W bezksiężycową noc poziom światła może być ponad 100 m razy ciemniejszy niż w jasnym świetle dziennym. Jednak podczas gdy my jesteśmy prawie ślepi i zupełnie bezradni w ciemności, koty polują na zdobycz, a ćmy zwinnie latają między kwiatami na naszych balkonach.

Kiedy śpimy, miliony innych zwierząt polegają na swoich systemach wzrokowych, aby przetrwać. To samo dotyczy zwierząt zamieszkujących wieczną ciemność głębin morskich. W rzeczywistości przytłaczająca większość zwierząt na świecie jest aktywna przede wszystkim w słabym świetle. Jak to możliwe, że ich niesamowita wydajność wizualna jest możliwa, zwłaszcza u owadów, z małymi oczami i mózgami mniejszymi niż ziarno ryżu? Jakie strategie optyczne i neuronalne rozwinęli, aby umożliwić im tak dobre widzenie w słabym świetle?

Aby odpowiedzieć na te pytania, zwróciliśmy uwagę na nocne owady. Mimo swoich niewielkich systemów wizualnych okazuje się, że nocne owady widzą zadziwiająco dobrze w słabym świetle. W ostatnich latach odkryliśmy, że nocne owady potrafią omijać przeszkody i skupiać się na nich podczas lotu, rozróżniać kolory, wykrywać słabe ruchy, poznaj wizualne punkty orientacyjne i używaj ich do naprowadzania. Mogą nawet orientować się za pomocą słabego wzorca polaryzacji niebieskiej wyprodukowane przez księżyci nawiguj za pomocą konstelacji gwiazdy na niebie.

W wielu przypadkach ta wizualna wydajność wydaje się prawie przeczyć temu, co jest fizycznie możliwe. Na przykład nocna pszczoła z Ameryki Środkowej, Megalopta genalis, absorbuje tylko pięć fotonów (cząstek światła) do swoich maleńkich oczu, gdy poziom światła jest najniższy – a znikająco mały sygnał wizualny. A jednak w środku nocy może poruszać się po gęstym i splątanym lesie deszczowym podczas wyprawy w poszukiwaniu pożywienia i bezpiecznie wrócić do swojego gniazda – niepozornego wydrążonego patyka zawieszonego w leśnym poszyciu.

Aby dowiedzieć się, w jaki sposób możliwe są tego rodzaju występy, niedawno zaczęliśmy badać nocne jastrzębie. Te piękne owady – kolibry ze świata bezkręgowców – to smukłe, szybko latające ćmy, które nieustannie wypatrują kwiatów przepełnionych nektarem. Po znalezieniu kwiatu ćma unosi się przed nim, wysysając nektar za pomocą trąbki, rurki przypominającej usta.

Nocny słoń europejski hawkmoth, Deilephila elpenor, jest wspaniałym stworzeniem odzianym w pierzaste różowe i zielone łuski i zbiera cały swój nektar w środku nocy. Kilka lat temu odkryliśmy, że ta ćma potrafi rozróżniać kolory nocą, będąc pierwszym zwierzęciem nocnym znany z tego.

Ale ta ćma niedawno ujawniła kolejny ze swoich sekretów: neuronowe sztuczki, których używa, aby dobrze widzieć w ekstremalnie słabym świetle. Te sztuczki są z pewnością używane przez inne nocne owady, takie jak Megalopta. Badając fizjologię obwodów nerwowych w ośrodkach wzrokowych mózgu, odkryliśmy, że Deilefila widzi niezawodnie w słabym świetle, skutecznie sumując fotony zebrane z różnych punktów w przestrzeni i czasie.

Na razie jest to trochę jak wydłużanie czasu otwarcia migawki w aparacie przy słabym świetle. Dłuższy czas otwarcia migawki powoduje, że do przetwornika obrazu dociera więcej światła i obraz jest jaśniejszy. Minusem jest to, że wszystko poruszające się szybko – jak przejeżdżający samochód – nie zostanie rozwiązane, więc owad nie będzie mógł tego zobaczyć.

Sumowanie neuronowe

Aby zsumować fotony w przestrzeni, poszczególne piksele przetwornika obrazu można połączyć, aby utworzyć mniej, ale większych (a więc bardziej światłoczułych) „superpikseli”. Ponownie, wadą tej strategii jest to, że chociaż obraz staje się jaśniejszy, staje się również bardziej rozmyty, a drobniejsze szczegóły przestrzenne znikają. Ale dla nocnego zwierzęcia, które stara się widzieć w ciemności, zdolność widzenia jaśniejszego świata, który jest grubszy i wolniejszy, jest prawdopodobnie lepsza niż widzenie niczego (co byłoby jedyną alternatywą).

Nasza praca fizjologiczna wykazała, że ​​ta neuronalna suma fotonów w czasie i przestrzeni jest niezwykle korzystna dla nocnych Deilefila. Przy wszystkich natężeniach światła nocnego, od zmierzchu do poziomu światła gwiazd, sumowanie znacznie się zwiększa Deilefilazdolność widzenia w słabym świetle. W rzeczywistości dzięki tym mechanizmom nerwowym Deilefila może widzieć przy natężeniu światła około 100 razy ciemniejszym niż w innym przypadku. Korzyści z sumowania są tak duże, że inne owady nocne, jak Megalopta, najprawdopodobniej polegają na tym, aby widzieć dobrze również w słabym świetle.

Świat widziany przez nocne owady może nie być tak ostry ani tak dobrze rozdzielony w czasie, jak ten, którego doświadczają ich krewni w ciągu dnia. Ale sumowanie zapewnia, że ​​jest wystarczająco jasny, aby wykrywać i przechwytywać potencjalnych partnerów, ścigać i chwytać zdobycz, nawigować do i z gniazda oraz pokonywać przeszkody podczas lotu. Bez tej umiejętności byłby tak samo ślepy jak reszta z nas.

O autorze

Eric Warrant, profesor zoologii, Uniwersytet w Lund

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon