Ośmiornice, kałamarnice i inne głowonogi są ślepcami kolorowymi – ich oczy widzą tylko czerń i biel – ale ich dziwnie ukształtowane źrenice mogą pozwalać im na wykrywanie kolorów i naśladowanie kolorów ich tła, według zespołu ojciec/syn badaczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i Uniwersytetu Harvarda.
Przez dziesięciolecia biolodzy zastanawiali się nad paradoksem, że pomimo ich genialnie kolorowej skóry i zdolności do szybkiej zmiany koloru, aby wtopić się w tło, głowonogi mają oczy zawierające tylko jeden rodzaj receptora światła, co w zasadzie oznacza, że widzą tylko czerń i biel.
Dlaczego samiec ryzykowałby błyskając swoimi jaskrawymi kolorami podczas tańca godowego, jeśli samica nie mogłaby go nawet zobaczyć, ale pobliska ryba mogłaby – i szybko zgarnąć go w dół? I jak te zwierzęta mogłyby dopasować kolor swojej skóry do otoczenia jako kamuflaż, jeśli w rzeczywistości nie widzą kolorów?
Według studenta UC Berkeley, Alexandra Stubbsa, głowonogi mogą faktycznie być w stanie zobaczyć kolor – po prostu inaczej niż jakiekolwiek inne zwierzę.
Kluczem jest niezwykła źrenica – w kształcie litery U, W lub hantli – która pozwala światłu wchodzić do oka przez soczewkę z wielu kierunków, a nie tylko prosto do siatkówki.
Oczy ludzkie i innych ssaków mają okrągłe źrenice, które kurczą się do otworków, aby dać nam ostre widzenie, ze wszystkimi kolorami skupionymi w tym samym miejscu. Ale jak wie każdy, kto był u okulisty, rozszerzone źrenice nie tylko sprawiają, że wszystko jest rozmazane, ale także tworzą kolorowe obwódki wokół obiektów, co jest znane jako aberracja chromatyczna.
Dzieje się tak, ponieważ przezroczysta soczewka oka – która u ludzi zmienia kształt, aby skupić światło na siatkówce – działa jak pryzmat i rozszczepia białe światło na jego kolory składowe. Im większy jest obszar źrenicy, przez który wpada światło, tym bardziej kolory są rozłożone. Im mniejsza jest nasza źrenica, tym mniejsza jest aberracja chromatyczna. Obiektywy aparatów fotograficznych i teleskopów podobnie cierpią z powodu aberracji chromatycznej, dlatego fotografowie przyhamowują swoje obiektywy, aby uzyskać najostrzejszy obraz z najmniejszym rozmyciem kolorów.
Niezwykłe źrenice głowonogów (od góry, mątwa, kałamarnica i ośmiornica) wpuszczają światło do oka z wielu kierunków, co powoduje rozproszenie kolorów i pozwala tym stworzeniom określać kolory, mimo że technicznie są ślepi na kolory. (Photos by Roy Caldwell, Klaus Stiefel, Alexander Stubbs)
Cephalopods, jednak, ewoluowały szerokie źrenice, które podkreślają aberrację chromatyczną, Stubbs powiedział, i może mieć zdolność do oceny koloru, przynosząc konkretne długości fal do ostrości na siatkówce, dużo sposób zwierzęta jak kameleony ocenić odległość za pomocą względnej ostrości. Oni skupić te długości fal poprzez zmianę głębokości ich gałki ocznej, zmieniając odległość między obiektywem a siatkówką, i przesuwając źrenicę wokół, aby zmienić jego poza-osiowej lokalizacji, a tym samym ilość chromatic blur.
„Proponujemy, że te stworzenia mogą wykorzystywać wszechobecne źródło degradacji obrazu w oczach zwierząt, zamieniając błąd w cechę,” Stubbs powiedział. „Podczas gdy większość organizmów ewoluuje sposoby, aby zminimalizować ten efekt, U-kształtne źrenice ośmiornic i ich krewnych kałamarnic i mątwy faktycznie maksymalizują tę niedoskonałość w ich systemie wizualnym, jednocześnie minimalizując inne źródła błędu obrazu, rozmywając ich widok świata, ale w sposób zależny od koloru i otwierając im możliwość uzyskania informacji o kolorze.”
U-kształtne źrenice
Stubbs był zafascynowany paradoksem color blind/camouflage, odkąd przeczytał o tym w szkole średniej, a podczas wycieczek nurkowych do Indonezji i gdzie indziej doświadczył z pierwszej ręki, jak kolorowe mątwy, kałamarnice i ośmiornice – i ich otoczenie – są.
