Что появилось первым — зрение или цвета? Учёные спорили 30 лет, и вот ответ
NewsMakerДумали, цветы и фрукты стали яркими, чтобы их замечали? На самом деле, всё наоборот.
Мир, каким мы его видим сегодня, буквально залит красками. Красные яблоки привлекают животных, чтобы те разнесли семена. Лавандовые поля манят пчёл своими фиолетовыми оттенками. Самцы павлинов распускают синие переливающиеся хвосты, чтобы впечатлить потенциальных партнёрш. Но этот спектакль доступен далеко не всем: животные без цветового зрения остаются слепы к визуальным сигналам. Взять хотя бы кротов... Скольких эстетических удовольствий они лишены.
Это противоречие давно волновало биологов: что появилось раньше — способность видеть цвета или сами цвета как элементы коммуникации? И когда природа впервые заговорила с помощью красок?
Эволюционный биолог Закари Эмбертс из Оклахомского государственного университета и его коллега, эколог Джон Уинс из Аризонского университета, попытались найти ответ. Они обратились к ископаемым останкам и филогенетическим деревьям — эволюционным схемам родства видов.
И вот что выяснилось...
Вопрос оставался открытым на протяжении десятилетий. Но вместе с Эмбертсом Уинс вернулся к этой теме, вооружившись современными методами анализа. Учёные проанализировали данные о десятках живущих сегодня видов, ископаемых находках и филогенетических реконструкциях, чтобы понять, когда именно в истории жизни появились цветовое восприятие и броские визуальные сигналы.
Сценариев могло быть несколько. Например, органы зрения могли эволюционировать вовсе не ради различения оптических сигналов, а для поиска пищи, ориентации или обнаружения укрытий. Но исследователи предположили более сложную картину: зрительное восприятие и яркие элементы внешности развивались параллельно, усиливая эффективность друг друга.
Примерно 130 миллионов лет назад животные начали использовать окраску для отпугивания хищников. Одним из древнейших свидетельств этого стала застывший в янтаре таракан, чья расцветка, вероятно, служила предупреждением, хотя точный внешний вид восстановить пока невозможно. Чуть позже, около 105 миллионов лет назад, предки современных бабочек начали демонстрировать жёлтые, красные и оранжевые тона уже на стадии гусениц.
Любопытно, что сигнальная окраска, говорящая о ядовитости или несъедобности, возникала многократно и независимо в разных эволюционных ветвях. Такие признаки фиксируются как минимум в девяти филумах (основных типах животных) — вероятно, как раз из-за соседства с хищниками, обладающими цветовым зрением.
Следующий этап — позёрство перед потенциальными партнерами. Примерно 100 миллионов лет назад две группы рыб — иглы и лучепёрые виды — впервые "применили" яркую окраску как часть брачного поведения. Как и сигналы, предупреждающие о несъедобности, эти признаки развивались у разных животных по отдельности. Но в отличие от первых, брачная окраска встречается только у тех видов, которые способны различать цвета. Без зрительного восприятия всё было бы бессмысленно.
Причём структура зрительного восприятия у представителей животного мира крайне разнообразна. Большинство насекомых видит в ультрафиолетовом, синем и зелёном диапазоне, но отдельные виды, такие как креветки-богомолы, различают до 12 каналов, включая поляризованный свет. У предков позвоночных существовала способность видеть красный, синий, зелёный и фиолетовый спектры — эта черта сохранялась у многих групп, включая ящериц, птиц и рыб. Однако часть возможностей утратилась: акулы, например, не воспринимают синий, а миксины лишены чувствительности к красному. Человеческий глаз имеет три типа фоторецепторов, что позволяет видеть красный, зелёный и синий, тогда как у собак и кроликов их всего два.
Так, в 2000 году учёный Вадим Максимов предположил, что зрительное восприятие у позвоночных развилось как адаптация к жизни в мелководных морях. Два типа фоторецепторов помогали устранять рябь света под водой, что облегчало охоту и защиту от хищников.
