Bläckfiskar, bläckfiskar och andra bläckfiskar är färgblinda – deras ögon ser bara svart och vitt – men deras märkligt formade pupiller kan göra det möjligt för dem att uppfatta färg och efterlikna färgerna i bakgrunden, enligt ett forskarlag bestående av en far och en son från University of California, Berkeley, och Harvard University.
I årtionden har biologer funderat över paradoxen att bläckfiskar, trots sin lysande färgade hud och sin förmåga att snabbt byta färg för att smälta in i bakgrunden, har ögon som bara innehåller en typ av ljusreceptor, vilket i princip innebär att de bara ser svart och vitt.
Varför skulle en hane riskera att blinka med sina starka färger under en parningsdans om honan inte ens kan se honom men en närliggande fisk kan – och snabbt sluka honom? Och hur skulle dessa djur kunna matcha sin hudfärg med omgivningen som kamouflage om de faktiskt inte kan se färgerna?
Enligt Alexander Stubbs, doktorand vid UC Berkeley, kan bläckfiskar faktiskt se färger – bara på ett annat sätt än alla andra djur.
Nyckeln är en ovanlig pupill – U-formad, W-formad eller hantelformad – som gör det möjligt för ljuset att tränga in i ögat genom linsen från många olika håll, i stället för rakt in i näthinnan.
Människors och andra däggdjursögon har runda pupiller som drar ihop sig till nålhål för att ge oss en skarp syn, med alla färger fokuserade på samma plats. Men som alla som har varit hos ögonläkaren vet gör utvidgade pupiller inte bara allting suddigt, utan skapar också färgglada fransar runt objekt, vilket kallas kromatisk aberration.
Detta beror på att ögats genomskinliga lins – som hos människor ändrar form för att fokusera ljuset på näthinnan – fungerar som ett prisma och delar upp vitt ljus i dess beståndsdelar, dvs. färgerna. Ju större pupillarea genom vilken ljuset tränger in, desto mer sprids färgerna ut. Ju mindre vår pupill är, desto mindre är den kromatiska aberrationen. Kamera- och teleskoplinser lider på samma sätt av kromatisk aberration, vilket är anledningen till att fotograferna släpper ner sina objektiv för att få den skarpaste bilden med minsta möjliga färgförvirring.
De ovanliga pupillerna hos bläckfiskar (uppifrån en bläckfisk, en bläckfisk och en bläckfisk) låter ljuset komma in i ögat från många olika håll, vilket sprider ut färgerna och gör det möjligt för djuren att avgöra färg, även om de tekniskt sett är färgblinda. (Bilder av Roy Caldwell, Klaus Stiefel, Alexander Stubbs)
Täckarfåglar har dock utvecklat breda pupiller som accentuerar den kromatiska aberrationen, sade Stubbs, och kan ha förmågan att bedöma färg genom att föra specifika våglängder till ett fokus på näthinnan, på samma sätt som djur som kameleonter bedömer avstånd med hjälp av relativt fokus. De fokuserar dessa våglängder genom att ändra djupet på ögongloben, ändra avståndet mellan linsen och näthinnan och flytta runt pupillen för att ändra dess placering utanför axeln och därmed mängden kromatisk oskärpa.
”Vi föreslår att dessa varelser kanske utnyttjar en allestädes närvarande källa till bildförstöring i djurens ögon, och förvandlar ett fel till en funktion”, säger Stubbs. ”Medan de flesta organismer utvecklar sätt att minimera denna effekt, maximerar de U-formade pupillerna hos bläckfiskar och deras släktingar till bläckfiskar och bläckfiskar faktiskt denna ofullkomlighet i deras visuella system samtidigt som de minimerar andra källor till bildfel, vilket gör att deras bild av världen blir suddig, men på ett färgberoende sätt och öppnar möjligheten för dem att få färginformation.”
U-formade pupiller
Stubbs har varit fascinerad av paradoxen färgblindhet/camouflage sedan han läste om den i gymnasiet, och under dykutflykter till bland annat Indonesien upplevde han med egna ögon hur färgstarka bläckfiskar, bläckfiskar och bläckfiskar – och deras omgivning – är.
