اختاپوس‌ها چگونه تغییر رنگ می‌دهند؟

اختاپوس‌ها از عجیب‌ترین موجودات زمین هستند: آن‌ها بدن‌های نرمی دارند که می‌توانند خود را از شکاف‌های کوچک عبور دهند؛ هشت بازوی پوشیده از اندام مکنده دارند که می‌توانند دوباره رشد کنند؛ سه قلب دارند که خون آبی‌رنگ (که غنی از مس است) را به رگ‌های آن‌ها پمپ می‌کند و مغزهای بزرگ دونات شکلی دارند که در مقایسه‌ با بی‌مهرگان دیگر، هوش بالایی به آن‌ها می‌دهد.

اما شگفت‌آورترین ویژگی اختاپوس‌ها توانایی آن‌ها در تغییر رنگ سریع و ترکیب شدن با محیط اطراف یعنی استتار به اراده خودشان است. استتار مهارت مهمی است که تقریباً در همه سفالوپودها مشترک است (گروهی از بی‌مهرگان دریایی که شامل ماهی مرکب و سپیداج نیز می‌شود) اما اختاپوس‌ها آن را به سطح متفاوتی رسانده‌اند.

این جانوران بالاترین الگوهای وضوح را در میان تمام سفالوپودها دارند و سرعت تغییرنگ آن‌ها در سلسله جانوران استثنایی است. (حدود ۳۰۰ گونه اختاپوس در راسته هشت‌پایان وجود دارد. در این مقاله، اصطلاح اختاپوس برای توصیف جریان کلی در سراسر گروه استفاده می‌شود، اما همه گونه‌ها توانایی تغییر رنگ را ندارند و سازوکار استتار آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد).

اختاپوس‌ها به دلیل توانایی تغییر رنگ سریع برای ترکیب شدن با محیط پیرامون خود معروف هستند.

مهارت اختاپوس‌ها در استتار از زمان آغاز خود علم دانشمندان را متحیر کرده است. به‌گفته‌ی لیلا دراوی، بیوشیمیدان دانشگاه نورث‌ایسترن که مکانیسم استتار در اختاپوس‌ها را مطالعه می‌کند، حدود ۲۴۰۰ سال پیش، ارسطو فیلسوف یونان باستان که اغلب یکی از بنیانگذاران علم مدرن شناخته می‌شود، مشاهدات دقیقی را درمورد استتار اختاپوس‌ها یادداشت کرد.

اما حتی اگر استتار اختاپوس‌ها قرن‌ها مورد مشاهده و مطالعه قرار گرفته است، تا همین اواخر پیشرفت زیادی درمورد درک آن صورت نگرفته بود. علت آن بود که تغییر رنگ سفالوپودها فرایند پیچیده‌ای است که شامل اجزای میکروسکوپی زیادی می‌شود. بنابراین، تقریباً غیرممکن بود که به‌طور دقیق بگوییم مکانیسم آن به چه شکل است. اگرچه، در دهه‌های اخیر فناوری‌های پیشرفته پژوهشگران را قادر ساخته است تا اجزای استتار سفالوپودها را از هم جدا کنند و آن‌ها به‌تازگی شروع به درک سازوکار آن کرده‌اند.

چه چیزی باعث تغییر رنگ اختاپوس می‌شود؟

اختاپوس‌ها می‌توانند رنگ‌ خود را تغییر دهند، زیرا دارای کروماتوفور (سلول‌های رنگدانه‌ای) هستند. کروماتوفورها ارگان‌های کوچکی هستند که در سراسر پوست اختاپوس پراکنده‌اند. در مرکز هر کروماتوفور، کیسه‌های کوچکی وجود دارد که پر از نانوذرات رنگدانه‌ای به نام «گزانتوماتین» هستند. این کیسه‌ها توسط بافت ارتجاعی احاطه شده‌اند و به سلول‌های ماهیچه‌ای متصل هستند. با انقباض سلول‌های ماهیچه‌ای، کیسه رنگدانه کشیده می‌شود. این امر موجب می‌شود نور بیشتری وارد سلول‌ها شود و با برخورد به ذرات گزانتوماتین منعکس شود. ازآن‌جا که گزانتوماتین طول‌موج‌ها یا رنگ‌های خاصی از نور مرئی را جذب می‌کند، نوری که به بیرون از کروماتوفور برمی‌گرداند، نسبت‌به نوری که ابتدا وارد سلول شده است، رنگ متفاوتی دارد.

