Tajomstvo kamufláže hlavonožcov

Tajomstvo kamufláže hlavonožcov

Chobotnica obyčajná (Octopus vulgaris) v úkryte. Dokážete to zistiť? Foto s láskavým dovolením Rogera Hanlona

Zamilovanosť Rogera Hanlona do hlavonožcov sa začala krátko po tom, čo z neho jeden vystrašil živé denné svetlo.



V roku 1968 sa šnorchloval v plytkom koralovom útese v Paname, keď sa mu cez žalúdok prehnal prúd vody, ktorý ho vyľakal. „Krúžil som okolo a hľadal som, čo ma preboha tak vydesilo,“ spomína. 'Nevidel som, čo to bolo, ale len som sa pozeral do tejto koralovej depresie a nakoniec som tam videl sedieť chobotnicu.'

Trpezlivo pozoroval tvora a všímal si jeho meniace sa maskovanie, ako sa pomaly pohyboval, aby sa nakŕmil. Asi po 20 minútach „Bol som závislý na celý život,“ hovorí.

Chobotnica obyčajná (Octopus vulgaris). Foto s láskavým dovolením Rogera Hanlona

Hanlon je teraz vedúcim vedcom v Morské biologické laboratórium vo Woods Hole, Massachusetts, kde sa jeho laboratórium primárne zameriava na štúdium mechanizmov maskovania a signalizácie hlavonožcov, ako aj na správanie a zmyslové skúsenosti týchto tvorov s mäkkým telom. V priebehu 35 rokov jeho tím podľa Hanlona publikoval viac ako 200 vedeckých prác o hlavonožcoch.

Jednou z vlastností, ktorá Hanlona fascinuje, je rýchlosť, akou sa tieto tvory s mäkkým telom dokážu transformovať. 'Veľmi málo zvierat dokáže zmeniť svoje maskovanie, obzvlášť rýchlo,' hovorí. 'Ich primárny zdroj obrany nie je odhalený ani rozpoznaný a túto schopnosť vyvinuli vo väčšej miere ako iné zvieratá, o ktorých vieme.' Najmenej 30 z jeho publikovaných štúdií zahŕňalo experimentálne zostavy navrhnuté tak, aby odhalili, ako hlavonožce menia svoju farbu a vzor tela „tak rýchlo, s takým sofistikovaným výsledkom“.

A Hanlon má ďalší nárok na slávu: je ľudskou hviezdou jedného z najpopulárnejších videí Science Friday, “Kde je Chobotnica?“, ako aj jeho pokračovanie, „Kde je sépia?“

Science Friday zastihol Hanlona, ​​aby diskutoval o tom, čo sa doteraz naučil o kamufláži hlavonožcov, aké pálčivé otázky stále zostávajú a prečo boli zábery z chobotnice uvedené v našom videu MolecularConceptor obzvlášť pôsobivé.

Opísali ste sfarbenie hlavonožcov ako trojvrstvový systém. Môžete to upresniť?
Máte vrchnú vrstvu chromatofórov [pigmentované orgány]; potom máte strednú vrstvu iridoforov, ktoré vytvárajú dúhové štrukturálne sfarbenie; a potom máte základnú vrstvu leukoforov [leuca znamená biela]. Takže v koži sú v hre dva mechanizmy a kombinácia pigmentov a reflektorov dáva optickú rozmanitosť.

Vrchná vrstva chromatofórov je v skutočnosti v troch farbách a troch vrstvách – žltej, červenej a hnedej. Existuje jeden veľký nervový zväzok, ktorý ovláda všetky tri vrstvy. Iná skupina neurónov riadi zmenu dúhovky. Spodná vrstva nemá žiadne neuróny; vždy to vyzerá stále rovnako. Ale ak selektívne expandujete pigmenty cez niektoré časti bielej základnej vrstvy leukoforov a iné nie, potom vytvoríte vysoký kontrast.

Detailný záber na kožu zo sépie obyčajnej (Sepia officinalis). Vrchná vrstva kože chobotníc, chobotníc a sépií obsahuje pigmentované orgány nazývané chromatofóry. Radiálne svaly sa tiahnu z každého chromatofóru „ako lúče bicykla [kolesa] a sú ukotvené na okraji,“ hovorí Hanlon. Keď hlavonožec stiahne tieto svaly, chromatofór sa otvorí do farebného disku. Foto s láskavým dovolením Rogera Hanlona

Tieto tri vrstvy teda hrajú farbu a vzor. Hlavonožce majú tiež hrbolčeky v koži nazývané papily. Prispievajú k textúre pokožky?
Áno, presne tak. Niečo, čo je na týchto zvieratách skutočne jedinečné, čo nemá žiadna iná skupina zvierat, je tvárna 3-D textúra kože. Táto 3-D textúra je extra atribút v kamufláži, ktorý je veľmi dôležitý pre vizuálny podvod.

