Пауки видят цвет иначе [Veritasium]

[музыка] Какого цвета мячик на экране? Жёлтого? Мозг убеждает вас, что это так, но попробуйте присмотреться. Перед вами экран, все цвета на котором выводятся с помощью красных, зелёных и синих. Супик селёный жёлтый, который вы якобы видите — это сочетание красного и зеленого света. В сенсоре камеры, перед которой я сижу, есть зены и синь светочувствительные элементы, а жёлтого, повторюсь, нет.

Я другое дело — этот мячик я держу в руках и буквально вижу, что он жёлтый. Но если подумать, глаза у нас не так уж сильно отличаются от камеры. Клетки-колбочки на сетчатке чувствительны только к длине волны красного, зелёного и синего цвета. Чтобы увидеть другие цвета, нам приходится смешивать сигналы, которые получают разные типы колбочек. Допустим, в глаз попадает лты свет. Он стимулирует колбочки, чувствительные к зелёному и красному, но не так сильно, как красный и зелёный. Они реагируют примерно с одинаковой интенсивностью, и мозг сообщает мне, что я смотрю на жёлтый.

За счёт этого механизма камеры, экраны и проекторы обманом убеждают наш мозг, что мы видим очень много разных цветов, хотя воспринимаем мы только три длинной волны. Три типа колбочек в разной степени возбуждаются на поступающий сигнал. Так правда ли этот мячик жёлтый? И что вообще значит жёлтый? Многие сказали бы, что цвет предмета - это длина волны света, который он отражает, или, как выражался Аристотель, цвет - это свойство предмета. Однако, если мы видим мячик на экране, то глаза воспринимают только красный и зелёный свет, а мозг всё равно распознаёт жёлтый.

Так что, возможно, прав был Галилей. Он считал, что цвет вовсе не свойство объекта, а феномен разума. Но тогда чего разума? Ведь цвета распознают не только люди. Мы не часто задумываемся о том, как другие животные видят цвет. Покупаем, например, своей собаке ярко-красные или оранжевые игрушки. Но красные и оранжевые они для нас, а для собак нет. Эти цвета для них не отличаются от зелёного. Так может, стоит попытаться посмотреть на мир не только человеческими глазами?

Затем разберёмся, зачем в природе вообще появилось световое зрение. По правде говоря, нам доступна не такая уж большая часть спектра. Побольше, чем домашним животным вроде кошек и собак, но до многих других живых существ мы основательно не дотягиваем. К примеру, бабочек, птиц, рыб, ящериц или пауков-скакунов.

Пауки-скакуны довольно безобидны. Они обычно не доростают до таких размеров, когда стали бы опасными для человека, но вот мелким насекомым определённо стоит опасаться. Ноги добыча паука-скакуна может превосходить его по размерам раза в два-три. На китайском их называют словом, которое можно перевести как "муши-тийгр". Мне нравится этот образ хищные кошечки крошечных джунглей. Пауки-скакуны водятся повсюду, их можно найти около дома. Наверняка они забираются к вам на кухню. Всего нам известно около 6000 видов пауков-скакунов. Есть стенки гладкие и б-зены, синие — любые, каких только можно вообразить. Каждый из них маленький шедевр.

Не сказать, что пауки славятся своим зрением; большинство видов ночные, а их паутина тоже в некотором роде орган чувств. Так что им и не надо особенно хорошо видеть. Но пауки-скакуны другое дело. Они охотятся днём; у них отличное зрение. И что любопытно, разные виды воспринимают цвета по-разному. Посмотрите, какие глазки у пауков-скакунов! Удивительные глаза, я конечно говорю про все восемь. Некоторые улавливают движение и свет, другие отвечают за восприятие цвета и чёткость сигналов.

Самые интересные и необычные — те глаза, которые называют основными или главными. Они большие и расположены спереди. Как раз из-за них пауки-скакуны так миленько выглядят, если, конечно, согласиться, что пауки бывают миленькими. Ни у кого в природе таких глаз больше нет.

