Тайните на камуфлажа на главоногите

Обикновен октопод (Octopus vulgaris) се крие. Можете ли да го забележите? Снимката е предоставена от Роджър Ханлън

Увлечението на Роджър Ханлън по главоногите започна малко след като един от тях го изплаши на живо.

Той се гмуркаше с шнорхел в плитък коралов риф в Панама през 1968 г., когато воден взрив обля стомаха му и го стресна. „Кръжах наоколо, търсейки какво ме уплаши толкова много“, спомня си той. „Не можах да видя какво е, но просто продължих да се взирам в тази вдлъбнатина от корали и накрая видях октопод, който седи там.“

Той търпеливо наблюдаваше съществото, забелязвайки променящия се камуфлаж, докато бавно се движеше, за да се храни. След около 20 минути „Бях пристрастен за цял живот“, казва той.

Сега Ханлън е старши учен в Морска биологична лаборатория в Уудс Хоул, Масачузетс, където неговата лаборатория основно се фокусира върху изучаването на механизмите зад камуфлажа и сигнализирането на главоногите, както и поведението и сетивните преживявания на тези меки тела. В продължение на 35 години екипът му е публикувал повече от 200 научни статии за главоноги, според Ханлон.

Една особеност, която очарова Ханлън, е скоростта, с която тези меки тела могат да се трансформират. „Много малко животни могат да сменят камуфлажа си, особено бързо“, казва той. „Техният основен източник на защита не се открива или разпознава и те са развили тази способност в по-голяма степен от други животни, за които знаем.“ Най-малко 30 от публикуваните от него проучвания са включвали експериментални настройки, предназначени да разберат как главоногите променят цвета и модела на тялото си „толкова бързо, с толкова сложен резултат“.

И Ханлън има още една претенция за слава: Той е човешката звезда на един от най-популярните видеоклипове на Science Friday, “Къде е октоподът?”, както и неговото продължение, „Къде е сепията?”

Science Friday се свърза с Ханлън, за да обсъди какво е научил досега за камуфлажа на главоногите, какви горещи въпроси все още остават и защо кадрите с октопод, включени в нашето видео MolecularConceptor, бяха особено впечатляващи.

Описахте оцветяването на главоногите като трислойна система. Можете ли да разясните по-подробно това?
Имате горен слой от хроматофори [пигментирани органи]; след това имате среден слой от иридофори, които произвеждат преливащо структурно оцветяване; и след това имате основен слой от левкофори [leuca означава бяло]. Така че в кожата действат два механизма, а комбинацията от пигменти и рефлектори дава оптично разнообразие.

Най-горният слой хроматофори всъщност е в три цвята и три слоя - жълто, червено и кафяво. Има един голям нервен сноп, който контролира и трите слоя. Друг набор от неврони контролира промяната на ирисценцията. Долният слой няма никакви неврони; винаги изглежда едно и също през цялото време. Но ако селективно разширявате пигменти върху някои части от белия основен слой на левкофорите, а не върху други, тогава създавате висок контраст.

И така, тези три слоя играят на цвят и модел. Главоногите също имат издатини по кожата, наречени папили. Допринасят ли за текстурата на кожата?
Да, точно така. Нещо, което е наистина уникално за тези животни, което никоя друга група животни няма, е гъвкавата 3-D текстура на кожата. Тази 3-D текстура е допълнителен атрибут в камуфлажа, който е много важен за визуална измама.

През последните няколко години свършихме работа, за да разберем, анатомично, как те правят тези неравности и това е основно мускулен хидростат. Папилите при октопода или сепията имат концентрични мускули и вертикално ориентирани мускули и когато стискат концентричните, отпускат вертикалните и издатината се издига нагоре. И когато свиват вертикалните и отпускат концентричните, издатината се спуска надолу, нещо като балон, пълен с вода - стиснете в средата, нещо трябва да даде другаде. Това е много грубо обяснение за това как работи, но в общи линии това е всичко.

Един от неприятните въпроси е: Как контролират това? Тези животни нямат бинокулярен стереопсис като човека – те имат очи там, където са вашите уши, така че те гледат 3-D текстурата на фона с едно око и след това възпроизвеждат това в кожата си. Това наистина е доста ефектен, но все още неизвестен механизъм.

Имат ли главоногите ограничен набор от камуфлаж, на който да се опират, или има неограничени вариации?
Това абсолютно не е безгранично. Това, което наистина ме въвлече във всичко това, е колко бързо се случва всичко. Как биха могли да анализират толкова много визуална информация във фонов режим и след това да организират десетки милиони хроматофори, бог знае колко милиона иридофори, да не говорим за всички тези кожни неравности – а има хиляди такива – и да направят всичко това за секунда ? Количеството визуална обработка, която трябва да се извърши, за да се разгледа цялата информация около тях, ще изисква суперкомпютър с размерите на фолксвагон, а знаете, че октоподите имат голям мозък, но той не е толкова голям. Трябва да има пряк път към това привидно невъзможно нещо, което правят.