Однако появление ярких визуальных сигналов — это уже другая история. Согласно находкам учёного Даниэля Колако-Осорио из Университета Сассекса, сами по себе признаки могут исчезать и возвращаться в разных эволюционных ветвях. Поэтому реконструкция древней истории с помощью филогенетических деревьев всегда несёт элемент неопределённости. Тем не менее, именно такой подход позволяет выявлять закономерности, пусть и с оговорками.
Более того, как показали работы Осорио, насыщенные чистые цвета требуют организованной структуры и не являются случайным побочным продуктом. Это результат сложных эволюционных процессов, которые помогают животным выделяться или передавать информацию.
Интересно, что современные технологии позволяют не только изучать, как эволюция меняет правила в природе, но и создавать собственные системы восприятия. Технологии распознавания лиц и биометрической идентификации опираются на те же самые способности различать тонкие визуальные детали, над которыми эволюция кропотливо работала на протяжении сотен миллионов лет. Даже простейшие решения, такие как машинное зрение для CAPTCHA , используют механизмы обработки изображений, схожие с теми, что применяет наш мозг.
Мир, каким мы его видим сегодня, буквально залит красками. Красные яблоки привлекают животных, чтобы те разнесли семена. Лавандовые поля манят пчёл своими фиолетовыми оттенками. Самцы павлинов распускают синие переливающиеся хвосты, чтобы впечатлить потенциальных партнёрш. Но этот спектакль доступен далеко не всем: животные без цветового зрения остаются слепы к визуальным сигналам. Взять хотя бы кротов... Скольких эстетических удовольствий они лишены.
Это противоречие давно волновало биологов: что появилось раньше — способность видеть цвета или сами цвета как элементы коммуникации? И когда природа впервые заговорила с помощью красок?
Эволюционный биолог Закари Эмбертс из Оклахомского государственного университета и его коллега, эколог Джон Уинс из Аризонского университета, попытались найти ответ. Они обратились к ископаемым останкам и филогенетическим деревьям — эволюционным схемам родства видов.
И вот что выяснилось...
Цвета и зрение: кто раньше?
Идея родилась у Уинса ещё во времена аспирантуры. Тогда он изучал голубобрюхих ящериц, самцы которых украшают серые спины сапфировыми пятнами для привлечения самок. Построив эволюционное древо, учёный заметил, что пятна то исчезают, то вновь появляются у разных видов, вероятно, из-за того, что самки перестают обращать на них внимание.Вопрос оставался открытым на протяжении десятилетий. Но вместе с Эмбертсом Уинс вернулся к этой теме, вооружившись современными методами анализа. Учёные проанализировали данные о десятках живущих сегодня видов, ископаемых находках и филогенетических реконструкциях, чтобы понять, когда именно в истории жизни появились цветовое восприятие и броские визуальные сигналы.
Сценариев могло быть несколько. Например, органы зрения могли эволюционировать вовсе не ради различения оптических сигналов, а для поиска пищи, ориентации или обнаружения укрытий. Но исследователи предположили более сложную картину: зрительное восприятие и яркие элементы внешности развивались параллельно, усиливая эффективность друг друга.
От зелёных листьев к пёстрым павлинам
Анализ показал, что первые насыщенные оттенки появились около 300 миллионов лет назад, когда растения обзавелись яркими плодами и семенами. За ними последовали цветы: хотя споры о возрасте цветковых продолжаются, большинство исследований указывает, что их общий предок жил в периоде от 140 до 250 миллионов лет назад. Средняя оценка — около 200 миллионов лет.Примерно 130 миллионов лет назад животные начали использовать окраску для отпугивания хищников. Одним из древнейших свидетельств этого стала застывший в янтаре таракан, чья расцветка, вероятно, служила предупреждением, хотя точный внешний вид восстановить пока невозможно. Чуть позже, около 105 миллионов лет назад, предки современных бабочек начали демонстрировать жёлтые, красные и оранжевые тона уже на стадии гусениц.
