A polipok, tintahalak és más fejlábúak színvakok – szemük csak feketét és fehéret lát -, de furcsa alakú pupilláik lehetővé tehetik számukra a színek érzékelését és a háttér színeinek utánzását – állítja a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem és a Harvard Egyetem kutatócsoportja.
A biológusok évtizedek óta töprengenek azon a paradoxonon, hogy a fejlábúaknak – annak ellenére, hogy ragyogóan színes a bőrük és képesek gyorsan színt váltani, hogy beleolvadjanak a háttérbe – csak egyféle fényreceptort tartalmazó szemük van, ami lényegében azt jelenti, hogy csak fekete és fehéret látnak.
Miért kockáztatná meg egy hím, hogy párzási tánc közben felvillantsa élénk színeit, ha a nőstény nem is látja őt, de egy közeli hal igen – és gyorsan elnyeli? És hogyan tudnák ezek az állatok álcázásként bőrük színét a környezetükhöz igazítani, ha valójában nem látják a színeket?
A Berkeley Egyetem végzős hallgatója, Alexander Stubbs szerint a fejlábúak valóban képesek lehetnek színeket látni – csak másképp, mint bármely más állat.
A kulcs a szokatlan pupilla – U-alakú, W-alakú vagy gombóc alakú -, amely lehetővé teszi, hogy a fény a lencsén keresztül több irányból is bejusson a szembe, nem pedig csak egyenesen a retinába.
Az emberi és más emlősök szemének kerek pupillája tűszúrássá húzódik össze, így élesen látunk, és minden színt ugyanarra a pontra fókuszálunk. De mint mindenki tudja, aki járt már szemorvosnál, a kitágult pupillák nemcsak mindent homályossá tesznek, hanem színes sávokat is létrehoznak a tárgyak körül, amit kromatikus aberrációnak nevezünk.
Ez azért van, mert a szem átlátszó lencséje – amely az embernél megváltoztatja alakját, hogy a fényt a retinára fókuszálja – prizmaként működik, és a fehér fényt az alkotó színeire bontja. Minél nagyobb a pupillaterület, amelyen keresztül a fény bejut, annál jobban szétszóródnak a színek. Minél kisebb a pupillánk, annál kisebb a kromatikus aberráció. A fényképezőgépek és a távcsövek lencséi hasonlóan szenvednek a kromatikus aberrációtól, ezért a fotósok lencséjüket lehalkítják, hogy a lehető legélesebb képet kapják a legkisebb színhomályossággal.
A fejlábúak (felülről a tintahal, a tintahal és a polip) szokatlan pupillája sok irányból engedi be a fényt a szembe, ami szétteríti a színeket és lehetővé teszi az élőlények számára a színek meghatározását, annak ellenére, hogy technikailag színvakok. (Fotók: Roy Caldwell, Klaus Stiefel, Alexander Stubbs)
A fejlábúak azonban tág pupillákat fejlesztettek ki, amelyek kiemelik a kromatikus aberrációt, mondta Stubbs, és talán képesek a színeket úgy megítélni, hogy bizonyos hullámhosszakat a retinán fókuszba állítanak, hasonlóan ahhoz, ahogy az állatok, például a kaméleonok a távolságot a relatív fókusz segítségével ítélik meg. Ezeket a hullámhosszakat a szemgolyójuk mélységének megváltoztatásával, a lencse és a retina közötti távolság megváltoztatásával, valamint a pupilla mozgatásával fókuszálják, hogy megváltoztassák annak tengelyen kívüli helyzetét, és így a kromatikus elmosódás mértékét.
“Azt javasoljuk, hogy ezek az élőlények az állati szemekben a képromlás egy mindenütt jelenlévő forrását használhatják ki, a hibát tulajdonsággá változtatva” – mondta Stubbs. “Míg a legtöbb élőlény módot fejleszt arra, hogy minimalizálja ezt a hatást, a polipok és tintahal és tintahal rokonaik U alakú pupillái valójában maximalizálják a látórendszerük ezen tökéletlenségét, miközben minimalizálják a képhiba egyéb forrásait, elmosódva a világ látását, de színfüggő módon, és megnyitva számukra a lehetőséget a színinformáció megszerzésére.”
U alakú pupillák
Stubbst azóta lenyűgözi a színvak/elrejtőzés paradoxon, amióta középiskolás korában olvasott róla, és az Indonéziában és máshol tett búvárkirándulások során saját bőrén tapasztalta, hogy a tintahalak, tintahalak és polipok – és környezetük – milyen színesek.
Az ötlet, hogy a fejlábúak a kromatikus aberrációt használhatják a színlátáshoz, azután jutott eszébe, hogy ultraibolya fényben megjelenő gyíkokat fényképezett, és észrevette, hogy az UV-kamerák szenvednek a kromatikus aberrációtól. Édesapjával, Christopher Stubbs harvardi asztrofizikussal együttműködve számítógépes szimulációt dolgozott ki annak modellezésére, hogy a fejlábúak szeme hogyan használhatja ezt a színérzékelésre. Hipotézisüket ezen a héten teszik közzé online a Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban.
