Informatie

Zijn er diersoorten die infrarood licht met hun ogen waarnemen?


Ik heb eerder vandaag een vraag gesteld over vogels met infraroodzicht, maar deze keer vraag ik het over dieren in het algemeen. Ik weet dat veel slangen receptoren hebben tussen hun ogen en hun snuit waarmee ze infraroodstraling kunnen waarnemen, maar ik ben op zoek naar een dier dat zijn ogen echt gebruikt.

Googlen en zoeken vond me deze verklaring:

Het is vermeldenswaard dat, hoewel er talloze dieren zijn die infrarood licht waarnemen, relatief weinig van hen het met hun ogen waarnemen

Het artikel vermeldde geen specifiek dier dat zijn ogen gebruikte om infrarood licht waar te nemen, er staat alleen 'heel weinig'. Ik heb echter geen enkele soort kunnen vinden die infrarood licht met hun ogen kan waarnemen.


Kort antwoord
Voor zover ik kan zien, zijn er geen animalia met hooggevoelige infraroodfotoreceptoren in hun netvlies. In plaats daarvan wordt infrarood gedetecteerd bij lage drempels met een speciaal sensorisch systeem bij sommige soorten - het pitorgel. Dit orgaan staat los van het netvlies en de output gaat niet samen met het beeld van het netvlies. Rode kegeltjes, en zelfs groene kegeltjes, hebben echter een lage gevoeligheid voor infrarood licht en wanneer deze intens genoeg is, kunnen infraroodstimuli met het oog worden gedetecteerd, zoals bleek uit een kleine studie bij fretten.

Achtergrond
Infrarood (IR) licht wordt geclassificeerd als licht met een golflengte van 700 nm en hoger. In Fig.1 is de lichtgevoeligheid van de mens weergegeven onder scotopische (donkeraangepaste) en fotopische (aan licht aangepaste) omstandigheden. Het is duidelijk waarom we IR niet kunnen waarnemen.

Soorten die IR kunnen detecteren, gebruiken het in het algemeen om warmte te detecteren. Bekende voorbeelden zijn de bloedzuigende soorten, waaronder muggen, bedwantsen en vampiervleermuizen, evenals nachtdieren, waaronder slangensoorten (bron: National Geographic). Hoewel deze hittedetectie kan worden geclassificeerd als IR-zicht, wordt IR niet gedetecteerd door hun ogen. In plaats daarvan gebruiken al deze soorten gespecialiseerde IR-sensing organen genaamd kuilorganen IR te detecteren. In principe zijn dit hittemelders (bron: NSF). Hoewel slangen warmtekaarten kunnen maken, worden het IR-beeld en de visuele beelden zoals gedetecteerd door het netvlies niet gecombineerd tot een enkel beeld. Voor zover ik begrijp, bestaan ​​het visuele beeld en IR-beelden naast elkaar in slangen en zijn ze niet versmolten (of 'overlay') (Campbell, 2002).

Dus de meest opvallende IR-detecterende soorten hebben IR-zicht, maar deze warmtekaarten worden waargenomen door speciale putorganen die gescheiden zijn van het netvlies en voor zover ik kan zien zijn de beelden niet gecombineerd.

Last but not least: IR-camera's worden vaak gebruikt om nachtdieren te bestuderen, omdat wordt aangenomen dat ze de IR niet kunnen detecteren. Interessant is dat een onderzoek bij een kleine populatie van 5 fretten aantoonde dat 3 van hen op een hoger kansniveau reageerden op lichtstimuli tot ver in de IR (870 nm) (Newbold, 2007). Opgemerkt moet worden dat het voelen van stimuli alles te maken heeft met drempels. De figuur 1 toont een bijna nul-respons bij mensen bij 700 nm, maar wanneer we de stimuli sterk genoeg zouden maken, zouden we toch een kleine respons kunnen uitlokken. Fig. 2 toont de absorptiespectra van rode en groene kegels. Zoals hier blijkt, rode kegels en zelfs groene kegels hebben spectrale gevoeligheid in het IR-domein. Dan kan het een vraag worden, niet of we IR kunnen waarnemen, maar op welk niveau we het kunnen detecteren. Onder normale alledaagse lichtomstandigheden kunnen we dat natuurlijk niet, maar dat sluit niet uit dat we het bij extreme lichtintensiteiten kunnen waarnemen.


Fig. 1. Menselijke spectrale gevoeligheid. bron: Webvision


Fig. 2. Spectrale gevoeligheden van rode en groene kegels. bron: Dowling, 1987)

Referenties
- Newbold, Masterproef. Universiteit van Waikato, Nieuw-Zeeland
- Kalloniates & Luu. In: Kolba et al (red.). Webvisie. De organisatie van het netvlies en het visuele systeem
- Schnapf et al, Natuur (1987); 325: 439-41


Ja, Mantis-garnalen hebben 12 fotoreceptoren en kunnen de low-end van IR detecteren.

In H. trispinosa een van de fotoreceptoren, R3P, detecteert precies aan de rand van 'dieprood' licht en zou infrarood (700+ nm) detecteren. Hoewel deze studie infrarooddetectie niet expliciet heeft gemeten, is het door de vorm van de curve geen enorme sprong voorwaarts dat ze infrarood op significante niveaus detecteren. Hieronder vindt u de link en een link naar menselijke fotogevoeligheidscurven voor contrast.

Houd in gedachten dat 'infrarood' geen universele biologische eigenschap is, het wordt eenvoudig gedefinieerd door het feit dat onze soort het niet ziet.

  • Mantis Garnalen fotoreceptor gevoeligheden

  • Link zonder betaalmuur. Figuur 1A

  • Gevoeligheid van menselijke fotoreceptoren voor contrast

  • Elektromagnetische emissie van de zon


Klopt, enz. al. (2015) ontdekten dat verschillende gewervelde soorten - waaronder zebravissen en brulkikkers - onder bepaalde omgevingsomstandigheden de staafjes en/of kegeltjes in hun fotoreceptoren rood verschuiven met iets in de orde van 30 of 60 nm ("buiten het bereik van het menselijk gezichtsvermogen ", per artikeloverzicht). Het mechanisme hiervoor is de productie van Cyp27c1, dat dient om vitamine A1 om te zetten in A2 in de fotoreceptor. Bij brulkikkers is de vitamine A2 alleen in het dorsale (bovenste) netvlies aangetroffen, waardoor ze waarschijnlijk aan de oppervlakte naar beneden in troebel water kunnen kijken (Figuur 1, noot G).

Enright, Jennifer M., et al. "Cyp27c1 rood verschuift de spectrale gevoeligheid van fotoreceptoren door vitamine A1 om te zetten in A2." Huidige biologie 25.23 (2015): 3048-3057. Koppeling.


Visie: nieuw type cel dat licht in vissen kan detecteren

Bijna alle soorten hebben enig vermogen om licht te detecteren. Ten minste drie soorten cellen in het netvlies stellen ons in staat om beelden te zien of onderscheid te maken tussen dag en nacht. Nu hebben onderzoekers van de Johns Hopkins School of Medicine in vissen nog een ander type cel ontdekt dat licht kan waarnemen en kan bijdragen aan het gezichtsvermogen.

Rapporteren in het journaal Natuur, toont het team van neurowetenschappers aan dat horizontale netvliescellen, zenuwcellen waarvan ooit werd gedacht dat ze alleen met naburige zenuwcellen praten en niet eens met de hersenen, zelf lichtgevoelig zijn.

"Dit is verbijsterend", zegt King-Wai Yau, Ph.D., een professor in neurowetenschappen aan de Solomon H. Snyder Department of Neuroscience van Johns Hopkins.

"Al meer dan 100 jaar is het bekend dat staafcellen en kegelcellen verantwoordelijk zijn voor het waarnemen van licht en dus voor het gezichtsvermogen", zegt Yau. "Toen, ongeveer zeven jaar geleden, werd een andere lichtsensor in het netvlies ontdekt, die een derde type lichtgevoelige cellen bij zoogdieren onthulde, dus we gingen kijken of dit ook bij andere gewervelde dieren waar was."

