Πώς μερικά ζώα βλέπουν στο σχεδόν απόλυτο σκοτάδι

Για πολλά χρόνια οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι τα περισσότερα ζώα πρέπει να βλέπουν την ίδια αμυδρή, άχρωμη όψη του κόσμου τη νύχτα, όπως αυτή που βλέπουν οι άνθρωποι. Θεωρούσαν ότι τα νυχτόβια ζώα βασίζονταν σε άλλες αισθήσεις, όπως η οσμή και η ακοή. Σήμερα, ένα κύμα σχετικών ερευνών σαρώνει αυτές τις εικασίες και διαπιστώνεται ότι μεγάλη ποικιλία ειδών βλέπει απρόσμενα καλά μέσα στη νύχτα.
Ορισμένοι σκόροι, βάτραχοι και σαλαμάνδρες μπορούν να διακρίνουν χρώματα μέσα στο σκοτάδι, όταν οι ίδιοι οι άνθρωποι ερευνητές δεν μπορούν να διακρίνουν τίποτα περισσότερο από κάποιες αποχρώσεις του γκρι. Η μεγαλύτερη ευαισθησία στις χρωματικές διαφορές τούς δίνει πλεονέκτημα, καθώς το χρώμα είναι πολύ πιο αξιόπιστος τρόπος, για να διακρίνει κανείς τα αντικείμενα, είτε στο λαμπρό, είτε στο αμυδρό φως, συγκριτικά με μη χρωματικούς παράγοντες, όπως η φωτεινότητα - σκίαση. Στα νυχτόβια ζώα επιτρέπει να βρουν την τροφή, τις φωλιές ή τα ταίρια τους μέσα στο σκοτάδι.
Τα μάτια των ανθρώπων, όπως και των περισσότερων σπονδυλωτών, αλλά και των ασπονδύλων, διαθέτουν κύτταρα που λειτουργούν ως φωτοϋποδοχείς, ανιχνεύοντας το φως που έρχεται απέξω. Τη μέρα χρησιμοποιούμε κυρίως το είδος κυττάρων που ονομάζονται κωνία και στέλνουν σήματα προς τον εγκέφαλο όταν πέσουν πάνω τους φωτόνια κόκκινου, πράσινου ή μπλε φωτός, προσφέροντας στον άνθρωπο εξαιρετική έγχρωμη όραση. Σε χαμηλό φωτισμό παύουν να λειτουργούν αποτελεσματικά, οπότε η ανθρώπινη όραση στηρίζεται κυρίως στα ραβδία, είδος κυττάρων - φωτοϋποδοχέων που είναι πιο ευαίσθητα, επειδή λειτουργούν σε ομάδες, αθροίζοντας τις φωτεινές πληροφορίες που προσφέρουν τα λιγοστά φωτόνια. Τα ραβδία μπορούν όμως να παράγουν εικόνες μόνο στις αποχρώσεις του γκρι.

Αστρα

Ερευνητές, κάνοντας πειράματα με ένα είδος σκόρου, διαπίστωσαν ότι σε συνθήκες φωτισμού, που ξεκινούν από σούρουπο και φτάνουν μέχρι το φως που προσφέρουν τα άστρα τη νύχτα, τα έντομα συνέχιζαν να μπορούν να διακρίνουν ανάμεσα σε ένα μπλε και σε ένα κίτρινο λουλούδι. Αλλοι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι είδος μελισσών ακόμη και σε συνθήκες ελάχιστου φωτισμού, μπορούσαν να διακρίνουν τη φωλιά τους που οι ερευνητές είχαν σημαδέψει με κάρτα που είχε ασπρόμαυρες ρίγες, από τις φωλιές άλλων μελισσών που ήταν σημαδεμένες με κάρτες που είχαν συμπαγές γκρι χρώμα. Οταν κατά την απουσία της μέλισσας άλλαζαν τις κάρτες, η μέλισσα γύριζε στη φωλιά που είχε τώρα τη ριγέ κάρτα, νομίζοντας ότι ήταν η δική της. Το φως ήταν τόσο λίγο, που αν οι ερευνητές δεν φορούσαν γυαλιά νυχτερινής όρασης, θα έπεφταν πάνω στα δέντρα, όπου βρίσκονταν οι φωλιές των μελισσών!
Αλλά και οι κοινοί βάτραχοι της Ευρώπης, που επιδεικνύουν φωτοταξία (πηδούν προς το φως), διατηρούν αυτό το χαρακτηριστικό και σε συνθήκες σχεδόν πλήρους σκοταδιού. Οι βάτραχοι αυτοί διαθέτουν ραβδία ευαίσθητα είτε στο μπλε, είτε στο πράσινο φως. Οταν τοποθετούνταν σε πλήρες σκοτάδι, πηδούσαν τυχαία προς τα δω ή προς τα κει. Οταν όμως υπήρχε έστω και ελάχιστο φως (τόσο που οι πειραματιστές δεν έβλεπαν απολύτως τίποτα) οι βάτραχοι πηδούσαν προς αυτό και μάλιστα έδειχναν προτίμηση προς το πράσινο φως. Για την προτίμηση αυτή δεν υπάρχει ακόμη επιβεβαιωμένη εξήγηση. Οι επιστήμονες πιθανολογούν ότι οφείλεται στο γεγονός ότι τη νύχτα οι βάτραχοι χρησιμοποιούν φως προερχόμενο από τα άστρα, του οποίου οι πράσινες αποχρώσεις, που έχουν μεγαλύτερο μήκος κύματος, διαθλώνται λιγότερο στην ατμόσφαιρα από τις γαλάζιες και φτάνουν ως τα μάτια τους, με αποτέλεσμα οι βάτραχοι να ταυτίζουν το πρασινωπό φως με τον ανοιχτό χώρο, έξω από τον λάκκο (ή τον κουβά του πειράματος) στον οποίο βρίσκονται.

