Нашим глазам пришлось пойти на жертвы, чтобы помочь нам выжить
Большая часть млекопитающих полагается на обоняние больше, чем на зрение. Посмотрите на собачьи глаза – они расположены по бокам морды, не так, как у людей, у которых они находятся близко и направлены вперёд. Глаза по бокам позволяют увеличить область обзора, но плохо передают ощущению глубины и расстояние до объектов. Вместо хорошего зрения у собак, лошадей, мышей, антилоп – и в принципе у большинства млекопитающих – есть длинные влажные носы. Отличаемся от них мы, люди, человекообразные и обычные обезьяны. И у нашего зрения есть определённая необычная особенность, которую необходимо объяснить.
Со временем, занимая более освещённые экологические ниши, мы стали всё меньше полагаться на запах и всё больше на зрение. Мы потеряли влажные носы и рыльца, наши глаза подвинулись вперёд на лице и сблизились друг с другом, что улучшило наше умение оценивать расстояние (мы выработали улучшенное бинокулярное зрение). Кроме того, обезьяны Старого Света, или узконосые обезьяны, catarrhini, выработали трихроматизм: цветное зрение из красного, зелёного и синего. У большинства других млекопитающих в глазах содержится два разных типа фоторецепторов (колбочек), но предок узконосых обезьян перенёс дупликацию генов, что создало три разных гена для цветового зрения. Каждый из них кодирует фоторецептор, настроенный на свет разных длин волн: короткие (синий), средние (зелёный) и длинные (красный). Итак, наши предки в результате эволюции выработали глаза, смотрящие вперёд и трихроматическое зрение – и больше мы не оглядывались.
Цветовое зрение работает через захват света с разными длинами волн и сравнение их с целью определения длин волн, отражённых объектом (то есть, его цвет). Синий цвет сильнее стимулирует рецептор, воспринимающий короткие длины волн, и слабо стимулирует рецептор, воспринимающий большие длины волн; красный цвет производит обратный эффект. Сравнивая относительную стимуляцию этих рецепторов, мы способны различать цвета.
Чтобы наилучшим образом воспринимать свет разных длин волн, колбочки должны равномерно располагаться по всему воспринимаемому людьми спектру, от 400 до 700 нм. Если мы посмотрим на распределение колбочек у шмеля, также обладающего трихроматическим зрением, мы также увидим равномерное распределение. И датчики цифровых камер тоже должны быть правильно расположены, чтобы правильно воспринимать цвета. Равномерное распределение колбочек/сенсоров обеспечивает хорошее спектральное прекрасное хроматическое покрытие для доступных длин волн. Но наше зрение работает не совсем так.
У нашего зрения нет такого равномерного спектрального распределения. У людей и прочих catarrhini области действия красных и зелёных колбочек пересекаются. Это означает, что мы ставим приоритет очень хорошее распознавание нескольких типов цветов – конкретно, красного и зелёного – за счёт невозможности увидеть так много цветов, как могли бы. Это странно. Почему же для нас так важно отличать красный от зелёного?
Тому было предложено несколько объяснений. Возможно, простейшее из них следующее: этот эффект является примером того, что биологи называют эволюционным ограничением. Ген, кодирующий рецептор зелёного цвета, и ген, кодирующий рецептор красного, появились в результате дупликации генов. Вероятно, что они изначально были почти одинаковыми по чувствительности, и времени на эволюционный отбор, в результате которого они стали бы разными, не хватило.
