Почему у кошки вертикальный зрачок, а у козы горизонтальный: что нашли учёные
Если коротко: форму зрачка у наземных животных определяет то, как они добывают еду и кого боятся. Так показала работа Мартина Бэнкса с коллегами, опубликованная в Science Advances в 2015 году. Они сравнили 214 видов, и связь оказалась очень сильной: вертикальная щель встречается в основном у засадных хищников, которые охотятся и днём, и ночью, а горизонтальная полоса — у травоядных, за которыми охотятся. У кошки щель помогает точнее оценить расстояние до мыши и работать при любом свете. У козы полоса даёт широкую панораму вдоль земли, чтобы заметить хищника заранее. Это объяснение построено на оптической модели и сравнении видов, поэтому честнее называть его лучшей из имеющихся гипотез, а не законом.
Привет, это канал «Обо всём». Здесь мы берём привычную мелочь вроде кошачьего глаза и выясняем, зачем она устроена именно так. Заглянем в козий и кошачий глаз и заодно проверим пару красивых легенд.
Зрачок — это диафрагма, и у неё есть форма
Зрачок — отверстие в радужке, через которое свет попадает на сетчатку. Чем он шире, тем больше света, чем уже, тем меньше его и тем глубже резкость. У нас зрачок круглый, и его закрывают кольцевые мышцы, как диафрагму в объективе. Вопрос «почему круглый» обычно не возникает, потому что это кажется нормой. А вот щели и полосы сразу бросаются в глаза.
Внутри глаза всё одинаково: свет идёт через зрачок и хрусталик, а дальше сетчатка. Меняется только форма отверстия. И здесь начинается интересное: форма определяет, какие детали картинки будут резкими, а какие нет. Круглый зрачок одинаков во всех направлениях. Щель — нет. Она узкая в одном направлении и широкая в другом, а значит, ведёт себя по-разному с вертикальными и горизонтальными линиями. Всё остальное в статье вырастает из этого одного факта.
Про кошачий глаз мы уже писали отдельно: как работает зеркальный слой за сетчаткой, почему глаза светятся на фото и как кошка видит в темноте. Эту часть оставим, а сегодня разберём именно форму отверстия.
Что нашли Бэнкс и коллеги: подпись образа жизни
Исследователи составили базу из 214 наземных видов и для каждого записали три вещи: форму зрачка в суженном состоянии, способ добывать пищу и время активности: днём, ночью или и днём и ночью. Дальше всё решила статистика. По итогам авторы пишут о «поразительной корреляции» между формой зрачка и экологической нишей, и картина выглядит так.
• Вертикальная щель — у засадных хищников, которые сидят в укрытии и бросаются на добычу. Такие звери обычно активны и днём, и ночью.
• Круглый зрачок — у активных охотников, которые гонятся за добычей, и, как отмечают авторы, у почти всех птиц.
• Горизонтальная полоса — у травоядных, которые сами служат добычей, и у животных с глазами по бокам головы.
Важна оговорка про родство. Очевидное возражение: может быть, все кошачьи просто унаследовали щель от одного предка, а при чём тут образ жизни? Авторы проверили это и пришли к выводу, что вертикальные щели возникали независимо в разных линиях, например у змей минимум дважды. Значит, форма не случайно досталась по наследству, а подбиралась давлением среды.
Секрет вертикальной щели: размытие как дальномер
Теперь о механизме. Щель создаёт то, что авторы называют астигматической глубиной резкости. Звучит страшно, идея простая. Если зрачок вытянут вертикально, то вертикальные линии (ствол, травинка, ножка стула) остаются резкими даже когда они ближе или дальше того расстояния, на которое сфокусирован глаз. А горизонтальные линии на тех же расстояниях заметно размываются. Чем сильнее размыт горизонтальный контур, тем дальше он от точки фокуса, и по степени размытия мозг может прикинуть расстояние.
