Nocne wizje

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Nad gęstym, parnym lasem deszczowym zapada noc, ostatnie promienie słońca przebijają się przez liście koron. Narastająca ciemność nad wyspą Barro Colorado w Panamie zaczyna skrywać wysokie, kolczaste drzewa kapokowe, palmy oraz krzewy, aż w pewnym momencie nasze oczy widzą już tylko małe plamki na baldachimie rozgwieżdżonego nieba. Świerszcze rozpoczynają swój koncert, a wyjce powoli cichną.

W mroku nocna pszczoła, z wyłupiastymi oczami, metaliczną zieloną głową i jasnobrązowym brzuchem, wylatuje z gniazda w wydrążonym patyku długości 30 cm. Będzie szukać nektaru i pyłków. Zanim jednak odleci, patrzy na patyk, nad którym znajduje się kartka w czarno-białe paski, umieszczona tam przez naukowców. Nad innymi gniazdami są również kartki, ale koloru szarego.

Gdy pszczoła odleciała, zoolog Eric Warrant i jego koledzy z Lunds universitet w Szwecji dokonują zmiany, przenosząc kartę w paski do innego gniazda. Kiedy pszczoła wraca, zbliża się do gniazda z kartą z paskami, myśląc, że to jej dom. Z jej zachowania wynika, że pszczoły kierują się sygnałami wizualnymi. „Nawet gdy światło jest bardzo słabe, nie ma z tym żadnego problemu” – mówi Warrant. (Warrant zwraca uwagę, że jest tak ciemno, iż gdyby ludzie śledzący owady nie nosili okularów noktowizyjnych, wpadaliby na drzewa).

Tak wspaniałe nocne widzenie ten gatunek pszczół (Megalopta genalis) zawdzięcza nie tylko dużym soczewkom swoich oczu. Soczewki te faktycznie poprawiają zdolność rejestrowania światła przez pszczoły. Ale te nocne owady potrafią odnaleźć swoje gniazda nawet przy tak słabym świetle, że duży rozmiar soczewek ocznych wydaje się niewystarczający. Warrant stwierdził, że wpływ na nawigację pszczół po zachodzie słońca ma, oprócz oczu, sposób, w jaki ich mózg przetwarza słabiutkie światło.

Naukowcy przez wiele lat uważali, że większość zwierząt widzi nocą, podobnie jak ludzie, taki sam ciemny, bezbarwny krajobraz. Sądzono, że zwierzęta nocne wykorzystują inne zmysły, takie jak zapach i słuch. Obecnie nowe badania obaliły tę tezę. „Myśleliśmy, że wiemy, w jaki sposób zwierzęta widzą w ciemności, i nikomu nie chciało się tego sprawdzać” – wyjaśnia Warrant. Gdy naukowcy zaczęli zapuszczać się w ten mroczny świat, odkryli, że dla wielu różnych gatunków krajobraz nocny jest zaskakująco jasny.

Dla przykładu, kiedy badacze widzą w nocy tylko odcienie szarości, ćmy, żaby i gekony mogą rozróżniać barwy. Zdolność ta jest dla nich bardzo korzystna, gdyż dzięki niej mogą łatwiej znajdować obiekty, zarówno w jasnym świetle, jak i w ciemnościach, niż gdyby musiały opierać się wyłącznie na natężeniu. Zwierzęta te w ten sposób odnajdują w ciemności pożywienie, gniazda i partnerów. „To niesamowite, że tak wiele zwierząt może aktywnie funkcjonować w słabym świetle, a my nie” – mówi Almut Kelber, która zajmuje się biologią sensoryczną w Lund.

Tajemnice nocnej nawigacji tkwią w mózgu. Komórki nerwowe w układach optycznych zwierząt dodają do siebie niewielkie porcje wychwyconego światła, tworząc w ten sposób jaśniejszy obraz, i starannie usuwają szum, który mógłby go zakłócić. Proces ten polega na sumowaniu danych pobranych z sąsiadujących ze sobą plamek znajdujących się w polu widzenia. Komórki sumują również dane z pojedynczych plamek zebrane w dłuższym czasie, zasadniczo spowalniając percepcję wizualną, dzięki czemu rzeczy stają się znacznie jaśniejsze.

