В безлунную ночь уровень освещенности может быть в 100 миллионов раз ниже, чем при ярком дневном свете. И если мы практически слепы и совершенно беспомощны в темноте, кошки вполне успешно выслеживают добычу, а бабочки проворно порхают между цветами на наших балконах. Пока мы спим, миллионы других животных полагаются на свои зрительные системы, чтобы выживать. То же самое можно сказать о животных, обитающих в вечной темноте глубокого моря. Более того, подавляющее большинство животных в мире в основном активно при тусклом свете. Как им удается пользоваться такими мощными зрительными характеристиками, особенно насекомым, с их крошечными глазами и мозгами меньше рисового зернышка? Какие оптические и нейронные стратегии они развили, чтобы хорошо видеть при тусклом свете?
Чтобы ответить на эти вопросы, давайте обратим внимание на ночных насекомых. Несмотря на их миниатюрные зрительные системы, ночные насекомые прекрасно видят в тусклом свете. В последние годы мы обнаружили, что ночные насекомые могут избегать и фиксироваться на препятствиях во время полета, различать цвета, обнаруживать слабые движения, изучать визуальные ориентиры и использовать их для самонаведения. Они могут даже ориентироваться, используя слабую картину звездной поляризации, которую создает Луна, и перемещаться, используя созвездия звезд на небе.
Во многих случаях эта визуальная производительность кажется совершенно нарушающей то, что физически возможно. Например, ночная центральноамериканская пчела Megalopta genalis поглощает всего пять фотонов своими крошечными глазами, когда уровни света находятся на предельно низком уровне — совершенно неуловимый визуальный сигнал. И тем не менее в глубокой ночи она может перемещаться по густому и запутанному тропическому лесу во время нагула и безопасно возвращаться в свое гнездо — незаметную выдолбленную палку, подвешенную в подлеске.
Чтобы узнать, как вообще такое возможно, ученые начали изучать бражников. Эти прекрасные насекомые — колибри беспозвоночного мира — представлены изящными, быстро летающими бабочками, которые постоянно ищут цветы с нектаром. Как только цветок найден, моль парит перед ним, высасывая нектар с помощью хоботка, ротовидной трубки.
Ночной европейский бражник Deilephila elpenor — это прекрасное существо, прячущееся в пернатых розовых и зеленых чешуйках, собирающее нектар в глубокой ночи. Несколько лет назад ученые обнаружили, что эта бабочка может различать цвета ночью, первое ночное животное, этим известное.
Недавно эта бабочка раскрыла еще одну из своих тайн: нейронные трюки, которые она использует, чтобы хорошо видеть при очень тусклом свете. Эти трюки, конечно, используются и другими ночными насекомыми, такими как Megalopta. Изучив физиологию нервных цепей в зрительных центрах , ученые обнаружили, что Deilephila может хорошо видеть в тусклом свете, эффективно складывая фотоны, которые собирает в разных точках пространства и времени.
Это немного похоже на увеличение выдержки на камере при слабом освещении. Если позволить затвору оставаться открытым дольше, больше света достигнет датчика изображения и получит более яркое изображение. Недостатком является то, что все, что движется быстро — как проезжающий автомобиль, — не получит разрешения, поэтому насекомое его не увидит.
Нейронное суммирование
Чтобы комбинировать фотоны в пространстве, отдельные пиксели датчика изображения можно объединить в пул, создав меньшие, но большие числом «суперпиксели». Опять же, недостатком этой стратегии будет то, что даже при высокой яркости изображения оно будет размытым и лишенным четких деталей. Но для ночного животного, которое пытается жить в темноте, возможность видеть яркий, но лишенный деталей и медленный мир, будет лучше, чем не видеть вообще ничего (а это единственная альтернатива).
Физиологи показали, что нейронное суммирование фотонов во времени и пространстве чрезвычайно полезно для ночной деилефилы. При любой интенсивности ночного света, от сумерек до звезд, суммирование существенно повышает способность деилефилы хорошо видеть при тусклом свете. Фактически, благодаря этим нервным механизмам, деилефила может видеть при в 100 раз более тусклом свете, чем в противном случае. Преимущества суммирования настолько велики, что другие ночные насекомые тоже, очень вероятно, полагаются на него, чтобы хорошо видеть в ночи.
Мир, наблюдаемый ночными насекомыми, может быть не таким острым или хорошо разрешенным, как тот, что видят их активные дневные родственники. Но суммирование гарантирует, что он будет достаточно ярким, чтобы можно было перехватить добычу, долететь до гнезда и избежать препятствия. Без этой способности они были бы столь же слепыми, как и все мы.