Оказывается, восприятие цвета у этих пауков напрямую связано со строением основных глаз. У глаз пауков-скакунов много общего с телескопом Галилея или биноклем. В них есть большая линза, которую мы видим со стороны, внутри вторая. А между ними длинная трубка с жидкостью. Внутренняя линза, которая заканчивается эта трубка, увеличивает изображение, которое внешне проецирует сквозь жидкость. Благодаря этому хорошо видны детали, и за это отвечает сетчатка, которая расположена за внутренней линзой.

Пауки-скакуны хорошо различают детали, в этом за ними сложно угнаться. В животном царстве, чем крупнее глаз, тем лучше он работает. Пауки-скакуны в этом смысле исключение. Их глаза — одни из лучших в мире членистоногих, лучше, чем у самых крупных стрекоз. Глаза которых — это практически вся голова. Основными же глазами пауки распознают детали лучше, чем некрупные собаки, домашние кошки, слоны и совсем немногим хуже, чем голуби. Правда, видят они только узкий фрагмент окружающей среды. Вытяните руку и поднимите большой палец. Вот примерно такой, в пределах этой небольшой полоски пауки-скакуны видят мелкие детали и цвета.

Остальные глаза позволяют паукам-скакунам видеть мир на 360 градусов, правда, это чёрно-белая картинка. Они замечают какое-нибудь движение и поворачиваются так, чтобы рассмотреть получше. Если что-то вызывает у них интерес, то нужную часть картинки они могут рассмотреть в деталях и цвете, но в каждый момент времени только эту часть. Только к ней. Когда нужно, добавляются цвета и детали, которые иначе не видны. Это довольно сложно представить.

Одни виды пауков-скакунов, переводя взгляд основных глаз с предмета на предмет, докрая, их гораздо большим количеством красок, чем другие. Большинство пауков-скакунов, в том числе вот этот, дихроматы. У них на сетчатке два типа колбочек, как у собак и многих других млекопитающих. Сопоставляя, как эти два типа колбочек реагируют на свет от окружающей среды, они примерно понимают, какого цвета объекты. Они отличают ультрафиолет от фиолетового, синего и зелёного.

Но среди пауков-скакунов есть ещё трихроматы, у которых, как у людей, три типа колбочек. И даже тетрахроматы, как птицы. Занятно, что виды, способные распознавать большое количество цветов, совсем не обязательно близкие родственники. Среди пауков-скакунов можно найти самые разные варианты. Даже внутри близких групп восприятие цвета может отличаться.

Эти пауки в каком-то смысле заново изобретали способность распознавать каждый раз по-разному. Скакуны. Для сравнения возьмём приматов, узконосая человекообразные обезьяны, как и сам человек, трихроматы. У нас общий предок. А значит, наше цветовое зрение, по всей вероятности, в ходе эволюции появилось однажды и сохранилось до сих пор. У пауков-скакунов в этом смысле история гораздо интереснее. У них в процессе эволюции способность различать красный возникала несколько раз.

Чтобы это выяснить, исследователям пришлось изучить родственные связи между разными группами. В основном этим занимался Дисон, самый преданный фанат пауков-скакунов. Боже мой, гавайка! Чудесно! Замечательный самец. За последние 30 лет ни разу не видел такого паука живьём. Другого такого знатока нет. Его специализация — таксономия пауков-скакунов. Я составляю эволюционное древо пауков-скакунов. Эволюционное древо — это су карта генетической истории, которая связывает всех нас.

Место разных видов на этом эволюционном древе подсказывает, как они заполучили черты, которыми обладают. Например, если большинство пауков-скакунов не видят красный, а два вида на разных ветвях древа видят, скорее всего, этой способностью они обзавелись независимо друг от друга. Тогда стоит задаться вопросом о том, что привело к этому изменению. В одинаковой ли среде они обитают? На похожую ли добычу они охотятся? Так можно разобраться, какие факторы влияют на развитие цветового зрения.

Возможно, так им проще искать еду или отличать полезную добычу от вредной. Мелкие насекомые нередко обладают ярким окрасом, у некоторых этот окрас говорит о том, что они ядовиты. Есть другое предположение: возе помогает совершенно разным существам, от явре до пауков, находить партнеров получше. Чтобы проверить эти две версии, учёным надо было выяснить, у каких из 6000 видов пауков-скакунов хорошо развито цветовое зрение, а у каких нет. Раньше изучены были всего несколько видов, и этого толком никто не знал.

