27.06.2015

В темноте мотыльки замедляют скорость зрительного восприятия

Ночным животным, в том числе насекомым, приходится приспосабливаться к условиям слабой освещенности, ведь иначе в темноте трудно найти добычу или, наоборот, легко стать ей, не заметив вовремя угрозу. Один из способов лучше видеть в темноте - это увеличить «выдержку» фоторецепторов. Правда, при этом падает скорость восприятия. Американские ученые показали, что у бражника Manduca sexta скорость восприятия в темноте уменьшается ровно настолько, чтобы он успевал следовать за качающимися на ветру цветами.

В условиях дикой природы разница в освещенности за сутки может состалять до десяти миллиардов раз. Живые существа должны уметь подстраивать свою зрительную систему под такие разные условия. Особенно интересны адаптации к условиям слабой освещенности.

Что делать, если света мало, но информации из него нужно извлечь как можно больше? Во-первых, животные используют разные оптические ухищрения, чтобы эффективнее улавливать фотоны. Те, у кого есть зрачки, могут расширять их, чтобы в глаз попадало больше света. Кстати, псевдозрачки встречаются даже у некоторых насекомых («псевдо» - потому что он один на множество простых глазков, составляющих фасеточный глаз). Животные со сложными фасеточными глазами способны увеличивать диаметр отдельных глазков, чтобы туда попадало больше света, а также уменьшать их длину, чтобы фотону не приходилось проделывать слишком длинный путь до попадания на чувствительный пигмент. Подобные оптические ухищрения могут менять светочувствительность в тысячи раз, но это число слишком далеко от десяти миллиардов раз суточной вариабельности.

Адаптации могут происходить и на клеточном уровне - за счет увеличения количества пигмента. Но такие модификации изменяют светочувствительность примерно на порядок. Всех этих эффектов все равно недостаточно, чтобы приспособиться к широкому диапазону природных изменений освещения.

В 90-е годы ученые предположили, что в условиях недостатка освещения животные могут использовать еще один тип механизмов - суммирование сигналов на уровне нейронов. Такое суммирование сигналов при недостатке освещенности может происходить в пространстве и во времени. В первом случае животное складывает редкие сигналы, приходящие от соседних рецепторов света. Это уменьшает разрешение глаза, но позволяет увидеть в сумерках или даже темноте хотя бы что-то. Во втором - животное увеличивает «выдержку», чтобы получить картинку удовлетворительного качества. Фоторецепторы при этом замедляют скорость ответа на возбуждение от попадающих на них фотонов. Недавно такой механизм, изначально предложенный теоретически, был найден у шмелей (T. Reber et al., 2015. Effect of light intensity on flight control and temporal properties of photoreceptors in bumblebees).

Суммирование по времени уменьшает скорость восприятия животного, так что ему нужно подобрать правильный баланс параметров обработки сигналов - чтобы получать достаточно хорошую картинку, но не слишком медленно. Американские ученые недавно обнаружили красивый пример такой настройки зрения у ночных мотыльков - бражников Manduca sexta (рис. 1).

Бражники вылетают на поиски пищи - цветочного нектара - почти в полной темноте. Они пьют нектар на лету, оставаясь неподвижными относительно качающегося на ветру цветка. Получается, что мотылек и видит в темноте достаточно хорошо, и достаточно быстро реагирует на движения цветка, чтобы не отставать от него и пить нектар.

Исследователи решили узнать, насколько точность полета бражника зависит от освещения и частоты колебаний цветов. Для этого были сконструированы цветы-роботы, которые могли колебаться с заданной частотой. В «венчик» такого цветка-робота был встроен сосуд, из которого мотылек мог пить, как из настоящего цветка. Эксперимент проводили при двух уровнях освещенности - 300 и 0,3 люкс, что соответствует ранним сумеркам и ночи, освещаемой четвертью луны. Мотыльки свободно летали, стараясь удержаться рядом с цветами, чтобы выпить из них сладкий раствор (рис. 2). Полет мотыльков записывали на камеры с двух ракурсов со скоростью съемки 100 кадров в секунду. Исследователи оценивали, насколько хорошо траектория мотылька совпадает с траекторией движения искусственного цветка при разных условиях.

Оказалось, что при частоте колебаний цветов меньше двух герц (то есть меньше двух колебаний в секунду) бражники очень аккуратно следуют за цветком независимо от условий освещения. Но при более активных колебаниях траектории цветка и мотылька резко начинали расходиться (рис. 3.). Начиная с той же частоты в 2 герца для мотыльков становилась важна освещенность - при «ночном» освещении они еще хуже успевали за цветком-роботом, чем при «вечернем». Это заставляло предположить, что мотыльки при слабом освещении уменьшают «выдержку» своих фоторецепторов, и из-за этого их восприятие замедляется. Если цветы колеблются с частотой больше двух герц, ночная скорость восприятия мотыльков становится уже низковатой, а их полет - ощутимо менее точным. В среднем, по подсчетам ученых, скорость восприятия бражников при «ночном» освещении упала на 17% по сравнению с «ранними сумерками».

Получив такие лабораторные данные, ученые выехали на природу и записали на видео естественные колебания опыляемых бражником цветов под действием ветра. К удовольствию исследователей, частота колебания подавляющего большинства цветов как раз укладывалась в диапазон до двух герц, найденный экспериментально. Получается, что бражник в темноте замедляет свою скорость восприятия как раз настолько, чтобы успевать за естественными движениями своих любимых цветов. Если бы цветы колебались чуть быстрее, бражник уже не мог бы позволить себе увеличить «выдержку», чтобы хорошо видеть цветок в темноте и при этом успевать за ним.

Важность этой работы не только в изучении адаптивного механизма бражников. Она дает еще один пример того, как под действием внешних факторов - в данном случае это естественная частота колебания цветков - работает направленный отбор, в результате которого животное тонко подстраивает свои органы чувств, чтобы максимально эффективно добывать пропитание.

Источник: S. Sponberg, J. P. Dyhr, R. W. Hall, & T. L. Daniel. Luminance-dependent visual processing enables moth flight in low light // Science. V. 348. P. 1245–1248.

Юлия Кондратенко

Источники:

1. elementy.ru