Octopus, calamari e altri cefalopodi sono daltonici – i loro occhi vedono solo bianco e nero – ma le loro pupille dalla forma strana possono permettere loro di rilevare il colore e imitare i colori del loro sfondo, secondo un team padre/figlio di ricercatori della University of California, Berkeley, e Harvard University.
Per decenni, i biologi si sono interrogati sul paradosso che, nonostante la loro pelle brillantemente colorata e la capacità di cambiare rapidamente colore per fondersi con lo sfondo, i cefalopodi hanno occhi contenenti solo un tipo di recettore di luce, il che significa fondamentalmente che vedono solo bianco e nero.
Perché un maschio dovrebbe rischiare di mostrare i suoi colori brillanti durante una danza di accoppiamento se la femmina non può nemmeno vederlo, ma un pesce vicino può – e rapidamente lo divora? E come potrebbero questi animali abbinare il colore della loro pelle con l’ambiente circostante come mimetismo se non possono effettivamente vedere i colori?
Secondo lo studente laureato della UC Berkeley Alexander Stubbs, i cefalopodi possono effettivamente essere in grado di vedere il colore – solo in modo diverso da qualsiasi altro animale.
La chiave è una pupilla insolita – a forma di U, a forma di W o a forma di manubrio – che permette alla luce di entrare nell’occhio attraverso la lente da molte direzioni, piuttosto che solo direttamente nella retina.
Gli occhi umani e di altri mammiferi hanno pupille rotonde che si contraggono a fori di spillo per darci una visione nitida, con tutti i colori focalizzati sullo stesso punto. Ma come sa chiunque sia stato dall’oculista, le pupille dilatate non solo rendono tutto sfocato, ma creano frange colorate intorno agli oggetti, ciò che è noto come aberrazione cromatica.
Questo perché la lente trasparente dell’occhio – che negli umani cambia forma per mettere a fuoco la luce sulla retina – agisce come un prisma e divide la luce bianca nei suoi colori componenti. Più grande è l’area pupillare attraverso la quale la luce entra, più i colori sono distribuiti. Più piccola è la nostra pupilla, minore è l’aberrazione cromatica. Le lenti delle macchine fotografiche e dei telescopi soffrono similmente dell’aberrazione cromatica, che è il motivo per cui i fotografi fermano i loro obiettivi per ottenere l’immagine più nitida con la minore sfocatura dei colori.
Le insolite pupille dei cefalopodi (dall’alto, una seppia, un calamaro e un polpo) permettono alla luce di entrare nell’occhio da molte direzioni, il che diffonde i colori e permette alle creature di determinare il colore, anche se sono tecnicamente daltoniche. (Foto di Roy Caldwell, Klaus Stiefel, Alexander Stubbs)
I cefalopodi, tuttavia, hanno evoluto pupille larghe che accentuano l’aberrazione cromatica, ha detto Stubbs, e potrebbero avere la capacità di giudicare il colore portando specifiche lunghezze d’onda a fuoco sulla retina, in modo molto simile a come animali come i camaleonti giudicano la distanza utilizzando la messa a fuoco relativa. Mettono a fuoco queste lunghezze d’onda cambiando la profondità del loro bulbo oculare, alterando la distanza tra la lente e la retina, e spostando la pupilla per cambiare la sua posizione fuori asse e quindi la quantità di sfocatura cromatica.
“Proponiamo che queste creature potrebbero sfruttare una fonte onnipresente di degradazione dell’immagine negli occhi degli animali, trasformando un bug in una caratteristica,” ha detto Stubbs. “Mentre la maggior parte degli organismi evolve modi per minimizzare questo effetto, le pupille a forma di U dei polpi e dei loro parenti calamari e seppie in realtà massimizzano questa imperfezione nel loro sistema visivo mentre minimizzano altre fonti di errore dell’immagine, offuscando la loro visione del mondo ma in un modo dipendente dal colore e aprendo la possibilità per loro di ottenere informazioni sul colore.”
Pupille a forma di U
Stubbs è stato affascinato dal paradosso del daltonismo/mimetismo da quando ne ha letto al liceo, e durante le escursioni subacquee in Indonesia e altrove ha sperimentato in prima persona quanto siano colorate seppie, calamari e polpi – e ciò che li circonda.