Door hun inspanningen te concentreren op de melanopsine-lichtsensor, die verantwoordelijk is voor het waarnemen van dag en nacht, maar nauwelijks betrokken is bij zoogdieren, althans bij het zien van beelden, zocht het team van Yau naar melanopsine-bevattende cellen bij andere gewervelde dieren, en vond er enkele in het horizontale netvlies cellen in goudvissen en meervallen.

Meervallen bevatten twee smaken van retinale horizontale cellen: die welke verbonden zijn met kegelcellen, die reageren op fel licht, en die welke verbonden zijn met staafcellen, die reageren op zwak licht. Het team nam elektrische metingen van enkele geïsoleerde retinale horizontale cellen. Ze ontdekten dat licht een verandering in elektrische stroom veroorzaakte in horizontale kegelcellen, maar niet in horizontale staafcellen.

Horizontale cellen, zegt Yau, maken overspraak mogelijk tussen naburige fotoreceptorcellen, waardoor deze cellen het licht dat ze waarnemen kunnen vergelijken, een proces dat de hersenen nodig hebben om beelden te zien. "Het brein verwerkt wat het in context ziet met de omgeving", zegt Yau. "Hierdoor kunnen onze hersenen grenzen en contouren zien en zijn horizontale cellen de reden waarom we bijvoorbeeld een gezicht kunnen herkennen en zien."

Door licht op verschillende golflengten te testen, ontdekte het team dat deze horizontale cellen van vissen duizenden keren minder lichtgevoelig zijn dan hun partnerkegelcellen.

"Het komt erop neer dat het lichteffect op de horizontale cellen subtiel is, misschien om de ogen van deze dieren in staat te stellen hun functies af te stemmen op verschillende omgevingslichtomstandigheden", zegt Yau. "Maar dat deze horizontale cellen überhaupt lichtgevoelig zijn, is een zeer verrassende bevinding en verandert hoe we denken over netvliezen als geheel."

Om meer te weten te komen over hoe de lichtgevoeligheid van horizontale cellen bijdraagt ​​aan beeldvisie, moeten hele netvliezen worden bestudeerd, niet alleen afzonderlijke cellen. Yau, wiens doel het is om visie te begrijpen, is verslaafd. "Misschien", zegt hij, "zijn er nog andere lichtgevoelige cellen in het oog waarvan we nog niets weten."

Deze studie werd gefinancierd door de National Institutes of Health en de Antó Champalimaud Vision Award.

Auteurs op het papier zijn Ning Cheng, Takashi Tsunenari en Yau, allemaal van Johns Hopkins.

Verhaalbron:

Materialen geleverd door Johns Hopkins medische instellingen. Opmerking: inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.


Inhoud

De normale verklaring van tetrachromacie is dat het netvlies van het organisme vier soorten lichtreceptoren met een hogere intensiteit bevat (kegelcellen genoemd bij gewervelde dieren in tegenstelling tot staafcellen, die lichtreceptoren met een lagere intensiteit zijn) met verschillende absorptiespectra. Dit betekent dat het organisme golflengten kan zien die verder gaan dan het gezichtsvermogen van een typisch mens, en mogelijk kleuren kan onderscheiden die voor een normaal mens identiek lijken. Soorten met tetrachromatische kleurwaarneming kunnen een onbekend fysiologisch voordeel hebben ten opzichte van rivaliserende soorten. [6]

Vis Bewerken

De goudvis (Carassius auratus auratus) [7] en zebravis (Danio rerio) [8] zijn voorbeelden van tetrachromaten, die kegelcellen bevatten die gevoelig zijn voor rood, groen, blauw en ultraviolet licht.

Vogels Bewerken

Sommige vogelsoorten, zoals de zebravink en de Columbidae, gebruiken de ultraviolette golflengte van 300-400 nm die specifiek is voor tetrachromatisch kleurenzien als hulpmiddel tijdens partnerselectie en foerageren. [9] Bij het selecteren van partners is er een hoge mate van selectie in ultraviolet verenkleed en huidskleur. [10] Een typisch vogeloog reageert op golflengten van ongeveer 300 tot 700 nm. In termen van frequentie komt dit overeen met een band in de buurt van 430-1000 THz. De meeste vogels hebben netvliezen met vier spectrale soorten kegelcellen waarvan wordt aangenomen dat ze tetrachromatisch kleurenzien bemiddelen. Het kleurenzicht van vogels wordt verder verbeterd door het filteren van gepigmenteerde oliedruppeltjes die zich in de fotoreceptoren bevinden. De oliedruppeltjes filteren invallend licht voordat het het visuele pigment in de buitenste segmenten van de fotoreceptoren bereikt.

De vier soorten kegeltjes en de specialisatie van gepigmenteerde oliedruppeltjes geven vogels een beter kleurenzicht dan dat van mensen. [11] [12] Recenter onderzoek heeft echter gesuggereerd dat tetrachromie bij vogels vogels alleen een groter visueel spectrum geeft dan bij mensen (mensen kunnen geen ultraviolet licht zien, 300-400 nm), terwijl de spectrale resolutie (de "gevoeligheid " naar nuances) is vergelijkbaar. [13]

Insecten Bewerken

Foeragerende insecten kunnen golflengten zien die bloemen reflecteren (variërend van 300 nm tot 700 nm [14] [15] ). Omdat bestuiving een mutualistische relatie is, zijn foeragerende insecten en sommige planten samen geëvolueerd, beide met een groter golflengtebereik: in waarneming (bestuivers), in reflectie en variatie (bloemkleuren). [6] Directionele selectie heeft ertoe geleid dat planten steeds diversere hoeveelheden kleurvariaties vertonen die zich uitstrekken tot in de ultraviolette kleurenschaal, waardoor hogere niveaus van bestuivers worden aangetrokken. [6]

Zoogdieren Bewerken

Muizen, die normaal slechts twee kegelpigmenten hebben, kunnen worden ontworpen om een ​​derde kegelpigment tot expressie te brengen en lijken een verhoogde chromatische discriminatie te vertonen [16], hoewel ze tegen sommige van deze obstakels ingaan, de beweringen van de oorspronkelijke publicatie over plasticiteit in de oogzenuw hebben ook betwist. [17]

Rendier Bewerken

In gebieden waar rendieren leven, blijft de zon lange tijd heel laag aan de hemel staan. Sommige delen van de omgeving absorberen ultraviolet licht en vormen daardoor voor UV-gevoelige rendieren een sterk contrast met de UV-reflecterende sneeuw. Deze omvatten urine (wat wijst op roofdieren of concurrenten), korstmossen (een voedselbron) en pels (zoals bezeten door wolven, roofdieren van rendieren). [18] Hoewel rendieren geen specifieke UV-opsin hebben, zijn retinale reacties tot 330 nm geregistreerd, gemedieerd door andere opsins. [19] Er is gesuggereerd dat UV-flitsen op hoogspanningskabels ervoor zorgen dat rendieren hoogspanningslijnen vermijden omdat ". in het donker deze dieren hoogspanningslijnen niet als vage, passieve structuren zien, maar eerder als lijnen van flikkerend licht die zich over het terrein uitstrekken. " [20]

Mensen Bewerken

Apen (inclusief mensen) en apen uit de Oude Wereld hebben normaal gesproken drie soorten kegelcellen en zijn daarom trichromaten. Bij lage lichtintensiteiten kunnen de staafcellen echter bijdragen aan het zien van kleuren, waardoor een klein gebied van tetrachromie in de kleurruimte ontstaat [21]. De gevoeligheid van menselijke staafcellen is het grootst bij een blauwgroene golflengte.