W żywych barwach

W oczach ludzi, podobnie jak w oczach większości innych kręgowców i bezkręgowców, znajdują się komórki działające jak fotoreceptory rejestrujące światło dochodzące z zewnątrz. Komórki te noszą nazwy czopków i pręcików. W ciągu dnia używamy głównie czopków, które wysyłają sygnały do mózgu, gdy padają na nie fotony światła czerwonego, zielonego lub niebieskiego. Dzięki nim ludzie doskonale rozróżniają kolory, ale w ciemności ich działanie jest ograniczone. Przy słabym oświetleniu nasz zmysł wzroku wykorzystuje głównie pręciki, które mają większą czułość, ponieważ, pracując w grupach, wspólnie zbierają informacje niesione przez światło. Pręciki są jednak w stanie rozróżniać tylko odcienie szarości.

W pracy z 2002 roku Warrant, Kelber i ich koleżanka z Lund Anna Balkenius jako pierwsi wykazali, że w nocy zwierzęta rozróżniają barwy. Naukowcy umieścili jastrzębie ćmy w klatce w laboratorium i wytresowali tak, aby kojarzyły albo niebieski, albo żółty sztuczny kwiat z nagrodą w postaci wody z cukrem. Początek eksperymentu przeprowadzono przy oświetleniu zbliżonym do zmierzchowego, po czym zmniejszono je do takiego, jakiego w nocy dostarczają gwiazdy. Mimo wielkich ciemności ćmy wciąż potrafiły odróżnić kolor żółty od niebieskiego. Od tego czasu zespół Kelber odkrył, że pszczoły z rodzaju zadrzechni oraz gekony rozróżniają barwy w nocy. Kelber ma nadzieję sprawdzić, czy kolory widzą nietoperze owocniki i sowy, o których dotychczas sądzono, że ich zdolność do polowania w nocy wynika z doskonałego słuchu lub dużych oczu.

Również żaby mogą w ciemności odróżnić barwę niebieską od zielonej. Fizjolog zwierząt Kristian Donner z Uniwersytetu w Helsinkach (Helsingin yliopisto) w Finlandii i jego koledzy badali żaby trawne pod kątem fototaksji, czyli poruszania się w stronę światła. Donner chciał sprawdzić, czy barwa światła ma znaczenie. Kilkadziesiąt lat temu w testach laboratoryjnych przeprowadzonych na żabich pręcikach stwierdzono, że niektóre z nich reagowały szczególnie na światło niebieskie, podczas gdy inne – na zielone. Aby dowiedzieć się, jak różne komórki wpływają na zachowanie żab, grupa Donnera umieszczała po kolei 17 płazów w wiadrze z dwoma rozmieszczonymi po przeciwnych stronach oknami. Naukowcy oświetlali jedno okno niebieskim światłem, a drugie zielonym, po czym mierzyli częstość i kierunki żabich skoków przy różnych poziomach oświetlenia.

Kiedy w wiadrze panowały całkowite ciemności, skoki zachodziły w przypadkowych kierunkach, ale gdy tylko badacze oświetlili jego wnętrze najmniejszą możliwą ilością światła, żaby wykazały wyraźną preferencję dla barwy zielonej. „Na samej granicy widoczności są one w stanie rozróżniać kolor niebieski i zielony” – mówi Donner. Aby mieć porównanie, studenci także wkładali głowy do wiadra, ale nie widzieli żadnego światła, a tym bardziej nie mogli odróżnić barwy zielonej od niebieskiej.

Nie wiadomo, dlaczego płazy skakały w stronę zielonego światła. Donner spekuluje, że żaby kierują się gwiazdami. W promieniowaniu gwiazd przeważają fale o dużej długości, a długość fal światła zielonego jest większa niż światła niebieskiego, tak więc zielone promienie wpadające do wiadra mogą sugerować żabom otwartą przestrzeń oświetloną przez gwiazdy i drogę ucieczki z pojemnika.