V posledných rokoch sme sa snažili anatomicky zistiť, ako tie hrbole robia, a je to v podstate svalový hydrostat. Papily u chobotnice alebo sépie majú koncentrické svaly a vertikálne orientované svaly, a keď stlačia koncentrické, uvoľnia zvislé a hrbolček ide hore. A keď sa stiahnu tie zvislé a uvoľnia koncentrické, hrbolček klesne, trochu ako balón plný vody – stlačí sa v strede, inde sa musí niečo dať. To je veľmi hrubé vysvetlenie toho, ako to funguje, ale to je v podstate všetko.

Jednou z nepríjemných otázok je: Ako to kontrolujú? Tieto zvieratá nemajú binokulárnu stereopsiu ako človek – majú oči tam, kde sú vaše uši, takže jedným okom sa pozerajú na 3-D textúru pozadia a potom to reprodukujú vo svojej koži. To je naozaj dosť veľkolepý, ale zatiaľ neznámy mechanizmus.

Majú hlavonožce obmedzenú škálu kamufláže, z ktorej môžu čerpať, alebo existujú neobmedzené variácie?
Nie je to absolútne neobmedzené. To, čo ma do toho všetkého skutočne dostalo, je to, ako rýchlo sa to všetko deje. Ako mohli analyzovať toľko vizuálnych informácií na pozadí a potom organizovať desiatky miliónov chromatofórov, boh vie koľko miliónov iridofórov, nehovoriac o všetkých tých kožných hrbolčekoch – a sú ich tisíce – a urobiť to všetko za sekundu? ? Množstvo vizuálneho spracovania, ktoré by sa muselo uskutočniť, aby sa mohli pozrieť na všetky informácie, ktoré ich obklopujú, by si vyžadovalo superpočítač veľkosti Volkswagenu a, viete, chobotnice majú veľký mozog, ale nie je taký veľký. K tej zdanlivo nemožnej veci, ktorú robia, musí existovať skratka.

A skratka je, že neexistujú desiatky a desiatky maskovacích vzorov. Analyzoval som desiatky tisíc obrázkov týchto zvierat pod vodou a v laboratóriu a našli sme tri až päť základných šablón vzorov, ktoré používajú na vytvorenie kamufláže na akomkoľvek pozadí. Toto je úplne kontraintuitívne. Ale zodpovedá za rýchlosť.

Tu je koncept: Ak majú zvieratá len tri základné rozhodnutia o vzore, potom potrebujú iba jednu jednoduchú vizuálnu nápovedu na pozadí, ktorá im povie, aby zapli vzor 1, inú vizuálnu nápovedu, aby zapli vzor 2, a inú. pre vzor 3. Takže to enormne zjednodušuje nervové spracovanie – možno môžu ignorovať väčšinu informácií, ktoré vidia v komplexnom koralovom útese, ktorý ich obklopuje. Tieto vzory nazývame uniformné, strakaté a rušivé.

Existujú určité rozdiely vo farbe a kontraste, ale rozhodovanie o vzore sa robí naozaj rýchlo a všetko ostatné príde o niekoľko milisekúnd neskôr. Nerozumieme celej nervovej časti – nemáme dostatok údajov – ale myslím si, že naša všeobecná myšlienka sa drží experimentovania.

Mimochodom – toto sme nepublikovali – ale pozeráme sa na veľa zvierat. Mám obrázky motýľov, vtákov, veľrýb kosatiek a všetkých druhov zvierat a môžete ich zaradiť do týchto kategórií uniformy, strakaté a rušivé, s určitou umeleckou licenciou. Rád to vysvetľujem tak, že tieto zvieratá prišli na to, ako využiť niektoré základné zachované črty zraku všetkých predátorov. Myslím si, že to je kľúčový bod.

Môžu kombinovať rôzne vzory?
Môžu ich trochu kombinovať. V skutočnosti sme urobili a zverejnili experimenty, v ktorých sme zvieraťu [európskej sépii] poskytli informácie do ľavého oka, ktoré hovorilo „rozrušovať“, a do pravého oka sme mu poskytli inú informáciu, ktorá hovorila „pokaziť sa“, a chceli sme aby ste videli, čo by zviera urobilo. To, čo nikdy nerobia, je, že na jednej strane budú strakaté a na druhej rušivé, pretože každá takáto bilaterálna asymetria sa zachytí a určite by to bolo mŕtve mäso. Takže robia trochu miešania a zladenia rovnomerne, po celom povrchu tela. Je to naozaj skvelý systém, veľmi prispôsobivý.