Ещё одно объяснение подчёркивает эволюционные преимущества близкого соседства красных и зелёных колбочек. Поскольку оно позволяет нам хорошо различать зелёные и красные цвета, а также разбираться в разных оттенках розового и красного, у нас хорошо получается отличать зрелые фрукты, которые обычно меняются от зелёного к красному или оранжевому цветам при созревании. Свидетельств реальности этого эффекта найдено предостаточно. Трихроматическим людям гораздо лучше удаётся высматривать зрелые фрукты в зелёной листве, чем дихроматическим (которых обычно называют людьми с красно-зелёным дальтонизмом). Что более важно, у нормально трихроматических людей это получается лучше, чем у людей, которым для эксперимента симулируют равномерно распределённый трихроматизм. У обезьян Нового света, среди которых некоторые трихроматические, а некоторые – дихроматические, первые распознают созревшие фрукты гораздо быстрее вторых, не пользуясь обонянием так сильно. Поскольку фрукты – критически важная часть диеты многих приматов, распознавание фруктов является правдоподобным фактором отбора, и не только для эволюции трихроматизма в общем, но и для нашей особенной, необычной формы трихроматизма.
Итоговое объяснение связано с системой социальных сигналов. Многие виды приматов используют красный цвет, например, ярко-красный нос мандрила или красные пятна на груди гелады, при социальном общении. Точно так же эмоции людей сопровождаются изменением цвета лица, связанным с током крови, бледнея при недомогании или волнении, краснея при смущении и так далее. Возможно, распознавание таких признаков и сигналов может быть связанным с необычным распределением колбочек?
Недавно мы с коллегами проверили эту гипотезу экспериментально. Мы брали изображения морд самок макак-резусов, которые краснеют, когда самок интересует спаривание. Мы подготовили эксперименты, в которых люди смотрели на пары изображений одной и той же самки, на одном из которых её интересовало спаривание, а на другом – нет. Участников просили выбрать морду самки, интересующейся спариванием, но при этом мы немного подредактировали изображения. В некоторых подходах люди видели оригинальные изображения, в других они видели изображения с изменёнными цветами, эмулировавшими то, что увидел бы наблюдатель с другой системой восприятия цвета.
Сравнивая таким способом разные виды трихроматизма и дихроматизма, мы обнаружили, что люди лучше всего справлялись с этой задачей, когда использовали нормальное человеческое трихроматическое зрение – и они гораздо лучше справлялись с задачей при помощи нормального зрения, чем с трихроматизмом с равномерным распределением колбочек (без наложения красного и зелёного спектров). Наши результаты совпали с гипотезой социальных сигналов: визуальная система людей лучше других справляется с обнаружением социальной информации на лицах других приматов.
Однако, мы проверили лишь необходимое условие гипотезы – то, что наше цветное зрение лучше справляется с этой задачей, чем другие возможные виды зрения. Возможно, что это сигналы появились в результате эволюции для того, чтобы воспользоваться чувствительностью наших глаз к определённым длинам волн, а не наоборот. Также возможно, что тут необходимо задействовать несколько объяснений одновременно. Один или несколько факторов могут оказаться связанными с происхождением распределения колбочек (к примеру, поедание фруктов), а другие факторы могут быть связанными с эволюционной поддержкой этого распределения после его появления в результате эволюции (к примеру, распознавание социальных сигналов).
Всё ещё точно неизвестно, почему у людей развилось такое странное цветное зрение. Возможно, это связано с добычей еды, социальными сигналами, эволюционными ограничениями, или какими-то другими объяснениями. Однако для исследования этого вопроса у нас есть много инструментов – генетическое секвенирование цветного зрения отдельного индивида, экспериментальная симуляция различных типов цветного зрения вкупе с поведенческим тестированием, наблюдения за дикими приматами, распознающими разные цвета. Есть что-то странное в том, как мы воспринимаем цвета. Мы поставили в приоритет способность различать несколько определённых цветов за счёт возможностей видеть столько цветов, сколько мы могли бы. Надеемся однажды узнать, почему так получилось.
