То, как рыбы видят свой подводный мир, долгое время завораживало людей. Как наземные существа, дышащие воздухом, способ, которым рыбы воспринимают окружающую среду, кажется нам чуждым. Тем не менее, рыбы обитают на той же общей Земле, что и мы. Понимание того, как видят рыбы, может помочь преодолеть разрыв между нашими совершенно разными мирами.
Видят ли рыбы так же, как мы? Короткий ответ — нет. Глаза рыб работают совсем не так, как глаза человека. Рыбы обитают в совершенно иной видимой среде, чем люди. И их мозг обрабатывает визуальную информацию в отличие от человеческого. Но глаза и зрение рыб замечательно приспособлены для того, чтобы четко видеть под водой. Зрительные способности рыб могут даже превосходить человеческие в некоторых отношениях. Изучение зрения рыб дает интригующее окно в то, как эволюция формирует восприятие окружающего мира на основе ниши животного.
Глаза человека и рыб бывают очень разными по форме, размеру и строению. Наиболее очевидным отличием является то, что глаза рыб гораздо более сферические, чем у людей.
| Особенности глаза | Рыбий глаз | Человеческий глаз |
|---|---|---|
| Форма | Сферическая линза, приводящая к сферической сетчатке | Эллипсоидная линза, приводящая к сфероидальной сетчатке |
| Акомодация | Фокусировка с помощью движения линзы | Фокусировка с помощью утолщения и истончения линзы |
| Водянистая влага | Менее вязкая | Более вязкая |
| Фовеа | Отсутствует | Присутствует |
| Колбочки | Один тип колбочек | Несколько типов колбочек |
Сферическая форма глаз рыб позволяет свету фокусироваться на сферической сетчатке. Это позволяет рыбам иметь почти 360-градусное поле зрения. Человеческие глаза имеют меньшее поле зрения, около 180 градусов.
Рыбы меняют фокус, перемещая свою сферическую линзу вперед и назад. Люди меняют фокус, изменяя толщину своей эллипсоидной линзы.
Водородная влага, заполняющая глаза рыб, имеет меньшую вязкость, чем у людей. Это способствует четкости зрения под водой и быстрой смене фокуса.
У многих рыб отсутствует ямка, центральная область высокой остроты зрения сетчатки человека. Вместо этого разрешение зрения рыб обычно более равномерно по всей сетчатке.
Рыбы обычно имеют один тип колбочек фоторецепторов, в то время как у людей их три. В результате, как полагают, у многих рыб цветовое зрение ограничено различением цветов и оттенков серого.
Вода представляет собой совершенно иную визуальную среду, чем воздух. Когда свет попадает в воду, его скорость меняется, он поглощается и рассеивается. Эти эффекты влияют на то, что рыба может видеть под водой.
Свет распространяется в воздухе чрезвычайно быстро со скоростью около 299 792 458 метров в секунду. В воде свет распространяется только со скоростью около 225 000 000 метров в секунду. Это означает, что скорость света уменьшается примерно на 25% при попадании в воду.
Поглощение выборочно удаляет цвета из белого света, когда он проходит через воду. Самые длинные волны, такие как красный и инфракрасный, поглощаются первыми на глубине около 3 метров. Оранжевый и желтый исчезают на 10 метрах. Зеленый, синий и фиолетовый проникают глубже всего, примерно до 100 метров. Сам цвет воды может дополнительно поглощать и рассеивать свет. В результате цветовое зрение рыб адаптируется к остаточным доступным цветам.
Рассеяние рассеивает и отражает свет под водой. Это вызывает блики и размытие, которые компенсируют глаза и мозг рыб. Рассеяние по сути устанавливает максимальный диапазон видимости под водой намного короче, чем на воздухе. Самые чистые тропические воды могут обеспечивать видимость до 200 метров. Но во многих водах видимость быстро уменьшается до десятков метров или меньше.
Чтобы справиться с этими эффектами, глаза рыб обладают несколькими адаптациями. У многих рыб есть ультрасферические роговицы и линзы для фокусировки рассеянного света. Их зрачки широко расширяются, чтобы захватить больше фотонов в тусклой воде. Доминируют более коротковолновые чувствительные ретинальные фотопигменты, соответствующие сине-зеленому свету. Многослойные сетчатки и 5+ ретинальных фотопигментных макулярных фильтров выходов для противодействия искажению света и цвета. Контрастное обнаружение позволяет разрешать размытые изображения.