Najpálčivejšou otázkou medzi vedcami v oblasti tvrdého videnia je, či medzi týmito maskovacími vzormi existuje alebo nie je kontinuum, alebo či ide o samostatné podskupiny. Tento argument nie je úplne vyriešený.

Obrovská austrálska sépia (Sepia apama) má rôzne vzory tela. Foto s láskavým dovolením Rogera Hanlona

Používajú hlavonožce rôzne druhy kamufláže na rôzne účely?
Áno, absolútne. Keď sú na plochom, dvojrozmernom pozadí alebo jemnom trojrozmernom pozadí, použijú všeobecnú podobnosť pozadia [to, čo by niektorí mohli nazvať zhoda pozadia], čo má za cieľ obmedziť detekciu.

Ak sa však nemôžete vyhnúť odhaleniu, prejdete na takzvané rušivé vzory, ktoré bránia rozpoznávaniu. Takže v tomto prípade bude zviera doslova vyzerať na rozdiel od seba vytvorením všetkých druhov vysoko kontrastných komponentov vzoru, takže je ťažké povedať, kde je okraj, kde je hlava a kde sú všetky prívesky.

A urobia aj to, čo je najhlúpejší výraz zo všetkých, maškaráda, ktorá vyzerá ako nejaký iný objekt na vizuálnom pozadí. Ak sa teda napríklad sépia pohybuje po otvorenej pieskovej pláni a v blízkosti je kameň alebo riasa, zviera bude vyzerať ako kameň alebo riasa a nie ako piesok – konkrétne sa pozerá na tento objekt a viac-menej ju napodobňujú.

Existuje aj mimika, ktorá vyzerá a pôsobí ako iné zviera. Napodobňujúca chobotnica v Indonézii a chobotnica na Floride sa premenia do plochého tvaru plochej ryby alebo platesy, keď sa ocitnú na otvorenej piesočnatej pláni, a budú plávať s týmto druhom správania a budú tiež nasaďte si vzor, ​​ktorý v mnohých prípadoch vyzerá ako platesa. Takže v tomto prípade napodobňujú veľmi bežnú rybu v tejto oblasti. Nie je to kamufláž ako taká; je to druh podmnožiny, v ktorej opäť nevyzerajú ako chobotnica.

Chápem, že hlavonožce sú farboslepé.
Áno, každý dôkaz, ktorý máme, hovorí, že sú farboslepí, no zdá sa, že farebne ladia s pozadím. Ako to teda robia? A odpoveď je, že jednoducho nevieme.

To však vedie k potenciálne novej, vzrušujúcej veci. Kvôli tejto neschopnosti pochopiť, ako robia zhodu farieb, sme sa opýtali, či môžu alebo nemôžu vnímať svetlo nejakým spôsobom mimo očí. Vykonali sme génové vyhľadávanie a urobili sme veľa práce s protilátkami a ukázali sme, že molekuly opsínu sú distribuované v koži sépie a chobotnice a ďalšie laboratórium ukázalo, že sú v chobotnici. Sú to rovnaké molekuly opsínu, ktoré sú v sietnici zvieraťa a detegujú svetlo. Takže to znamená, že hypoteticky môžu zvieratá nejako detekovať svetlo svojou pokožkou.

Naša skupina tiež ukázala, že nielenže sú tam rovnaké molekuly opsínu, ale dve ďalšie triedy molekúl, ktoré sú potrebné v kaskádovom systéme na detekciu svetla v sietnici, sú tiež v koži – ešte viac dôkazov, že sú tam, aby niečo urobili. so svetlom. Neposkytli sme však žiadne dobré dôkazy o správaní, ktoré by ukázali, že pokožka reaguje na svetlo.

Laboratórium Todda Oakleyho v UC Santa Barbara však minulý rok publikovalo článok, ktorý sa týčil našim, a on používal chobotnicu ako modelový organizmus a prinútil pokožku reagovať na svetlo. Súhrnne boli naše dva články publikované v Journal of Experimental Biology .

To sa však netýka otázky farby, pretože molekuly opsínu, ktoré sme dokázali rozlíšiť, sú stále ladené iba na jednu farbu. To znamená, že sú monochromatické. Ale na rozlíšenie farby musíte byť dichromát alebo trichromát alebo tetrachromát.