Исследователи отправились в экспедицию, чтобы собрать пауков-скакунов со всех основных ветвей эволюционного дерева. Сперва надо было определить, куда нам всё-таки идти и что искать. Образцов надо было много, из разных локаций. Посмотрим, кто тут живёт. Помните, пон? Похоже, только покемоны. Настоящие, размером меньше нокси на мизинце и очень хорошо прячутся.

Некоторые пауки-скакуны в процессе эволюции приобрели черты, полезные в довольно специфических ситуациях. Например, есть скакунчик, которые питаются термитами, и водятся они только там, где есть эти насекомые. Мы и вовсе находили только в одном месте, в кучах костей в Южной Африке. Кто знает, как они там оказались? Но мы довольно быстро поняли, что этот вид пауков больше нигде не найдём. Отчасти поэтому и интересно ими заниматься, как будто сокровище ищешь, заглянув, фигурально выражаясь, под каждый камень.

Исследователи добыли сотни пауков самых разных видов и вернулись в лабораторию. Им нужно понять, сколько цветов воспринимает каждый вид. Они это делают, и почему. Выяснить, как определённый вид воспринимает свет, совсем не просто. Мы не можем подключиться к мозгу другого существа и увидеть то, что видит оно. Так как поступить?

Для начала применяем метод микро спектрофотометрии. Длинное слово! Просто учёные помимо микроскопа используют устройство, которое измеряет длину волны. Спектрофотометр кладут под микроскоп очень тонкий срез сетчатки из глаза паука-скакуна, а затем измеряют длину волн света, которые поглощают отдельные колбочки. Собрав достаточно показаний, можно понять, кто перед нами: дихромат или трихромат.

Но не можем точно выяснить, что именно они видят и для чего им это нужно. В идеале, какие цвета различает тот или иной вид, выясняют по поведению его представителей. Иными словами, нам надо каким-то образом спросить самого паука о том, что он видит, а потом понять его ответ. Разобраться, что происходит в уме у паука, совсем нелегко. Неудивительно, что для этого нужна целая исследовательская группа.

Этим паукам особенно важно обращать внимание на то, что движется. Их реакция вполне может быть завязана на цвет. Вот как устроена проверка: пауку показывают экран, по которому движется изображение, окрашенное в контрастный цвет, но одинаковое по яркости с фоном. Затем учёные наблюдают, следит ли паук за изображением. И здесь сложность в том, что если позволить пауку-скакунчику свободно поворачиваться и реагировать на цветовое изображение, этим он и займётся. Но картинка, которую он видит, будет меняться.

Поэтому нам нужно каким-то образом контролировать то, что видит паук в каждый отдельный момент времени. Для этого исследователи крепят к голове пауков-скакунов маленькие магнитики, которые удерживают их на весу. Мы сажаем их на шарики, точнее, даём шарик, за который они могут цепляться лапками, и затем следим, как они его вертят. Так мы понимаем, в какую сторону паук решает ползти. Если паук-скакун крутит шарик влево, наверное, он хочет повернуть направо.

В след за движением картинки на экране, а это значит, что паук вероятно отличает цвет изображения. Узнав, какие цвета распознают разные виды пауков-скакунов, исследователи смогут взяться за вопрос о том, как они это делают. Чем отличается ДНК тех пауков-скакунов, которым доступна самая богатая палитра? Как считает Меган Портер, важную роль здесь играют гены, которые кодируют белки, под названием осины. У живых существ, которые обладают цветовым зрением, обнаруживаются разные копии этого гена, и эти варианты производят белки, чувствительные к свету разных цветов.

Изучая новый вид, первым делом мы применяем метод, известный как секвенирование транскриптомов. Всю голову паука-скакуна и проводим секвенирование буквально для каждого активного гена в этих тканях. Так исследователи получают набор всех экспрессионных генов, то есть тех, которые транскрибируются. Иммуногистохимия: учёные по сути ставят на каждый интересный белок молекулярные маркеры. Это они светятся, и потом мы ищем, где загорелся нужный маркер, пони экспрессируется.

Каждый асин, как распределяются эти белки. Особенный интерес исследователей вызвали гены, которые экспрессируются у пауков-скакунов на сетчатке основных глаз. Скорее всего, именно эти гены связаны с разницей в цветовом зрении. Пока учёные выясняли, какие виды воспринимают больше цветов и как это происходит, им удалось сделать несколько открытий.