Рыбы обитают практически во всех возможных подводных местообитаниях, от сверхъярких коралловых рифов до черноты морских глубин. Существует более 33 000 видов рыб с ошеломляющим разнообразием форм тела, поведения и образа жизни. Неудивительно, что глаза и зрение рыб также сильно различаются в зависимости от среды обитания и экологии.
Рыб можно грубо сгруппировать по зрительным способностям. Одна простая классификация делит рыб на специалистов по дневному (дневному) и ночному (ночному) зрению. Дневные рыбы обычно обладают цветным зрением высокого разрешения, адаптированным к хорошо освещенным мелководьям. Многие популярные аквариумные рыбы, такие как цихлиды, тетра и гуппи, попадают в эту группу. Ночные рыбы часто демонстрируют увеличение глаз, чувствительность сетчатки и адаптации к сбору света для максимального улучшения зрения в темной воде. Глубоководные рыбы и сомы демонстрируют превосходное ночное зрение.
Другие визуальные группы включают рыб с:
– Ультрафиолетовым зрением – наблюдается у таких рыб, как радужная форель и золотая рыбка, которые обнаруживают невидимые для человека длины волн УФ. Полезно для обнаружения зоопланктона.
– Обнаружением поляризованного света – наблюдается у радужной форели и сельди, что позволяет им видеть эффекты поляризации, которые люди не замечают. Улучшает контрастность и обнаружение добычи за счет рассеивания.
– Тетрахроматией – обладает такими видами, как золотая рыбка и гуппи, давая им 4+ типов колбочек для расширенного цветового зрения. Позволяет различать цвета, невидимые для человеческого глаза.
– Удвоенной сетчаткой – некоторые дневные рыбы имеют два слоя сетчатки, один из которых настроен на дневное, а другой на ночное зрение. Позволяет оптимизировать зрение при изменении уровня освещенности.
– Трубчатые глаза – У глубоководных рыб-драконов глаза в форме длинных трубок, чтобы максимально улавливать свет на глубине 500–1000 метров в постоянной темноте.
Глаза рыб также могут двигаться независимо, поворачиваться вперед, как бинокль, и даже разделять свет на разные области сетчатки. По-настоящему возможности зрения рыб гораздо шире, чем обычно считается.
Видение выходит далеко за рамки просто функционирующих глаз. В мозге рыб происходит сложная визуальная обработка, которая позволяет интерпретировать визуальные сцены, сфокусированные их глазами.
Мозг рыб содержит тектальные и кортикальные области, предназначенные для анализа визуальной информации, во многом похожие на зрительную кору млекопитающих. Сигналы от фоторецепторов сетчатки предварительно обрабатываются интернейронами в обнаружения краев, детекторы движения и детекторы приближающихся объектов. Это позволяет рыбам быстро распознавать объекты, движение и угрозы.
Некоторые рыбы продемонстрировали впечатляющие визуальные возможности посредством обучения. Брызгуны могут оценивать расстояние и перспективу, чтобы поразить воздушную добычу водой. Манты и груперы могут распознавать и запоминать человеческие лица. Африканские цихлиды различают отдельные черты лица других рыб. Даже золотые рыбки показали, что могут распознавать простые двухмерные формы и узоры.
Но мозг рыб отличается от млекопитающих тем, как они обрабатывают зрение. У рыб нет массивных полушарий головного мозга, как у коры млекопитающих. Визуальная информация, по-видимому, обрабатывается более децентрализованно, модульно. Исследования разделенного мозга также показывают ограниченную межполушарную интеграцию у рыб. В результате зрение рыб кажется более инстинктивным и менее аналитическим, чем зрение приматов.
Изучение того, как рыбы видят свой жидкий мир, обнаруживает много параллелей, но также и различий с человеческим зрением. Хотя глаза рыб работают совсем не так, как наши, они в высшей степени приспособлены к тому, чтобы видеть сквозь воду, а не воздух. Различия в глазах, зрении и мозге рыб в зависимости от вида и среды обитания также демонстрируют эволюцию в действии. Но по сути рыбы видят тот же общий мир, что и мы, просто с их собственной уникальной визуальной точки зрения. Понимание точки зрения рыб может позволить нам лучше общаться с этими собратьями по Земле.