در پوست اختاپوس سه لایه کروماتوفور وجود دارد و هر لایه دارای ذرات گزانتوماتینی است که رنگ متفاوتی را منعکس می‌کنند. لایه بالایی رنگ زرد تولید می‌کند، لایه میانی رنگ قرمز را برمی‌گرداند و لایه تحتانی رنگ قهوه‌ای تولید می‌کند. اختاپوس‌ها با تغییر شکل کروماتوفورها در هر لایه می‌توانند این رنگ‌ها را با هم ترکیب کنند و این توانایی به آن‌ها کمک می‌کند رنگ‌های مختلفی را ایجاد کنند.

هر کروماتوفور واحد که بسته به اندازه گونه می‌تواند ده‌ها هزار یا حتی میلیون‌ها عدد باشد، با سیگنال‌های عصبی کنترل می‌شود که مستقیما از مغز می‌آید. این سیگنال‌ها موجب می‌شود عضلات اطراف کیسه منقبض یا منبسط شود و تغییرشکل بدهد. دراوی گفت:

دقیقاً مانند همان حالتی است که ماهیچه دوسر بازویی خود را منقبض می‌کنید؛ مغز شما سیگنال می‌دهد که منقبض شود و عضله منقبض می‌شود. درمورد کروماتوفورها، مغز اختاپوس سیگنال می‌دهد که ماهیچه‌ها را بکشد تا کیسه‌ها باز شوند و درنتیجه رنگ پوست آن‌ها تغییر می‌کند.

کروماتوفورها تنها ساختارهایی نیستند که در تغییر رنگ نقش دارند. ارگان‌های دیگری به نام ایریدوفورها و لوکوفورها در پوست برخی از گونه‌های اختاپوس به تقویت یا تغییر رنگ‌هایی که آن‌ها تولید می‌کنند، کمک می‌کنند.

ایریدوفورها اندکی بزرگ‌تر از کروماتوفورها هستند و به ایجاد رنگ‌های درخشنده و فلزسان در اختاپوس‌ها کمک می‌کنند. طبق مطالعه‌ای که سال ۲۰۱۸ در مجله IOP Science منتشر شد، ایریدوفورها حاوی پروتئینی به نام رفلکتین هستند که درون ایریدوفورها انباشته می‌شود تا اثر آینه‌مانندی را ایجاد کند.

لوکوفورها ازنظر اندازه شبیه کروماتوفورها هستند، اما به‌جای گزانتوماتین دارای رنگدانه‌های سفید خاصی هستند که نور را پراکنده یا منکسر می‌کنند و به کنترل کنتراست و روشنایی رنگ‌ها کمک می‌کنند. ایریدوفورها و لوکوفورها نیز به‌وسیله‌ی سیگنال‌های عصبی که از مغز می‌آید، منقبض و منبسط می‌شوند.

ایریدوفورها به اختاپوس‌ها کمک می‌کنند تا سایه‌رنگ‌های آبی و بنفش تولید کنند.

اختاپوس‌ها همچنین دارای ماشین‌آلاتی در پوست خود هستند که به آن‌ها کمک می‌کند تا بافت خود را تغییر دهند و این امر لایه دیگری به استتار آن‌ها اضافه می‌کند. آن‌ها برجستگی‌های ریزی به نام پاپیلا دارند که می‌توانند شل شوند و پوست را مانند جلبک دریایی صاف کنند یا منقبض شوند و پوست را مانند سنگ ناصاف و زبر کنند. پاپیلاها نیز توسط سیگنال‌های عصبی که از مغز می‌آید، کنترل می‌شوند، اما این فرایند کمتر از مکانیسم تغییر رنگ درک شده است.

چه چیزی باعث می‌شود اختاپوس‌ها در تغییر رنگ این‌قدر خوب باشند؟

جانوران بسیاری به استتار متکی هستند، اما اختاپوس‌ها به دلیل سرعت و دقت تغییر رنگ در سطح متفاوتی قرار دارند. دراوی گفت: «کسری از ثانیه طول می‌کشد. فکر می‌کنم سریع‌ترین تغییرها در کمتر از ۱۰۰ میلی‌ثانیه (۰٫۱ ثانیه) اتفاق می‌افتد که سریع از یک بار پلک زدن است.» درمقابل، از چند ثانیه تا بیش از یک دقیقه طول می‌کشد تا رنگ آفتاب‌پرست‌ها به‌طور کامل تغییر کند.

اختاپوس‌ها می‌توانند چنین تغییرات رنگ سریعی را انجام دهند، زیرا مغز آن‌ها عمیقاً با سطح پوست آن‌ها در ارتباط است. آن‌ها مکانیسم‌های پیام‌دهی بسیار سریعی دارند تا بتوانند این تغییرات را به سرعت در کل بدن خود اعمال کنند.