Arra a következtetésre jutottak, hogy a tintahalak és a tintahalakéhoz hasonló U alakú pupilla lehetővé tenné az állatok számára, hogy a színt az alapján határozzák meg, hogy az a retinájukra fókuszál-e vagy sem. Sok polip gomolygó alakú pupillája hasonlóan működik, mivel U alakban tekeredik a szemgolyó köré, és hasonló hatást kelt, ha lefelé nézünk. Ez lehet az alapja még a delfinek színlátásának is, amelyeknek U alakú pupillájuk van, amikor összehúzódnak, és az ugró pókoké.
“A látásuk homályos, de a homályosság a színtől függ” – mondta Stubbs. “Viszonylag rosszul oldanák fel a fehér tárgyakat, amelyek a fény minden hullámhosszát visszaverik. De viszonylag pontosan tudnának fókuszálni a tisztább színű tárgyakra, mint például a sárga vagy kék, amelyek gyakoriak a korallzátonyokon, sziklákon és algákon. Úgy tűnik, borsos árat fizetnek a pupillaformájukért, de talán hajlandóak a csökkent látásélességgel együtt élni a kromatikusan függő homályosság fenntartása érdekében, és ez lehetővé teheti a színlátást ezekben az élőlényekben.”
A nagyuszonyú zátonykalmár Sepioteuthis lessoniana élénken változtatja a színét, miközben jelez saját fajának tagjai felé. (A fotó a Gary Bell/OceanwideImages.com jóvoltából)
“Kiterjedt számítógépes modellezést végeztünk ezen állatok optikai rendszeréről, és meglepődtünk, hogy a képi kontraszt milyen erősen függ a színtől” – mondta a harvardi Stubbs, a fizika és a csillagászat professzora. “Kár lenne, ha a természet ezt nem használná ki.”
A fiatalabb Stubbs alaposan áttekintette a fejlábúak színlátásával kapcsolatos 60 éves tanulmányokat, és felfedezte, hogy míg egyes biológusok a színek megkülönböztetésének képességéről számoltak be, mások ennek ellenkezőjéről. A negatív vizsgálatok azonban gyakran azt vizsgálták, hogy az állatok mennyire képesek egyszínű színeket vagy két azonos fényerejű szín közötti éleket látni, ami az ilyen típusú szem számára nehéz, mert – akárcsak egy fényképezőgép esetében – nehéz egy egyszínű, kontraszt nélküli színre fókuszálni. A fejlábúak a legjobbak a sötét és világos színek közötti szélek megkülönböztetésében, és valójában a megjelenítési mintáik jellemzően fekete sávokkal elválasztott színtartományok.
“Úgy gondoljuk, hogy találtunk egy elegáns mechanizmust, amely lehetővé teszi, hogy ezek a fejlábúak meghatározzák a környezetük színét, annak ellenére, hogy egyetlen vizuális pigment van a retinájukban” – mondta. “Ez egy teljesen más rendszer, mint az embereknél és sok más állatnál elterjedt többszínű látópigment. Reméljük, hogy ez a tanulmány további viselkedési kísérletekre ösztönzi majd a fejlábúak közösségét.”
Az új elmélet szerint a Sepia bandensis tintahal pupillája maximalizálja a kromatikus homályt, ami lehetővé teszi az állat számára a színek érzékelését. (Roy Caldwell fotója)
Stubbs megjegyezte, hogy a fejlábúak talán nem veszítenek sok színinformációt azzal, hogy csak egyféle fotoreceptorral rendelkeznek, mivel a vörös színeket a víz blokkolja, így az optikai fénynek csak egy csökkentett tartománya hatol be ténylegesen a sekély mélységbe, ahol élnek. Egy olyan fotoreceptorral, amely a színek széles skálájára reagál ebben a mélységben, lehetővé tenné számukra, hogy gyenge fényben, teljesen kitágult pupillával lássanak, miközben a tengelyen kívüli pupilla fenntartja a spektrális megkülönböztetés lehetőségét erős fényviszonyok között.
A kromatikus aberráció használata a színek érzékelésére számításigényesebb, mint a színlátás más típusai, például a miénk, és valószínűleg sok agyi teljesítményt igényel, mondta Stubbs. Ez részben megmagyarázhatja, hogy a fejlábúak miért a legintelligensebb gerinctelenek a Földön.
A munkát a Berkeley Egyetem Gerinces Állattani Múzeuma, az Alexander Stubbsnak nyújtott Graduate Research Fellow Program ösztöndíj, valamint a Harvard Egyetem támogatta.