Bij de mens zijn op het X-chromosoom twee kegelcelpigmentgenen aanwezig: de klassieke type 2 opsin-genen OPN1MW en OPN1MW2. Mensen met twee X-chromosomen kunnen meerdere kegelcelpigmenten bezitten, misschien geboren als volledige tetrachromaten die vier gelijktijdig functionerende soorten kegelcellen hebben, elk type met een specifiek patroon van reactie op verschillende golflengten van licht in het bereik van het zichtbare spectrum. [22] Een studie suggereerde dat 15% van de vrouwen in de wereld het type vierde kegel zou kunnen hebben waarvan de gevoeligheidspiek tussen de standaard rode en groene kegels ligt, wat theoretisch een significante toename in kleurdifferentiatie geeft. [23] Een andere studie suggereert dat maar liefst 50% van de vrouwen en 8% van de mannen vier fotopigmenten kunnen hebben en een overeenkomstige verhoogde chromatische discriminatie in vergelijking met trichromaten. [24] In 2010, na twintig jaar onderzoek bij vrouwen met vier soorten kegeltjes (niet-functionele tetrachromaten), identificeerde neurowetenschapper Dr. Gabriele Jordan een vrouw (proefpersoon cDa29) die een grotere verscheidenheid aan kleuren konden detecteren dan trichromaten, wat overeenkomt met een functionele tetrachromat (of echte tetrachromat). [25] [26] [27] [28]

Variatie in genen voor kegelpigment is wijdverbreid in de meeste menselijke populaties, maar de meest voorkomende en uitgesproken tetrachromie zou afkomstig zijn van vrouwelijke dragers van grote rood / groene pigmentafwijkingen, meestal geclassificeerd als vormen van "kleurenblindheid" (protanomalie of deuteranomalie). De biologische basis voor dit fenomeen is X-inactivatie van heterozygote allelen voor retinale pigmentgenen, hetzelfde mechanisme dat de meerderheid van vrouwelijke apen uit de nieuwe wereld een trichromatisch zicht geeft. [29]

Bij mensen vindt voorlopige visuele verwerking plaats in de neuronen van het netvlies. Het is niet bekend hoe deze zenuwen zouden reageren op een nieuw kleurkanaal, dat wil zeggen of ze het afzonderlijk zouden kunnen verwerken of het alleen zouden kunnen combineren met een bestaand kanaal. Visuele informatie verlaat het oog via de oogzenuw, het is niet bekend of de oogzenuw de reservecapaciteit heeft om een ​​nieuw kleurkanaal aan te kunnen. In de hersenen vindt een verscheidenheid aan uiteindelijke beeldverwerking plaats. Het is niet bekend hoe de verschillende hersengebieden zouden reageren als ze een nieuw kleurkanaal zouden krijgen.

Mensen kunnen ultraviolet licht niet direct zien omdat de lens van het oog het meeste licht in het golflengtebereik van 300-400 nm blokkeert [ relevant? ] kortere golflengten worden geblokkeerd door het hoornvlies. [30] De fotoreceptorcellen van het netvlies zijn gevoelig voor bijna-ultraviolet licht, en mensen zonder lens (een aandoening die bekend staat als afakie) zien bijna-ultraviolet licht (tot 300 nm) als witachtig blauw, of voor sommige golflengten, witachtig violet, waarschijnlijk omdat alle drie de soorten kegeltjes ongeveer even gevoelig zijn voor ultraviolet licht, zijn blauwe kegelcellen echter iets gevoeliger. [31]

Tetrachromacie kan ook het zicht verbeteren bij weinig licht of bij het kijken naar een scherm. [27]


Infrarood

Sommige dieren kunnen het infraroodlicht zien dat andere dieren uitstralen, waardoor ze voedsel kunnen vinden.

Net als ultraviolet licht is infrarood licht altijd om ons heen, maar onze menselijke ogen kunnen het gewoon niet detecteren. In tegenstelling tot ultraviolet licht, dat een zeer hoge frequentie heeft, heeft infrarood licht een zeer lage frequentie.

Alle warme dingen produceren infrarood licht - u produceert nu infrarood licht. Maar hoewel mensen dit infraroodlicht niet kunnen zien, kunnen een paar dieren dat wel. De beste voorbeelden van dieren die infrarood licht kunnen detecteren, zijn een groep slangen die pitadders worden genoemd.

Ratelslangen, koperkoppen en andere pitadders eten graag vogels, knaagdieren en andere warmbloedige prooien. Omdat deze dieren warmbloedig zijn, zijn ze meestal warmer dan de lucht om hen heen. Hierdoor zijn knaagdieren en vogels heel gemakkelijk te zien voor pitadders, zelfs als ze zich in het gras of struiken verstoppen.

Interessant is dat pitadders hun ogen niet echt gebruiken om infrarood licht te zien. In plaats daarvan gebruiken ze kleine putjes in hun gezicht om het infraroodlicht te detecteren dat door hun prooisoort wordt uitgestraald.

Pythons kunnen ook infrarood licht zien, maar in plaats van de twee grote putjes op hun gezicht te gebruiken om het te zien, gebruiken ze een reeks zeer kleine holtes bij hun lippen om het licht te detecteren.

Sommige dieren die infrarood licht kunnen zien, zijn onder meer:


Elektrisch gevoel

De alomtegenwoordige elektrische velden die door sommige dieren worden geproduceerd, functioneren als zintuigen. Elektrische paling en sommige soorten roggen hebben gemodificeerde spiercellen die elektrische ladingen produceren die sterk genoeg zijn om hun prooi te schokken en soms te doden. Andere vissen (waaronder veel haaien) gebruiken zwakkere elektrische velden om hen te helpen navigeren door troebel water, zich in hun prooi nestelen of hun omgeving in de gaten houden. Zo hebben beenvissen (en sommige kikkers) "zijlijnen" aan weerszijden van hun lichaam, een rij sensorische poriën in de huid die elektrische stromen in het water detecteren.


Inhoud

De gezichtskuil onderging een parallelle evolutie in pitvipers en sommige boa's en pythons. Het evolueerde eenmaal in pitvipers en meerdere keren in boa's en pythons. [6] De elektrofysiologie van de structuur is vergelijkbaar tussen de twee lijnen, maar ze verschillen in grove structurele anatomie. Het meest oppervlakkig hebben pitvipers één groot pitorgel aan weerszijden van het hoofd, tussen het oog en het neusgat (loreal pits), terwijl boa's en pythons drie of meer relatief kleinere putjes hebben langs de boven- en soms de onderlip, in of tussen de schubben (labiale putjes). Die van de pitvipers zijn de meer geavanceerde, met een zwevend sensorisch membraan in tegenstelling tot een eenvoudige putstructuur.

Bij pitadders bestaat de hitteput uit een diepe zak in het rostrum met een membraan erover gespannen. Achter het membraan zorgt een met lucht gevulde kamer voor luchtcontact aan weerszijden van het membraan. Het pitmembraan is zeer vasculair en zwaar geïnnerveerd met talrijke warmtegevoelige receptoren gevormd uit terminale massa's van de trigeminuszenuw (terminale zenuwmassa's of TNM's). De receptoren zijn dus geen afzonderlijke cellen, maar een deel van de nervus trigeminus zelf. De labiale put gevonden in boa's en pythons mist het zwevende membraan en bestaat eenvoudiger uit een put bekleed met een membraan dat op dezelfde manier wordt geïnnerveerd en vasculair, hoewel de morfologie van het vaatstelsel verschilt tussen deze slangen en crotalines. Het doel van het vaatstelsel, naast het leveren van zuurstof aan de receptorterminals, is om de receptoren snel af te koelen tot hun thermoneutrale toestand nadat ze zijn verwarmd door thermische straling van een stimulus. Zonder deze vasculatuur zou de receptor in een warme toestand blijven na blootstelling aan een warme stimulus, en zou het dier nabeelden geven, zelfs nadat de stimulus was verwijderd. [7]

Neuroanatomie Bewerken

In alle gevallen wordt de gezichtskuil geïnnerveerd door de nervus trigeminus. In crotalines wordt informatie van het pitorgel doorgegeven aan de nucleus reticularus caloris in de medulla via het lateraal dalende trigeminuskanaal. Van daaruit wordt het doorgegeven aan het contralaterale optische tectum. Bij boa's en pythons wordt informatie uit de labiale put rechtstreeks naar het contralaterale optische tectum gestuurd via het laterale dalende trigeminuskanaal, waarbij de nucleus reticularus caloris wordt omzeild. [8]