Комментарии (43)
ktod
09.04.2018 10:50> наши глаза подвинулись вперёд на лице и сблизились друг с другом, что улучшило наше умение оценивать расстояние (мы выработали улучшенное бинокулярное зрение)
Но, ведь, совершенно наоборот. Чем больше расстояние между зрачками (база), тем лучше способность оценивать расстояние до объекта.
norlin
09.04.2018 11:11Тут во всей статье кривой перевод. Без заглядывания в оригинал, предполагаю, что имеется в виду следующее:
мы выработали бинокулярное зрение, которое лучше, чем то, что было до него (когда глаза смотрели в разные стороны)
DrZlodberg
09.04.2018 11:19Тогда идеал формы головы был бы у акула-молота. Проблема в том, что сложно расположить глаза с параллельными осями по бокам, вот и пришлось им съехать вперёд и ближе к центру. Хотя есть хамелеон, у которого глаза могут смотреть параллельно. Но оцените у него размер зрачка при этом.
Serge3leo
09.04.2018 15:58Качество бинокулярного зрения определяется несколькими факторами: расстояние между глазами (наименее значимый), область бинокулярного зрения (пересечения полей зрения глаз), возможности бинокулярного зрения в центре поля зрения обоих глаз (наиболее значимый).
SittyMay
11.04.2018 21:33Наверное автор хочет сказать, что глаза расположенные на плоскости лучше используют бинакулярное зрение, чем глаза смотрящие в разные стороны, расположенные слева и справа морды. Как у рыб, птиц, лошадей.
vconst
09.04.2018 11:17Посмотрите на собачьи глаза – они расположены по бокам морды, не так, как у людей, у которых они находятся близко и направлены вперёд. Глаза по бокам позволяют увеличить область обзора, но плохо передают ощущению глубины и расстояние до объектов. Вместо хорошего зрения у собак, лошадей, мышей, антилоп
Дальше читать не стал.
Автору статьи надо нагуглить картинки, изображающие поля зрения млекопитающего хищника, человека и травоядного. Автору перевода — тоже не мешает это сделать. У собак бинокулярное зрение уже, чем у человека, но не настолько, что бы говорить о преобладании обоняния над зрением.VMichael
09.04.2018 13:08Аналогично.
Попадалась классификация, что у хищников глаза устроены, чтобы лучше определять расстояния до цели (что косвенно говорит, что люди хищники и вполне себе мясоеды эволюционно). А у жертвы, глаза по бокам, что удобно когда убегаешь, поле зрения шире и видно откуда тебя атакуют.
А автор походу не только вживую, но и картинки собак и прочих животных не видел, а сам выдумал, чтобы подогнать под теорию.coturnix19
09.04.2018 15:03у хищников глаза устроены, чтобы лучше определять расстояния до цели (что косвенно говорит, что люди хищники и вполне себе мясоеды эволюционно).
— не только хищникам жизненно необходимо точно и дотошно определять расстояние до цели, но так же существам, прыгающим по деревьям всю свою жизнь. Так что вперед смотрящие глаза человека никак не соотносят нас с хищниками.VMichael
11.04.2018 12:22Хороший аргумент, принимается.
Но хорошо видеть цель, это один из признаков хищника.
Добавьте возможность переваривать мясо.
Мы, в настоящее время, держим овец и коз, ранее были кролики. Т.е. травоядных. Мясо они есть не могут ни в каком виде. Люди могут. Собаки и кошки тоже могут. Хищники. :)coturnix19
11.04.2018 17:02Способность хорошо видеть — это необходимое качество тех хищников что на жертву набрасываются из засады, или возможно даже гоняются по саваннам — и даже у лягушек глаза в значительной мере смотрят вперед. Понятно что не всякий хищник функционирует подобным образом — «сетевые» пауки вообще почти нифига не видят, ориентируются по вибрациям.
У людей нету полноценной способности переваривать мясо — иначе бы мы его не варили перед употреблением =ЖЖЖ. Это потому что мы — не хищники а всеядные падальщики-собиратели.