Trasy wyznaczane przez gwiazdy

Jeśli żaby faktycznie kierują się gwiazdami, idą w ślady innych gatunków zwierząt. Żuki gnojowe poruszają się po idealnie prostych liniach w bezksiężycowe noce, kiedy to jedynym światłem jest promieniowanie gwiazd. James Foster, biolog sensoryczny z Lund, wyjaśnia, że dla żuka z ładną, świeżą porcją gnoju ruch jest dobrą strategią. Chce on opuścić gromadę innych żuków przebywających na kupie gnoju i znaleźć spokojne miejsce, aby zająć się swoją zdobyczą. W odróżnieniu od chodzenia dookoła, ruch po prostej daje możliwość jak najszybszego oddalenia się od kupy.

Jak żuki to robią? Doradca Fostera z Lund Marie Dacke, Warrant i inni naukowcy odkryli już wcześniej, że do znalezienia drogi owady korzystają z tego, co widzą nad sobą. Umieścili oni tekturowe osłony na zwierzątkach, tak aby nie mogły widzieć nieba, a następnie wypuszczali owady na kolistą płaszczyznę i sprawdzali, jaką drogą dochodziły one do krawędzi. Gdy żuki miały ograniczony od góry widok, wybierały bardziej okrężną trasę. Oznacza to, że ważne jest dla nich coś, co znajduje się na niebie.

Naukowcy podejrzewali, że żuki, niczym sześcionodzy żeglarze nawigujący za pomocą gwiazdozbiorów, mogą do orientacji wykorzystywać układ gwiazd. Aby przekonać się, czy to prawda, Dacke i jej koledzy przywieźli żuki wraz z kulkami gnoju do planetarium, w którym można było łatwo kontrolować układy gwiazd. Gdy symulowano pełne gwiaździste nieba lub tylko jasną smugę Drogi Mlecznej, żuki docierały prosto do krawędzi koła w niecałą minutę. Trwało to dłużej, kiedy Galaktyki nie było widać. W ten sposób po raz pierwszy pokazano, że jakieś zwierzę orientuje się za pomocą tego pasma gwiazd na niebie. (Praca ta po opublikowaniu w czasopiśmie Current Biology w 2013 roku została uhonorowana żartobliwą nagrodą Antynobla w dziedzinie biologii i astronomii).

Niedawno Foster zbadał, w jaki sposób żuki gnojowe wykorzystują Drogę Mleczną, aby poruszać się w jednym konkretnym kierunku. Widziane z naszej planety gwiazdy te tworzą dość symetryczną linię. Gdy żuki poruszają się do przodu lub do tyłu, z ich perspektywy linia wygląda tak samo. Jednak owady się nie odwracają.

Foster podejrzewał, że żuki dostrzegają subtelne różnice w natężeniu światła na obu krańcach Drogi Mlecznej. Kiedy przeanalizował fotografie Galaktyki zrobione w południowoafrykańskim siedlisku żuków, odkrył, że natężenie światła na północnym i południowym końcu Drogi Mlecznej rzeczywiście różni się o co najmniej 13%, a czasem znacznie więcej, w zależności od sposobu, w jaki przetwarzał obrazy. Aby przetestować ten efekt na samych żukach, Foster stworzył sztuczną, uproszczoną Drogę Mleczną z pojedynczych świateł LED tworzących łuk nad ich pomieszczeniem, w której na każdym końcu mógł zmieniać natężenie światła. Żuki szły prosto, gdy występował 13-procentowy kontrast między jednym końcem jasnej linii a drugim, ale błądziły, kiedy kontrast spadał poniżej tej wartości. Wynik ten wskazuje, że zwierzęta powinny odróżniać oba końce prawdziwej Drogi Mlecznej.

Wzmacniacze sygnału

Obecnie wiemy, że oprócz żuków i pszczół wiele innych zwierząt może znakomicie widzieć w ciemnościach. Są to karaluchy, ryby świetlikowate, mątwy, żaby i naczelne o nocnym trybie życia, takie jak małpy z rodziny ponocnicowatych. Neurobiolodzy zadają sobie zatem pytanie, jak to możliwe. Dla przykładu, większe oczy zbierają więcej światła, ale gromadzona liczba fotonów nie jest wystarczająca, aby mogła wyjaśnić udokumentowaną przez naukowców wielką czułość nocnego widzenia. Gdy pręciki pochłoną padające na nie światło, musi następować jakiś inny proces przetwarzania wizualnego. W szczególności, zwierzęta muszą być w stanie przezwyciężyć lub odfiltrować wizualny „szum” wytworzony przez aktywność fotoreceptora, który nie niesie żadnych użytecznych informacji o widzialnym świecie.