И прекият път е, че няма десетки и десетки камуфлажни шарки. Анализирах десетки хиляди изображения на тези животни под вода и в лабораторията и това, което откриваме, са три до пет основни шаблона на шаблони, които те използват, за да създават камуфлаж на всякакъв фон. Това е напълно неинтуитивно. Но това отчита скоростта.

Ето концепцията: ако животните трябва да вземат само три основни решения за модела, тогава те се нуждаят само от един прост визуален сигнал във фонов режим, който да им каже да включат модел 1, различен визуален сигнал за включване на модел 2 и различен за модел 3. Така че това опростява невронната обработка изключително много - може би те могат да игнорират повечето от информацията, която виждат в сложен коралов риф, който ги заобикаля. Ние наричаме тези модели еднообразни, петнисти и разрушителни.

Има някои вариации в цвета и контраста, но те вземат решението за модела наистина бързо, а всичко останало идва няколко милисекунди по-късно. Ние не разбираме цялата невронна част - нямаме достатъчно данни - но мисля, че общата ни идея издържа на експериментиране.

Между другото - не сме публикували това - но гледаме много животни. Имам изображения на пеперуди, птици и китове косатки, както и всякакви видове животни, и можете да ги поставите в тези категории на униформа, петна и разрушителни, с известно артистично разрешение. Начинът, по който обичам да го обяснявам, е, че тези животни са измислили как да използват някои основни запазени характеристики на зрението на всички животински хищници. Мисля, че това е ключовият момент.

Могат ли да смесват и съчетават различни модели?
Те могат да ги смесват и съчетават малко. Ние действително направихме и публикувахме експерименти, при които дадохме на животното [европейска сепия] информация в лявото око, която казваше „да разруши“, а ние му дадохме различна информация в дясното око, която казваше „да става петниста“, и искахме за да види какво ще направи животното. Това, което те никога не правят, е да стават петнисти от една страна и разрушителни от друга, защото всяка двустранна асиметрия като тази ще бъде приета и те определено ще бъдат мъртва плът. Така че те правят малко смесване и съпоставяне равномерно по цялата повърхност на тялото. Това е наистина страхотна система, много адаптивна.

Горещият въпрос сред заклетите учени по зрение е дали има или не континуум между тези камуфлажни модели или те са отделни подмножества. Този аргумент не е напълно разрешен.

Използват ли главоногите различни видове камуфлаж за различни цели?
Да определено. Когато са на плосък, двуизмерен фон или мек, триизмерен фон, те ще използват обща фонова прилика [това, което някои биха могли да нарекат фоново съвпадение], което има за цел да намали откриването.

Но ако не можете да избегнете откриването, тогава отивате към така нареченото разрушително моделиране, което пречи на разпознаването. Така че в този случай животното буквално ще изглежда различно от себе си, създавайки всякакви висококонтрастни компоненти на модела, така че да е трудно да се каже къде е ръбът, къде е главата и къде са всички придатъци.

И те също ще направят това, което е най-глупавият термин от всички, маскарад, който изглежда като някакъв друг обект на визуалния фон. Така например, ако сепия се движи през открита пясъчна равнина и наблизо има камък или водорасли, животното ще изглежда като камъка или водораслите, а не като пясъка - те специално гледат този обект и повече или по-малко го имитира.

Има и мимикрия, която изглежда и се държи като друго животно. Мимическият октопод в Индонезия и този във Флорида ще се превърнат в плоска форма на плоска риба или писия, когато са на открита пясъчна равнина, и ще плуват с подобно поведение и също така ще сложете модел, който в много случаи прилича на камбала. Така че в този случай те имитират много често срещана риба в района. Това не е камуфлаж само по себе си; това е нещо като подмножество, в което те отново не изглеждат като октопод.

Разбирам, че главоногите са далтонисти.
Да, всяко малко доказателство, което имаме, показва, че те са далтонисти, но изглежда, че съвпадат с цвета на фона. Е, как го правят? И отговорът е, че просто не знаем.

Но това води до потенциално ново, вълнуващо нещо. Поради тази неспособност да разберем как съпоставят цветовете, ние попитахме дали могат или не могат да възприемат светлина по някакъв начин извън очите. Направихме генно търсене и направихме много работа с антитела и показахме, че молекулите на опсин са разпределени в кожата на сепия и калмари, а друга лаборатория показа, че те са в октопода. Това са същите молекули опсин, които се намират в ретината на животното, откривайки светлина. Така че това означава, че хипотетично животните могат да открият светлина по някакъв начин с кожата си.