دلیل اصلی ارتباط عمیق بین مغز و پوست این است که برخلاف مغز بیشتر جانوران، مغز اختاپوس‌ها به ناحیه خاصی محدود نیست (یعنی سر). اختاپوس‌ها علاوه بر مغزهای دونات‌شکل خود دارای گره‌های مغزی در سراسر بدن و بازوهای خود هستند. پژوهشگران معتقدند که این امر بازوهای اختاپوس را قادر می‌سازد تا ذهن مخصوص به خود را داشته باشد و این امر می‌تواند در تغییر رنگ سریع نقش داشته باشد.

مغز اختاپوس‌ها فقط به مغزهای دونات‌شکل آن‌ها محدود نمی‌شود، بلکه در بازوهای آن‌ها نیز وجود دارد.

اختاپوس‌ها همچنین نسبت‌ به ماهی مرکب و سپیداج دارای کروماتوفورهای بیشتری در هر اینچ مربع از پوست خود هستند. این امر به آن‌ها کمک می‌کند تا نسبت‌ به سفالوپودهای دیگر الگوهایی با وضوح بسیار بالا ایجاد کنند.

اگرچه هنوز معمای حل‌نشده بزرگی درمورد استتار سفالوپودها وجود دارد: اینکه آن‌ها چگونه در تطبیق رنگ پوست خود با محیط اطراف اینقدر خوب عمل می‌کنند.

با وجود توانایی ایجاد طیف گسترده‌ای از رنگ‌ها، بیشتر اختاپوس‌ها و سفالوپودهای دیگر کوررنگ هستند: طبق مقاله‌ای که سال ۲۰۲۰ در مجله‌ی Frontiers in Physiology منتشر شد، چشم اختاپوس‌ها فقط یک نوع گیرنده نوری دارد (سلول‌هایی که نور را به سیگنال عصبی تبدیل می‌کنند). این بدان معنا است که آن‌ها فقط می‌توانند تفاوت در شدت نور را تشخیص دهند (چشم انسان چهار نوع گیرنده نوری دارد).

یک توضیح احتمالی آن است که چشم اختاپوس‌ها بدون گیرنده نوری قادر به دیدن رنگ است. مطالعه‌ای که سال ۲۰۱۶ در مجله‌ی Biophysics and Computational Biology منتشر شد، این فرضیه را مطرح کرد که نوع دیگری از گیرنده‌ها در چشم اختاپوس‌ها وجود دارد که برای ما ناآشنا است و می‌تواند به آن‌ها کمک کند تا رنگ‌ها را به شیوه‌ای متفاوت از انسان‌ها و حیوانات دیگر ببینند.

همچنین تئوری‌هایی وجود دارد که گیرنده‌های نوری موجود در پوست اختاپوس‌ها می‌توانند به این جانوران کمک کنند تا رنگ خود را با محیط اطراف هماهنگ کنند. مطالعات گذشته نشان داده‌اند که وقتی اختاپوس‌ها نمی‌توانند ببینند، بازوهای آن‌ها می‌تواند دربرابر تغییر در شدت نور واکنش نشان دهد. اگرچه تاکنون شواهدی در این‌باره به دست نیامده است که نشان دهد این مسئله به آن‌ها در دیدن رنگ‌ها کمک می‌کند.

اختاپوس‌ها و بیشتر سفالوپودهای دیگر کوررنگ هستند، زیرا چشم‌های آن‌ها فقط یک نوع گیرنده نوری دارد.

دراوی گفت درک بیشتر درمورد چگونگی تغییر رنگ اختاپوس‌ها بسیار چالش‌برانگیز است، زیرا به‌علت هوش اختاپوس‌ها، پژوهشگران اجازه ندارند که وقتی این موجودات زنده‌ هستند، روی آن‌ها آزمایش انجام دهند (اختاپوس‌ها باهوش درنظر گرفته می‌شوند، زیرا می‌توانند مسائل پیچیده را حل کنند، از ابزار استفاده کنند و درد را احساس کنند).

چرا اختاپوس‌ها به استتار نیاز دارند؟

اگرچه مکانیسم استتار اختاپوس‌ها هنوز به‌طور کامل درک نشده است، دانشمندان درک بهتری از علت تغییر رنگ این حیوانات شگفت‌انگیز دارند. جنیفر ماتر، روانشناس دانشگاه لث‌بریج کانادا که متخصص رفتار سفالوپودها است، گفت:

اختاپوس‌ها از هیچ‌گونه حفاظت خارجی برخوردار نیستند. برای یک شکارچی، اختاپوس بسته‌ی بدون حفاظی از پروتئین است. بنابراین، اساساً هر کسی در اقیانوس به‌دنبال شکار آ‌ن‌ها است. ازنظر تکاملی، اختاپوس چاره دیگری نداشت. بدون حفاظت فیزیکی، باید راه‌هایی پیدا می‌کرد تا دیده نشود.

