Kraken, Tintenfische und andere Kopffüßer sind farbenblind – ihre Augen sehen nur schwarz und weiß – aber ihre seltsam geformten Pupillen erlauben es ihnen möglicherweise, Farben zu erkennen und die Farben ihres Hintergrunds nachzuahmen, so ein Vater-Sohn-Team von Forschern der University of California, Berkeley, und der Harvard University.
Jahrzehntelang haben Biologen über das Paradox gerätselt, dass Kopffüßer trotz ihrer leuchtend bunten Haut und ihrer Fähigkeit, schnell die Farbe zu wechseln, um mit dem Hintergrund zu verschmelzen, Augen haben, die nur eine Art von Lichtrezeptoren enthalten, was im Grunde bedeutet, dass sie nur schwarz und weiß sehen.
Warum sollte ein Männchen riskieren, während des Paarungstanzes seine leuchtenden Farben zu zeigen, wenn das Weibchen ihn nicht einmal sehen kann, wohl aber ein Fisch in der Nähe, der ihn schnell verschlingt? Und wie könnten diese Tiere die Farbe ihrer Haut zur Tarnung an ihre Umgebung anpassen, wenn sie die Farben gar nicht sehen können?
Alexander Stubbs, Doktorand an der UC Berkeley, glaubt, dass Kopffüßer tatsächlich in der Lage sind, Farben zu sehen – nur anders als alle anderen Tiere.
Der Schlüssel dazu ist eine ungewöhnliche Pupille – U-förmig, W-förmig oder hantelförmig – die es dem Licht ermöglicht, aus vielen Richtungen durch die Linse in das Auge einzudringen, statt nur direkt auf die Netzhaut.
Die Augen von Menschen und anderen Säugetieren haben runde Pupillen, die sich zu Nadellöchern zusammenziehen, um uns eine scharfe Sicht zu ermöglichen, bei der alle Farben auf denselben Punkt fokussiert sind. Aber jeder, der schon einmal beim Augenarzt war, weiß, dass erweiterte Pupillen nicht nur alles verschwimmen lassen, sondern auch bunte Ränder um Objekte herum erzeugen, was als chromatische Aberration bezeichnet wird.
Das liegt daran, dass die transparente Linse des Auges – die beim Menschen ihre Form verändert, um das Licht auf der Netzhaut zu bündeln – wie ein Prisma wirkt und weißes Licht in seine einzelnen Farben aufspaltet. Je größer die Pupillenfläche ist, durch die das Licht eintritt, desto mehr werden die Farben aufgeteilt. Je kleiner unsere Pupille ist, desto geringer ist die chromatische Aberration. Deshalb blenden Fotografen ihre Objektive ab, um das schärfste Bild mit der geringsten Farbunschärfe zu erhalten.
Die ungewöhnlichen Pupillen von Kopffüßern (von oben, ein Tintenfisch, ein Kalmar und ein Oktopus) lassen Licht aus vielen Richtungen in das Auge eindringen, was die Farben verteilt und es den Tieren ermöglicht, Farben zu erkennen, obwohl sie eigentlich farbenblind sind. (Fotos von Roy Caldwell, Klaus Stiefel, Alexander Stubbs)
Die Kopffüßer haben jedoch weite Pupillen entwickelt, die die chromatische Aberration verstärken, so Stubbs, und sind möglicherweise in der Lage, Farben zu beurteilen, indem sie bestimmte Wellenlängen auf der Netzhaut bündeln, ähnlich wie Tiere wie Chamäleons Entfernungen durch relative Fokussierung beurteilen. Sie fokussieren diese Wellenlängen, indem sie die Tiefe ihres Augapfels verändern, den Abstand zwischen der Linse und der Netzhaut verändern und die Pupille bewegen, um ihre Position außerhalb der Achse und damit die Menge der chromatischen Unschärfe zu verändern.
„Wir schlagen vor, dass diese Kreaturen eine allgegenwärtige Quelle der Bildverschlechterung in Tieraugen ausnutzen und einen Fehler in eine Eigenschaft verwandeln“, sagte Stubbs. „Während die meisten Organismen Wege entwickeln, um diesen Effekt zu minimieren, maximieren die U-förmigen Pupillen von Tintenfischen und ihren Verwandten, den Tintenfischen, diese Unvollkommenheit in ihrem visuellen System, während sie andere Quellen von Bildfehlern minimieren, indem sie ihre Sicht auf die Welt unscharf machen, aber auf eine farbabhängige Weise, und ihnen die Möglichkeit eröffnen, Farbinformationen zu erhalten.“
U-förmige Pupillen
Stubbs ist von dem Paradoxon zwischen Farbenblindheit und Tarnung fasziniert, seit er in der High School darüber gelesen hat und bei Tauchausflügen in Indonesien und anderswo aus erster Hand erfahren hat, wie farbenfroh Tintenfische, Kalmare und Oktopusse – und ihre Umgebung – sind.
