動物如何在黑暗中看到?

在沒有月光的夜晚,光線水平可以超過100m倍 比在明亮的日光下暗淡。 然而,當我們在黑暗中幾乎失明並且相當無助時,貓正在追踪獵物,而飛蛾正在陽台上的鮮花之間敏捷地飛翔。

當我們睡覺時,數以百萬計的其他動物依靠他們的視覺系統來生存。 棲息在深海永恆黑暗中的動物也是如此。 事實上,世界上絕大多數的動物主要在昏暗的光線下活躍。 它們強大的視覺表現如何成為可能,特別是在昆蟲中,眼睛和大腦的粒度小於一粒米的大小? 他們進化了什麼光學和神經策略,讓他們在昏暗的光線下看得如此之好?

為了回答這些問題,我們將注意力轉向了夜間昆蟲。 儘管它們的視覺系統很小,但事實證明,夜間昆蟲在昏暗的光線下看得非常好。 近年來,我們發現夜間昆蟲可以避開並固定在障礙物上 在飛行期間, 區分顏色, 檢測微弱的動作,學習視覺地標和 用它們進行歸巢。 他們甚至可以使用微弱的天體極化模式來定位自己 由月亮產生,並使用星座導航 天空中的星星.

在許多情況下,這種視覺表現似乎幾乎無法克服物理上的可能性。 例如,夜間中美洲汗蜂, Megalopta genalis當光線水平最低時,只吸收五顆光子(光粒子)進入它的微小的眼睛 - a 消失的小視覺信號。 然而,在夜深人靜的時候,它可以在覓食的旅途中駕駛密集而糾結的熱帶雨林,並安全地回到它的巢穴 - 一個懸浮在森林下方的不顯眼的掏空棒。

為了弄清楚這種表現是如何可能的,我們最近開始研究夜間的天蛾。 這些美麗的昆蟲 - 無脊椎動物世界的蜂鳥 - 是一種光滑,快速飛行的飛蛾,一直在尋找含有花蜜的花朵。 一旦找到一朵花,飛蛾就會在它前面盤旋,用它的長鼻管吸出花蜜。

夜間的歐洲大象hawkmoth, Deilephila elpenor,是一個華麗的生物,披著羽毛狀的粉紅色和綠色鱗片,它的所有花蜜聚集在深夜。 幾年前,我們發現這種蛾可以分辨夜間的顏色,這是第一隻夜行動物 知道這樣做.

但是這隻飛蛾最近揭示了它的另一個秘密:它用來在極暗光下看到的神經技巧。 這些技巧肯定被其他夜行性昆蟲使用 Megalopta。 通過研究大腦視覺中心神經迴路的生理學,我們發現了這一點 Deilephila 通過有效地將從不同點收集的光子加在一起,可以在昏暗的光線下可靠地看到 在空間和時間.

對於時間,這有點像在昏暗的燈光下增加相機的快門時間。 通過允許快門保持打開更長時間,更多光線到達圖像傳感器並產生更亮的圖像。 缺點是任何快速移動的東西 - 如過往的汽車 - 將無法解決,因此昆蟲將無法看到它。

神經總和

為了將空間中的光子加在一起,可以將圖像傳感器的各個像素合併在一起以產生更少但更大(並且更加光敏)的“超像素”。 同樣,這種策略的缺點是,即使圖像變得更亮,它也變得模糊,更精細的空間細節消失。 但是對於一個在黑暗中看夜間動物緊張的人來說,看到一個更粗糙,更慢的世界的能力可能比看不到任何東西更好(這將是唯一的選擇)。

我們的生理學研究表明,光子在時間和空間上的神經總和對夜間活動非常有益 Deilephila。 在從黃昏到星光水平的所有夜間光照強度下,總和大大增加 Deilephila能夠在昏暗的光線下看得很清楚。 事實上,由於這些神經機制, Deilephila 可以看到100周圍的光強度比其他情況下更暗。 總和的好處是如此之大,以至於其他夜行性昆蟲,如 Megalopta,很可能依靠它在昏暗的光線下看得很清楚。

夜間昆蟲所看到的世界可能不像其日間活躍的親屬所經歷的那樣尖銳或妥善解決。 但總結確保它足夠明亮,可以探測和攔截潛在的配偶,追捕和捕獲獵物,進出巢穴並在飛行過程中協商障礙物。 如果沒有這種能力,它就會像我們其他人一樣盲目。

關於作者

Eric Warrant,動物學教授, 隆德大學

這篇文章最初發表於 談話。 閱讀 原創文章.

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