbsem, vyvinul počítačovou simulaci, která modelovala, jak by ji oči hlavonožců mohly využívat k vnímání barev. Svou hypotézu zveřejní tento týden online v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.
Dospěli k závěru, že zornice ve tvaru písmene U, jakou mají chobotnice a sépie, by živočichům umožnila určovat barvu na základě toho, zda je zaměřena na jejich sítnici. Podobně fungují zornice ve tvaru činky u mnoha chobotnic, protože jsou ovinuty kolem oční bulvy do tvaru písmene U a při pohledu dolů vytvářejí podobný efekt. To může být dokonce základem barevného vidění delfínů, kteří mají zornice ve tvaru písmene U, když se stáhnou, a skákavek.
„Jejich vidění je rozmazané, ale rozmazanost závisí na barvě,“ řekl Stubbs. „Poměrně špatně by rozlišovali bílé předměty, které odrážejí všechny vlnové délky světla. Mohli by však poměrně přesně zaostřit na objekty, které mají čistší barvy, jako je žlutá nebo modrá, které jsou běžné na korálových útesech a skalách a řasách. Zdá se, že za svůj tvar zornice platí vysokou cenu, ale mohou být ochotni žít se sníženou ostrostí vidění, aby si zachovali chromaticky závislé rozostření, a to by mohlo u těchto organismů umožnit barevné vidění.“
Útesová chobotnice Sepioteuthis lessoniana s velkou ploutví živě mění barvy a zároveň signalizuje příslušníkům svého druhu. (Foto: Gary Bell/OceanwideImages.com)
„Provedli jsme rozsáhlé počítačové modelování optického systému těchto živočichů a byli jsme překvapeni, jak silně závisí kontrast obrazu na barvě,“ řekl Stubbs, profesor fyziky a astronomie na Harvardu. „Byla by škoda, kdyby toho příroda nevyužila.“
Mladší Stubbs rozsáhle prozkoumal 60 let studií barevného vidění hlavonožců a zjistil, že zatímco někteří biologové uváděli schopnost rozlišovat barvy, jiní hlásili opak. Negativní studie však často testovaly schopnost živočichů vidět jednobarevné plochy nebo hrany mezi dvěma barvami stejného jasu, což je pro tento typ oka obtížné, protože podobně jako u fotoaparátu je těžké zaostřit na jednobarevnou plochu bez kontrastu. Hlavonožci jsou nejlepší v rozlišování okrajů mezi tmavými a jasnými barvami a ve skutečnosti jsou pro jejich obrazce na displeji typické barevné oblasti oddělené černými pruhy.
„Věříme, že jsme našli elegantní mechanismus, který by mohl těmto hlavonožcům umožnit určovat barvu jejich okolí, přestože mají v sítnici jediný zrakový pigment,“ řekl. „To je zcela jiné schéma než vícebarevné zrakové pigmenty, které jsou běžné u lidí a mnoha dalších živočichů. Doufáme, že tato studie podnítí další behaviorální experimenty komunity hlavonožců.“
Podle nové teorie zornice sépie Sepia bandensis maximalizuje chromatickou neostrost, což zvířeti umožňuje detekovat barvy. (Foto: Roy Caldwell)
Stubbs poznamenal, že hlavonožci možná neztrácejí mnoho barevných informací tím, že mají pouze jeden typ fotoreceptoru, protože červené barvy jsou blokovány vodou, takže do malých hloubek, kde žijí, proniká ve skutečnosti jen omezený rozsah optického světla. Mít jeden fotoreceptor, který reaguje na širokou škálu barev v této hloubce, by jim umožnilo vidět při slabém světle s plně rozšířenou zornicí, zatímco zornice mimo osu si zachovává potenciál pro spektrální rozlišování v podmínkách vysokého osvětlení.
Zajímavé je, že využití chromatické aberace k detekci barev je výpočetně náročnější než jiné typy barevného vidění, například naše, a pravděpodobně vyžaduje velkou mozkovou kapacitu, řekl Stubbs. To může částečně vysvětlovat, proč jsou hlavonožci nejinteligentnějšími bezobratlými živočichy na Zemi.
Práce byla podpořena Muzeem zoologie obratlovců Kalifornské univerzity v Berkeley, grantem Graduate Research Fellow Program pro Alexandra Stubbse a Harvardovou univerzitou.