Ha avuto l’idea che i cefalopodi potessero usare l’aberrazione cromatica per vedere il colore dopo aver fotografato lucertole che si mostrano con luce ultravioletta, e aver notato che le fotocamere UV soffrono di aberrazione cromatica. Ha collaborato con suo padre, l’astrofisico di Harvard Christopher Stubbs, per sviluppare una simulazione al computer per modellare il modo in cui gli occhi dei cefalopodi potrebbero utilizzarla per percepire il colore. I due pubblicheranno la loro ipotesi online questa settimana nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Hanno concluso che una pupilla a forma di U come quella dei calamari e delle seppie permetterebbe agli animali di determinare il colore in base alla messa a fuoco o meno sulla retina. Le pupille a forma di manubrio di molti polpi funzionano in modo simile, poiché sono avvolte intorno al bulbo oculare a forma di U e producono un effetto simile quando si guarda in basso. Questo potrebbe anche essere la base della visione dei colori nei delfini, che hanno pupille a forma di U quando contratte, e nei ragni saltatori.
“La loro visione è sfocata, ma la sfocatura dipende dal colore”, ha detto Stubbs. “Sarebbero relativamente cattivi nel risolvere gli oggetti bianchi, che riflettono tutte le lunghezze d’onda della luce. Ma potrebbero mettere a fuoco abbastanza precisamente gli oggetti che sono colori più puri, come il giallo o il blu, che sono comuni sulle barriere coralline e le rocce e le alghe. Sembra che paghino un prezzo elevato per la loro forma pupillare, ma potrebbero essere disposti a vivere con una ridotta acuità visiva per mantenere la sfocatura cromaticamente dipendente, e questo potrebbe consentire la visione a colori in questi organismi.”
Il calamaro di barriera Sepioteuthis lessoniana cambia vividamente colore mentre segnala ai membri della sua stessa specie. (Foto per gentile concessione di Gary Bell/OceanwideImages.com)
“Abbiamo effettuato una vasta modellazione al computer del sistema ottico di questi animali, e siamo rimasti sorpresi di quanto il contrasto delle immagini dipenda fortemente dal colore”, ha detto Stubbs di Harvard, professore di fisica e di astronomia. “Sarebbe un peccato se la natura non ne approfittasse”.
Il più giovane Stubbs ha esaminato a fondo 60 anni di studi sulla visione dei colori nei cefalopodi, e ha scoperto che, mentre alcuni biologi avevano riportato una capacità di distinguere i colori, altri riportavano il contrario. Gli studi negativi, tuttavia, hanno spesso testato la capacità dell’animale di vedere colori solidi o bordi tra due colori di uguale luminosità, che è difficile per questo tipo di occhio perché, come per una macchina fotografica, è difficile mettere a fuoco un colore solido senza contrasto. I cefalopodi sono più bravi a distinguere i bordi tra colori scuri e luminosi, e infatti i loro modelli di visualizzazione sono tipicamente regioni di colore separate da barre nere.
“Crediamo di aver trovato un elegante meccanismo che potrebbe consentire a questi cefalopodi di determinare il colore dei loro dintorni, pur avendo un unico pigmento visivo nella loro retina”, ha detto. “Questo è uno schema completamente diverso dai pigmenti visivi multicolore che sono comuni negli esseri umani e in molti altri animali. Speriamo che questo studio stimoli ulteriori esperimenti comportamentali da parte della comunità dei cefalopodi.”
Secondo la nuova teoria, la pupilla della seppia Sepia bandensis massimizza la sfocatura cromatica, permettendo all’animale di rilevare il colore. (Foto di Roy Caldwell)
Stubbs ha notato che i cefalopodi potrebbero non perdere molte informazioni sui colori avendo solo un tipo di fotorecettore, poiché i colori rossi sono bloccati dall’acqua, così che solo una gamma ridotta di luce ottica penetra effettivamente alle basse profondità in cui vivono. Avere un fotorecettore che risponde a una vasta gamma di colori a quella profondità consentirebbe loro di vedere in condizioni di luce scarsa con la pupilla completamente dilatata, mentre la pupilla fuori asse mantiene il potenziale per la discriminazione spettrale in condizioni di alta luce.
Intrigante, utilizzando l’aberrazione cromatica per rilevare il colore è più computazionalmente intenso di altri tipi di visione del colore, come il nostro, e probabilmente richiede un sacco di potenza del cervello, ha detto Stubbs. Questo potrebbe spiegare, in parte, perché i cefalopodi sono gli invertebrati più intelligenti della Terra.
Il lavoro è stato sostenuto dal Museo di Zoologia Vertebrata della UC Berkeley, da una sovvenzione del Graduate Research Fellow Program ad Alexander Stubbs e dalla Harvard University.