Πώς βλέπουν τα ζώα στο σκοτάδι;

Megalopta genalis , από τη Γεωλογική Υπηρεσία Ηνωμένων Πολιτειών.

Σε μια νύχτα χωρίς φεγγάρι, τα επίπεδα φωτός μπορεί να είναι πάνω από 100 εκατομμύρια φορές πιο αμυδρά από ό,τι στο έντονο φως της ημέρας . Ωστόσο, ενώ είμαστε σχεδόν τυφλοί και αρκετά αβοήθητοι στο σκοτάδι, οι γάτες κυνηγούν το θήραμα και οι σκόροι πετούν ευκίνητα ανάμεσα στα λουλούδια στα μπαλκόνια μας.

Ενώ εμείς κοιμόμαστε, εκατομμύρια άλλα ζώα βασίζονται στο οπτικό τους σύστημα για να επιβιώσουν. Το ίδιο ισχύει και για τα ζώα που κατοικούν στο αιώνιο σκοτάδι της βαθιάς θάλασσας. Στην πραγματικότητα, η συντριπτική πλειοψηφία των ζώων του κόσμου δραστηριοποιούνται κυρίως σε αμυδρό φως. Πώς είναι δυνατή η τρομερή οπτική τους απόδοση, ειδικά σε έντομα, με μικροσκοπικά μάτια και εγκεφάλους μικρότερους από το μέγεθος ενός κόκκου ρυζιού; Ποιες οπτικές και νευρωνικές στρατηγικές έχουν αναπτύξει για να τους επιτρέπουν να βλέπουν τόσο καλά σε αμυδρό φως;

Για να απαντήσουμε σε αυτά τα ερωτήματα, στρέψαμε την προσοχή μας στα νυκτόβια έντομα. Παρά το μικροσκοπικό οπτικό τους σύστημα, αποδεικνύεται ότι τα νυκτόβια έντομα βλέπουν εκπληκτικά καλά σε αμυδρό φως. Τα τελευταία χρόνια έχουμε ανακαλύψει ότι τα νυκτόβια έντομα μπορούν να αποφεύγουν και να εστιάζουν σε εμπόδια κατά την πτήση ,  να διακρίνουν χρώματα ,  να ανιχνεύουν αμυδρές κινήσεις , να μαθαίνουν οπτικά ορόσημα και να τα χρησιμοποιούν για τον προσδιορισμό της θέσης τους . Μπορούν ακόμη και να προσανατολίζονται χρησιμοποιώντας το αμυδρό μοτίβο πόλωσης του ουρανού που παράγεται από τη σελήνη και να πλοηγούνται χρησιμοποιώντας τους αστερισμούς των αστεριών στον ουρανό. 

Σε πολλές περιπτώσεις, αυτή η οπτική απόδοση φαίνεται σχεδόν να αψηφά ό,τι είναι φυσικά εφικτό. Για παράδειγμα, η νυκτόβια μέλισσα της Κεντρικής Αμερικής,  Megalopta genalis , απορροφά μόνο πέντε φωτόνια (σωματίδια φωτός) στα μικροσκοπικά της μάτια όταν τα επίπεδα φωτός βρίσκονται στο χαμηλότερο σημείο τους - ένα σχεδόν μικρό οπτικό σήμα . Κι όμως, στη μέση της νύχτας, μπορεί να πλοηγηθεί στο πυκνό και μπερδεμένο τροπικό δάσος σε ένα ταξίδι αναζήτησης τροφής και να επιστρέψει με ασφάλεια στη φωλιά της - ένα δυσδιάκριτο κοίλο ραβδί αιωρούμενο μέσα στο δάσος.

Για να μάθουμε πώς είναι εφικτό αυτό το είδος απόδοσης, αρχίσαμε πρόσφατα να μελετάμε νυκτόβια όμορφα έντομα , τα κολίβρια του ασπόνδυλου κόσμου - είναι κομψές, γρήγορες νυχτοπεταλούδες που αναζητούν συνεχώς λουλούδια γεμάτα νέκταρ. Μόλις βρεθεί ένα λουλούδι, η νυχτοπεταλούδα αιωρείται μπροστά του, ρουφώντας το νέκταρ χρησιμοποιώντας την προβοσκίδα της, έναν σωλήνα που μοιάζει με στόμα.

Το νυκτόβιο ευρωπαϊκό  Deilephila elpenor , είναι ένα πανέμορφο πλάσμα καλυμμένο με φτερωτά ροζ και πράσινα λέπια και συλλέγει όλο το νέκταρ του στη μέση της νύχτας. Πριν από αρκετά χρόνια ανακαλύψαμε ότι μπορεί να διακρίνει τα χρώματα τη νύχτα, όντας το πρώτο νυκτόβιο ζώο που είναι γνωστό ότι το κάνει αυτό .