Het is het optische tectum van de hersenen dat deze infraroodsignalen uiteindelijk verwerkt. Dit deel van de hersenen ontvangt ook andere sensorische informatie, met name optische stimulatie, maar ook motorische, proprioceptieve en auditieve. Sommige neuronen in het tectum reageren alleen op visuele of infraroodstimulatie, andere reageren sterker op gecombineerde visuele en infraroodstimulatie, en weer andere reageren alleen op een combinatie van visuele en infrarood. Sommige neuronen lijken te zijn afgestemd om beweging in één richting te detecteren. Het is gebleken dat de visuele en infrarode kaarten van de wereld van de slang over het optische tectum zijn gelegd. Deze gecombineerde informatie wordt via het tectum doorgegeven aan de voorhersenen. [9]

De zenuwvezels in het pitorgel vuren constant op een zeer laag tempo. Objecten die zich binnen een neutraal temperatuurbereik bevinden, veranderen de snelheid van het afvuren niet. Het neutrale bereik wordt bepaald door de gemiddelde warmtestraling van alle objecten in het receptieve veld van het orgel. De thermische straling boven een bepaalde drempel veroorzaakt een verhoging van de temperatuur van de zenuwvezel, wat resulteert in stimulatie van de zenuw en daaropvolgend vuren, waarbij een verhoogde temperatuur resulteert in een verhoogde vuursnelheid. [10] De gevoeligheid van de zenuwvezels wordt geschat op >0.001 °C. [11]

Het pitorgel zal zich aanpassen aan een herhaalde stimulus als een aangepaste stimulus wordt verwijderd, zal er een fluctuatie in de tegenovergestelde richting zijn. Als er bijvoorbeeld een warm object voor de slang wordt geplaatst, zal het orgel eerst in vuursnelheid toenemen, maar na een tijdje aanpassen aan het warme object en zal de vuursnelheid van de zenuwen in het pitorgel weer normaal worden . Als dat warme object vervolgens wordt verwijderd, zal het putorgel nu de ruimte die het innam als kouder registreren en als zodanig wordt de vuursnelheid verlaagd totdat het zich aanpast aan het verwijderen van het object. De latentieperiode van aanpassing is ongeveer 50-150 ms. [10]

De gezichtsput visualiseert in feite thermische straling met dezelfde optische principes als een pinhole-camera, waarbij de locatie van een bron van thermische straling wordt bepaald door de locatie van de straling op het membraan van de warmteput. Studies die de thermische beelden van de gezichtskuil hebben gevisualiseerd met behulp van computeranalyse, hebben echter gesuggereerd dat de resolutie extreem slecht is. De grootte van de opening van de put resulteert in een slechte resolutie van kleine, warme objecten, en in combinatie met de kleine omvang van de put en de daaropvolgende slechte warmtegeleiding, heeft het geproduceerde beeld een extreem lage resolutie en een extreem laag contrast. Het is bekend dat er enige focussering en verscherping van het beeld optreedt in het lateraal dalende trigeminuskanaal, en het is mogelijk dat de visuele en infrarood integratie die in het tectum plaatsvindt, ook kan worden gebruikt om het beeld te helpen verscherpen.

Moleculair mechanisme

Ondanks de detectie van infrarood licht, is het infrarooddetectiemechanisme niet vergelijkbaar met fotoreceptoren - terwijl fotoreceptoren licht detecteren via fotochemische reacties, is het eiwit in de kuilen van slangen een soort tijdelijk receptorpotentieel kanaal, TRPV1, dat een temperatuurgevoelig ion is kanaal. Het detecteert infraroodsignalen via een mechanisme waarbij het pitorgel wordt verwarmd in plaats van een chemische reactie op licht. [12] In structuur en functie lijkt het op een biologische versie van een warmtegevoelig instrument dat een bolometer wordt genoemd. Dit komt overeen met het dunne putmembraan, waardoor binnenkomende infraroodstraling een bepaald ionenkanaal snel en nauwkeurig kan opwarmen en een zenuwimpuls kan veroorzaken, evenals de vascularisatie van het putmembraan om het ionenkanaal snel terug te koelen naar zijn oorspronkelijke positie. oorspronkelijke temperatuur staat. Terwijl de moleculaire voorlopers van dit mechanisme in andere slangen worden gevonden, wordt het eiwit beide in veel lagere mate tot expressie gebracht en is het veel minder gevoelig voor warmte. [12]

Infraroodgevoelige slangen gebruiken veel putorganen om warmbloedige prooien zoals knaagdieren en vogels op te sporen en aan te vallen. Blinde of geblinddoekte ratelslangen kunnen een prooi nauwkeurig aanvallen in de volledige afwezigheid van zichtbaar licht, [13] [14] hoewel het niet lijkt alsof ze prooidieren beoordelen op basis van hun lichaamstemperatuur. [15] Bovendien kunnen slangen opzettelijk hinderlagen kiezen die de infrarooddetectie van prooien vergemakkelijken. [16] [17] Eerder werd aangenomen dat het orgel zich specifiek ontwikkelde voor het vangen van prooien. [11] Recent bewijs toont echter aan dat het pitorgel ook kan worden gebruikt voor thermoregulatie. In een experiment waarbij het vermogen van slangen werd getest om een ​​koel thermaal toevluchtsoord te vinden in een onaangenaam heet doolhof, konden alle pitadders het toevluchtsoord snel en gemakkelijk lokaliseren, terwijl echte adders dit niet konden. Dit suggereert dat de pitvipers hun pitorganen gebruikten om te helpen bij thermoregulerende beslissingen. [4] Het is ook mogelijk dat het orgaan zelfs is geëvolueerd als een defensieve aanpassing in plaats van een roofzuchtige, of dat meerdere vormen van druk mogelijk hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van het orgaan. [5] Het gebruik van de warmteput om thermoregulatie of ander gedrag bij pythons en boa's te sturen, is nog niet vastgesteld.


Balans en beweging: het vestibulaire systeem

De prikkels die samenhangen met de vestibulair systeem zijn lineaire versnelling (zwaartekracht) en hoekversnelling en -vertraging. Zwaartekracht, versnelling en vertraging worden gedetecteerd door de traagheid op receptieve cellen in het vestibulaire systeem te evalueren. Bij gewervelde dieren wordt de zwaartekracht gedetecteerd door de positie van het hoofd. Hoekversnelling en -vertraging worden uitgedrukt door draaien of kantelen van het hoofd.

Het vestibulaire systeem bij gewervelde dieren heeft enkele overeenkomsten met het auditieve systeem. Het maakt gebruik van haarcellen die zich in het oor bevinden in een structuur die de vestibulair labyrint (gelegen naast het slakkenhuis), maar het activeert ze op een andere manier dan het auditieve systeem. Haarcellen in het vesibulair labyrint detecteren signalen op twee manieren:

  • Sommige haarcellen liggen onder een gelatineuze laag, waarbij hun stereocilia in de gelatine uitsteken. Ingebed in deze gelatine zijn calciumcarbonaatkristallen, als kleine rotsen, die bewegen als reactie op de zwaartekracht. Elke keer dat de kop schuin wordt gekanteld of onderhevig is aan versnelling of vertraging, zorgen deze kristallen ervoor dat de gelatine verschuift, waardoor de stereocilia worden gebogen. Het buigen van de stereocilia stimuleert de neuronen en ze geven aan de hersenen een signaal dat het hoofd gekanteld is, waardoor het evenwicht behouden blijft.
  • Sommige haarcellen steken uit in een gelatineuze dop die de cupula wordt genoemd. Wanneer het hoofd draait, verschuift de vloeistof in de kanalen, waardoor stereocilia worden gebogen en signalen naar de hersenen worden gestuurd. Wanneer de beweging stopt, vertraagt ​​of stopt de beweging van de vloeistof in de kanalen.

