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伸手不见五指的夜晚,昆虫怎么看得见?竟有着和相机类似的原理

当我们在黑暗中近乎失明的时候,猫却在外面奔跑着跟踪猎物,飞蛾在我们阳台上的花草树木间敏捷地飞翔,栖息在深海永恒黑暗中的鱼类照常吃喝睡。事实上,世界上绝大多数动物主要在昏暗的光线下活动,有着昼伏夜出的特性。我们人类似乎也有往这一方向进化的趋势,变成“夜猫子”。

在动物界,视觉系统亦经历了从简单到复杂的演化过程。对光敏感的结构称为光感受器(photoreceptor),它在单细胞动物中可能只是探测周围环境的明暗,而在多细胞动物中则逐渐复杂化——出现了杯状或囊状光感受器,演化出晶状体,可使光线聚焦,并形成清晰的图像(image)。

每当黑夜来临的时候,昆虫依靠它们不同于人但类似于相机的视觉系统感知周围世界。那么,他们进化出了什么光学和神经策略让他们在昏暗的光线下还能看得如此清楚?

为了回答这个问题,我们把注意力转向夜间活动的昆虫。尽管它们的视觉系统简单,但事实证明夜间活动的昆虫在昏暗的光线下看得非常清楚。

近年来,科学研究发现:夜间活动的昆虫可以在飞行过程中避开障碍物、辨别颜色、探测微小的运动、学习视觉标志,并利用视觉标志进行导航,它们甚至可以利用月球产生的微弱的天体偏振模式进行定位,并利用天空中的星体来导航,很难想象这些复杂的功能仅仅依靠比米粒还小的大脑。

在许多情况下,动物极强的视觉表现似乎与物理规律相抵触。举例来说,夜间活动的中美洲汗蜂——颊切叶蜂,只需要有五个光子进入它的小眼睛,便能引起一个微弱的视觉信号,让它能够看得见。在夜深人静的时候,强大的视觉能力允许它们在枝繁叶茂的雨林中觅食,并安全地回到巢穴——悬挂在森林中的一根不显眼的被掏空的棍子。

欧洲象鹰蛾,一种披着羽毛般的粉色和绿色鳞片的华丽生物,是已知的第一种夜间活动的动物,在夜深人静时采集花蜜。几年前,科学家发现这种蛾子能在夜间辨别颜色。

通过研究大脑视觉中心的神经回路,发现象鹰蛾通过有效地将它从空间和时间的不同点收集的光子叠加,类似于手机相机在你按下快门的一瞬间拍下多张照片,然后根据算法将多张照片叠加在一起,形成一张高像素照片。

象鹰蛾利同样的原理可以在昏暗的光线下清晰地看到物体,这是它用来在极暗的光线下看东西的神经技巧。这些把戏肯定也被其他夜间活动的昆虫使用。

同时,昆虫还会控制光进入眼睛的时间,这有点像在昏暗的光线下增加相机的曝光时间。通过让快门保持更长时间打开,更多的光到达图像传感器并产生更清晰明亮的图像。

不过这样做的不利的一面是,任何快速移动的东西——比如一辆路过的汽车,会产生重影,因此昆虫看不清快速一定的物体。不知大家有没有在夜晚骑车被昆虫“打脸”的经历,产生这种现象的原因之一就是重影,看不清。

为了将空间中的光子相加,相机可以将图像传感器的多个像素点汇集在一起,以创建更少但更大(因而对光更敏感)的“超级像素”。但是数码成像的传感器成像时像素点之间存在光电干扰,像素密度超过合理值会因光电干扰导致画质下降。在图像变得更亮的同时,图像反而不清晰,精细的空间细节也会消失。

因此为了综合提高相机的拍照水平,传感器厂商会根据理论和试验确定像素密度的最佳值域。但是对于一只夜间活动的动物来说,为了努力在黑暗中看东西,没有理论,唯一可行的就是进化。

千百万年的进化使昆虫能够看到一个更明亮、更粗糙、更慢的世界,而不是国内某些手机厂商一样一味的追求高像素,毕竟对于它们来说,看的亮可能比什么也看不见要好,这是唯一的选择。

生理学工作已经揭示了光子在时间和空间上的这种神经总和对夜间的象鹰蛾非常有益。在所有夜间光线强度下,从黄昏到黑夜,视神经求和大大提高了象鹰蛾在昏暗光线下的视觉。由于这些神经机制,象鹰蛾可以在比其他情况下暗100倍左右的光强下看到东西。

求和的好处是如此之大,以至于其他夜间活动的昆虫,很可能也像象鹰蛾一样依靠视神经求和在昏暗的光线下看得很清楚。

独特的视神经系统让夜间活动的昆虫敏锐度、分辨率降低,无法同在白天活动的昆虫,如苍蝇、蚊子一样快速地对外界环境的改变做出反应,但是却能确保形成足够明亮的图像,能够追逐和捕捉猎物,安稳的飞行,并在飞行中越过障碍。没有这种能力,它将和我们一样在黑夜中做一个“睁眼瞎”。

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