动物如何在黑暗中看到?

在无月的夜晚,光照水平可能超过100m倍 比在明亮的日光下昏暗。 然而,当我们在黑暗中几乎是失明的,无助的时候,猫正在追捕猎物,而飞蛾在我们的阳台上的花朵之间灵活飞翔。

当我们睡觉时,数以百万计的其他动物依靠他们的视觉系统来生存。 栖息在深海永恒黑暗中的动物也是如此。 事实上,世界上绝大多数的动物主要是在昏暗的灯光下活动。 他们的可怕的视觉表现如何呢,特别是在昆虫里,眼睛和小脑的尺寸都小于一粒米呢? 他们发展了什么样的光学和神经策略,让他们在昏暗的光线下看得如此之好?

为了回答这些问题,我们把注意力转向了夜间的昆虫。 尽管他们的视觉系统很小,事实证明夜间昆虫在昏暗的灯光下看起来非常好。 近年来我们发现,夜间昆虫可以避开和固定障碍物 在飞行期间, 区分颜色, 检测到微弱的动作,学习视觉地标和 使用它们进行归位。 他们甚至可以使用微弱的天体偏振模式来定位自己 由月亮产生,并使用星座进行导航 在天空中的星星.

在许多情况下,这种视觉表现似乎几乎不能反映物理上的可能性。 例如,夜间中美洲汗水蜂, Megalopta genalis,当光照水平最低时,只吸收5个光子(光粒子)进入它的小眼睛 - a 消失的小视觉信号。 然而,在夜深人静的时候,它可以在一个觅食的旅途中漫游茂密而纠结的热带雨林,并使其安全地回到它的巢穴 - 一片悬在森林下面的不显眼的空心棒。

要了解这种表现如何可能,我们最近开始研究夜行星。 这些美丽的昆虫 - 无脊椎动物世界的蜂鸟 - 是光滑,快速的飞蛾,不断寻找花蜜盛开的花朵。 一旦找到一朵花,蛾子就会徘徊在它的前面,用它的嘴,像嘴一样的吸管吸出花蜜。

夜间的欧洲大象hawkmoth, Deilephila elpenor,是一个华丽的生物披着羽毛粉红色和绿色的鳞片,并在夜深人静的花蜜聚集。 几年前我们发现这种飞蛾可以在夜间分辨出第一个夜间动物的颜色 已知这样做.

但是这只蛾最近揭示了另外一个秘密:它使用的神秘技巧在极其昏暗的光线下看得很清楚。 这些技巧当然是其他夜间昆虫使用的 Megalopta。 通过研究大脑视觉中枢的神经回路的生理机制,我们发现了这一点 Deilephila 通过有效地将从不同点收集的光子相加,可以在昏暗的光线下可靠地看到 在空间和时间.

对于时间来说,这有点像增加昏暗灯光下相机的快门时间。 通过允许快门保持更长的时间,更多的光线到达图像传感器并且产生更亮的图像。 缺点是任何快速行驶的东西 - 比如过往车辆 - 都不能解决,所以昆虫将无法看到它。

神经总和

为了将空间中的光子相加,可以将图像传感器的各个像素集中在一起,以创建更少但更大(以及更多光敏)的“超像素”。 再次,这个策略的缺点是,即使图像变得更亮,它也变得模糊,更精细的空间细节消失。 但是对于一个在黑暗中看到的夜行动物来说,看到一个更粗更慢的更光明的世界的能力可能比没有看到任何东西(这将是唯一的选择)更好。


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我们的生理工作已经揭示出,这种时间和空间上的光子的神经总和对夜间是非常有益的 Deilephila。 在夜间的光照强度,从黄昏到星光水平,总和大大提高 Deilephila在暗淡的光线下看得清的能力。 事实上,由于这些神经机制, Deilephila 可以看到100周围的光强度比其他情况下更暗淡。 总结的好处是如此之大,其他夜间昆虫,如 Megalopta,很可能依靠它在昏暗的灯光下也看得很清楚。

夜间昆虫看到的世界可能不像他们的日常活跃的亲属那样犀利,也没有及时解决。 但总结确保它足够明亮,可以检测和拦截潜在的配偶,追捕猎物,在巢穴中进出巢穴,在飞行过程中协商障碍物。 没有这个能力,就像我们其他人一样盲目。

关于作者

Eric Warrant,动物学教授, 隆德大学

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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