Αλλά αυτό το πλασματάκι αποκάλυψε πρόσφατα ένα ακόμη μυστικό του: τα νευρωνικά κόλπα που χρησιμοποιεί για να βλέπει καλά σε εξαιρετικά αμυδρό φως. Αυτά τα κόλπα σίγουρα χρησιμοποιούνται και από άλλα νυκτόβια έντομα όπως η Megalopta. Μελετώντας τη φυσιολογία των νευρωνικών κυκλωμάτων στα οπτικά κέντρα του εγκεφάλου, ανακαλύψαμε ότι η Δειλέφιλα- Deilephila μπορεί να βλέπει αξιόπιστα σε αμυδρό φως προσθέτοντας αποτελεσματικά τα φωτόνια που έχει συλλέξει από διαφορετικά σημεία στο χώρο και το χρόνο .

Για τον χρόνο, αυτό μοιάζει λίγο με την αύξηση του χρόνου κλείστρου σε μια κάμερα σε αμυδρό φως. Επιτρέποντας στο κλείστρο να παραμείνει ανοιχτό για περισσότερο χρόνο, περισσότερο φως φτάνει στον αισθητήρα εικόνας και παράγεται μια πιο φωτεινή εικόνα. Το μειονέκτημα είναι ότι οτιδήποτε κινείται γρήγορα - όπως ένα διερχόμενο αυτοκίνητο - δεν θα είναι ευδιάκριτο και έτσι το έντομο δεν θα μπορεί να το δει.

Νευρωνική άθροιση

Για να προστεθούν φωτόνια στο διάστημα, τα μεμονωμένα pixel του αισθητήρα εικόνας μπορούν να συγκεντρωθούν για να δημιουργήσουν λιγότερα αλλά μεγαλύτερα (και άρα πιο ευαίσθητα στο φως) «υπερ-pixel». Και πάλι, το μειονέκτημα αυτής της στρατηγικής είναι ότι παρόλο που η εικόνα γίνεται πιο φωτεινή, γίνεται επίσης πιο θολή και οι λεπτότερες χωρικές λεπτομέρειες εξαφανίζονται.Αλλά για ένα νυκτόβιο ζώο που προσπαθεί να δει στο σκοτάδι, η ικανότητα να δει έναν φωτεινότερο κόσμο που είναι πιο χονδροειδής και πιο αργός είναι πιθανό να είναι καλύτερη από το να μη βλέπει τίποτα απολύτως (κάτι που θα ήταν η μόνη εναλλακτική λύση).

Η φυσιολογική μας εργασία αποκάλυψε ότι αυτή η νευρωνική άθροιση φωτονίων στο χρόνο και τον χώρο είναι εξαιρετικά ωφέλιμη για τη νυκτόβια Δειλέφιλα.Σε όλες τις εντάσεις νυχτερινού φωτός, από το σούρουπο μέχρι τα επίπεδα φωτός των αστεριών, η άθροιση ενισχύει σημαντικά την ικανότητα της Δειλέφιλα να βλέπει καλά σε αμυδρό φως. Στην πραγματικότητα, χάρη σε αυτούς τους νευρωνικούς μηχανισμούς, η Δειλέφιλα μπορεί να δει σε εντάσεις φωτός περίπου 100 φορές χαμηλότερες από ό,τι θα μπορούσε διαφορετικά. Τα οφέλη της άθροισης είναι τόσο μεγάλα που και άλλα νυκτόβια έντομα, όπως τα Megalopta, πιθανότατα βασίζονται σε αυτήν για να βλέπουν καλά σε αμυδρό φως.

Ο κόσμος που βλέπουν τα νυκτόβια έντομα μπορεί να μην είναι τόσο ευκρινής ή τόσο καλά διακριτός χρονικά όσο αυτός που βιώνουν οι συγγενείς τους που δραστηριοποιούνται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Αλλά η άθροιση διασφαλίζει ότι είναι αρκετά φωτεινός για να ανιχνεύσει και να αναχαιτίσει πιθανούς συντρόφους, να καταδιώξει και να συλλάβει θήραμα, να πλοηγηθεί προς και από μια φωλιά και να ξεπεράσει εμπόδια κατά την πτήση. Χωρίς αυτή την ικανότητα θα ήταν τόσο τυφλό όσο και οι υπόλοιποι από εμάς.

Eric Warrant - Πανεπιστήμιο Lund/  The Conversation

https://www.universal-sci.com/headlines/2017/3/14/how-do-animals-see-in-the-dark