Superior Underwater Vision in Humans

Abstract

Amphibious vision is accomplished in many animals by special optical and physiological adaptations in the eyes. However, human eyes are considered to be adapted to a life in air since our curved outer cornea – which is used to refract more than two-thirds of the incoming light on land – becomes useless underwater. This thesis produces evidence that Moken children, a population of sea nomads (or sea-gypsies) from Southeast Asia, have developed an underwater visual acuity that is more than twice as good as that of European children. They achieve this by heavy accommodation and concurrent pupil constriction underwater, a reaction absent in European children. This skill is most likely learned since this thesis also shows that European children can be trained to achieve the same level of acuity underwater as the Moken children. European children learned to control their accommodation in only 4-6 months, depending on the individual. Experiments were also made to determine whether the physiological diving response is involved in the process of pupil constriction underwater, but the results were negative. The Moken children constrict their pupils even when diving with goggles, a reaction also present in trained European children. In untrained European children however, this pupil constriction is absent. It is possible that training affects the connection between the accommodative response and pupil constriction so that it becomes a conditioned response elicited when the children immerse their heads in water. Furthermore, optical theory is used to predict underwater acuity in humans. Considering that the normal ranges of contrast sensitivity vary a great deal between individuals, the experimental values of underwater acuity are well within the range of values predicted theoretically.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Man brukar säga att det mänskliga ögat är anpassat till ett liv på land. Djur som lever i vatten har ögon som är uppbyggda på ett annat sätt, och därför ser vi människor normalt inte speciellt bra när vi dyker utan cyklop.



Förklaringen är denna: våra ögon har två olika strukturer som bryter ljuset så att det hamnar på näthinnan längst bak i ögat - den första är ögats lins och den andra är hornhinnan. Hornhinnan bryter faktiskt större delen av ljuset, drygt två tredjedelar. När våra ögon är i luft kommer hornhinnan att bilda en gräns mellan luften och det material som finns i ögat, och eftersom luften utanför ögat och vätskan bakom hornhinnan har olika täthet så bryts ljuset. Att hornhinnan är krökt är också viktigt.



När vi dyker ner i vatten kommer det inte längre att finnas luft utanför hornhinnan, utan vatten. Vatten har nästan exakt samma täthet som vätskan innanför hornhinnan, och därför bryter inte hornhinnan ljuset längre. Bilden vi ser ligger då inte längre skarp på näthinnan, utan hamnar långt bakom och det vi ser blir därför suddigt.



Bland djur som behöver se bra i både luft och vatten kan man hitta flera olika lösningar för att behålla synskärpan. En är att göra hornhinnan plattare och istället lägga mer brytningskraft i linsen. En annan är att kunna ändra form på linsen, att kunna ackommodera, så mycket att det kompenserar för förlusten av hornhinnans brytningsförmåga i vatten.



Det finns emellertid havsnomader i Sydöstasien, människor som traditionellt lever på båtar och spenderar större delen av sitt liv i eller på vatten, vars barn faktiskt ser ganska bra under vatten. Anledningen är att de lärt sig utnyttja ögats möjligheter till det yttersta - de ackommoderar maximalt och stänger därmed även sin pupill så att den blir extremt liten. Ackommodationen i sig är förstås viktig, men pupillstängningen gör också att skärpedjupet i bilden ökar. På så vis kan de se mer än dubbelt så bra som europeiska barn under vatten.



Men det har också visat sig att europeiska barn kan lära sig den här förmågan och att de till och med kan bli lika bra som Mokenbarnen på att se under vatten. (Moken är namnet på stammen av havsnomader vi undersökte). Barnen lär sig kontrollera sin ackommodation och därmed även pupillens stängning, och det på förhållandevis kort tid, 4-6 månader.



Vi undersökte också om människans dykreflex kunde vara inblandad i pupillreflexen. Dykreflexen utlöses när vi dyker under vatten och samtidigt håller andan: hjärtfrekvensen sjunker och kroppen ser till att viktiga organ som hjärna och inre organ ändå får tillräckligt med syre. Pupillstängningen styrs delvis av samma nervbanor, så en av våra hypoteser var att dykreflexen i sig kunde utlösa en pupillstängning. Så var inte fallet. Men både Mokenbarnen och de europeiska barn som tränat upp sin synförmåga under vatten visade sig ha en betydligt större känslighet i mekanismen som sammankopplar ackommodation och pupillens stängning, en ökad känslighet som eventuellt också är knuten till själva dykandet. Troligtvis har det skett förändringar i kopplingarna mellan hjärnceller, vilket också inlärningsförsöken pekar på - en del av förbättringen i synskärpa under vatten kan inte förklaras med optik utan måste ha sin orsak i att hjärnan lärt sig.



Denna avhandling visar att människans synsinne är mer anpassningsbart och flexibelt än vad vi tidigare trott. Kanske pekar det på nya möjligheter att förstärka och förbättra vår förmåga att se.

• author: Gislén, Anna
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Howland, Howard, Cornell University, USA
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: taxonomy, zoogeography, Zoologisk systematik, djurgeografi, Systematic zoology, contrast sensitivity, spatial vision, Accommodation, pupil
• pages: 74 pages
• defense location: Helgonavägen 3, 3rd floor.
• defense date: 2003-11-14 10:15:00
• ISBN: 91-85067-05-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Gislén A., Dacke, M., Kröger, R.H.H., Nilsson, D.-E., Warrant, E.J. (2003) Superior underwater vision in a human population of sea-gypsies Current Biology 13 (10): 833-836 Article: II. Gislén, A., Warrant, E.J., Kröger, R.H.H. (2003) Voluntary accommodation improves underwater vision in humans (submitted) Article: III. Gislén, A., Gislén, L. (2003) The optics of underwater vision in humans (submitted) Article: IV. Gislén, A., Dacke, M. (2003) A simple method to assess contrast sensitivity in children living in remote areas (submitted) Article: V. Gislén, A., Andersson, J., Dacke, M., Warrant, E.J. (2003) Factors influencing pupil size and underwater visual acuity in humans (submitted)
• id: a6bd542d-5f73-4f75-8f42-ecf6560a480d (old id 466289)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:59:37
• date last changed: 2018-11-21 20:56:05