О том, что способность различать большее количество цветов появлялась у пауков-скакунов несколько раз, уже было известно. Но исследователи и не подозревали, насколько широко она распространена. Изучив 45 видов с разных ветвей эволюционного древа, исследователи обнаружили, что цветовое зрение менялось целых 12 раз. С точки зрения эволюции новые формы цветового зрения появляются у пауков-скакунов постоянно, и разные виды обретали отдельные его особенности очень разными путями.

Возьмём, например, распознавание красного цвета. Колбочки на сетчатке у большинства пауков-скакунов восприимчивы только к зелёному или ультрафиолетовому свету. Некоторые же научились видеть красный благодаря тому, что ген, вырабатывающий чувствительный к зелёному осин, случайно удвоился. Новая копия мутировала, её чувствительность сместилась в сторону более длинных волн, как с нашими глазами. Когда-то произошло то же самое — ген осина, который отвечает за пигмент, чувствительный к зелёному. Пливая, у копии развил красную часть спектра.

Мы выяснили, что у пауков-с кончиков эта история повторяется снова и снова, но некоторые виды этих пауков распознают красный совсем не так. Они обошлись без новых фоторецепторов. Зато обзавелись встроенным фильтром, который перекрывает часть колбочек. Он поглощает зелёный и заставляет их реагировать только на более длинные волны, например, красного света. По сути, из одних и тех же фоторецепторов заго луча, как будто два типа клеток.

Когда узнаёшь обо всех этих эволюционных изобретениях, наш первый вопрос кажется ещё интереснее. Зачем кому-то понадобилось видеть больше цветов? Это и пытается выяснить Лиза Тейлор. Возможно, дневным хищникам вроде паука-скакунчика зрение помогает искать пищу или избегать добычи, которая может им навредить. Они токсичны, часто это цвета с большей длиной волны: красный или оранжевый.

Сейчас мы исследуем предположение, что цветовое зрение помогает паукам понять, что красная еда невкусная, и научиться её избегать в качестве добычи. В этом эксперименте взяли термитов. Одним спину покрасили красным, другим серым. На их поведение это никак не влияет, они бегают также, как бегали, а пауки-скакуны термитов очень любят. Митов сно подкармливали битрек сом, который считается самым горьким веществом в мире. И в общем, паукам он тоже очень не нравится. Так мы можем одновременно контролировать и цвет добычи, и её вкус.

Другими словами, исследователи могут получить красных горьких термитов, серых вкусных. А если решат разыграть пауков, то ещё и серых, но горьких и красных, и вкусных. На первом этапе эксперимента пауков обучают. Им предлагают шведский стол с термитами в отдельных чашках Петри. Итак, в трёх чашках Петри красные горькие термиты и ещё в трёх вкусные термиты с серыми спинками. Пауки охотятся на термитов и получают один и тот же сигнал: если съесть красную добычу, будет горько. А вот серые термиты всегда вкусные.

В первом опыте участвовал вид ханату. Мы остановились на этих пауках, потому что уже знаем, что они способны воспринимать свет с волнами большой длины. Вид карбонату Трикс распознаёт красный за счёт фильтра, о котором мы уже говорили. Насколько мы знаем, пауки хорошо запоминают правила. И как только они их поймут, эксперимент начнёт по-настоящему. Пауки будут устроенные, совсем как шведский стол, с помощью которого их обучали.

Но для половины испытуемых кое-что сильно изменится. Им предложат только серых термитов, некоторые из которых окажутся горькими. То есть цвет больше не говорит о качестве добычи, и вот в чём суть. Одним паукам можно выбирать добычу по цвету, другим придётся делать это наугад. Будет ли первым проще? Пока наблюдения подтверждают, что паукам проще избегать горьких термитов, если те помечены красным. Когда можно опираться на цвет добычи, пауки лучше откладывают яйца и чуть больше весят.

