A pupilla alakja összefügg az állatok helyével az ökológiai hálóban

Míg a szem ablak lehet az ember lelkére, a Berkeley Egyetem tudósai által vezetett új kutatás szerint a pupilla azt is elárulhatja, hogy valaki vadászik-e vagy vadászik.

A szárazföldi állatok 214 fajának elemzése azt mutatja, hogy egy élőlény ökológiai rése erősen előrejelzi a pupilla alakját. A függőlegesen hasított pupillájú fajok nagyobb valószínűséggel lesből támadó ragadozók, amelyek nappal és éjszaka is aktívak. Ezzel szemben a vízszintesen megnyúlt pupillájúak nagy valószínűséggel növényevő zsákmányállatok, amelyek szemei a fejük oldalán helyezkednek el. A körkörös pupillákat az “aktív gyűjtögetőkkel”, vagyis a zsákmányukat üldöző állatokkal hozták összefüggésbe.

A tanulmány, amelyet Martin Banks látáskutató, a UC Berkeley optometriaprofesszora vezetett az Egyesült Királyság Durham Egyetemével együttműködve, új hipotézist mutat be arra vonatkozóan, hogy miért olyan a pupillák alakja és tájolása, amilyen. Az eredményeket ma tették közzé a Science Advances című folyóiratban.

A mostani kutatás a néhai Gordon Walls, a Berkeley Egyetem optometriaprofesszora által 1942-ben megjelentetett The Vertebrate Eye and Its Adaptive Radiation (A gerincesek szeme és annak adaptív sugárzása) című könyv alapjára épül. A szem fiziológiájáról szóló klasszikus szöveg azt az általánosan elfogadott elméletet fogalmazta meg, hogy a rés alakú pupillák eltérő izomzatot és a szembe jutó fény mennyiségének nagyobb tartományát teszik lehetővé.

A házimacskák és a gekkók függőleges réseinek területe például 135 és 300-szoros változáson megy keresztül a szűkített és a tágított állapot között, míg az emberek körkörös pupillái csupán 15-szörös változáson mennek keresztül.

Miért nem az átlós rések?

“Az olyan fajok esetében, amelyek éjjel és nappal is aktívak, mint például a házimacskák, a réspupillák biztosítják a szükséges dinamikai tartományt, amely segít nekik a félhomályban való látásban, ugyanakkor nem vakítja el őket a déli nap” – mondta Banks. “Ez a hipotézis azonban nem magyarázza meg, hogy a réspillák miért függőlegesek vagy vízszintesek. Miért nem látunk átlós réspillákat? Ez a tanulmány az első kísérlet arra, hogy megmagyarázzuk, miért számít a tájolás.”

A legelésző zsákmányállatoknak vízszintesen megnyúlt pupillái vannak, amelyek kitágítják a látómezőjüket. A szemük úgy forog, hogy a pupillák a talajhoz igazodnak, függetlenül attól, hogy a fejük egyenesen áll vagy lefelé dől. (Fotó: Martin Banks, UC Berkeley)

Azért, hogy megmagyarázzák, miért felelnek meg a vízszintesen megnyúlt pupillák – kevés kivételtől eltekintve – a legelésző zsákmányállatoknak, például a juhoknak, szarvasoknak és lovaknak, a kutatók számítógépes modellekhez fordultak, hogy tanulmányozzák a különböző pupillaformák hatásait.

Megállapították, hogy a vízszintes pupillák kitágítják a hatékony látómezőt. Vízszintesen megnyújtva a pupillák a talajhoz igazodnak, így több fény jut be elölről, hátulról és oldalról. A tájolás segít abban is, hogy a fentről érkező vakító fény mennyisége korlátozódjon, így az állat jobban látja a talajt, mondták a kutatók.

“Ezeknek az állatoknak az első legfontosabb vizuális követelménye a közeledő ragadozók észlelése, amelyek általában a talaj felől érkeznek, ezért a talajon panorámaszerűen kell látniuk, minimális vakfoltokkal” – mondta Banks. “A második kritikus követelmény az, hogy amint észlelnek egy ragadozót, látniuk kell, hová futnak. Elég jól kell látniuk a szemük sarkából ahhoz, hogy gyorsan fussanak és átugorjanak dolgokat.”

De mi történik ezzel a tájékozódással, amikor az állat lehajtja a fejét, hogy legeljen? Ha a pupilla követné a fej dőlését, akkor függőlegesebbé válnának, és az elmélet megbicsaklik.”