Haarcellen in de halfcirkelvormige kanalen hebben uitsteeksels die zich uitstrekken tot cupula's, die bewegen als reactie op veranderingen in versnelling of vertraging. Afbeelding tegoed: door NASA – Bron: The Effects of Space Flight on the Human Vestibular System, een online educatief artikel van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) van de Amerikaanse overheid, Public Domain, https://commons.wikimedia .org/w/index.php?curid=6765835

Deze video geeft een snel overzicht van het vestibulaire systeem van zoogdieren:

Een soortgelijk systeem met haarcellen en een cupula is aanwezig aan de laterale lijn van beenvissen, die worden gebruikt om veranderingen in de waterdruk te detecteren.

De zijlijn loopt langs het lichaam van beenvissen. Het kanaal van de zijlijn is bekleed met sensorische haarcellen met uitsteeksels die zich uitstrekken tot in de cupula's. Het kanaal laat water toe vanuit de omgeving, die de cupula's kan verbinden als de waterdruk verandert, waardoor actiepotentialen worden geactiveerd in de sensorische neuronen die met de haarcellen zijn verbonden. Door Thomas.haslwanter – Eigen werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21451808

Veel ongewervelde dieren detecteren balans via een structuur genaamd a statocyst, een bolvormig orgaan bekleed met naar binnen gerichte haarcellen en met statolieten, dichte deeltjes vergelijkbaar met calciumcarbonaatkristallen in de utriculus en sacculus van gewervelde dieren. Elke beweging zorgt ervoor dat de statolieten van locatie in de statocyst veranderen, waardoor verschillende haarcellen worden geactiveerd terwijl ze bewegen.

Statocysten bevatten naar binnen gerichte haarcellen (bruin) die bewegingen detecteren van statolieten (paars), dichte deeltjes die bewegen als reactie op de zwaartekracht. De haarcellen worden gesynapseerd met sensorische neuronen (zwarte lijnen) die sensorische informatie doorgeven aan de hersenen. Afbeelding tegoed: Davis, W.J. (1968) – http://caspar.bgsu.edu/

cursussen/Neuroethology/Labs/Images/Statocyst.jpg, Publiek domein, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22495818

De onderstaande informatie is aangepast van OpenStax Biology 36.5

Net als bij auditieve stimuli, reist licht in golven. De drukgolven die geluid creëren, moeten in een medium reizen: een gas, een vloeistof of een vaste stof. Licht daarentegen is samengesteld uit elektromagnetische golven en heeft geen medium nodig. Licht kan in een vacuüm reizen (daarom kunnen we sterren vanuit de ruimte zien). Het gedrag van licht kan worden besproken in termen van het gedrag van golven en ook in termen van het gedrag van de fundamentele eenheid van licht: een pakket elektromagnetische straling dat een foton wordt genoemd. Mensen kunnen slechts een klein stukje van het gehele elektromagnetische spectrum waarnemen, inclusief straling die we niet als licht kunnen zien omdat het lager is dan de frequentie van zichtbaar rood licht en boven de frequentie van zichtbaar violet licht, wat de limieten zijn van detectie van gewerveld licht.

Bij de bespreking van lichtperceptie zijn bepaalde variabelen van belang:

  • Golflengte (die omgekeerd evenredig varieert met de frequentie) wordt gedetecteerd als tint, of kleur. Licht aan het rode uiteinde van het zichtbare spectrum heeft langere golflengten (en heeft een lagere frequentie), terwijl licht aan het violette uiteinde kortere golflengten heeft (en een hogere frequentie heeft). De golflengte van licht wordt uitgedrukt in nanometers (nm) één nanometer is een miljardste van een meter. Mensen nemen licht waar tussen ongeveer 380 nm en 740 nm. Sommige andere dieren kunnen echter golflengten buiten het menselijk bereik detecteren. Bijen zien bijvoorbeeld bijna-ultraviolet licht om nectargidsen op bloemen te lokaliseren, en sommige niet-vogelreptielen voelen infrarood licht (warmte die prooi afgeeft).
  • Golf amplitude wordt waargenomen als lichtsterkte, of helderheid.

Detectie van licht vindt plaats door middel van fotoreceptoren, cellen die pigmentabsorberende moleculen bevatten die licht absorberen. Fotoreceptorcellen bevinden zich meestal in lichtverzamelende organen die ogen worden genoemd. Ogen variëren in structuur bij verschillende soorten dieren en omvatten:

  • oogschelpen in platwormen, dit zijn kuiltjesvormige structuren die de richting van een lichtbron detecteren
  • samengestelde ogen van geleedpotigen, die meerdere lenzen bevatten en vormen, patronen en bewegingen detecteren
  • gaatjes ogen in de nautilus, die geen lens bevat en eenvoudige afbeeldingen met een lage resolutie vormt
  • eenvoudige ogen van koppotigen en gewervelde dieren, die een enkele lens bevatten en beelden met een hoge resolutie vormen

Veel van deze soorten ogen, die tegenwoordig in levende organismen voorkomen, hebben mogelijk ook een evolutiepad vertegenwoordigd van een eenvoudig stukje lichtgevoelige cellen tot eenvoudige lensogen van gewervelde dieren en koppotigen:

Door Matticus78 op de Engelstalige Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2748615

Deze video beschrijft de evolutionaire oorsprong van het menselijk oog:

Het gewervelde oog bevat de volgende structuren:

  • Sclera: taai buitenste weefsel (wit van het oog)
  • Cornea: transparent sheet of connective tissue, functions with the lens to focus light on the retina
  • Iris: pigmented ring of muscle that controls amount of light entering eye
  • Pupil: hole in center of iris
  • Lens: crystalline, curved structure that focuses light on the cornea (by bending, not by moving) in conjunction with the cornea
  • Retina: thin layer of photoreceptor cells and neurons
    • Photoreceptor cells: light-detecting sensory cells
    • Bipolar cells: intermediate connecting neurons
    • Ganglion cells: neurons whose axons project to the brain via the optic nerve
    • Fovea: site of retina with only cones, area of highest visual resolution

    (a) The human eye is shown in cross section. (b) A blowup shows the layers of the retina. Image credit: OpenStax Biology

    The vertebrate eye is pretty good at forming high-resolution images, though perhaps we are a little biased in making that assessment. But it turns out that that the vertebrate eye is actually far from ideal. In fact, the cephalopod eye, which looks the same on the surface but evolved independently, is far better. Here is a comparison between the vertebrate and cephalopod eyes:

    • Cephalopod eyes move the lens to focus (like in a camera), rather than changing lens shape as in the vertebrate eye the result in vertebrates is age-related loss of resolution as the lens loses flexibility over time
    • Vertebrate eyes have an “inverted” retina, where blood vessels and nerves are in front of the photreceptor cells, unlike in the cephalopod eye where the nerves are achter the photoreceptor cells the result in vertebrates is the blind spot as well age-related macular degeneration and increased likelihood of retina detachment (a severe medical emergency) due to the loose association between the retina and the back of the eye

    The vertebrate and cephalopod eyes are very similar but with key differences, including the relative locations of the photoreceptors and sensory neurons (the retina is “inverted” in the vertebrate eye, resulting in a blind spot where the optic nerve exits the retina), and the movable lens in cephalopods compared with a flexible lens in vertebrates. Image credit: modification of work by By Philcha, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4612105

    Regardless of the structure of the eye, all photoreception relies on light-absorbing pigment molecules embedded in the photoreceptor cells. This pigment is called retinal, and it is contained in a protein called opsin. Together, they form a complex called rhodopsin, that allow us to detect light and color. Both the protein and the pigment are essential for this process:

    • The pigment: netvlies, reversibly changes shape when it is hit by a photon of light (this process is extremely similar to detection of red vs far-red light by phytochrome in plants.)
    • The protein: opsin, holds the retinal pigment and changes shape/activity when the retinal changes shape in response to absorption of light. Opsins are responsible for our ability to perceive differences in color or hue. Humans have three color-sensitive opsins: S opsin (short-wavelength opsin), M opsin (medium-wavelength opsin), and L opsin (long-wavelength opsin).
    • The photoreceptor cells: staven en kegels each contain a unique opsion that causes the cell the cell to be most sensitive to a specific wavelength of light. Keep in mind that the retinal is always the same it is the opsin that varies in different photoreceptor cells
      • Cones (which are cone-shaped) each contain a single type of color-sensitive opsin, making each cone most sensitive to a particular hue or color of light. Though we only have three types of cones (due to the three types of color-sensitive opsins), we are able to detect so much variation in hue to do activation of different combinations of cones at the same time. Cones require high-levels of light to work, which is why we can’t perceive color well in the dark. Cones are heavily concentrated at the fovea and are useful for focusing on important visual details.
      • staven (which are rod-shaped) each contain a fourth type of opsin called rod opsin, which is activated by an intermediate wavelength of light and is capable of working in low-levels of light. Rods are not color-sensitive, but allow us to see in low levels of light. Rods are heavily concentrated at the periphery (outer edges) of the retina, and are useful for detecting movement in our field of vision.