Согласно одной из гипотез, хорошее цветовое зрение у приматов помогало им отличать спелые плоды от зелёных и нежные новые листочки от старых и более жёстких. Иначе говоря, оно пригодилось, чтобы отличать хорошую еду от плохой. Примерно так же, как у пауков из эксперимента. Какие-то данные подтверждающие эту версию мы получили, и теперь надо повторять этот опыт с пауков-скакунов, с теми, у которых другое цветовое зрение. Учёные предполагают, что развитое цветовое зрение будет давать паукам-скакунам некоторые преимущества.

То есть результаты опытов будут лучше в тех случаях, когда пауки смогут выбирать вкусную добычу по цвету. А виды, которые красный не распознают, покажут один и тот же результат, несмотря на цветные метки и этап обучения. Если эти предположения окажутся верными, это станет первым экспериментальным подтверждением того, что умение распознавать больше цветов даёт эволюционное преимущество. Но вряд ли стоит сводить световое зрение только к поиску пищи.

Пауки-скакуны преподнесли учёным ещё несколько сюрпризов. У одного рода пауков из Центральной Америки, он называется мекси гону, самцы, притом только самцы, во время брачного периода демонстрируют свой яркий окрас. Мы были уверены, что самки наверняка обращают на это внимание и отличают красный от других цветов. То есть у них можно тьюй, но оказалось, по крайней мере, насколько нам удалось выяснить, что красные они всё-таки не видят. У них клетки на сетчатке основных глаз чувствительны только к ультрафиолету и к зелёному.

Я не боюсь, что окажусь в чём-то неправ. Обычно это означает, что всё гораздо интереснее. Что ух ты, природа опять подкинула что-то новое, и мы это новое можем узнать. Так что же это за пятно? Чтобы выяснить это, а заодно, возможно, понять, зачем пауки сором сигналы цветами, которых те не видят, мы ещё раз взглянем на сетку пауков-скакунов. В отличие от нас, у пауков-скакунов не одна сетчатка, а несколько. Одна на другой, и они пропускают свет.

Мы думаем, что одна из функций многослойной сетчатки — это коррекция оптической проблемы под названием хроматическая аберрация. Большинство оптических материалов, вот, например, линзы и стекла, отклоняют более короткие волны света, вроде синего и ультрафиолета, сильнее, чем длинные, вроде красного. Это и есть хроматическая аберрация. В линзах то же самое. Если использовать винтажный объектив, на фотографиях будет заметно, что цвет рядом с контрастными фрагментами изображения немного расслаивается.

Сенсоры в фотоаппаратах представляют собой одиночный слой. Фоточувствительность за счёт более сложной конструкции, но есть и другое решение. Колбочки, чувствительные к разному свету, можно расположить на разной глубине позади линз, и тогда цвета, на которые они реагируют, окажутся в фокусе. Именно так устроена сетчатка у паука-скакуна. И вот мы на шажок приблизились к тому, чтобы понять, что означает красный цвет для пауков, которые его не видят.

Колбочки, чувствительные к более коротким волнам, у паука расположены в среднем ближе к линзе, а те, которые воспринимают длинные волны, дальше. Но большинство пауков-скакунов дихроматы, у них всего два типа колбочек. Зачем же им четырёхслойная сетчатка? Обычно на дне глаза, иными словами, дальше всего от линзы, два слоя. Первый и второй чувствительны только к зелёному свету. С таким устройством сетчатки на одном слое будет в фокусе, а на другом нет.

Исследования, проведённые в Японии, показали, что такая разница фокусировки даёт возможность воспринимать глубину и расстояние в той среде, где обитают пауки. Но тут есть слабое место. Работать это будет только, если существо смотрит на один какой-то цвет, например, зелёный. Если добавить другие, скажем, красный, система начнёт сбои из-за примесей другого цвета. Может казаться, что объект находится ближе, чем на самом деле, как бы тянется к смотрящему. С точки зрения восприятия это совсем другая картина.

Получается, что красные пятна на пауках-скакунах совсем не кажутся красными, а вместо этого создают ощущение глубины изображения. Но что эта оптическая иллюзия даёт пауку-самцу? Стоит заметить, что самки пауков-скакунчиков зачастую довольно агрессивны по отношению к самцам. Скажу даже так, они скорее съедят самца, чем примут его ухаживания. И когда паук танцует перед паучкой, для многих это буквально танец со смертью. Если самке кажется, что самец ближе, чем он есть на самом деле, то есть шанс, что при нападении она промахнётся.