Han kom på idén att bläckfiskar skulle kunna använda kromatisk aberration för att se färg efter att ha fotograferat ödlor som visar sig med ultraviolett ljus och märkt att UV-kameror lider av kromatisk aberration. Han samarbetade med sin far, astrofysikern Christopher Stubbs från Harvard, för att utveckla en datorsimulering för att modellera hur bläckfiskögon skulle kunna använda detta för att känna färg. De två kommer att publicera sin hypotes online den här veckan i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences.
De kom fram till att en U-formad pupill som hos bläckfiskar och bläckfiskar skulle göra det möjligt för djuren att avgöra färgen utifrån om den var fokuserad på näthinnan eller inte. De hantelformade pupillerna hos många bläckfiskar fungerar på liknande sätt, eftersom de är lindade runt ögongloben i en U-form och ger en liknande effekt när man tittar neråt. Detta kan till och med ligga till grund för färgseende hos delfiner, som har U-formade pupiller när de är sammandragna, och hoppande spindlar.
”Deras syn är suddig, men sudigheten beror på färgen”, säger Stubbs. ”De skulle vara jämförelsevis dåliga på att upplösa vita objekt, som reflekterar alla våglängder av ljus. Men de skulle ganska exakt kunna fokusera på objekt som har renare färger, som gult eller blått, som är vanliga på korallrev, stenar och alger. Det verkar som om de betalar ett högt pris för sin pupillform men kan vara villiga att leva med minskad synskärpa för att bibehålla kromatiskt beroende oskärpa, och detta kan möjliggöra färgseende hos dessa organismer.”
Den storfeniga revbläckfisken Sepioteuthis lessoniana byter livligt färg när den signalerar till medlemmar av sin egen art. (Foto med tillstånd av Gary Bell/OceanwideImages.com)
”Vi utförde en omfattande datormodellering av det optiska systemet hos dessa djur och blev förvånade över hur starkt bildkontrasten beror på färgen”, säger Stubbs, professor i fysik och astronomi vid Harvard. ”Det vore synd om naturen inte utnyttjade detta.”
Den yngre Stubbs gjorde en omfattande genomgång av 60 års studier av färgseende hos bläckfiskar och upptäckte att medan vissa biologer hade rapporterat om en förmåga att urskilja färger, rapporterade andra det motsatta. De negativa studierna testade dock ofta djurens förmåga att se enfärgade färger eller kanter mellan två färger med samma ljusstyrka, vilket är svårt för den här typen av öga eftersom det, precis som med en kamera, är svårt att fokusera på en enfärgad färg utan kontrast. Bläckfiskar är bäst på att urskilja kanterna mellan mörka och ljusa färger, och i själva verket är deras visningsmönster typiskt sett färgområden som skiljs åt av svarta staplar.
”Vi tror att vi har hittat en elegant mekanism som skulle kunna göra det möjligt för dessa bläckfiskar att bestämma färgen på sin omgivning, trots att de bara har ett enda synpigment i näthinnan”, säger han. ”Detta är ett helt annat system än de visuella flerfärgspigment som är vanliga hos människor och många andra djur. Vi hoppas att den här studien kommer att sporra till ytterligare beteendeexperiment av bläckfiskgemenskapen.”
Enligt den nya teorin maximerar bläckfiskens Sepia bandensis pupill den kromatiska oskärpan, vilket gör det möjligt för djuret att upptäcka färg. (Foto av Roy Caldwell)
Stubbs noterade att bläckfiskar kanske inte förlorar så mycket färginformation genom att bara ha en typ av fotoreceptor, eftersom röda färger blockeras av vatten så att endast ett reducerat område av det optiska ljuset faktiskt tränger in på de grunda djup där de lever. Att ha en fotoreceptor som reagerar på ett brett spektrum av färger på det djupet skulle göra det möjligt för dem att se i svagt ljus med fullt utvidgad pupill, samtidigt som pupillen utanför axeln bibehåller potentialen för spektraldiskriminering i starkt ljus.
Intressant nog är det mer beräkningsintensivt att använda kromatisk aberration för att upptäcka färg än andra typer av färgsyn, till exempel vår egen, och det kräver troligen mycket hjärnkapacitet, säger Stubbs. Detta kan delvis förklara varför bläckfiskar är de mest intelligenta ryggradslösa djuren på jorden.
Arbetet stöddes av UC Berkeley’s Museum of Vertebrate Zoology, ett stipendium från Graduate Research Fellow Program till Alexander Stubbs, och Harvard University.