Astrofysici verklaren hoe octopussen kleur zien in zwart-wit

Een van de openstaande mysteries van de oceaan is hoe het kan dat sommige zeer gekleurde inwoners – inktvissen, octopussen en zeekatten – alleen zwart-wit zien. De coleoidea (een onderklasse van de inktvisachtigen) zijn kleurenblind, maar kunnen zich uitstekend in verschillende kleuren camoufleren.

De vraag is dus: hoe kunnen deze weekdieren zich zo intens goed aanpassen aan hun omgeving als ze de kleuren van hun omgeving niet kunnen zien?

De mysterieuze fysieke eigenschappen van inktviszicht trok twee astrofysici om deze vraag te beantwoorden. Zij formuleerden een nieuwe theorie over hoe deze weekdieren hun monochrome zicht inkleuren. Volgens hun bevindingen, die eerder deze week in Proceedings of the National Academy of Sciences gepubliceerd werden, zou het antwoord uitgelegd kunnen worden door een computermodel en wat basisregels uit de fotografie.

"Ik ben altijd al gefascineerd geweest door deze dieren, en ik heb de mogelijkheid gekregen om hun camouflagekunsten te zien terwijl ik in Indonesië werkte," schrijft hoofdauteur Alexander Stubbs. "We geloven dat we een elegant mechanisme gevonden hebben waarmee inktvisachtigen de kleur van hun omgeving bepalen, ondanks het feit dat ze slechts een visueel pigment in hun netvlies hebben."

Wetenschappers bestuderen het camouflagegedrag van inktvissen als sinds de vierde eeuw voor Christus, toen Aristoteles de octopus beschreef in Historia Animalium. Hij merkte op dat "het dier zijn prooi zoekt door van kleur te veranderen om op de omliggende stenen te lijken; het doet dit ook wanneer het bang is." Recentelijker hebben biologen ontdekt dat de vankleur veranderende huidcellen die chromatoforen genoemd worden, verantwoordelijk zijn voor de schijnbaar eindeloze hoeveelheid kleuren die de dieren produceren. Pigmentzakjes in die cellen zetten uit of trekken samen door elektrische stroompjes die het dier neuraal controleert, waardoor ze in milliseconden van kleur kunnen veranderen.

Tot zover wat er begrepen wordt. Het is dus namelijk zo dat octopussen alleen grijstinten zien. De auteurs van het onderzoek stellen dat er maar een mechanisme voor kleurdiscriminatie bekend is, en dat is het mechanisme dat primaten (zoals wij) en veel andere dieren gebruiken. Als wij kleuren zien, zien we eigenlijk licht van verschillende golflengtes dat weerkaatst wordt van de retina achter in ons oog. Tegelijkertijd vertalen miljoenen lichtgevoelige kegelcellen op het netvlies de kleuren naar signalen die begrijpelijk zijn voor ons brein.

Hoewel inktvis- of octopusogengenetische overeenkomsten met andere dieren – waaronder mensen – delen, zitten ze significant anders in elkaar. In tegenstelling tot de ogen van gewervelde dieren, hebben intvisachtigen geen hoornvlies, zijn hun fotoreceptorcellen maar gevoelig voor een kleur en hebben ze vreemde pupillen die niet op de as van het oog liggen. Door de orthogonale uitlijning van hun fotoreceptoren denken sommige biologen dat inktvisachtigen gepolariseerd licht gebruiken om te zien, en niet echt van kleur veranderen, maar hun licht-reflecterende 'iridofore cellen' gebruiken om net als een zeepbel verschillende kleuren te reflecteren.

Het nieuwe onderzoek neemt deze theorie een stap verder door te beweren dat inktvissen en octopussen de focuspositie van hun oog aanpassen om verschillende golflengtes van licht op te vangen. Dit wordt dan weer vertaald naar een gekleurde kijk op hun omgeving.

Dit proces wordt 'chromatische aberratie' of 'kleurschifting' genoemd, en is een bekend fenomeen onder fotografen. Als cameralenzen per ongeluk verschillende golflengtes splitsen over meerdere brandpuntsafstanden, dan kan de zijkant van objecten vaag worden en een kleurrijke halo krijgen. Volgens de bevindingen van de auteurs maken inktvisachtigen gebruik van hun raargevormde pupillen om deze eigenschap van lenzen in te zetten om spectrale informatie te verzamelen.

"Je zou het kunnen zien als een digitale camera die probeert scherp te stellen," vertelt co-auteur Cristopher Stubbs.

"Wat voor mij echt overtuigend is aan dit argument, is dat de pupillen van dit dier asymmetrisch u-vormig zijn. Die vorm maximaliseert de kleurschifting ten koste van scherpte. Het lijkt er dus op dat er selectieve evolutionaire druk is geweest op de pupil om dit fenomeen te maximaliseren."

Om hun theorie te testen, zetten de astrofysici een programma in dat oorspronkelijk geschreven was om de focale eigenschappen van de Large Synoptic Survey Telescopete meten. Met die code konden ze het visuele systeem van een octopus modelleren. Door te simuleren wat een octopus ziet, concludeerden ze dat het oogontwerp van inktvisachtigen vooral kleurschifting bevordert, boven andere visuele eigenschappen als scherpte.

"Mensen hebben een hoop fysiologisch onderzoek gedaan naar de optische eigenschappen van deze dieren," voegt Stubbs toe. "Wij hebben wat code geschreven die in feite het netvlies heen en weer beweegt en dat op een beeld plakt en het contrast verhoogt. Ik ben geen bioloog, maar ik vind dit zo'n elegant mechanisme dat het zonde zou zijn als de natuur er geen gebruik van zou maken."

Het is belangrijk om op te merken dat de resultaten niets zeggen over hoe inktvisachtigen kleur interpreteren om zichzelf te camoufleren – alleen hoe ze deze golflengtes toch zouden kunnen onderscheiden.

Misschien ontdekken we op een dag hoe inktvissen en octopussen de illusionisten van de oceaan zijn geworden. Maar tot die tijd kunnen we ons ook prima vermaken door simpelweg naar ze te kijken.