Насчет травоядных и мяса — это не совсем так, их вполне можно обучить есть мясо, правда на такой диете они долго и счастливо жить не будут. Плюс не забывайте, травоядные есть разные. Те что с желудочной ферментацией (коровы, козы) скорее всего отреагируют на включение мяса в рацион совсем не так как те что с кишечной (разными ее видами — кони, кролики итп), или те что совсем без (мыши, крысы — вроде бы, они в большей мере питаются не грубым кормом а зерном которое не нуждается в ферментации что и питающиеся травой коровы и кролики). С хищниками та же проблема — собаки вполне могут жить на почти вегетарианской диете, медведи так регулярно делают — тогда как кошки не могут, т.к. нуждаются в специфических витаминах отсутствующих в растительной пище.
APLe
10.04.2018 10:20что косвенно говорит, что люди хищники и вполне себе мясоеды эволюционно
Всё проще. Люди – эволюционно обезьяны, которые постоянно прыгали с ветки на ветку на большой высоте. Поэтому точное определение расстояния до цели (ветки) для них было жизненно важно.
rokononov
11.04.2018 21:33Люди не совсем хищники, они всеядны, как медведи, например.
Сложно быть чистым хищником-плотоядным, когда одновременно с твоей охотой на тебя охотится половина крупных млекопитающих на этой местности.
AngReload
09.04.2018 11:32Проще говоря, тест был такой: первой группе дали обычные фотографии, а для второй — обработанные неким светофильтром, к которому жизнь никого не готовила.
RomanArzumanyan
09.04.2018 11:45собачьи глаза – они расположены по бокам морды
У хищников глаза расставлены широко и смотрят вперёд. Оптический дальномер для оценки расстояния до жертвы.
У травоядных глаза расположены по бокам. Развитое переферическое зрение, чтобы спалить хищника заранее.
schetilin
09.04.2018 11:53+1Есть еще один интересный эффект. Возьмем два мигающих светодиода, красный и синий, на расстоянии метров 200. Красный светодиод отлично видно при взгляде точно на него, но стоит немного отвести взгляд и он практически пропадает. С синим ровно наоборот. Если смотреть прямо на него, то его практически не видно. Но если посмотреть чуть-чуть мимо, то его яркость очень заметно возрастает. Интересно, с чем это (эволюционно) связано?
Rikkitik
09.04.2018 13:49С неравномерным расположением рецепторов на сетчатке, вызванным витиеватым процессом эволюции глаза из-за его вывернутой наизнанку структуры. Это баг, а не фича.
schetilin
09.04.2018 13:52Это я и сам понимаю. Интересно именно почему они так расположены. Какие эволюционные преимущества это дает?
inferrna
09.04.2018 15:30Возможно, что скачущим по лианам обезьянам было критически важно всегда видеть кусочек неба, чтобы знать, где верх, а где низ, поэтому синих рецепторов больше в периферии. А вот синих фруктов и врагов у них не было.
А ещё учёным удалось обнаружить живого примата с этим: ru.wikipedia.org/wiki/Тетрахроматия
сейчас его пристально изучают www.bbc.com/russian/science/2014/09/140930_vert_fut_women_with_supervision — странно, что в статье об этом не упомянуто.
bro-dev
09.04.2018 23:26Или источники воды, тоже синие из за неба, нацеливаться не очень нужно, но периферией цеплять полезно.
coturnix19
09.04.2018 15:30От центра к периферии глаза падают мегапиксели = растет ИСО.
Ну, и в центре, которым вы смотрите «в упор» палочек, которые не чувствительны к цвету но сильно чувствительны к яркости (и при этом их максимум чувствительности лежит не в зеленом как у «усредненной» колбочки а чуть ближе к лазурному, т.е. сдвинут в синюю сторону) нету совсем — а вы наверное наблюдали мигание затемненной обстановке? А если вы продолжите эксперименты и перенесете диоды совсем на периферию зрения то можете заметить что в определенный момент ощущение цвета исчезнет совсем и они оба станут белыми.
