Tema

Så ser djur på världen

För 540 miljoner år sedan skedde en explosionsartad ökning av djurliv på jorden. I detta relativa ögonblick satte också utvecklingen av synförmågan fart. Idag vet forskarna inte bara hur ögat utvecklats – utan kan också med specifika kameror avbilda hur djur upplever det ögat ser.

Den första slags ljuskänsligheten hos djur var till för att uppfatta dygnsrytm och havsdjup. För det var så klart i havet som allt började. Årmiljonerna förflöt, och när mörkt pigment tillfördes detta uröga blev ljusmätaren också riktningskänslig. Allt mer avancerade ögon utvecklades under tidens gång. Vissa ögonblick under evolutionen har varit avgörande.

– Ska man studera ögats utveckling, kan man inte med någon större framgång göra det genom att titta på den mest avancerade slutprodukten, konstaterar zoologen Dan-Eric Nilsson  vid Lunds universitet, som forskat om ögats evolution i decennier.

Han och hans forskargrupp försöker nu ta reda på i detalj hur ögat fungerar hos olika djur. Nyligen publicerade de resultat som visar att fåglar kan navigera genom täta gröna lövverk tack vare sin känslighet för uv-ljus. En förmåga som människan saknar, eftersom vårt öga inte uppfattar så korta väglängder. Men vi kommer till det.

Vanorna formade synförmågan

Djurriket består av ett 30-tal olika stammar. Av dessa är det bara tre som utvecklat en högupplöst syn: Leddjuren (som insekter och spindlar), ryggradsdjuren och bläckfiskar. Bara dessa kan kommunicera med varandra inom arten med hjälp av synen, vara rovdjur och se byten på håll.

Av de övriga djurgrupperna har ungefär hälften lågupplöst syn, vilket innebär att de endast kan skilja på ljus från olika riktningar. Vad har då djuren för nytta av en sådan risig syn?

Ett svar kommer från den studie på kubmaneter som Dan-Eric Nilssons forskarlag genomfört. Kubmaneterna, som tillhör gruppen nässeldjuren, använder sin syn för att leta upp rätt habitat: ställen där det finns gott om mat och där livsbetingelserna är optimala. Eftersom de inte kan se sin föda är det avgörande för maneterna att kunna söka sig till rätt plats.

– De simmar till exempel inte in i mangroveträdens rötter, inte heller sköljs de upp på stranden när de når grunt vatten. De klarar av att särskilja alla miljöer de utsätts med sina lågupplösta ögon, säger Dan-Eric Nilsson.

Men det är en sak att förstå vad djur använder sina ögon till. En helt annan sak är att se och förstå hur de uppfattar sin omgivning.

Simulerar djurens syn på saker

För att simulera vad djur ser har forskarna i Lund tagit fram flera olika kameror. För att studera synen hos djur med primitiva ögon utgår den från noggranna analyser av det specifika ögats geometri, man mäter brytningsindex och räknar ut hur strålarna rör sig i ögat. Utifrån detta får forskarna fram ett beräkningsfilter. Filtret får”sudda ut” bilder tagna med en kamera som ser skarpare än djuret, och endast tar upp ljus inom de våglängder som djuret är känsligt för. Resultatet blir en bild av hur djuret uppfattar sin omvärld.

– När man tittar på vissa av bilderna tänker man: Fasen de ser ju ingenting! De är verkligen halvblinda. Men vi tittar med vår hjärna som är konstruerad för att upptäcka saker som är viktiga för oss. Information som är intressant för dem går oss förmodligen förbi.

Skillnaden på hur människan (med högupplöst syn) och klomasken (med lågupplöst syn) uppfattar världen.

Den kambriska explosionen kallas den kraftiga ökningen av komplext, flercelligt djurliv som inträffade under en relativt kort period i början av kambrium för 540 miljoner år sedan. Innan dess finns mycket lite i fossilen som vittnar om djurs existens.

En vedertagen hypotes är att djur vid den tidpunkten utvecklade god synskärpa och därmed blev visuellt styrda rovdjur. För att ha nytta av sådana synegenskaper, måste man vara lite större och kunna röra sig hyggligt snabbt. Och för att kunna detta måste man skaffa sig ett skelett som musklerna kan fästa på. Allt detta ledde till ett enormt predations- och selektionstryck.

– Det är nya beteenden som drivit på utvecklingen av synen. Nya beteenden har skapat hjärnans, rörelseorganens, sinnenas och ögats evolution, säger Dan-Eric Nilsson.

Men tillbaka till fåglarna och deras känslighet för uv-ljus. Vad forskargruppen i Lund visade med hjälp av sin specifikt utformad kamera var att fåglarnas färgseende gör att de får en helt annan verklighetsuppfattning än vi människor, bland annat att fåglarna ser kontraster i täta lövverk i skogen där människor bara ser en grön vägg.

Till vänster ett lövverk såsom vi människor normalt ser det. Till höger samma lövverk fotograferat med en specialkamera som i mycket hög grad efterliknar färgseendet hos fåglar. Bild: Cynthia Teodor

Människans färgseende bygger på tre grundfärger: rött, grönt och blått. Fåglarnas bygger på samma färger. Plus ultraviolett. Det är fåglarnas fjärde grundfärg, ultraviolett, som gör att de ser världen på ett helt annat sätt än människor.