Wpadł na pomysł, że głowonogi mogą używać aberracji chromatycznej, aby zobaczyć kolor po sfotografowaniu jaszczurek, które wyświetlają się w świetle ultrafioletowym i zauważeniu, że aparaty UV cierpią z powodu aberracji chromatycznej. Połączył siły ze swoim ojcem, astrofizykiem z Harvardu Christopherem Stubbsem, aby opracować symulację komputerową, która modeluje, w jaki sposób oczy głowonogów mogą wykorzystywać tę aberrację do rozpoznawania kolorów. Dwa opublikuje swoją hipotezę online w tym tygodniu w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Wyciągnęli wniosek, że U-kształtna źrenica jak to, że z kałamarnicy i mątwy pozwoliłoby zwierząt do określenia koloru w oparciu o to, czy to było skoncentrowane na jego siatkówki lub nie. Hantle w kształcie źrenic wielu ośmiornic działają podobnie, ponieważ są one owinięte wokół gałki ocznej w kształcie litery U i wytwarzają podobny efekt, gdy patrzy się w dół. To może być nawet podstawą widzenia kolorów w delfinach, które mają U-kształtne źrenice, gdy skurczone, i pająki jumping.
„Ich wizja jest niewyraźna, ale rozmycie zależy od koloru,” Stubbs powiedział. „Byłyby one stosunkowo złe w rozwiązywaniu białych obiektów, które odbijają wszystkie długości fal światła. Ale mogą dość dokładnie skupić się na obiektach, które są czystsze kolory, takie jak żółty lub niebieski, które są powszechne na rafach koralowych i skał i glonów. Wydaje się, że płacą wysoką cenę za kształt źrenicy, ale mogą być skłonne do życia z obniżoną ostrością widzenia, aby utrzymać chromatycznie zależne rozmycie, a to może pozwolić na widzenie w kolorze u tych organizmów.”
Wielkopłetwa rafowa kałamarnica Sepioteuthis lessoniana żywo zmienia kolor podczas sygnalizowania członkom własnego gatunku. (Zdjęcie dzięki uprzejmości Gary Bell/OceanwideImages.com)
„Przeprowadziliśmy rozległe modelowanie komputerowe układu optycznego tych zwierząt i byliśmy zaskoczeni tym, jak silnie kontrast obrazu zależy od koloru”, powiedział Stubbs z Harvardu, profesor fizyki i astronomii. „Byłoby szkoda, gdyby natura nie wykorzystała tego.”
Młodszy Stubbs obszernie przejrzał 60 lat badań widzenia kolorów u głowonogów i odkrył, że podczas gdy niektórzy biolodzy zgłosili zdolność do rozróżniania kolorów, inni zgłosili coś przeciwnego. Negatywne badania, jednak często testowane zdolność zwierzęcia do zobaczenia stałych kolorów lub krawędzi między dwoma kolorami o równej jasności, co jest trudne dla tego typu oka, ponieważ, jak w aparacie fotograficznym, trudno jest skupić się na stałym kolorze bez kontrastu. Głowonogi są najlepsze w rozróżnianiu krawędzi między ciemnymi i jasnymi kolorami, a w rzeczywistości ich wzory wyświetlania są zazwyczaj regiony koloru oddzielone czarnymi barami.
„Wierzymy, że znaleźliśmy elegancki mechanizm, który może pozwolić tym głowonogom określić kolor ich otoczenia, pomimo posiadania jednego pigmentu wizualnego w ich siatkówce”, powiedział. „To jest zupełnie inny schemat niż wielokolorowe pigmenty wizualne, które są powszechne u ludzi i wielu innych zwierząt. Mamy nadzieję, że to badanie będzie bodźcem do dodatkowych eksperymentów behawioralnych przez społeczność głowonogów.”
Zgodnie z nową teorią, źrenica mątwy Sepia bandensis maksymalizuje rozmycie chromatyczne, pozwalając zwierzęciu wykrywać kolor. (Photo by Roy Caldwell)
Stubbs zauważył, że głowonogi mogą nie być tracąc dużo informacji o kolorze przez posiadanie tylko jednego typu fotoreceptora, ponieważ czerwone kolory są blokowane przez wodę tak, że tylko zmniejszony zakres światła optycznego faktycznie przenika do płytkich głębokości, gdzie żyją. Posiadanie jednego fotoreceptora, który reaguje na szeroki zakres kolorów na tej głębokości pozwoliłoby im widzieć w przyćmionym świetle z ich źrenicą w pełni rozszerzoną, podczas gdy źrenica poza osią utrzymuje potencjał dla spektralnej dyskryminacji w warunkach wysokiego oświetlenia.
Intrygująco, używając aberracji chromatycznej do wykrywania koloru jest bardziej intensywne obliczeniowo niż inne rodzaje kolorowej wizji, takie jak nasze własne, i prawdopodobnie wymaga dużo siły mózgu, Stubbs powiedział. Może to częściowo wyjaśniać, dlaczego głowonogi są najbardziej inteligentnymi bezkręgowcami na Ziemi.
Praca została wsparta przez UC Berkeley’s Museum of Vertebrate Zoology, grant Graduate Research Fellow Program dla Alexandra Stubbsa oraz Uniwersytet Harvarda.
.