W bezksiężycową noc poziom światła może być 100 milionów razy niższy niż w jasny dzień. A jeśli w ciemności jesteśmy praktycznie ślepi i zupełnie bezradni, koty z powodzeniem tropią swoją zdobycz, a motyle zwinnie fruwają między kwiatami na naszych balkonach. Kiedy śpimy, miliony innych zwierząt polegają na swoich systemach wzrokowych, aby przetrwać. To samo można powiedzieć o zwierzętach, które żyją w wiecznych ciemnościach głębin morskich. Co więcej, zdecydowana większość zwierząt na świecie jest aktywna głównie w słabym świetle. Jak udaje im się wykorzystać tak potężne cechy wizualne, zwłaszcza owady, mając małe oczy i mózg mniejszy niż ziarenko ryżu? Jakie strategie optyczne i neuronowe opracowali, aby dobrze widzieć w słabym świetle?
Aby odpowiedzieć na te pytania, zwróćmy uwagę na nocne owady. Pomimo ich drobnych systemów widzenia, nocne owady doskonale widzą w słabym świetle. W ostatnich latach odkryliśmy, że nocne owady potrafią omijać i namierzać przeszkody podczas lotu, rozróżniać kolory, wykrywać słabe ruchy, uczyć się wizualnych wskazówek i używać ich do namierzania. Mogą nawet nawigować, korzystając ze słabego obrazu gwiezdnej polaryzacji, którą tworzy Księżyc, i nawigować, używając konstelacji gwiazd na niebie.
W wielu przypadkach ten wizualny spektakl wydaje się wręcz destrukcyjny dla tego, co jest fizycznie możliwe. Na przykład pszczoła nocna z Ameryki Środkowej, Megalopta genalis, absorbuje tylko pięć fotonów swoimi maleńkimi oczkami, gdy poziom światła jest na najniższym poziomie - jest to całkowicie nieuchwytny sygnał wizualny. A jednak w głęboką noc może poruszać się po gęstym i splątanym lesie deszczowym, żerując i bezpiecznie wracać do swojego gniazda - niepozorny wydrążony patyk zawieszony w zaroślach.
Aby dowiedzieć się, jak to w ogóle możliwe, naukowcy zaczęli badać ćmy jastrzębie. Te piękne owady - kolibry świata bezkręgowców - reprezentowane są przez wdzięczne, szybko latające motyle, które nieustannie poszukują kwiatów z nektarem. Po znalezieniu kwiatu ćma unosi się przed nim, zasysając nektar przez trąbkę, rurkę ustną.
Nocny jastrząb Deilephila elpenor to piękne stworzenie kryjące się w pierzastych różowo-zielonych łuskach, zbierające nektar w środku nocy. Kilka lat temu naukowcy odkryli, że ten motyl potrafi rozróżniać kolory w nocy, pierwsze znane z tego nocne zwierzę.
Ten motyl niedawno ujawnił kolejny ze swoich sekretów: neuronowe sztuczki, których używa, aby dobrze widzieć w bardzo słabym świetle. Te sztuczki są oczywiście używane także przez inne nocne owady, takie jak Megalopta. Badając fizjologię obwodów nerwowych w wizualnych ośrodkach mózgu, naukowcy odkryli, że Deilephila dobrze widzi w słabym świetle, skutecznie układając fotony, które zbiera w różnych punktach w przestrzeni i czasie.
To trochę tak, jakbyś zwiększał czas otwarcia migawki w aparacie przy słabym oświetleniu. Jeśli pozostawisz migawkę otwartą dłużej, do czujnika obrazu dotrze więcej światła i uzyskasz jaśniejszy obraz. Wadą jest to, że wszystko, co porusza się szybko - jak przejeżdżający samochód - nie uzyska pozwolenia, więc owad tego nie zobaczy.
Film promocyjny:
Sumowanie neuronowe
Aby połączyć fotony w przestrzeni, można połączyć poszczególne piksele czujnika obrazu, aby utworzyć mniejsze, ale większe „superpiksele”. Ponownie, wadą tej strategii jest to, że nawet przy wysokiej jasności obraz będzie rozmyty i pozbawiony ostrych szczegółów. Ale dla nocnego zwierzęcia, które próbuje żyć w ciemności, możliwość zobaczenia jasnego, ale pozbawionego szczegółów i powolnego świata będzie lepsze niż nie zobaczenie niczego (i jest to jedyna alternatywa).
Fizjolodzy wykazali, że sumowanie neuronowe fotonów w czasie i przestrzeni jest niezwykle korzystne dla nocnej deylephili. Przy każdej intensywności światła nocnego, od zmierzchu do gwiazd, sumowanie znacznie zwiększa zdolność deilephila do dobrego widzenia w słabym świetle. W rzeczywistości, dzięki tym mechanizmom neuronowym, deilephilas mogą widzieć w 100 razy słabszym świetle niż w innym przypadku. Korzyści z sumowania są tak wielkie, że inne owady nocne również najprawdopodobniej polegają na nim przy dobrym widzeniu w nocy.
Świat widziany przez nocne owady może nie być tak przejmujący ani dobrze rozdzielony, jak ten widziany przez ich aktywnych, dziennych krewnych. Ale układanie w stosy zapewnia, że jest wystarczająco jasny, aby przechwytywać zdobycz, latać do gniazda i unikać przeszkód. Bez tej zdolności byliby tak ślepi jak reszta z nas.
ILYA KHEL