Pupillien muoto liittyy eläinten paikkaan ekologisessa verkostossa

214 maaeläinlajia koskeva analyysi osoittaa, että otuksen ekologinen markkinarako ennustaa vahvasti pupillien muotoa. Lajit, joiden pupillit ovat pystysuoria rakoja, ovat todennäköisemmin väijytyspetoja, jotka ovat aktiivisia sekä päivällä että yöllä. Sitä vastoin eläimet, joiden pupillit ovat vaakasuoraan pitkulaiset, ovat erittäin todennäköisesti kasveja syöviä saalislajeja, joiden silmät ovat pään sivuilla. Pyöreät pupillit yhdistettiin ”aktiivisiin metsästäjiin” eli eläimiin, jotka jahtaavat saalistaan.

Tutkimus, jota johti UC Berkeleyn optometrian professori, näkötieteilijä Martin Banks yhteistyössä brittiläisen Durhamin yliopiston kanssa, esittelee uuden hypoteesin siitä, miksi pupillit ovat muodoltaan ja suuntautumiseltaan sellaisia kuin ne ovat. Tulokset julkaistiin tänään Science Advances -lehdessä.

Tämänhetkinen tutkimus perustuu edesmenneen Gordon Wallsin, UC Berkeleyn optometrian professorin, vuonna 1942 julkaiseman teoksen The Vertebrate Eye and Its Adaptive Radiation (Selkärankaisten silmä ja sen adaptiivinen säteily) luomaan perustaan. Silmän fysiologiaa käsittelevässä klassikkoteoksessa esitettiin yleisesti hyväksytty teoria, jonka mukaan raonmuotoiset pupillit mahdollistavat erilaisen lihaksiston ja suuremman vaihteluvälin silmään tulevan valon määrässä.

Esimerkiksi kotikissojen ja gekkojen pystysuuntaiset raot muuttuvat pinta-alaltaan 135- ja 300-kertaisiksi supistuneen ja laajentuneen tilan välillä, kun taas ihmisen pyöreät pupillit muuttuvat vain 15-kertaisiksi.

Miksi ei diagonaalisia rakoja?

”Lajeille, jotka ovat aktiivisia sekä yöllä että päivällä, kuten kotikissat, rakopupillit tarjoavat dynaamisen vaihteluvälin, jota tarvitaan, jotta ne näkevät hämärässä valaistuksessa, mutta eivät sokaistu keskipäivän auringosta”, Banks sanoo. ”Tämä hypoteesi ei kuitenkaan selitä, miksi raot ovat joko pystysuorassa tai vaakasuorassa. Miksi emme näe diagonaalisia rakoja? Tämä tutkimus on ensimmäinen yritys selittää, miksi orientaatiolla on merkitystä.”

Laiduntavien saaliseläinten pupillit ovat vaakasuoraan pitkänomaiset ja laajentavat niiden näkökenttää. Niiden silmät pyörivät niin, että pupillit pysyvät samassa linjassa maanpinnan kanssa riippumatta siitä, onko niiden pää pystyssä vai alaspäin. (Kuva: Martin Banks, UC Berkeley)

Tutkijat kääntyivät tietokonemallien puoleen tutkiakseen, miksi vaakasuoraan pidennetyt pupillit, muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta, vastasivat laiduntavia saaliseläimiä, kuten lampaita, peuroja ja hevosia, ja tutkivat erilaisten pupillien muotojen vaikutuksia.

Havaitsivat, että vaakasuorat pupillit laajensivat tehokasta näkökenttää. Vaakasuoraan venytettynä pupillit ovat linjassa maanpinnan kanssa, jolloin ne saavat enemmän valoa sisään edestä, takaa ja sivuilta. Suuntaus auttaa myös rajoittamaan auringon yläpuolelta tulevan häikäisevän valon määrää, joten eläin näkee paremmin maanpinnan, tutkijat sanoivat.

”Näiden eläinten ensimmäinen keskeinen näkövaatimus on havaita lähestyvät saalistajat, jotka tulevat yleensä maanpinnan takaa, joten niiden on nähtävä panoraamanäköisesti maanpinnalla mahdollisimman pienillä sokeilla pisteillä”, sanoi Banks. ”Toinen kriittinen vaatimus on, että kun ne havaitsevat saalistajan, niiden on nähtävä, minne ne juoksevat. Niiden on nähtävä tarpeeksi hyvin silmäkulmasta, jotta ne voivat juosta nopeasti ja hypätä asioiden yli.”

Mutta mitä tapahtuu tälle orientaatiolle, kun eläin laskee päänsä alas laiduntaakseen? Jos pupilli seuraa pään kaltevuutta, niistä tulisi pystysuuntaisempia ja teoria horjuu.