Этот эффект известен в (аматорской) астрономии, забыл как по русски называется но по англ. это averted vision. Из личного опыта — если смотреть на туманность м31 в созвездии андромеды в упор ее почти не видно, но стоит отвести взгляд чуток в сторону и она внезапно появляется (понятно что как туманное пятно, красивые фотки как в интернете требуют многочасовых выдержек на мощных телескопах).
juray
12.04.2018 00:29В фотоаппаратах ИСО может расти с уменьшением количества пикселей из-за увеличения размера пикселей при сохранении плотности размещения (плотная упаковка матрицы) и нивелировании шумов.
В глазу же размер клеток постоянный, и уменьшение их плотности = увеличение пустого пространства, чувствительность при этом падает.
Ljutamir
11.04.2018 21:33Чтобы явно рассмотреть перед собой морду обезьянихи готовой спариваться и периферическим зрением уловить приближение синих (голубых) самцов )))))
Zmiy666
09.04.2018 16:08Меня всегда удивляло почему мы видим в таком узком отрезке спектра? Ведь все то многообразие цветов и оттенков умещается в каких-то жалких 400 нанометров… почему не расширить диапазон в 2-3 раза или не сместить в другую область? Насколько изменится мир если взять отрезок с 800 до 1200 например…
Bedal
09.04.2018 16:342 schetilin: красный лучше воспринимают колбочки, которые почти все расположены в жёлтом пятне, то есть «смотрят вперёд». А синий лучше возбуждает палочки, которые обеспечивают периферийное зрение (и ночное).
2 Zmiy666:
Естественный отбор вовсе не приводит обязательно к наилучшим решениям, а только к первым удовлетворительным. Если особи с получившейся системой зрения выживают — нет причин для фиксации иных решений. И сильная обратная связь по третьей аксиоме только усилит фиксацию на «первом пригодном», а не на «наилучшем». Впрочем, фиксация на наилучшем вообще существует только в умах креационистов.
Для иллюстрации — почитайте сравнения зрения млекопитающих со зрением пресмыкающихся (ну, и птиц, ессно, как «выживших динозавров»). Вот у них — заметно лучше. Что зрение, у них и почки гораздо лучше устроены.Bedal
09.04.2018 18:01опечатка, по чётвёртой. Впрочем, это вопрос формулировок, тут академической строгости нет.
HiMem-74
09.04.2018 19:48Читал про какого-то экзотического рака, у которого 18 типов колбочек, кроме того, он различает поляризацию света… Вот бы взглянуть его глазами!
coturnix19
09.04.2018 21:10Имхо, их суперцветное зрение — это просто хромакей. Т.е. чем больше цветов видит животина, тем меньше будут требования к вычислительным способностям ее мозгов когда дело доходит до распознавания образов. А когда цветов несколько сотен то уже можно вообще не думать (особенно, если времени на это нету) и ориентироваться, по-быстрому, по цветных пятнах.
Хотя конечно это гипотеза, я не знаю насколько она доказана и проверялась ли вообще.dext63r
10.04.2018 08:00Попробуйте в настройках телефона включить черно-белый режим.
Меньше отвлекаться будете на яркие иконки.
bro-dev
09.04.2018 23:31Это обусловлено звездами, в других спектрах тупо темнее, и чтобы больше инфы получать мы видим тот спектра в котором больше света.
googol
10.04.2018 07:25> почему не расширить диапазон в 2-3 раза или не сместить в другую область?
Здесь несколько факторов которые повлияли на данный эволюционный выбор. Во первых основная часть солнечной энергии которая достигает поверхности Земил приходится на инфракрасный, видимый и немнго на утльтрафиолетовый диапазон. Так что если живое существо хочет использовать отраженную энергию Солнца то придется подстраиватся под этот диапазон
Другой момент это поглощение волн водой. Развитие зрительной системы началось когда наши далекие предки еще жили в океане, поэтому могли использовать только тот спектр который хорошо распространяется в воде. А поглощение радиоволн водой имеет вот такую характеристику
Как видите начиная с красного цвета и дальше в инфракрасный диапазон поглощение быстро усиливается.