      Human rod cells and the different types of cone cells each have an optimal wavelength. However, there is considerable overlap in the wavelengths of light detected. Image credit: OpenStax Biology

      This video provides a brief explanation of how we can perceive so many different colors with only three types of cones:

      What happens when a photon activates rhodosin? Unlike all the other sensory systems we have discussed, a rod or cone cell hyperpolarizes when its rhodopsins are activated by light, and it depolarizes when its rhodopsins are in the dark. This means that, when in the dark, our rods and cones are depolarized and thus releasing neurotrasnsmitters to their synapsed bipolar cells. When a rod or cone cell is activated by light, it hyperpolarizes and stopt releasing neurotransmitter.


      Sensory Biology Around the Animal Kingdom

      De wetenschapper Staff
      Sep 1, 2016

      © TIM ROBBERTS/GETTY IMAGES

      Jump to discussions on:

      G rowing up, we learn that there are five senses: sight, smell, touch, taste, and hearing. For the past five years, De wetenschapper has taken deep dives into each of those senses, explorations that revealed diverse mechanisms of perception and the impressive range of these senses in humans and diverse other animals. But as any biologist knows, there are more than just five senses, and it&rsquos difficult to put a number on how many others there are. Humans&rsquo vestibular sense, for example, detects gravity and balance through special organs in the bony labyrinth of the inner ear. Receptors in our muscles and joints inform our sense of body position. (See &ldquoProprioception: The Sense Within.&rdquo) And around the animal kingdom, numerous other sense organs aid the perception of their worlds.

      Detecting Gravity and Motion

      A BALANCING ACT: Ctenophore statocysts (1), consist.

      The comb jelly’s single statocyst sits at the animal’s uppermost tip, under a transparent dome of fused cilia. A mass of cells called lithocytes, each containing a large, membrane-bound concretion of minerals, forms a statolith, which sits atop four columns called balancers, each made up of 150–200 sensory cilia. As the organism tilts, the statolith falls towards the Earth’s core, bending the balancers. Each balancer is linked to two rows of the ctenophore’s eight comb plates, from which extend hundreds of thousands of cilia that beat together as a unit to propel the animal. As the balancers bend, they adjust the frequency of ciliary beating in their associated comb plates. “They’re the pacemakers for the beating of the locomotor cilia,” says Sidney Tamm, a researcher at the Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Massachusetts, who has detailed the structure and function of the ctenophore statocyst (Biol Bull, 227:7-18, 2014 Biol Bull, 229:173-84, 2015).

      Sensing gravity’s pull and the subsequent ciliary response is entirely mechanical, Tamm notes—no nerves are involved in ctenophore statocyst function. Most other animals with statocyst sensing, on the other hand, do employ a nervous system. Statocysts exist in diverse invertebrate species, from flatworms to bivalves to cephalopods. Although the details of the statocyst’s architecture vary greatly across these different groups, it is generally a balloon-shape structure with a statolith in the center and sensory hair cells around the perimeter. As the statolith, which can be cell-based as in the ctenophore or a noncellular mineralized mass, falls against one side of the sac, it triggers those hair cells to initiate a nervous impulse that travels to the brain.

      The complexity of the statocyst system appears to correlate with the complexity of a species’ movement and behavior, says Heike Neumeister, a researcher at the City University of New York. Squids and octopuses, which move rapidly around in three-dimensional space, for example, have highly adapted equilibrium receptor organs. Likewise, the nautilus, whose relatives were among the first animals to leave the bottom of the ocean and begin swimming and employing buoyancy, has a fairly advanced system. Each of its two statocysts is able to detect not only gravity, like the ctenophore’s, but angular accelerations as well, like those of octopuses, squids, and cuttlefishes (Phil Trans R Soc Lond B, 352:1565-88, 1997). “[Nautilus] statocysts are an intermediate state of evolution between simpler mollusks and modern cephalopods,” says Neumeister.

      These sensory systems may be damaged by the man-made noise now resonating throughout the world’s oceans. Michel André, a bioacoustics researcher at the Polytechnic University of Catalonia in Barcelona, Spain, started looking into the effects of noise pollution on cephalopods after the number of giant squid washing ashore along the west coast of Spain shot up in 2001 and then again in 2003. “The postmortem analysis couldn’t reveal the causes of the death,” recalls André. Nearby, however, researchers were conducting ocean seismic surveys, using pulses of high-intensity, low-frequency sound to map the ocean floor. Although, these animals don’t have ears, André and others wondered if that noise might be affecting the squids’ sense of balance.

      Sure enough, exposing squid, octopuses, and cuttlefish to low-frequency sound, which caused the animals’ whole bodies to vibrate, universally resulted in damage to their statocysts. Hair cells were ruptured or missing the statocysts themselves sometimes had lesions or holes even the associated nerve fibers suffered damage. As a result, the animals became disoriented, often floating to the water’s surface (Front Ecol Environ, doi:10.1890/100124, 2011). “They eventually died because they were not eating,” says André. “I don’t think that [anyone thought] that animals who could not hear would be suffering from acoustic trauma. . . . This is something we have to be concerned about.”

      Feeling the Flow

      © CLAUS LUNAU/SCIENCE SOURCE Light, sound, and odors travel through water very differently than they do in air. Accordingly, aquatic animals have sensory systems tuned to their fluid medium—most notably, the lateral line system. Observable as distinct pores that run along the flanks and dot the heads of more than 30,000 fish species, the lateral line is composed of mechanoreceptors called neuromasts—clusters of hair cells not unlike those found in the mammalian ear and vestibular system—that relay information about the velocity and acceleration of water flow.

      “If you live underwater, the water is often moving with respect to your body, and it’s carrying the environment with it,” says University of California, Irvine, biologist Matt McHenry, who studies the lateral line sense in fish. “To have some sense of where it’s going and how fast it’s going seems pretty fundamental. It makes a lot of sense that they would be tuned in to flow.” Despite more than 100 years of research on the lateral line, however, many questions remain about its structure and function, how the sense relays information to the nervous system, and how it affects fish behavior.

      NEUROMASTS: Clusters of hair cells project from the surface of a larval zebrafish’s skin to sense the water’s movement. (Cupula has been removed.) JURGEN BERGER/MAX PLANCK INSTITUTE FOR DEVELOPMENTAL BIOLOGY Transparent zebrafish larvae, whose surface lateral line structures can be observed without the need for dissection, are starting to yield answers. Using a high-power microscope, Jimmy Liao of the University of Florida’s Whitney Laboratory for Marine Science and his colleagues attach tiny glass probes to individual neuromasts and stimulate the mechanoreceptors with controlled vibrations. “We’re able to tickle an individual neuromast and record from the neuron that innervates that specific cluster,” he says. With this system, Liao’s team has found that a neuromast’s response to different water velocities depends on its position in space (J Neurophysiol, 112:1329-39, 2014). “If you bend [a neuromast] halfway and then give it a velocity, that’s very different than just giving it the velocity in its normal configuration,” Liao says.