Для засадного хищника это очень удобно. Нужно точно оценить расстояние до добычи, но крутить головой нельзя, потому что движение выдаст его. Поэтому, как объясняют авторы, он не может пользоваться параллаксом от движения головы и опирается на два других сигнала. Первый — стереозрение: разница картинок в двух глазах, которая лучше всего работает на вертикальных линиях. Второй — размытие: то самое, которое щель даёт на горизонтальных. Вместе они закрывают оба типа контуров, и расстояние можно оценить, не шелохнувшись.
Тут, кстати, есть красивый миф, который встречается и в научных статьях. Раньше считали, что вертикальный зрачок даёт большую глубину резкости для горизонтальных линий. Авторы работы 2015 года называют это утверждение ошибочным: глубина резкости для горизонталей определяется вертикальным размером зрачка, а у щели он как раз большой. Поэтому вертикальная щель увеличивает резкость вертикальных линий, а горизонтальные размывает, и именно это размытие оказывается полезным.
Почему щель нужна низким хищникам, а тигру хватает круга
Есть и вторая зацепка: высота глаз над землёй. Для засадного хищника земля перед ним — главная сцена: по ней ползёт добыча. Когда глаза у самой земли, она сильно «сплющена» перспективой, и горизонтальных контуров на картинке очень много. Они как раз и размываются щелью, так что дальномер по размытию работает на полную. Чем выше глаза, тем слабее этот эффект. Авторы посчитали это на своей базе: среди 65 засадных хищников с глазами спереди у 44 вертикальный зрачок, у 19 круглый. Из тех, у кого щель, 82% имеют высоту в холке меньше 42 см. Из тех, у кого круглый зрачок, меньше 42 см только 17%.
Другими словами, щель — удел небольших засадников вроде домашней кошки, а у крупных зверей, которые смотрят на мир с высоты, она встречается редко. Это не правило без исключений, а статистическая тенденция, но тенденция очень заметная. Заметим и оговорку: рост корреляцию объясняет, но не доказывает причину. Это гипотеза авторов, подтверждённая моделью оптики.
Не только оптика: диапазон света
У щели есть и вторая, более известная функция: она позволяет зрачку менять площадь в огромных пределах. Круглый зрачок закрывают кольцевые мышцы, а в щелевом работают ещё две, сжимающие отверстие с боков. По данным обзора Бэнкса, площадь зрачка у домашней кошки меняется примерно в 135 раз, у гекко около 300, а у человека примерно в 15. Классическое измерение у кошек выполнили Уилкокс и Барлоу ещё в 1975 году, оно цитируется в работе Бэнкса.
Звери, активные и днём, и ночью, должны широко открываться в сумерках и сильно закрываться на ярком солнце, иначе слепит. Щель справляется с этим лучше круга. Это объяснение известно давно, но у него есть слабое место: оно говорит, почему зрачок вытянут, и молчит, почему он вытянут именно вертикально у одних и горизонтально у других. Поэтому идея Бэнкса дополняет его, а не отменяет.
Гекко — вообще отдельная история. Когда его зрачок сужается, он превращается в несколько вертикально выстроенных «проколов». Щель с проколами плюс около трёхсот крат диапазона. Эти цифры Бэнкс берёт из работы Рот и коллег про зрачки и оптику глаз гекконов. Для ящерицы, активной и днём, и ночью, это идеальное решение.
Горизонтальная полоса: панорама для травоядных
С козой всё зеркально. Её главная задача — вовремя заметить хищника, который может прийти с любой стороны, и не споткнуться на неровной земле. Глаза у неё расположены по бокам головы, поле зрения огромное. Авторы на модели глаза овцы показали: горизонтально вытянутый зрачок делает резкими горизонтальные линии слева и справа, то есть панораму вдоль земли. Вертикальные контуры при этом страдают, но для травоядного это не так важно: главное — не пропустить, что движется по земле.
У горизонтальной полосы есть ещё одно преимущество. Кроме резкости, по расчётам авторов, она пропускает больше света из важных направлений вдоль земли и меньше из направлений, откуда света и так много.