Πλοήγηση

Αν οι βάτραχοι ακολουθούν τα άστρα, δεν είναι πάντως τα μόνα ζώα που το κάνουν. Τα σκαθάρια της κοπριάς κινούνται σε ευθεία γραμμή τις νύχτες που δεν έχει φεγγάρι, όταν το μόνο διαθέσιμο φως προέρχεται από τα άστρα. Η ευθεία πορεία είναι καλή στρατηγική για να φτάσουν πιο γρήγορα μακριά από τα άλλα σκαθάρια και να απολαύσουν το ...απόκτημά τους, αφού το θάψουν στο χώμα. Σε πειράματα που έγιναν στο φυσικό τους χώρο διαπιστώθηκε ότι όταν τους φορέθηκαν παρωπίδες έκαναν πολύ πιο καμπύλες διαδρομές, αποδεικνύοντας πως κάτι σημαντικό βλέπουν στον ουρανό. Σε νέα πειράματα μέσα σε πλανητάριο διαπιστώθηκε ότι προχωρούσαν ευθεία είτε εμφανιζόταν ο πλήρης έναστρος ουρανός, είτε μόνο ο γαλαξίας. Αν φαίνονταν τα άστρα, αλλά όχι ο γαλαξίας, έκαναν περισσότερη ώρα για να φτάσουν στο άκρο της κυκλικής πειραματικής διάταξης.
Ανεξάντλητα περίεργος, ο βιολόγος Τζ. Φόστερ προσπάθησε να καταλάβει τι σημάδια μπορεί να δίνει η όψη του γαλαξία στα σκαθάρια. Μελέτησε φωτογραφίες του γαλαξία και διαπίστωσε ότι ανάμεσα στο βόρειο και το νότιο άκρο του υπάρχει διαφορά φωτεινότητας 13%. Τότε δοκίμασε με μια λωρίδα από λαμπάκια led τοποθετημένα σε αψίδα πάνω από την πειραματική διάταξη με τα σκαθάρια και διαπίστωσε ότι πήγαιναν σε απόλυτη ευθεία μόνο όταν η διαφορά φωτεινότητας των δύο άκρων της λωρίδας ήταν ακριβώς 13%, ενώ παρέπαιαν αν ήταν μικρότερη. Τα σκαθάρια βέβαια ούτε πλοηγοί ήταν, ούτε ήξεραν τίποτα περί γαλαξία (ούτε μπορούν να έχουν καν αντίληψη του εαυτού τους σε διάκριση με το περιβάλλον). Είχαν εξελικτικά αποκτήσει έναν αυτοματισμό στη συμπεριφορά τους, με βάση αυτό το γραμμικό φωτεινό ερέθισμα στον ουρανό (τον γαλαξία).