Но может быть, оптический обман даёт и другие преимущества. Самка не может хорошо рассмотреть самца, может быть, она задержится, чтобы разглядеть получше. Возможно, в конечном итоге таким образом ухаживание даёт более благоприятный результат. А может быть, иллюзию глубины применяют себе на пользу не только романтично настроенные самцы. Представьте себе красное съедобное насекомое. Увидев его, мы бы, может, решили, что оно ядовитое, и этот цвет предупреждает птиц, чтобы они его не ели.

Но возможно, что такой окрас нужен только для того, чтобы оказаться ближе к пауку-скакуну. Больше шансов сбежать. А есть насекомые с красно-синим окрасом, который создаёт очень сложную для восприятия картинку. Паук теряется и гораздо дольше оценивает расстояние. В таких случаях важна даже доля секунды. А теперь подумайте, что произойдёт, если паук вдруг научится отличать красный от зелёного. Обмануть его станет намного сложнее.

Что это и есть неожиданное преимущество, которое получают пауки с развитым цветовым зрением. Хотя дело совсем не в цвете. Чтобы понять, стоит ли вообще дальше рассматривать эту гипотезу, нам нужны очень точные данные о том, как относительно друг друга расположены линзы, сетчатка и другие элементы глаза живого паука. Рассматривать под микроскопом подготовленные образцы тканей тут бесполезно.

Но есть и другой вариант. С помощью ускорителя частиц APS исследователи начали снимать рентгеновское видео в высоком разрешении сквозь экзоскелеты пауков. Такого ещё никогда не делали. С помощью рентгена мы видим их глаза насквозь и можем наблюдать, как двигаются трубки с жидкостью. Если при повороте сечёнки меняется форма или длина трубки, меняется и то, что пауки могут воспринимать. Они вос раньше выяснять, это приходилось нарезав пауков на препараты, поэтому мы очень рады, что можем получить видео того, что происходит в голове паука в высоком разрешении, прямо пока он что-то активно разглядывает.

К сожалению, через несколько месяцев после начала исследований APS закрыли на реконструкцию, которая продлится больше года. Похоже, нам придётся немного подождать ответов. Нате вопрос, которыми занимаются исследователи. Гру известно, что они умеют двигать сетчаткой и что поворачивать взгляд они могут на 50-60 градусов. Причём взгляд пауки могут переводить не только в горизонтальной плоскости, но и по вертикали. Более того, глаз может скручиваться, что меняет ориентацию их поля зрения.

Но как подобные движения глаз сказываются на фокусировке взгляда? Как пауки воспринимают глубину? И как они всё-таки видят свет? Пауки-скакуны интересны именно этим, тем, как лу это порождает. Очень много вопросов, начиная с того, что такое цвет. Очевидно, что этим паучкам есть что рассказать нам о цветовом зрении, его эволюции, о том, как по-разному оно может быть устроено даже внутри одной группы живых существ.

Если мы правильно поняли, как устроено их зрение, то не исключено, что они видят свет измерения не так, как мы привыкли. А ведь мы даже не начинали разговор об особенностях других чувств у этих созданий. Они, например, умеют общаться вибрациями. Если задуматься, мы люди, при всём развитии технологий, способны воспринимать лишь небольшую часть того, чем наполнена Вселенная. Если мы должны что-то этому миру, это позволит ему восприниматься во всей полноте. В этом трагедия вымирания видов. Зачастую теряются совершенно уникальные способы взаимодействия с природой, такие, которые мы и представить себе не можем.

Так что такое цвет? Свойство объекта, как считал Аристотель, или нечто, существующее только в разуме, который его воспринимает, как говорил Лилей? Может быть, нам и не надо выбирать из этих двух вариантов. Я бы сказал, что цвет появляется из сочетания эволюции глаз, которые смотрят на мир, и мира, на который они смотрят. То, что мы называем цветом, возникает в этом взаимодействии. Эволюционном взаимодействии того, что можно ощутить, и тех, у кого есть органы чувств. Миллионы поколений живых существ в этом взаимодействии создали то, что мы теперь знаем, и все те способы восприятия, которыми мы можем до него дотронуться.