«Ага»: зрачок козы старается оставаться горизонтальным
И вот главный фокус. Что будет, когда коза опускает голову к траве? Глаз, казалось бы, должен повернуться вместе с головой, и полоса встанет вертикально. Но авторы пошли на фермы и в зоопарки и проверили: у овцы, козы, лошади, белохвостого оленя и лося при наклоне головы примерно на 70° глаза проворачиваются в глазницах в обратную сторону, с коэффициентом не меньше 0,7. Попросту: глаз компенсирует не менее 70% наклона. Фотографии лошади и видео овцы приведены в дополнительных материалах работы.
Обратите внимание на цифру. Это не полная стабилизация. Глаз не удерживает полосу идеально горизонтальной, а проворачивается примерно на 0,7 градуса за каждый градус наклона головы. В результате зрачок остаётся примерно параллельным земле, когда животное поднимает голову, чтобы осмотреться, и когда опускает её, чтобы щипать траву. Схожий механизм описан и у рептилий с вертикальными зрачками: у каймана около 0,8 при небольших наклонах. Исключения тоже бывают, например зелёная древесная змея таких поворотов не делает.
Отсюда следует простой вывод: форма зрачка бесполезна, если она не привязана к земле. Поэтому у всех, чей зрачок работает как «выравниватель горизонта», глаза обязаны уметь вращаться вслед за наклоном головы. Видимо, эти два приспособления эволюционировали вместе.
Осьминог, птицы и другие исключения
Осьминог показывает тот же приём в совершенно другой ветви эволюции. По обзору Ханке и Келбера, у обыкновенного осьминога зрачок в темноте круглый, а на ярком свету сужается в горизонтальную щель, которая совпадает с полосой повышенной плотности фоторецепторов на сетчатке. Осьминог обычно удерживает зрачок горизонтальным, и за это отвечают статоцисты, органы равновесия: без них животное теряет правильную ориентацию глаза.
С птицами всё скучнее: почти у всех зрачок круглый. По Бэнксу, единственные птицы со щелью, и она вертикальная, — водорезы (скиммеры). Они летят над самой водой, опустив нижнюю половину клюва в воду, и активны в сумерках или ночью. Ниша, как отмечают авторы, зрительно похожа на нишу низких наземных засадников, и зрачок у них такой же.
Из этого не нужно делать вывод, что любой зверь с щелью — засадник, а с кругом — нет. Правило статистическое, исключения есть, а для многих видов мы просто не знаем всей картины. Но зато теперь, глядя в глаза коту, козе или осьминогу, вы видите не случайность, а решение конкретной оптической задачи.
Мифы и поправки
Миф: «вертикальный зрачок нужен, чтобы лучше видеть ночью». Не совсем. Щель помогает управлять светом в огромном диапазоне и оценивать расстояние, но ночное зрение держится на сетчатке и зеркальном слое.
Миф: «у козы зрачок странный просто так». Нет, это оптика панорамы вдоль земли.
Миф: «зрачок козы всегда строго горизонтален». Нет: компенсация не меньше 70%, а не 100%.
Миф: «вертикальная щель повышает резкость горизонталей». Авторы работы 2015 года называют это ошибкой: щель повышает резкость вертикалей.
Коротко
• Форма зрачка связана с образом жизни: щель у засадников, полоса у добычи, круг у активных охотников (Banks et al., 2015, 214 видов).
• Вертикальная щель размывает горизонтальные линии на разных расстояниях, и это работает как дальномер для хищника, которому нельзя вертеть головой.
• Щель особенно характерна для низких засадников: у 82% видов со щелью высота в холке меньше 42 см.
• Площадь зрачка у кошки меняется примерно в 135 раз, у человека около 15.
• У козы и других копытных глаза вращаются при наклоне головы с коэффициентом не меньше 0,7, поэтому полоса остаётся примерно параллельной земле.
• Осьминог использует горизонтальную щель и держит её горизонтальной с помощью органов равновесия.
Пока нет комментариев