Istnieje kilka źródeł szumu w układach wizualnych. Jedno z nich, tak zwany fotonowy szum śrutowy, ma miejsce, gdy do fotoreceptorów dociera tylko niewiele fotonów. Ponieważ takie pakiety światła nadchodzą sporadycznie, powstaje zmienny i zawodny obraz. To tak, jakby nocą oświetlić sufit Kaplicy Sykstyńskiej trzema lub czterema latarkami. Trudno byłoby wtedy docenić kunszt całego arcydzieła Michała Anioła.

Drugim źródłem szumu są oddziaływania molekularne w samych fotoreceptorach. Fotoreceptor wyczuwa światło, gdy nadchodzący foton uderza w cząsteczkę zwaną rodopsyną. Ale co jakiś czas – najwyżej raz na minutę – cząsteczka rodopsyny zostaje przypadkowo pobudzona lub następuje jakieś inne zaburzenie. Efekt ten nazywa się ciemnym szumem, ponieważ może wystąpić nawet w kompletnej ciemności przy zamkniętych oczach. Trzecie źródło, szum przetwornika, wynika ze zmienności czasu i siły reakcji systemu wizualnego na pojedynczy rzeczywisty foton.

W silnym świetle dziennym szum nie stanowi wielkiego problemu, gdyż kolosalna liczba fotonów wpadających do oczu niweluje takie drobne zaburzenia. Jednakże w ciemności zwierzęta potrzebują sposobu, aby stosunek sygnału do szumu był równie wysoki. Sposób ten polega na sumowaniu sygnałów rejestrowanych w przestrzeni i czasie przez pojedyncze fotoreceptory.

Sumowanie przestrzenne działa następująco. Wyobraźmy sobie koncert, na którym 1000 podekscytowanych fanów macha telefonami komórkowymi. Nie widzimy dobrze światła z pojedynczych telefonów. Jeśli jednak każda grupa 50 koncertowiczów połączy światło swoich telefonów w jeden, jaśniejszy reflektor, zobaczymy te 20 reflektorów naprawdę dobrze. Siatkówka – warstwa tkanki, która zawiera pręciki i czopki – działa tak samo, łącząc sygnał z wielu pręcików w pojedynczy, silniejszy sygnał, który wysyła do mózgu. Na koncercie tracimy obraz każdej pojedynczej osoby machającej telefonem; to samo dzieje się w przypadku sumowania przestrzennego: wynikowy obraz jest jaśniejszy, ale i mniej szczegółowy.

Sumowanie czasowe również zwiększa jasność. Pręciki spowalniają aktywność, sumując rejestrowane fotony przez jakieś 100 milisekund. Ten efekt obserwujemy, gdy na nocnym niebie widzimy spadającą gwiazdę. W każdym momencie meteor jest punktem, ale mózg interpretuje widok jako linię, ponieważ sumuje ze sobą te punkty w pewnym przedziale czasu. I znowu mamy do czynienia z kompromisem. Sumowanie takie ułatwia wykrywanie obiektów, ale gdy są w ruchu, ulegają rozmyciu.

W przypadku niektórych owadów sumowania przestrzenne i czasowe zachodzą równolegle. Biolog Anna Stöckl, pracująca obecnie na Julius-Maximilians-Universität Würzburg w Niemczech, mówi, że odbywa się to w komórkach umieszczonych bliżej mózgu. Stöckl, kiedy była jeszcze doktorantką Warranta, ustawiła jastrzębie ćmy przed ekranem komputera i pokazała im przewijające się czarno-białe paski. Następnie każdej ćmie wycięła maleńki otwór z tyłu głowy i wbiła elektrody w jej komórki. Celem było stymulowanie fotoreceptorów przez naprzemiennie zmieniające się paski i porównywanie ich aktywności z innymi komórkami nerwowymi umieszczonego głębiej w mózgu płata wzrokowego. Obszar ten otrzymuje sygnał po każdym przetworzeniu i sumowaniu, tak więc różnice między nieprzetworzonym „wejściem” fotoreceptora a „wyjściem” w płacie wzrokowym wskazują, że mózg zmienił sygnał wizualny.