”Tarkistaakseni tämän vietin tuntikausia Oaklandin eläintarhassa, usein koululaisten ympäröimänä luokkaretkillä, havainnoidakseni eri eläimiä”, Banks sanoo. ”Totta kai, kun vuohet, antiloopit ja muut laiduntavat saaliseläimet laskivat päänsä alas syömään, niiden silmät kääntyivät, jotta pupillit pysyisivät vaakasuorassa linjassa maanpinnan kanssa.”

Atlantin toisella puolella tutkimuksen toinen kirjoittaja, Durhamin yliopiston fysiikan professori Gordon Love havaitsi saman mallin havainnoidessaan lampaita ja hevosia läheisillä maatiloilla. Laiduntavien eläinten silmät voivat kääntyä 50 astetta tai enemmän kummassakin silmässä, mikä on 10 kertaa suurempi vaihteluväli kuin ihmisen silmien, tutkijat kertoivat.

Miten väijytyspetoeläimet keskittyvät saalista napatessaan

Vertikaaliset pupillit liittyvät hyvin todennäköisesti väijytyspetoihin, jotka ovat aktiivisia päivällä ja yöllä. ()

Tekijät totesivat, että pystysuuntaisten pupillien omaavilla väijytyspetoeläimillä on tärkeää arvioida tarkasti etäisyys, jonka eläimet tarvitsisivat hyökätäkseen saaliinsa kimppuun. Tutkijat tunnistivat kolme vihjettä, joita yleensä käytetään etäisyyden arvioimiseen: stereopsis eli binokulaarinen dispariteetti, liikeparallaksi, jossa lähempänä olevat kohteet liikkuvat kauempana ja nopeammin näkökentässämme, ja epätarkkuus, jossa eri etäisyyksillä olevat kohteet ovat epätarkkoja.

Tutkijat sulkivat liikeparallaksin pois tekijänä, koska sen käyttäminen edellyttäisi pään liikettä, joka saattaisi paljastaa saalistajan sijainnin. Jäljelle jäävät kaksi vihjettä, binokulaarinen dispariteetti ja epätarkkuus, toimivat yhdessä pystysuoraan pidentyneiden pupillien ja eteen päin suunnattujen silmien kanssa, tutkijat sanoivat.

Binokulaarinen näkö toimii paremmin erojen arvioinnissa, kun ääriviivat ovat pystysuoria ja kohteet kaukana, kun taas epätarkkuus tulee mukaan vaakasuuntaisten ääriviivojen ja lähikenttäkohteiden osalta. Pystysuorat viiltopupillit maksimoivat molemmat vihjeet, tutkijat sanoivat.

Pystysuorat pupillit eivät kuitenkaan ole tasaisesti jakautuneet väijytyspetojen kesken.

”Yllättävä asia, jonka huomasimme tässä tutkimuksessa, on se, että viiltopupillit liittyivät petoeläimiin, jotka olivat lähellä maanpintaa”, sanoi Banksin laboratoriossa työskentelevä tohtorin jälkeinen tutkija William Sprague. ”Kotikissoilla on siis pystysuorat raot, mutta isommilla kissoilla, kuten tiikereillä ja leijonilla, ei ole. Niiden pupillit ovat pyöreät, kuten ihmisillä ja koirilla.”

Tutkimuksessa mukana olleista 65:stä etusilmäisestä väijytyspetoeläimestä 44:llä oli pystysuorat pupillit, ja 36:lla niistä olkapään korkeus oli alle 42 senttimetriä (16,5 tuumaa). Pystysuorat pupillit näyttävät maksimoivan pienten eläinten kyvyn arvioida saaliin etäisyyksiä.

Tekijät selittivät tämän laskemalla, että sumeuteen perustuvat syväterävyysvihjeet ovat lyhyille eläimille tehokkaampia etäisyyksien arvioinnissa kuin pitkille eläimille.

”Opimme koko ajan, kuinka merkittävä silmä ja näkökyky ovat”, sanoi Love. ”Tämä työ on jälleen yksi pala palapelissä, joka auttaa ymmärtämään, miten silmät toimivat.”

Tekijät totesivat, että tämä tutkimus keskittyi maalla eläviin lajeihin. He odottavat tutkivansa tulevissa tutkimuksissaan vesi-, ilma- ja arboreaalisen elämän yhteyksiä silmien asentoon ja pupillin muotoon.

Tutkimuksen muita kirjoittajia ovat Jürgen Schmoll ja Jared Parnell Durhamin yliopistosta.

National Institutes of Health ja Engineering and Physical Sciences Research Council auttoivat tukemaan tätä tutkimusta.

National Institutes of Health ja Engineering and Physical Sciences Research Council auttoivat tukemaan tätä tutkimusta.