Biologen rätseln seit Jahrzehnten über das paradoxe Sehvermögen von Tintenfischen. Trotz ihrer leuchtend bunten Haut und ihrer Fähigkeit, schnell die Farbe zu wechseln, um mit dem Hintergrund zu verschmelzen, haben Kopffüßer wie Tintenfische und Kalmare Augen mit nur einer Art von Lichtrezeptoren – 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, ein Fisch in der Nähe aber schon, und 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?

Eine neue Studie zeigt, dass Kopffüßer tatsächlich in der Lage sind, Farben zu sehen – nur anders als alle anderen Tiere.

Ihr Geheimnis? Eine ungewöhnliche Pupille – U-förmig, W-förmig oder hantelförmig – ermöglicht es dem Licht, aus vielen Richtungen durch die Linse in das Auge einzudringen, anstatt nur direkt auf die Netzhaut zu treffen.

Chromatische Aberration

Menschen und andere Säugetiere haben Augen mit runden 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 bekannt ist.

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Das liegt daran, dass die transparente Linse des Auges – die beim Menschen ihre Form ändert, 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. Kamera- und Teleskopobjektive leiden in ähnlicher Weise unter chromatischer Aberration, weshalb Fotografen ihre Objektive abblenden, um das schärfste Bild mit der geringsten Farbunschärfe zu erhalten.

Kopffüßer haben jedoch weite Pupillen entwickelt, die die chromatische Aberration verstärken, und sind möglicherweise in der Lage, Farben zu beurteilen, indem sie bestimmte Wellenlängen auf der Netzhaut fokussieren, ähnlich wie Tiere wie Chamäleons Entfernungen mit Hilfe des relativen Fokus 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 den Grad der chromatischen Unschärfe zu verändern.

“Wir schlagen vor, dass diese Kreaturen eine allgegenwärtige Quelle der Bildverschlechterung in Tieraugen ausnutzen und so einen Fehler in ein Merkmal verwandeln”, sagt Alexander Stubbs, Doktorand an der Universität von Kalifornien, Berkeley. “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 verschwimmen lassen, allerdings auf eine farbabhängige Weise, und ihnen die Möglichkeit eröffnen, Farbinformationen zu erhalten.”

Wie U-förmige Pupillen funktionieren

Stubbs kam auf die Idee, dass Kopffüßer die chromatische Aberration nutzen könnten, um Farben zu sehen, nachdem er Eidechsen fotografiert hatte, die mit ultraviolettem Licht anzeigen, und bemerkte, dass UV-Kameras unter chromatischer Aberration leiden. Gemeinsam mit seinem Vater, Christopher Stubbs, Professor für Physik und Astronomie an der Harvard University, entwickelte er eine Computersimulation, um zu modellieren, wie die Augen von Kopffüßern dies zur Farbwahrnehmung nutzen könnten. Ihre Ergebnisse erscheinen in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

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”, sagt 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, wie sie in Korallenriffen, auf Felsen und 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.”

“Wir haben umfangreiche Computermodellierungen des optischen Systems dieser Tiere durchgeführt und waren überrascht, wie stark der Bildkontrast von der Farbe abhängt”, sagt Christopher Stubbs. “Es wäre schade, wenn die Natur sich das nicht zunutze machen würde.”

Nicht genug Kontrast

Alexander Stubbs hat 60 Jahre Studien über das Farbensehen bei Kopffüßern umfassend untersucht und festgestellt, dass einige Biologen von der Fähigkeit, Farben zu unterscheiden, berichteten, während andere das Gegenteil behaupteten.

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Die negativen Studien untersuchten jedoch oft 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 in der Lage, 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”, sagt 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.”

Das Museum of Vertebrate Zoology der UC Berkeley, ein Stipendium des Graduate Research Fellow Program für Alexander Stubbs und die Harvard University unterstützten die Arbeit.