Porównując wartości wejściowe i wyjściowe Stöckl stwierdziła, że kiedy otoczenie ciem zmieniło się z jasnego na ciemne, rozmiar „piksela” w ich płacie optycznym zwiększył się czterokrotnie, z czego wynika, iż nastąpiło sumowanie przestrzenne. Odkryła ona również, że ćmy stosują sumowanie czasowe, spowalniając widzenie w ciemności poprzez sumowanie danych wejściowych w ciągu 220 milisekund. Dzięki tej kombinacji ćmy jastrzębie dobrze widzą przy świetle 100 razy słabszym niż w przypadku braku sumowania. Stöckl opisała to w artykule z 2016 roku.

„Ten efekt badano tylko u ciem jastrzębich, ale jego zasada jest tak prosta, że trudno sobie wyobrazić, by nie występował powszechnie u innych zwierząt” – twierdzi Warrant.

Naukowcy, którzy badali metody pozbycia się szumu przez myszy i małpy, uważają, że innym sposobem jest jego odfiltrowanie. Ssaki całkiem nieźle radzą sobie w nocy, choć nie aż tak dobrze, jak ćmy. Naukowcy odkryli, że u ssaków na drodze między fotoreceptorami a mózgiem znajdują się co najmniej dwie bramki, które przepuszczają tylko silne sygnały i odrzucają te, które mogłyby być szumem. W połowie drogi stoją strażnicy zwani dwubiegunowymi komórkami pręcików. Okazuje się, że komórki te są tak ustawione, aby przesyłać informację „wykryty foton” tylko wtedy, gdy pręciki wysyłają im znaczący sygnał. Kilka fotonów zarejestrowanych jednocześnie jest sygnałem wystarczająco silnym, ale fotony pojedyncze i większość szumów w układzie już nie. Druga bramka komórkowa leży na tej samej drodze w układzie optycznym, ale głębiej. Bramka ta blokuje błędne sygnały, które zostały przepuszczone przez pierwszą lub pojawiły później. Rezultatem jest obraz niemalże pozbawiony szumów, mówi Petri Ala-Laurila z Uniwersytetu w Helsinkach, jeden z naukowców, którzy odkryli ten proces.

Patrząc w przyszłość

Warrant uważa, że pomimo wielu przeprowadzonych już badań, naukowcy dopiero zaczynają rozumieć, w jaki sposób zwierzęta widzą w ciemności. Nowych wskazówek mogą dostarczyć badania genów i wrażliwych na światło cząsteczek, które mają zwierzęta prowadzące nocny tryb życia. Dla przykładu, niektóre aktywne w nocy lemury mają geny i pigmenty, które powodują, że ich oczy są wrażliwe na kolor niebieski albo zielony. Może to pomagać im o zmierzchu w odróżnianiu niebieskich nasion i zielonych liści. A niektóre nietoperze – które wbrew rozpowszechnionej opinii wcale nie są ślepe – mają również geny związane z widzeniem barw.

Jednakże sam fakt posiadania genów i cząsteczek czułych na kolor nie dowodzi jeszcze, że mózg zwierzęcia wykorzystuje tę informację po zmroku. Dla przykładu, niektóre wrażliwe na światło cząsteczki biorą udział w utrzymywaniu rytmów organizmu, niemających nic wspólnego z widzeniem. Dlatego naukowcy nadal muszą przeprowadzać eksperymenty behawioralne, podobne do tych, które prowadzono na ćmach i żabach, aby stwierdzić, czy cząsteczki te odgrywają rolę w nocnym widzeniu. Takie doświadczenia albo wykażą, że cząsteczki nie są wykorzystywane w ciemności, albo ujawnią takie triki wspomagające widzenie, o jakich naukowcy jeszcze nie pomyśleli.