Як тварини бачать у темряві
У безмісячну ніч рівень освітленості може бути в 100 мільйонів разів нижчий, ніж за яскравого денного світла. І якщо ми практично сліпі і абсолютно безпорадні в темряві, кішки цілком успішно відстежують видобуток, а метелики швидко пурхають між квітами на наших балконах. Поки ми спимо, мільйони інших тварин покладаються на свої зорові системи, щоби виживати. Те саме можна сказати про тварин, що мешкають у вічній темряві глибокого моря. Більш того, переважна більшість тварин у світі в основному активно при тьмяному світлі. Як їм вдається користуватися такими потужними зоровими характеристиками, особливо комахами, з їхніми крихітними очима та мозками менше рисового зернятка? Які оптичні та нейронні стратегії вони розвинули, щоб добре бачити при тьмяному світлі?
Щоб відповісти на ці питання, звернімо увагу на нічних комах. Незважаючи на їхні мініатюрні зорові системи, нічні комахи чудово бачать у тьмяному світлі. В останні роки ми виявили, що нічні комахи можуть уникати та фіксуватися на перешкодах під час польоту, розрізняти кольори, виявляти слабкі рухи, вивчати візуальні орієнтири та використовувати їх для самонаведення. Вони можуть навіть орієнтуватися, використовуючи слабку картину зоряної поляризації, яку створює Місяць, та переміщатися, використовуючи сузір'я зірок на небі.
У багатьох випадках ця візуальна продуктивність здається абсолютно порушує те, що фізично можливо. Наприклад, нічна центральноамериканська бджола Megalopta genalis поглинає всього п'ять фотонів своїми крихітними очима, коли рівні світла знаходяться на гранично низькому рівні — невловимий візуальний сигнал. І тим не менш у глибокій ночі вона може переміщатися густим ізаплутаному тропічному лісі під час нагулу та безпечно повертатися у своє гніздо — непомітний видовбаний ціпок, підвішений у підліску.
Щоб дізнатися, як взагалі таке можливе, вчені почали вивчати бражників. Ці прекрасні комахи — колібрі безхребетного світу — представлені витонченими метеликами, що швидко літають, які постійно шукають квіти з нектаром. Як тільки квітка знайдена, моль ширяє перед нею, висмоктуючи нектар за допомогою хоботка, ротоподібної трубки.
Нічний європейський бражник Deilephila elpenor - це чудова істота, що ховається в пернатих рожевих і зелених лусочках, що збирає нектар глибокої ночі. Кілька років тому вчені виявили, що цей метелик може розрізняти кольори вночі, першу нічну тварину, цим відому.
Нещодавно цей метелик розкрив ще одну зі своїх таємниць: нейронні трюки, які вона використовує, щоб добре бачити при дуже тьмяному світлі. Ці трюки, звичайно, використовуються і іншими нічними комахами, такими як Megalopta. Вивчивши фізіологію нервових ланцюгів у зорових центрах мозку, вчені виявили, що Deilephila може добре бачити у тьмяному світлі, ефективно складаючи фотони, які збирає у різних точках простору та часу.
Це трохи схоже збільшення витримки на камері при слабкому освітленні. Якщо дозволити затвору залишатися відкритим довше, більше світла досягне датчика зображення та отримає яскравіше зображення. Недоліком є те, що все, що рухається швидко — як автомобіль, що проїжджає, — не отримає дозволу, тому комаха його не побачить.
Нейронне підсумовування
Щоб комбінувати фотони в просторі, окремі пікселі датчика зображення можна об'єднати в пул, створивши менші, але більшими за числом «суперпікселі». Знову ж таки, недолікомцієї стратегії буде те, що навіть за високої яскравості зображення воно буде розмитим і позбавленим чітких деталей. Але для нічної тварини, яка намагається жити в темряві, можливість бачити яскравий, але позбавлений деталей і повільний світ буде краще, ніж не бачити взагалі нічого (а це єдина альтернатива).
Фізіологи показали, що нейронне підсумовування фотонів у часі та просторі надзвичайно корисне для нічної деілефіли. За будь-якої інтенсивності нічного світла, від сутінків до зірок, підсумовування істотно підвищує здатність деілефіли добре бачити при тьмяному світлі. Фактично, завдяки цим нервовим механізмам, деілефіл може бачити при в 100 разів більш тьмяному світлі, ніж в іншому випадку. Переваги підсумовування настільки великі, що інші нічні комахи теж, ймовірно, покладаються на нього, щоб добре бачити в ночі.
Світ, що спостерігається нічними комахами, може бути не таким гострим або добре дозволеним, як той, що бачать їхні активні родичі. Але підсумовування гарантує, що він буде досить яскравим, щоб можна було перехопити видобуток, долетіти до гнізда та уникнути перешкод. Без цієї здібності вони були б такими ж сліпими, як і всі ми.