Auf die Idee, dass Kopffüßer die chromatische Aberration nutzen könnten, um Farben zu sehen, kam er, nachdem er Eidechsen fotografiert hatte, die mit ultraviolettem Licht leuchten, und festgestellt hatte, dass UV-Kameras unter chromatischer Aberration leiden. Gemeinsam mit seinem Vater, dem Harvard-Astrophysiker Christopher Stubbs, entwickelte er eine Computersimulation, um zu modellieren, wie die Augen von Kopffüßern dies nutzen könnten, um Farbe zu erkennen. Die beiden werden ihre Hypothese diese Woche online in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichen.
Sie kamen zu dem Schluss, dass eine U-förmige Pupille wie die von Tintenfischen und Sepien es den Tieren ermöglichen würde, die Farbe danach zu bestimmen, ob sie auf der Netzhaut fokussiert ist oder nicht. Die hantelförmigen Pupillen vieler Tintenfische funktionieren ähnlich, da sie U-förmig um den Augapfel gewickelt sind und beim Blick nach unten einen ähnlichen Effekt erzeugen. Dies könnte sogar die Grundlage für das Farbensehen bei Delfinen sein, die U-förmige Pupillen haben, wenn sie zusammengezogen sind, und bei Springspinnen.
„Sie sehen verschwommen, aber die Unschärfe hängt von der Farbe ab“, sagte Stubbs. „Sie können weiße Objekte, die alle Wellenlängen des Lichts reflektieren, vergleichsweise schlecht auflösen. Aber sie könnten Objekte mit reineren Farben wie Gelb oder Blau, die in Korallenriffen, auf Felsen und in Algen vorkommen, ziemlich genau erkennen. Es scheint, dass sie einen hohen Preis für ihre Pupillenform zahlen, aber möglicherweise bereit sind, mit einer reduzierten Sehschärfe zu leben, um die chromatisch abhängige Unschärfe aufrechtzuerhalten, und dies könnte das Farbensehen bei diesen Organismen ermöglichen.“
Der Großflossen-Riffkalmar Sepioteuthis lessoniana wechselt lebhaft die Farbe, während er Mitgliedern seiner eigenen Art Signale gibt. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Gary Bell/OceanwideImages.com)
„Wir haben umfangreiche Computermodellierungen des optischen Systems dieser Tiere durchgeführt und waren überrascht, wie stark der Bildkontrast von der Farbe abhängt“, so Harvard-Professor Stubbs, Professor für Physik und Astronomie. „
Der jüngere Stubbs untersuchte 60 Jahre Studien über das Farbensehen bei Kopffüßern und entdeckte, dass einige Biologen von der Fähigkeit, Farben zu unterscheiden, berichteten, während andere das Gegenteil feststellten. Die negativen Studien untersuchten jedoch häufig die Fähigkeit der Tiere, einfarbige Farben oder Ränder zwischen zwei gleich hellen Farben zu sehen, was für diese Art von Auge schwierig ist, da es, wie bei einer Kamera, schwierig ist, sich auf eine einfarbige Farbe ohne Kontrast zu konzentrieren. Kopffüßer sind am besten darin, die Ränder zwischen dunklen und hellen Farben zu unterscheiden, und in der Tat sind ihre Anzeigemuster typischerweise durch schwarze Balken getrennte Farbbereiche.
„Wir glauben, dass wir einen eleganten Mechanismus gefunden haben, der es diesen Kopffüßern ermöglichen könnte, die Farbe ihrer Umgebung zu bestimmen, obwohl sie nur ein einziges Sehpigment in ihrer Netzhaut haben“, sagte er. „Dies ist ein völlig anderes System als die mehrfarbigen Sehpigmente, die bei Menschen und vielen anderen Tieren üblich sind. Wir hoffen, dass diese Studie die Gemeinschaft der Kopffüßer zu weiteren Verhaltensexperimenten anspornen wird.“
Nach der neuen Theorie maximiert die Pupille des Tintenfisches Sepia bandensis die chromatische Unschärfe, wodurch das Tier Farben erkennen kann. (Foto von Roy Caldwell)
Stubbs merkte an, dass Kopffüßer möglicherweise nicht viel Farbinformation verlieren, wenn sie nur eine Art von Photorezeptor haben, da rote Farben durch das Wasser blockiert werden, so dass nur ein geringer Bereich des optischen Lichts tatsächlich in die flachen Tiefen, in denen sie leben, eindringt. Ein Photorezeptor, der in dieser Tiefe auf ein breites Farbspektrum reagiert, würde es ihnen ermöglichen, bei schwachem Licht mit vollständig geweiteter Pupille zu sehen, während die achsenferne Pupille das Potenzial zur spektralen Unterscheidung bei hellem Licht aufrechterhält.
Interessanterweise ist die Nutzung der chromatischen Aberration zur Erkennung von Farben rechenintensiver als andere Arten des Farbsehens, wie z. B. unser eigenes, und erfordert wahrscheinlich viel Gehirnleistung, so Stubbs. Dies könnte zum Teil erklären, warum Kopffüßer die intelligentesten wirbellosen Tiere der Erde sind.
Die Arbeit wurde vom Museum of Vertebrate Zoology der UC Berkeley, einem Stipendium für Alexander Stubbs im Rahmen des Graduate Research Fellow Program und der Harvard University unterstützt.