La forma della pupilla legata al posto degli animali nella rete ecologica

Mentre gli occhi possono essere una finestra sull’anima di una persona, una nuova ricerca condotta da scienziati della UC Berkeley suggerisce che le pupille potrebbero anche rivelare se si è cacciatori o cacciati.

Un’analisi di 214 specie di animali terrestri mostra che la nicchia ecologica di una creatura è un forte predittore della forma delle pupille. Le specie con pupille che sono fessure verticali hanno maggiori probabilità di essere predatori da agguato che sono attivi sia di giorno che di notte. Al contrario, quelle con pupille allungate orizzontalmente sono estremamente probabili essere specie di prede che si nutrono di piante con gli occhi ai lati della testa. Le pupille circolari sono state collegate a “foraggiatori attivi”, o animali che inseguono le loro prede.

Lo studio, condotto dallo scienziato della visione Martin Banks, professore di optometria della UC Berkeley, in collaborazione con l’Università di Durham del Regno Unito, presenta una nuova ipotesi sul perché le pupille hanno la stessa forma e orientamento. I risultati sono stati pubblicati oggi nella rivista Science Advances.

Questa ricerca attuale si basa sulle basi poste dal defunto Gordon Walls, un professore di optometria della UC Berkeley che ha pubblicato The Vertebrate Eye and Its Adaptive Radiation nel 1942. Il testo classico sulla fisiologia dell’occhio ha avanzato la teoria, generalmente accettata, che le pupille a fessura permettono una diversa muscolatura e una maggiore gamma nella quantità di luce che entra nell’occhio.

Per esempio, le fessure verticali dei gatti domestici e dei gechi subiscono un cambiamento di area di 135 e 300 volte tra gli stati costretti e dilatati, mentre le pupille circolari degli umani subiscono un cambiamento di appena 15 volte.

Perché non le fessure diagonali?

“Per le specie che sono attive sia di giorno che di notte, come i gatti domestici, le pupille a fessura forniscono la gamma dinamica necessaria per aiutarli a vedere in condizioni di luce scarsa senza essere accecati dal sole di mezzogiorno”, ha detto Banks. “Tuttavia, questa ipotesi non spiega perché le fessure siano verticali o orizzontali. Perché non vediamo fessure diagonali? Questo studio è il primo tentativo di spiegare perché l’orientamento è importante.”

Gli animali da preda hanno pupille allungate orizzontalmente che espandono il loro campo visivo. I loro occhi ruotano in modo che le pupille rimangano allineate con il terreno indipendentemente dal fatto che la loro testa sia eretta o inclinata verso il basso. (Foto di Martin Banks, UC Berkeley)

Per spiegare perché le pupille allungate orizzontalmente, con poche eccezioni, corrispondono ad animali da preda al pascolo come pecore, cervi e cavalli, i ricercatori si sono rivolti a modelli di computer per studiare gli effetti di diverse forme di pupille.

Hanno scoperto che le pupille orizzontali hanno ampliato il campo visivo effettivo. Quando sono allungate orizzontalmente, le pupille sono allineate con il terreno, facendo entrare più luce dalla parte anteriore, posteriore e laterale. L’orientamento aiuta anche a limitare la quantità di luce abbagliante dal sole sopra in modo che l’animale possa vedere meglio il terreno, hanno detto i ricercatori.

“Il primo requisito visivo chiave per questi animali è quello di rilevare i predatori in avvicinamento, che di solito vengono da terra, quindi hanno bisogno di vedere panoramicamente sul terreno con punti ciechi minimi”, ha detto Banks. “Il secondo requisito critico è che una volta che rilevano un predatore, hanno bisogno di vedere dove stanno correndo. Devono vedere abbastanza bene con la coda dell’occhio per correre velocemente e saltare le cose.”

Ma cosa succede a questo orientamento quando l’animale abbassa la testa per pascolare? Se la pupilla segue l’inclinazione della testa, diventerebbe più verticale e la teoria vacilla.

“Per verificarlo, ho passato ore allo zoo di Oakland, spesso circondato da bambini delle scuole in gita, per osservare i diversi animali”, ha detto Banks. “Sicuramente, quando capre, antilopi e altri animali da pascolo abbassano la testa per mangiare, i loro occhi ruotano per mantenere l’allineamento orizzontale delle pupille con il suolo”.”

Dall’altra parte dell’Atlantico, il co-autore dello studio Gordon Love, professore di fisica alla Durham University, ha trovato questo stesso schema osservando pecore e cavalli nelle fattorie vicine. Gli occhi degli animali al pascolo possono ruotare di 50 gradi o più in ogni occhio, una gamma 10 volte più grande degli occhi umani, hanno detto i ricercatori.

Come i predatori d’agguato si concentrano quando catturano la preda

Le pupille verticali sono molto probabilmente associate ai predatori da agguato che sono attivi giorno e notte. ()

Per i predatori da agguato con pupille a fessura verticale, gli autori hanno notato l’importanza di valutare accuratamente la distanza di cui gli animali avrebbero bisogno per balzare sulla loro preda. I ricercatori hanno identificato tre indizi generalmente utilizzati per valutare la distanza: stereopsi, o disparità binoculare; parallasse di movimento, in cui gli oggetti più vicini si muovono più lontano e più velocemente attraverso il nostro campo visivo; e sfocatura, in cui gli oggetti a distanze diverse sono fuori fuoco.

I ricercatori hanno escluso la parallasse di movimento come un fattore, poiché l’utilizzo di tale indizio richiederebbe il movimento della testa che potrebbe rivelare la posizione del predatore. Gli altri due spunti, la disparità binoculare e la sfocatura, lavorano insieme con pupille allungate verticalmente e occhi frontali, hanno detto i ricercatori.

La visione binoculare funziona meglio nel giudicare le differenze quando i contorni sono verticali e gli oggetti sono a distanza, mentre la sfocatura entra in gioco per i contorni orizzontali e gli obiettivi del campo vicino. Le pupille a fessura verticale massimizzano entrambi gli indizi, hanno detto i ricercatori.

Le pupille verticali non sono equamente distribuite tra i predatori da agguato, tuttavia.

“Una cosa sorprendente che abbiamo notato da questo studio è che le pupille a fessura erano legate ai predatori che erano vicini al terreno”, ha detto William Sprague, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Banks. “Così i gatti domestici hanno fessure verticali, ma i gatti più grandi, come le tigri e i leoni, no. Le loro pupille sono rotonde, come gli esseri umani e i cani.”

Tra i 65 predatori d’agguato con occhi frontali di questo studio, 44 avevano pupille verticali, e 36 di loro avevano un’altezza della spalla inferiore a 42 centimetri (16,5 pollici). Le pupille verticali sembrano massimizzare la capacità dei piccoli animali di giudicare le distanze delle prede.

Gli autori hanno spiegato questo calcolando che gli indizi di profondità di campo basati sulla sfocatura sono più efficaci per stimare le distanze per gli animali bassi rispetto a quelli alti.

“Stiamo imparando continuamente quanto siano notevoli l’occhio e la visione”, ha detto Love. “Questo lavoro è un altro pezzo del puzzle per capire come funzionano gli occhi.”

Gli autori hanno notato che questa ricerca si è concentrata su specie terrestri. Si aspettano di esaminare le associazioni di vita acquatica, aerea e arboricola sulla posizione degli occhi e la forma della pupilla in studi futuri.

Altri co-autori di questo studio sono Jürgen Schmoll e Jared Parnell dell’Università di Durham.

I National Institutes of Health e l’Engineering and Physical Sciences Research Council hanno contribuito a sostenere questa ricerca.