      Liao and his collaborators have also determined that the sensors stimulate sensory neurons in a nonlinear fashion—that is, with increasing velocity, the nervous response only increases up to a certain point, then levels off (J Neurophysiol, 113:657-68, 2015). And the researchers have traced the nervous connections from neuromasts found on the flank of a fish’s body to specific locations within the posterior lateral line ganglion, a group of nerve cells outside the brain. Tail neuromasts are connected to afferent neurons found in the center of the ganglion, Liao says, while neuromasts closer to the head contact neurons on its periphery.

      When it comes to the specific role of lateral line sensing in fish behavior, however, the research is still somewhat murky. “We have a very crude understanding for what behaviors depend on this sense,” says McHenry. “At a receptor level, I think we have a pretty good handle for what kind of information they’re extracting, but in real-world applications it’s not clear why that’s useful a lot of the time.”

      HAIRLINE: Modified epithelial cells called hair cells—similar to those in the mammalian inner ear—are the work horses of the lateral line in fishes. Hair cells connect to afferent neurons and are grouped together into structures called neuromasts whose hairs are covered by a jelly-like secretion called the cupula. When moving water or vibrations trigger neuromasts, which sit inside pores on the head, body, and tail of the fish, hair cells stimulate neurons to relay information about velocity or acceleration to sensory ganglia distributed through the fish’s body. © LAURIE O'KEEFE One challenge is isolating sensory information detected by the lateral line from information detected by other fish senses, specifically vision, says Sheryl Coombs, an emeritus professor at Bowling Green State University who has spent decades studying the links between the lateral line sense and fish behavior. “Most behaviors rely on animals integrating information across the senses,” she says. “It’s difficult sometimes to pick apart the role of the lateral line because the senses act together in complementary ways, often.”

      To get around this problem, Coombs has studied nocturnal fish and species that live in complete darkness, such as the Mexican blind cave fish (Astyanax mexicanus), which often lacks eyes altogether. In this species, Coombs has found that the fish may use their lateral line sense to construct rudimentary maps of their surroundings. “They’re basically ‘listening’—for lack of a better word—to their own flow field that they create by moving through the water,” she says. “They create the flow, and then they’re listening to distortions in that flow created by the presence of the obstacle. It’s sort of analogous to echolocation in the sense that animals are producing a sound and they’re listening to how the sound bounces back.”

      Magnetoreception

      Mollusks, insects, birds, and some mammals are able to sense Earth’s magnetic field, but how they do so remains a mystery. In the last couple of decades, “most of the research [has focused] on proteins and genetics in the various animals, speculating on possible means of magnetoreception,” says Roswitha Wiltschko, who—along with her husband, Wolfgang Wiltschko—ran a magnetoreception lab at Goethe University Frankfurt, Germany, until she retired in 2012.

      Although the details are still unclear, most magnetoreception researchers have converged upon two key mechanisms: one based on magnetite, an iron oxide found in magnetotactic bacteria, mollusk teeth, and bird beaks and the other on cryptochromes, blue-light photoreceptors first identified in Arabidopsis that are known to mediate a variety of light-related responses in plants and animals.

      Once we have found magnetoreception structures reliably, we can start trying to understand how they convert the magnetic field into a neural response. —Roswitha Winklhofer
      Goethe University Frankfurt

      In 2001, Michael Winklhofer, then at Ludwig Maximilian University of Munich, and colleagues reported their identification of magnetite in the beaks of homing pigeons (Eur J Mineral, 13:659-69). A year earlier, Klaus Schulten of the University of Illinois at Urbana-Champaign and colleagues proposed that cryptochromes in the bird eye might also play a role in avian magnetoreception (A Sense of Mystery,” De wetenschapper, August 2013.)


      Over the years, support for this idea has emerged. In 2007, Henrik Mouritsen of the University of Oldenburg, Germany, and colleagues showed that blue light–exposed avian cryptochrome 1a indeed forms long-lived radical pairs (PLOS EEN, 2:e1106). And this April, Peter Hore of the University of Oxford and colleagues published a computer-based modeling study showing that light-dependent chemical reactions in cryptochrome proteins in the eyes of migratory birds could “account for the high precision with which birds are able to detect the direction of the Earth’s magnetic field,” the authors wrote (PNAS, 113:4634-39, 2016).

      Birds seem to use both the magnetite and the radical pair/cryptochrome–based mechanisms. Cryptochrome-based orientation has also been reported in Drosophila and cockroaches, and researchers have found evidence of magnetite-based navigation in animals from mollusks to honeybees. And there may be other components of magnetoreception still to discover, as scientists continue their search for magnetic sensory structures across the animal kingdom. Late last year, for example, biophysicist Can Xie of Peking University in Beijing and colleagues identified a Drosophila protein, dubbed MagR, that—when bound to photosensitive Cry—has a permanent magnetic moment, the researchers reported, meaning it spontaneously aligns with magnetic fields (Nat Mater, 15:217-26, 2015). The MagR/Cry complex, the researchers noted, exhibits properties of both magnetite-based and photochemical magnetoreception. (See “Biological Compass,” De wetenschapper, November 2015). The study was met with skepticism, however, and the results have yet to be independently verified.

      In addition to mechanism, questions remain about the function of magnetoreceptive capabilities. “Once we have found [magnetoreception structures] reliably, we can start trying to understand how they convert the magnetic field into a neural response, and at the brain level, how are the single responses processed and integrated with other navigational information to tell the animal where it is and where to go,” says Winklhofer.

      In the mid-1990s, for example, Wiltschko and her husband Wolfgang demonstrated that migratory birds called silvereyes (Zosterops lateralis) reacted to a strong magnetic pulse by shifting their orientations 90° clockwise, returning to their original headings around a week later (Ervaringen, 50:697-700, 1994). Magnetic field manipulations can also affect Drosophila navigation, John Phillips, now of Virginia Tech, has shown (J Comp Physiol A, 172:303-08, 1993). And Richard Holland, now of Bangor University, U.K., and colleagues showed in the mid-2000s that experimentally shifting the Earth’s magnetic field altered homing behavior in Eptesicus fuscus bats (Natuur, 444:702, 2006).

      “Some animals use their magnetic sense for long-distance navigation, some for magnetic alignment or orientation, and some animals may have the capability to sense the magnetic field but do nothing,” says Xie. Or, at least, nothing that has yet been recognized by researchers.

      —Tracy Vence

      Thermoreception

      HEAT SENSE: Pit organs consist of a large, hollow, air-filled outer chamber and a smaller inner chamber separated by a membrane embedded with heat-sensitive receptors. The receptors are innervated by the trigeminal ganglia (TG), which transmit the infrared signals to the brain. © LAURIE O'KEEFE Many animals are able to sense heat in the environment, but vampire bats and several types of snakes are the only vertebrates known to have highly specialized systems for doing so. Humans and other mammals sense external temperature with heat-sensitive nerve fibers, but pit vipers, boa constrictors, and pythons have evolved organs in their faces that the animals use to detect infrared (IR) energy emitted by prey and to select ecological niches. And vampire bats have IR receptors on their noses that let them home in on the most blood-laden veins in their prey.

      “Infrared sense is basically a souped-up [version] of thermoreception in humans,” says David Julius, a professor and chair of the physiology department at the University of California, San Francisco (UCSF), who studies this sense in snakes. The difference is, snakes and vampire bats “have a very specialized anatomical apparatus to measure heat,” he says.

      These IR-sensing apparatuses, known as pit organs, have evolved at least twice in the snake world—once in the ancient family that includes pythons and boas (family Boidae) and once in the pit vipers (subfamily Crotalinae), which includes rattlesnakes. Pythons and boas have three or more simple pits between scales on their upper and sometimes lower lips each pit consists of a membrane that is lined with heat-sensitive receptors innervated by the trigeminal nerve. Pit vipers, by contrast, typically have one large, deep pit on either side of their heads, and the structure is more complex, lined with a richly vascularized membrane covering an air-filled chamber that directs heat onto the IR-sensitive tissue. This geometry maximizes heat absorption, Julius notes, and also ensures efficient cooling of the pit, which reduces thermal afterimages.