Ультрафиолет можно было бы использовать но у него имеются свои особенности. Из-за высокой энергии фотонов оные могут дизинтегрировать белок. Это тот же самый процесс который вызывает рак кожи у людей проводящих много времени на солнце.
Принимая все вышесказанное — видимый диапазон это тот небольшой интервал который бы имело сысл использовать для зрения. Хотя эволюция продолжает экперементировать, так некоторый змеи могут видеть в инфракрасном диапазоне, а некоторые насекомые в ультрафиолетовом. Но видимо расширение области принимаемых частот не дает значительного эволюционного преимущества, поэтому эта идея не «пошла в продакшн».
en.wikipedia.org/wiki/Sunlight#Composition_and_power
www1.lsbu.ac.uk/water/water_vibrational_spectrum.htmlcoturnix19
10.04.2018 17:51Хотя эволюция продолжает экперементировать, так некоторый змеи могут видеть в инфракрасном диапазоне, а некоторые насекомые в ультрафиолетовом.
— 1) термальное зрение змей не гомологично обычному зрению и осуществляется не глазами а специальныйм органом построенным по принципу «пинхол-болометра». И хотя (согласно вики) вроде бы полученное изображение воспринимается змеей именно как изображение (обрабатываются сигналы по крайней мере там же где и обычные зрительные) качество и разрешение там никудышнее (зато чувствительность/разрешение по температуре весьма высокое). Так что я не уверен можно ли такое зрение назвать зрением.
2) зрение в ближнем УФ это вообще норма в животном мире, это мы (млекопитающие) здесь исключение. Его никто «заново» не изобретал, это мы «изобрели» его отсутствие, почему — хз но это явно как-то связано с ночным образом жизни который наши предки вели минимум большую часть мезозоя. Тут интересно что уф блокируется хрусталиком, тогда же как уже имеющиеся синие рецепторы более чем способны его регистрировать. Другое дело что увидеть его как новый цвет мы все равно не сможем т.к. специальные «уф-цветные» рецепторы у нас отсутствуют. Общий предок тетрапод няз был тетрахроматом, так что позже из 4х рецепторов два (ближний уф и зеленый) было млекопитающимися утрачены. Впоследствии «зеленый» был изобретен обезьянами заново но это уже был не тот зеленый что раньше.
В то же время, как птицы например даже добавили новых — у некоторых птиц возможно даже встречается пентахроматичность (хотя, тут не уверен — не могу найти подтверждения)
akhkmed
09.04.2018 18:41Ни у кого не вызывает обеспокоенности, почему коротковолновый фиолетовый и пурпурный на экране монитора вызывают похожие зрительные ощущения?
coturnix19
09.04.2018 21:15Вроде бы у красного рецептора существует вторичный, небольшой пик чувствительности в фиолетовой области.
tendium
09.04.2018 21:15Написали бы еще, что существуют люди-тетрахроматы (правда, в очень малом количестве — или же явление плохо изучено). Но есть как минимум один научно доказанный случай: www.digitaljournal.com/article/326976
ValeraBlok
11.04.2018 21:33по моему скромному мнению, если бы причина была в недостаточной эволюции, а со временем люди эволюционируют и меняются… то наши скажем прабабушки получается должны видеть совсем не такие цвета как мы, раз это не так, то видимо в этом плане эволюция либо остановилась, либо начала идти совсем медленно…
juray
12.04.2018 00:35Про цвета в произведениях Гомера и других древних письменных источниках:
theoryandpractice.ru/posts/7813-wine-dark-sea
Psychosynthesis
12.04.2018 02:29Тема в статье поднята интересная, но вот сама статья, конечно, весьма косноязычно написана.
Вот, к примеру, это предложение вообще не понял:
Мы поставили в приоритет способность различать несколько определённых цветов за счёт возможностей видеть столько цветов, сколько мы могли бы.
imm
как же любим мы желтые заголовки
> игнорируемые
> жертвы
> выжить
0 совпадений в тексте
Welran
Зато красные и зеленые колбочки отлично различают желтый цвет :)