Tappade tappar för dinosauriernas skull

Ryggradsdjur är i allmänhet tetrakromater, vilket innebär att de har fyra slags tappar (rött, blått, grönt och ultraviolett). Det gäller till exempel fiskar, reptiler och fåglar. Primaterna däremot har tre slags tappar (rött, blått och grönt) medan övriga däggdjur endast har två (blått och grönt). Hur blev det så?

Allt är dinosauriernas fel. Eller förtjänst hur man väljer att se det. För under dinosaurietiden lönade det sig nämligen att bli ett nattdjur och undvika giganternas dygnsrytm. I samband med detta tappade(!) däggdjurens förfader två av sina tappar och fick dikromatiskt färgseende. Och så är det än idag. Det är bara primaterna, och däribland människorna, som senare – för cirka 20 till 40 miljoner år sedan – genom en genduplikation gjorde om kopian av den grönkänsliga tappen till en rödkänslig dito.

Vad behövde vi de röda tapparna till?

 – Kanske för att vi var fruktätare. Det gjorde att vi kunde skilja en mogen frukt mot ett grönt bakgrund. Hundar och katter klarar inte av det. De kan inte skilja ett löv från ett rött äpple. För oss är det ju en väldig skillnad. Det är den existerande hypotesen.

Så nu när tekniken finns för att se och förstå hur djur uppfattar sin omvärld, öppnar sig en helt ny värld för synforskarna. Och där står insekterna högt på Dan-Eric Nilssons önskelista.

Tillsammans med forskningsinstitutet Sokendai i Yokohama i Japan har man inlett en studie av fjärilars syn och synintryck. Michiyo Kinoshita är ansvarig för forskarlaget i Yokohama.

Vad använder fjärilen sin syn till?

– Främst för att hitta specifika blommor när de letar mat och för att känna igen vingmönster hos artfränder vid parning. Att de uppfattar så många fler färger än andra djurarter, ger dem helt klart en konkurrenskraftig fördel, säger doktor Michiyo Kinoshita och fortsätter:

– Jämför man med till exempel bin och flugor, är fjärilen bättre på att urskilja specifika våglängder i flera olika frekvensområden.

Som exempel nämner hon ”japanese yellow swallowtail butterfly” (Papilio xuthus) som kan skilja på väglängder med en nanometers exakthet i tre olika våglängdsregioner, vilket gör den till världsmästare i djurriket i grenen våglängdsprecision. Hon berättar att de hos Papilio xuthus, förutom de fyra vanliga fotoreceptorerna som tetrakromater har, registrerat ytterligare två.

Papilio xuthus, världsmästare i våglängdsprecision.

Vissa fjärilar har tidigare antagits vara pentakromater, men det saknas resultat som visar att någon fjärilsart använder sig av en femdimensionell färgrymd trots att ögat har fem eller fler typer av receptorer med olika färgkänslighet.

– Vi vet hittills inte användningsområdet för dessa extra receptorer. Men det kan vara så att de bidrar till bättre nattseende eller spektralspecifika beteenden.

Därför ser människor sämre än stålmannen

Människan då? Ja på dagtid har vi oerhört bra synskärpa. Där är det inte många däggdjur som klår oss. Men varför ser vi inte ännu bättre? Varför ser vi inte lika bra som stålmannen?

– Det finns en fysikalisk gräns för hur mycket man kan se som beror på ljusets fysikaliska natur. Både dess våg- och dess partikelnatur, förklarar Dan-Eric Nilsson.

Rent morfologiskt måste ett öga vara av en viss storlek för att kunna lösa upp små detaljer. Om pupillen blir mindre kommer bilden att suddas ut av ljusets fysikaliska natur. Gör man istället pupillen större utan att öka storleken på ögat blir bilden suddig på grund av avbildningsfel på näthinnan. Det är en delikat avvägning och enligt Dan-Eric Nilsson ligger människan på den gränsen.

– Ska man ha ett bra öga måste man satsa på ett rejält nervsystem i hjärnan, och det kostar också energi. Dessutom måste du ha en rörelseapparat där du kan reagera och ta vara på den syninformationen. Annars är det ju meningslöst, säger Dan-Eric Nilsson.

Och riktigt samma rörelseapparat som stålmannen har vi ju inte riktigt. Inte än i alla fall.

Visste du att…

En modern kamera har några miljoner pixlar. Människan har cirka en halv miljon pixlar per öga. Väldigt enkla ögon i djurriket har bara mellan 10 till 40 pixlar.

Det räcker egentligen med två pixlar för att det definitionsmässigt ska vara fråga om ett bildseende.

Lågupplöst syn som duger till att hitta rätt habitat har mellan 20 och 300 pixlar.

Bananflugan har ungefär 600 pixlar vilket anses ses vara gränsen för när man kan börja använda synen för mer avancerade beteenden.

USA:s nationalfågel, den vithövdade örnen, har en synskärpa på dagtid som är 2,5 gånger bättre än människans. Den har också större ögon som upptar nästan hela huvudet.

Text: Magnus Erlandsson på uppdrag av forskning.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Så ser djur på världen

 lästid ~ 8 min