      In 2010, Julius and Elena Gracheva, now at Yale University, identified the heat-sensitive ion channel TRPA1 (transient receptor potential cation channel A1) that triggers the trigeminal nerve signal in both groups of snakes (Natuur, 464:1006-11). The same channels in humans are activated by chemical irritants such as mustard oil or by acid, and the resulting signal is similar to those produced by wounds on the skin, Gracheva says. In snakes, these channels have mutated to become sensitive to heat as well.

      Vampire bats—which, true to their name, feed on the blood of other creatures—are the only mammals known to have a highly developed infrared sense. Like snakes, the bats have an innervated epithelial pit, which is located in a membrane on the bats’ noses. In 2011, Julius, Gracheva, and their colleagues identified the key heat-sensitive ion channel in vampire bats as TRPV1 (Natuur, 476:88-91). In humans, this channel is normally triggered by temperatures above 43 °C, but in the bats, it is activated at 30 °C, the researchers found.

      More than 30 years ago biologists Peter Hartline, now of New England Biolabs in Ipswich, Massachusetts, and Eric Newman, now at the University of Minnesota, found that information from the snake pit organ activates a brain region called the optic tectum (known in mammals as the superior colliculus), which is known to process visual input (Wetenschap, 213:789-91, 1981). The pit organ appears to act like a pinhole camera for infrared light, producing an IR image, Newman says. However, it’s impossible to know whether snakes actually “see” in infrared.

      “Unfortunately we don’t have a sensory map [of the brain] in snakes or vampire bats,” Gracheva agrees. “I don’t think we have enough data to say [these animals] can superimpose a sensory picture onto the visual picture, though it definitely would make sense.”

      —Tanya Lewis

      Electroreception

      Apullae of Lorenzini openings in great white shark skin © GARY BELL/OCEANWIDEIMAGES Sharks and other fish are well known for their ability to detect electric fields, with some species able to sense fields as weak as a few nanovolts per centimeter—several million times more sensitive than humans. But it turns out that they aren’t the only ones. In recent years, evidence for electroreception has been accumulating all over the animal kingdom: in monotremes (such as the platypus), crayfish, dolphins, and, most recently, bees.

      “The number of taxa that are now effectively known to detect weak electric fields is increasing,” says Shaun Collin of the University of Western Australia, “although some of these we don’t know very much about yet, and for some we only have evidence of a behavioral response.”

      ELECTRIC SLIDE: Sharks and other cartilaginous fish have highly specialized electroreceptive organs called the ampullae of Lorenzini. These bundles of sensory cells, situated at the end of jelly-filled pores in the skin, detect electric fields in the water surrounding the fish and send signals to the brain. © LAURIE O'KEEFE First formally described in the middle of the last century in weakly electric fish (J Exp Biol, 35:451-86, 1958), electroreception operates most effectively over less than half a meter in water—a more conductive medium than air. The sense is most frequently employed by aquatic or semi-aquatic animals to find prey in environments where other senses are less reliable—in murky or turbid water, for example, or where food can bury itself in sediment. Such “electrolocation” is usually passive, relying on bioelectric fields generated by the nerves and muscles of other animals, but some species, such as knifefish, measure distortions in electric fields that they themselves generate.

      Researchers have also documented other functions of electroreception. “Especially in the stingray family, it is used in social communication,” says Collin. “The opposite sex can use it to assess whether there’s a potential for mating, and discriminate that opportunity from something that could turn into predation.” And some baby sharks appear to use electroreception for predator aversion. According to research by Collin’s group, electric fields trigger a “freeze” response in bamboo sharks while they’re still in egg sacs (PLOS EEN, doi:10.1371/journal.pone.0052551, 2013).

      Electroreception is thought to be an ancestral trait among vertebrates that has subsequently been lost from several lineages (including the amniotes—the group comprising reptiles, birds, and mammals), and then re-evolved independently at least twice in teleost fish and once in monotremes. In 2011, researchers added cetaceans to that list, after discovering electroreception in the Guiana dolphin, a resident of murky coastal waters around South America that evolved its electroreceptors from what used to be whiskers (Proc R Soc B, doi:10.1098/rspb.2011.1127).

      Most electroreceptors consist of modified hair cells with voltage-sensitive protein channels, arranged in bundles that activate nerves leading to the brain. “The classic example is the ampullae of Lorenzini,” says Collin. Described in 1678 by Italian anatomist Stefano Lorenzini, ampullae are extensions of the lateral line system that are present in dense clusters over the heads of cartilaginous fish such as sharks and rays. Each ampulla consists of a bundle of electrosensory cells at the end of a pore filled with a hydrogel that was recently shown to have the highest reported proton conductivity of any known biological material (Sci Advances, 2:e1600112, 2016).

      But pinning down how any of these receptors operate at a molecular level remains a challenge, notes Clare Baker, a neuroscientist at the University of Cambridge. “We hardly know anything about the specific genes involved, or the genetic basis for building electroreceptors in the embryo,” she says, adding that the major animal models in fish and amphibians—zebrafish Danio rerio and frog genus Xenopus—both belong to lineages that have lost electroreception altogether.

      Baker’s group has adopted the paddlefish, a relative of the sturgeon, as a model organism. Electrosensitivity in these animals, as in other primitive vertebrates such as the axolotl, depends on modified hair cells that develop as part of the ancestral lateral line system and are homologous to the ampullary organs of sharks. Fate-mapping experiments in these species have identified candidate genes for electroreceptor development (Evol Dev, 14:277-85, 2012), and Baker says future work will use gene-editing technologies such as CRISPR-Cas9 to get a better grip on these genes’ functions.

      Meanwhile, the field is continuing to uncover surprises. In 2013, research from Daniel Robert’s group at the University of Bristol showed that bumblebees are capable of detecting the weak electric fields generated by flowers, and use this information to discriminate between food sources of differing quality (Wetenschap, 340:66-69). And earlier this year, the same researchers identified bees’ electrosensors as tiny hairs that move in the presence of electric fields (PNAS, 113:7261-65, 2016). “Electroreception provides another source of information,” says Robert, who suspects that a flower’s electric field may indicate to bees when nectar and pollen are available. “They’re really good at learning where the resources are.”

      For Collin, the Bristol team’s findings are indicative of how much more there is still to discover about electroreception. Even in large clades such as reptiles and birds, “there is circumstantial evidence that they might have electroreception, but there hasn’t been anything concrete,” he says. “There may well still be examples of functions we don’t even know about.”


      Slangen

      Some people refer to the infrared vision of snakes as a sixth sense. Snakes have receptors that allow them to see infrared in the dark thanks to protein channels that are activated by heat from the bodies of their prey.

      The snake family known as pit vipers, which includes pythons, boas, and rattlesnakes, have a particularly well-developed ability to sense heat in the dark thanks to their infrared vision. They have pits lined with heat sensors along their upper and lower jaws.


      Krabben

      Crabs are unable to move their eyes, but the creatures have an excellent visual field that helps them spot predators and prey.

      For instance, the fiddler crab (Uca vomeris) can see all around itself, including overhead, according to a 2009 study published in the Journal of Experimental Biology.

      The eye cells on top of the crab's stalks can perceive light and dark, but not fine detail. "The crab only needs to see one dark spot moving in its upward vision to know it must run for its burrow," study co-author Jan Hemmi, a senior lecturer of biology at the University of Western Australia said in a statement.


      5) Mantis Shrimp

      Power: Super Sight

      If the power of vision determined a species&rsquo place in the hierarchy of life, mantis shrimp would rank higher than eagles with night-vision goggles. The stupefying abilities associated with their eyes is almost incomprehensible. They can see the following: the spectrum of light visible to humans, polarized light, infrared and ultraviolet waves. They can even see heat!

      Basically, it can see the same spectra of light that requires humans to use thousands of dollars of equipment.

      Reason: This shrimp comes equipped with 12 different types of color photoreceptors, whereas humans have only 3.

      However, surprisingly, an experiment conducted on these shrimps concluded that humans were still better at discriminating between colors.

      After reading about all of these incredible creatures, which animal has the potential to be the best superhero?


      Bekijk de video: Infrarood- en ultraviolette straling (Januari- 2022).