Θόρυβος

Πέρα από κάποια έντομα και βατράχους, πολλά άλλα ζώα εμφανίζουν καταπληκτική όραση στο μισοσκόταδο, ανάμεσά τους οι κατσαρίδες, οι σουπιές, οι νυχτόβιες μαϊμούδες. Τα μεγαλύτερα μάτια συλλέγουν περισσότερο φως, αλλά δεν μπορούν να συλλέξουν αρκετά φωτόνια για να εξηγήσουν την ευαισθησία της νυχτερινής όρασης αυτών των ζώων που έχει καταγραφεί από τους επιστήμονες. Αλλες οπτικές επεξεργασίες πρέπει να συμβαίνουν μετά την απορρόφηση των φωτονίων από τα ραβδία. Ειδικότερα, τα ζώα αυτά πρέπει να μπορούν να φιλτράρουν τον οπτικό θόρυβο που δημιουργείται από την ίδια τη δραστηριότητα των φωτοϋποδοχέων, ο οποίος δεν αποκαλύπτει τίποτα χρήσιμο για τον πραγματικό κόσμο.
Ο θόρυβος στο οπτικό σύστημα προέρχεται από διάφορες πηγές. Μία είναι ο λεγόμενος θόρυβος των βολών φωτονίων, που είναι τόσο μεγαλύτερος όσο λιγότερα είναι τα προσπίπτοντα φωτόνια στη μονάδα του χρόνου, καθώς οι διακυμάνσεις στην περίπτωση αυτή είναι μεγαλύτερες (μέσος όρος 20 φωτονίων σε κάποιο σημείο ανά μισό λεπτό σημαίνει ότι μπορούν να υπάρχουν διαστήματα δευτερολέπτων που θα φτάσουν ένα - δυο φωτόνια και άλλα διαστήματα που θα φτάσουν 25-30 ή και περισσότερα). Ως αποτέλεσμα το σήμα και η παραγόμενη εικόνα είναι λιγότερο αξιόπιστα.
Δεύτερη πηγή θορύβου είναι οι μοριακές αλληλεπιδράσεις μέσα στους ίδιους τους φωτοϋποδοχείς. Τα ραβδία ανιχνεύουν το φως όταν ένα φωτόνιο χτυπήσει ένα μόριο ροδοψίνης και το ενεργοποιήσει. Ομως κατά διαστήματα, μέχρι και μια φορά κάθε λεπτό, ένα μόριο ροδοψίνης μπορεί να ενεργοποιηθεί από άλλους παράγοντες, που σχετίζονται με τη χημεία του κυττάρου. Αυτός είναι ο λεγόμενος σκοτεινός θόρυβος, γιατί εμφανίζεται ακόμη και στο μαύρο σκοτάδι με τα μάτια κλειστά. Μια τρίτη πηγή θορύβου είναι ο θόρυβος μετατροπέα, που είναι αποτέλεσμα διακυμάνσεων στον χρονισμό και την ένταση της απόκρισης του οπτικού συστήματος σε ένα πραγματικό μεμονωμένο φωτόνιο.

Ενίσχυση

Ο οπτικός θόρυβος δεν είναι σοβαρό πρόβλημα σε συνθήκες έντονου φωτισμού, καθώς η τεράστια πληθώρα φωτονίων που πέφτει στο μάτι εξαλείφει τις ελαφρές διακυμάνσεις του θορύβου. Στο σκοτάδι, όμως, τα νυχτόβια ζώα πρέπει να έχουν κάποιον μηχανισμό που να ενισχύει το φωτεινό σήμα, έτσι που να υποβαθμίζεται ο θόρυβος. Το πετυχαίνουν αθροίζοντας τα φωτεινά σήματα που δέχονται από μεμονωμένους φωτοϋποδοχείς τόσο στο χώρο, όσο και στο χρόνο (βλ. διάγραμμα).
Η χωρική άθροιση λειτουργεί με έναν τρόπο που μπορούμε να καταλάβουμε καλύτερα αν φανταστούμε μια συναυλία που παρακολουθούν 1.000 άνθρωποι κινώντας ρυθμικά τις φωτισμένες οθόνες των κινητών τους τηλεφώνων. Το φως της κάθε οθόνης δεν διακρίνεται πολύ καλά από μακριά. Αν συγκεντρώνονταν κατά πενηντάδες αυτοί που παρακολουθούν τη συναυλία, τότε τα 20 φωτεινά σημεία που θα δημιουργούνταν θα φαίνονταν το καθένα πολύ καλύτερα, όμως θα ήταν πιο δύσκολο να διακρίνει κανείς το κάθε μεμονωμένο κινητό τηλέφωνο. Ετσι και η εικόνα που δημιουργείται στο μάτι είναι μεν φωτεινότερη, αλλά χαμηλότερης ανάλυσης (πιο κοκκώδης).
Και η χρονική άθροιση αυξάνει τη φωτεινότητα. Τα ραβδία επιβραδύνουν την αντίδρασή τους, αθροίζοντας το ερέθισμα και των επόμενων φωτονίων που θα πέσουν σε αυτά π.χ. στα επόμενα 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Αυτό, για παράδειγμα, το βιώνουμε όταν παρατηρούμε κάποιον διάττοντα αστέρα στο νυχτερινό ουρανό. Ο διάττοντας είναι σε κάθε χρονική στιγμή ένα φωτεινό σημείο, αλλά ο εγκέφαλός μας ερμηνεύει το σήμα που βλέπουμε ως φωτεινή γραμμή, καθώς δεν προλαβαίνει να εξαλειφθεί η διέγερση που προκλήθηκε από την προηγούμενη θέση του καιόμενου μετεώρου και «κολλάει» δίπλα της η επόμενη θέση του στον ουρανό. Η χρονική άθροιση διευκολύνει την ανίχνευση των αντικειμένων, αλλά τα κάνει να φαίνονται πιο θολά όταν κινούνται.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»