Любопытно, что сигнальная окраска, говорящая о ядовитости или несъедобности, возникала многократно и независимо в разных эволюционных ветвях. Такие признаки фиксируются как минимум в девяти филумах (основных типах животных) — вероятно, как раз из-за соседства с хищниками, обладающими цветовым зрением.
Следующий этап — позёрство перед потенциальными партнерами. Примерно 100 миллионов лет назад две группы рыб — иглы и лучепёрые виды — впервые "применили" яркую окраску как часть брачного поведения. Как и сигналы, предупреждающие о несъедобности, эти признаки развивались у разных животных по отдельности. Но в отличие от первых, брачная окраска встречается только у тех видов, которые способны различать цвета. Без зрительного восприятия всё было бы бессмысленно.
Цветовое зрение появилось раньше всех
Самое удивительное открытие — возраст самой способности воспринимать цвета. Согласно анализу Уинса и Эмбертса, она возникла ещё 400–500 миллионов лет назад и независимо — как у членистоногих (например, насекомых), так и у позвоночных (рыб и их потомков). Это означает, что органы зрения, различающие оттенки, существовали на Земле задолго до появления плодов, цветов или яркой окраски у животных.Причём структура зрительного восприятия у представителей животного мира крайне разнообразна. Большинство насекомых видит в ультрафиолетовом, синем и зелёном диапазоне, но отдельные виды, такие как креветки-богомолы, различают до 12 каналов, включая поляризованный свет. У предков позвоночных существовала способность видеть красный, синий, зелёный и фиолетовый спектры — эта черта сохранялась у многих групп, включая ящериц, птиц и рыб. Однако часть возможностей утратилась: акулы, например, не воспринимают синий, а миксины лишены чувствительности к красному. Человеческий глаз имеет три типа фоторецепторов, что позволяет видеть красный, зелёный и синий, тогда как у собак и кроликов их всего два.
Почему природа вообще раскрасилась?
Важно понимать, что окраска существовала и до появления глаз. Например, листья отражают зелёный свет независимо от того, смотрит на них кто-то или нет. Существует теория, что зрение настраивалось в первую очередь для ориентации и поиска пищи, а не для социальной коммуникации.Так, в 2000 году учёный Вадим Максимов предположил, что зрительное восприятие у позвоночных развилось как адаптация к жизни в мелководных морях. Два типа фоторецепторов помогали устранять рябь света под водой, что облегчало охоту и защиту от хищников.
Однако появление ярких визуальных сигналов — это уже другая история. Согласно находкам учёного Даниэля Колако-Осорио из Университета Сассекса, сами по себе признаки могут исчезать и возвращаться в разных эволюционных ветвях. Поэтому реконструкция древней истории с помощью филогенетических деревьев всегда несёт элемент неопределённости. Тем не менее, именно такой подход позволяет выявлять закономерности, пусть и с оговорками.
Более того, как показали работы Осорио, насыщенные чистые цвета требуют организованной структуры и не являются случайным побочным продуктом. Это результат сложных эволюционных процессов, которые помогают животным выделяться или передавать информацию.
Природа не сказала последнее слово
По мнению Уинса, история появления яркости и визуальных сигналов ещё далека от завершения. За последние 100 миллионов лет в мире резко увеличилось количество предупреждающих и брачных признаков — благодаря птицам, ящерицам и рыбам. Если эта тенденция продолжится, наш мир станет ещё более красочным и насыщенным.Интересно, что современные технологии позволяют не только изучать, как эволюция меняет правила в природе, но и создавать собственные системы восприятия. Технологии распознавания лиц и биометрической идентификации опираются на те же самые способности различать тонкие визуальные детали, над которыми эволюция кропотливо работала на протяжении сотен миллионов лет. Даже простейшие решения, такие как машинное зрение для CAPTCHA , используют механизмы обработки изображений, схожие с теми, что применяет наш мозг.