“Hogy ennek utánajárjak, órákat töltöttem az oaklandi állatkertben, gyakran iskolásoktól körülvéve tanulmányi kirándulásokon, hogy megfigyeljem a különböző állatokat” – mondta Banks. “Bizony, amikor a kecskék, antilopok és más legelésző zsákmányállatok lehajtották a fejüket evéshez, a szemük elfordult, hogy a pupillák vízszintes vonalban maradjanak a talajjal.”

Az Atlanti-óceán másik oldalán a tanulmány társszerzője, Gordon Love, a Durham Egyetem fizikaprofesszora ugyanezt a mintát találta, amikor a közeli farmokon juhokat és lovakat figyelt meg. A legelésző állatok szemei mindkét szemükben 50 fokot vagy annál is többet foroghatnak, ami tízszer nagyobb tartomány, mint az emberi szemeké, mondták a kutatók.

How ambush predators focus when catching prey

A függőleges pupillák nagy valószínűséggel a nappal és éjszaka aktív lesben álló ragadozókkal hozhatók összefüggésbe. ()

A függőleges résű pupillákkal rendelkező lesből támadó ragadozók esetében a szerzők megjegyezték annak fontosságát, hogy pontosan fel tudják mérni azt a távolságot, amelyre az állatoknak szükségük van ahhoz, hogy lecsapjanak a zsákmányukra. A kutatók három olyan jelet azonosítottak, amelyeket általában a távolság felmérésére használnak: a sztereopszist, vagyis a binokuláris diszparitást; a mozgásparallaxist, amelyben a közelebbi tárgyak távolabb és gyorsabban mozognak a látómezőnkben; és az elmosódást, amelyben a különböző távolságban lévő tárgyak nem fókuszálnak.

A kutatók kizárták a mozgásparallaxist mint tényezőt, mivel ennek a jelnek a használata fejmozgást igényelne, amely felfedhetné a ragadozó helyzetét. A fennmaradó két jel, a binokuláris diszparitás és az elmosódás együttesen működik a függőlegesen megnyúlt pupillákkal és az elülső szemekkel, mondták a kutatók.

A binokuláris látás jobban működik a különbségek megítélésében, amikor a kontúrok függőlegesek és a tárgyak távol vannak, míg az elmosódás a vízszintes kontúrok és a közeli célpontok esetében jön szóba. A függőleges réses pupillák mindkét jelzést maximalizálják, mondták a kutatók.

A függőleges réses pupillák azonban nem egyenlően oszlanak el a lesből támadó ragadozók között.

“Egy meglepő dolog, amit ebben a tanulmányban észrevettünk, hogy a réses pupillák olyan ragadozókhoz kapcsolódtak, amelyek közel voltak a talajhoz” – mondta William Sprague, Banks laboratóriumának posztdoktori kutatója. “Tehát a házimacskáknak függőleges réspillái vannak, de a nagyobb macskáknak, például a tigriseknek és az oroszlánoknak nem. Az ő pupillájuk kerek, mint az embereké és a kutyáké.”

A vizsgálatban szereplő 65 frontális szemű, lesből támadó ragadozó közül 44-nek volt függőleges pupillája, és közülük 36-nak a vállmagassága 42 centiméternél (16,5 hüvelyknél) kisebb volt. Úgy tűnik, hogy a függőleges pupillák maximalizálják a kis állatok képességét a zsákmány távolságának megítélésére.

A szerzők ezt azzal magyarázták, hogy az elmosódáson alapuló mélységélességjelzések hatékonyabbak a távolságok becslésében az alacsony állatok esetében, mint a magasaknál.

“Folyamatosan tanuljuk, hogy a szem és a látás mennyire figyelemre méltó” – mondta Love. “Ez a munka egy újabb darab a szemek működésének megértéséhez szükséges kirakós játékban.”

A szerzők megjegyezték, hogy ez a kutatás szárazföldi fajokra összpontosított. Azt várják, hogy a jövőbeni tanulmányokban megvizsgálják a vízi, légi és lombhullató életmód összefüggéseit a szem helyzetével és a pupilla alakjával.

A tanulmány további társszerzői Jürgen Schmoll és Jared Parnell a Durham Egyetemről.

A kutatást a National Institutes of Health és a Engineering and Physical Sciences Research Council is támogatta.