Naša najnovšia hypotéza je, že tieto opsíny v pokožke môžu regulovať celkový jas alebo intenzitu pokožky. Napriek tomu môžu byť v koži iné opsíny naladené na iné vlnové dĺžky, alebo sa môže stať, že chromatofórové pigmenty prekrývajú tieto molekuly opsínu – ako žltý pigmentový chromatofór prekrývajúci opsín, ktorý je naladený na modrú, vám môže poskytnúť trochu farebného rozlišovania. . Ale my tu naťahujeme biológiu; neexistujú žiadne údaje.

Jedným z hlavonožcov, ktorých maskovanie na Hanlona najviac imponuje, je Sepioteuthis sepioidea, ktorý sa vyskytuje na karibských koralových útesoch. Foto s láskavým dovolením Rogera Hanlona

Je niečo, v čo naozaj dúfate, že sa o hlavonožcoch dozviete?
Sú naozaj farebne zladené s pozadím v očiach dravcov? Toto je veľká otázka, ktorá presahuje rámec hlavonožcov. Ako vyzerá svet v oku pozorovateľa?

Všetko, čo robíme a ako vidíme, a všetky naše počítačové obrazovky a všetko je len pre ľudské videnie a takto svet nevyzerá pre iné zvieratá, takže sme práve vyvinuli hyperspektrálnu [to znamená veľa farieb] kameru. ktorý má 16 farieb v každom pixeli namiesto troch farieb, ktoré sa šíria z ultrafialového žiarenia cez viditeľný rozsah.

Teraz odfotíme maskovanú chobotnicu na útese alebo motýľa v lese a vrátime sa k následnému spracovaniu a spýtame sa, ako to vyzerá pre vtáčieho predátora, ako je jastrab alebo potápajúci sa vták alebo ryba pod vodou, ktorá je tetrachromatická? Vyberieme väčšinu zo 16 farieb a ponecháme dve, tri alebo štyri farby, o ktorých vieme, že zvierací predátor je naladený, a predstavíme si to vo farebnom priestore, ktorý je dôslednejšie zameraný na to, čo dokáže tento predátor, nie ľudia. pozri.

Ide o prielom, pretože technológia predtým neumožňovala ľuďom vyrábať fotoaparáty, ktoré mali v sebe toľko farieb. Táto kamera bola postavená; používame ho asi rok na súši. Podvodné puzdro sa vyrába, keď hovoríme. Senzorickí ekológovia, senzorickí biológovia, zrakoví ľudia už dlho chceli vedieť, ako svet vyzerá pre iné zvieratá, a teraz máme cestu vpred. Myslím si, že to skutočne zmení náš pohľad na súši aj na mori na to, akú farbu zvieratá vidia, či už vo farebne maskovanej koristi, alebo počas nápadného signalizovania prilákania partnera alebo niečoho podobného.

Musím sa spýtať na Science Friday „Kde je chobotnica?“ video. Na začiatku ste povedali, že ste kričali – kričali ste vo vode alebo keď ste videli záznam, ktorý ste nahrali?
Hneď som zakričal do vody! Len som vedel, že mám niečo naozaj skvelé. To zviera som natáčal 45 minút. Keď som asi o 10 minút vyšiel z vody, kričal som krvavú vraždu a všetci si mysleli, že mám nehodu pri potápaní. [Uistil ich, že je v poriadku.]

Prečo vás tá jedna chobotnica prinútila kričať, keď ste tieto organizmy študovali toľko rokov?
Pretože som nikdy nevidel, vizuálne, tú dramatickú sekvenciu tak jasne orámovanú. Odvtedy som sa pokúšal natočiť takúto sekvenciu a nikdy som sa k nej nepriblížil. Bol to šťastný výstrel, ale šťastie praje pripraveným – robil som veľmi poslušný výskum zvieraťa a približoval som sa k nemu rôznymi rýchlosťami, a toto bolo piaty raz, čo som sa k nemu priblížil, a tentoraz radšej ako rýchlo. , Prišiel som super pomaly a otočil som sa. Kupolový port na videokamere nebol viac ako tri až štyri palce od zvieraťa, kým sa rozhodlo pohnúť, pretože som vchádzal tak pomaly, a to znamenalo rozdiel. Bola to len dokonalá búrka toho, aby sa všetko udialo.

Tento rozhovor bol upravený kvôli priestoru a prehľadnosti.

Pripojte sa k moru podpory Science Friday

S každým darom 8 USD (za každý deň týždňa hlavonožcov) môžete sponzorovať iného ilustrovaného hlavonožca. Odznak hlavonožca spolu s vaším krstným menom a mestom bude našou súčasťou More podporovateľov !

Darovať