برخی از اختاپوس‌ها راه‌های دیگری برای پنهان‌شدن تکامل داده‌اند. برای مثال، اختاپوس‌های شیشه‌ای تمام کروماتوفورهای خود را از دست داده‌اند و شفاف شده‌اند.

استتار کاربردهای دیگری نیز دارد مانند شکار. ماتر گفت: «معمولاً درمورد آن به‌عنوان توانایی دفاعی فکر می‌کنیم و من هم فکر می‌کنم به‌عنوان دفاع مهم‌تر است. اما این بدان معنا نیست که توانایی نزدیک‌شدن دزدکی به چیزی مفید نیست.» به‌گفته‌ی ماتر، اختاپوس‌ها علاوه بر اینکه از چشم شکارچی پنهان می‌مانند، می‌توانند برای غافلگیری طعمه خود و گرفتن آن نیز از این توانایی استفاده کنند.

برای گونه‌های که به تغییر رنگ متکی هستند، تطبیق رنگ‌ با محیط توانایی ذاتی است که از لحظه تولد آن را دراختیار دارند (همان‌طور که در کلیپ ویدئویی زیر از اختاپوس درحال تولد می‌بینید).

ماهی مرکب و سپیداج از جلوه‌های رنگی پوست خود برای برقراری ارتباط استفاده می‌کنند. چند گونه از اختاپوس‌ها نیز این کار را انجام می‌دهند (آن‌ها می‌توانند نوارهای رنگی پررنگی را برای جذب جفت یا هشدار دادن به رقبا حین تولیدمثل تولید کنند).

اختاپوس‌ها معمولاً جانورانی غیراجتماعی هستند و به‌ندرت با اختاپوس‌های دیگر تعامل برقرار می‌کنند، بنابراین به ایجاد ارتباط نیاز کمتری دارند. با‌این‌حال، آن‌ها گاهی از رنگ‌های خود برای برقراری ارتباط با جانوران دیگر استفاده می‌کنند. برای مثال، طبق مطالعه‌ای که سال ۲۰۱۹ در مجله‌ی Molluscan Research منتشر شد، اختاپوس‌های حلقه‌آبی (چهار گونه از اختاپوس‌های کوچک و در‌عین‌حال بسیار سمی) حلقه‌های درخشنده‌ای را تولید می‌کنند تا به جانوران دیگر هشدار بدهند که برای اینکه مسموم نشوند، از آن‌ها دور بمانند.

اختاپوس‌های حلقه‌‌آبی، حلقه‌های آبی درخشنده‌ای را ایجاد می‌کنند تا به جانوران دیگر درمورد پوست بسیار سمی خود هشدار بدهند.

در سال ۲۰۱۹، دانشمندان فیلم‌های ویدئویی از اختاپوسی به نام هایدی ضبط کردند که حین خواب درحال تغییر رنگ بود. این مشاهده باعث این گمانه‌زنی‌ها شد که اختاپوس‌ها ممکن است هنگام دیدن خواب نیز رنگ خود را تغییر دهند.

پژوهشگران چرخه‌های خواب شبیه چرخه‌های خواب انسان را در اختاپوس‌ها شناسایی کرده‌اند، اما همه پژوهشگران متقاعد نشده‌اند که این تغییرات رنگ را می‌توان با اطمینان ناشی از دیدن خواب دانست. ماتر گفت: «تلاش برای اینکه متوجه شویم انسان‌ها چگونه خواب می‌بینند، به اندازه کافی سخت است. کاملاً غیرممکن است که متوجه شویم اختاپوس‌ها چگونه خواب می‌بینند.»

اگرچه استتار توانایی ذاتی برای بیشتر اختاپوس‌ها است، پژوهشگران گمان می‌کنند توانایی است که آن‌ها در طول عمر خود که معمولاً یک تا دو سال است، در آن بسیار بهتر می‌شوند. ماتر گفت:

فکر می‌کنم وقتی بزرگ‌تر می‌شوند، درزمینه استتار بسیار بهتر می‌شوند. آن‌ها در جوانی بسیار خوب هستند، اما فکر می‌کنم وقتی بزرگ‌تر می‌شوند، در جزئیات آن بسیار بهتر می‌شوند. آن‌ها همچنین با گذشت زمان یاد می‌گیرند که تغییر رنگ را با رفتارهای دیگری مانند پنهان‌شدن در شکاف‌ها یا تغییرشکل بدن ترکیب کنند.