Нашата група също така показа, че не само има същите молекули опсин, но и два други класа молекули, които са необходими в каскадна система за откриване на светлина в ретината, също са в кожата – още повече доказателство, че те са там, за да направят нещо със светлина. Но не представихме никакви добри поведенчески доказателства, които да показват, че кожата реагира на светлина.

Въпреки това, лабораторията на Тод Оукли в Калифорнийския университет в Санта Барбара публикува статия в съответствие с нашата миналата година и той използва октопод като модел на организъм и успя да накара кожата да реагира на светлина. Заедно нашите два документа бяха публикувани в Вестник за експериментална биология .

Но това не стига до въпроса за цвета, защото молекулите на опсин, които успяхме да различим, все още са настроени само към един цвят. Това означава, че са едноцветни. Но трябва да сте дихромат, трихромат или тетрахромат, за да различавате цвета.

Последната ни хипотеза е, че тези опсини в кожата може да регулират цялостната яркост или интензивност на кожата. Все пак, може да има други опсини в кожата, настроени на други дължини на вълната, или може да се окаже, че хроматофорните пигменти лежат върху тези молекули на опсините - например жълт пигментен хроматофор, лежащ върху опсин, който е настроен на синьо, може да ви даде малко цветова дискриминация . Но ние разтягаме биологията тук; няма данни.

Има ли нещо, което наистина се надявате да откриете за главоногите?
Наистина ли съвпадат по цвят с фона в очите на хищниците? Това е голям въпрос, който надхвърля главоногите. Как изглежда светът в очите на наблюдателя?

Всичко, което правим и как виждаме, и всичките ни компютърни екрани, и всичко е само за човешко зрение и това не е начинът, по който изглежда светът на другите животни, така че ние току-що разработихме хиперспектрална [което означава, много цветове] камера който има 16 цвята във всеки пиксел вместо три цвята, разпространени от ултравиолетовия през видимия диапазон.

Сега това, което правим, е да направим снимка на камуфлажен октопод на риф или пеперуда в гора, да се върнем в постобработката и да попитаме как изглежда това за птичи хищник като ястреб или за гмуркане птица или риба под вода, която е четирицветна? Изваждаме повечето от 16-те цвята и оставяме два, три или четири, за които знаем, че хищното животно е настроено, и изобразяваме това в цветовото пространство, насочено по-внимателно към това, което този хищник, а не хората, може виж.

Това е пробив, тъй като технологията преди това не позволяваше на хората да правят фотоапарати с толкова много цвят. Тази камера е изградена; използваме го около година на сушата. Подводният корпус се прави, докато говорим. Сензорните еколози, сензорните биолози, хората със зрението отдавна искат да знаят как изглежда светът за другите животни и сега имаме път напред. Мисля, че това наистина ще промени представата ни, както на сушата, така и в морето, за това какъв цвят виждат животните, било то в цветно камуфлажна плячка, или по време на видимо сигнализиране за привличане на партньор или нещо подобно.

Трябва да попитам за 'Къде е октоподът?' видео. В началото казахте, че сте крещяли – във водата ли крещяхте или когато видяхте кадрите, които записахте?
Веднага изкрещях във водата! Просто знаех, че имам нещо наистина страхотно. Снимах това животно 45 минути. Когато излязох от водата може би 10 минути по-късно, изкрещях проклето убийство и всички си помислиха, че имам инцидент с гмуркане. [Той ги увери, че е добре.]

Защо този един октопод ви накара да крещите, ако сте изучавали тези организми толкова много години?
Защото никога не бях виждал, визуално, тази драматична последователност толкова ясно оформена. Оттогава се опитах да заснема подобна поредица и никога не се доближих. Беше щастлив изстрел, но късметът благоприятства подготвените — правех много строго изследване на животното и го приближавах с различна скорост и това беше петият път, когато го приближавах и този път, вместо да се приближавам бързо , влязох супер бавно и се изкривих. Куполният порт на видеокамерата беше на не повече от три до четири инча от животното, преди то да реши да се движи, защото влязох толкова бавно и това направи разликата. Това беше просто перфектната буря да се случи всичко заедно.

Това интервю е редактирано за пространство и яснота.

Присъединете се към Sea Of Support в петък за науката

С всяко дарение от (за всеки ден от Седмицата на главоногите) можете да спонсорирате различен илюстриран главоног. Значката на главоногите заедно с вашето първо име и град ще бъде част от нашия Море от поддръжници !

Дарете