生命科學

黑暗中,牠為什麼看得見?

科學家過去認為大多數動物在光線微弱時無法看清楚周遭環境,其實動物的神經系統運用了一些招數,讓自身擁有絕佳夜視力。

撰文/丹斯(Amber Dance)
翻譯/王心瑩

生命科學

黑暗中,牠為什麼看得見?

科學家過去認為大多數動物在光線微弱時無法看清楚周遭環境,其實動物的神經系統運用了一些招數,讓自身擁有絕佳夜視力。

撰文/丹斯(Amber Dance)
翻譯/王心瑩

圖/不眠之眼:在黑暗中,林蛙可以區辨藍色和綠色。


太陽餘暉從枝葉間灑落,夜幕降臨濃密且悶熱的雨林。薄暮籠罩著巴拿馬的巴洛科羅拉多島,高聳且長滿尖刺的木棉、棕櫚樹和一些灌木逐漸模糊,直到人眼看不清楚,只能透過樹梢看見頭頂閃耀的小片星空。吼猴讓黑夜為之沉靜,蟋蟀則展開大合唱。


薄暮中,一隻夜行性的汗蜂(Megalopta genalis)從30公分的中空枝條巢穴裡爬出來,牠有凸出的眼睛、綠色金屬光澤的頭部和淺褐色的腹部,十分渴求花粉與花蜜。飛走之前,牠回頭望著枝條,上頭有一張科學家放的黑白條紋卡片。附近的枝條巢穴也有卡片,不過是灰色素面。


汗蜂飛走之後,瑞典隆德大學的動物學家華倫特(Eric Warrant)和同事把條紋卡片移至另一個巢穴。汗蜂回來後迅速直接飛進條紋巢,以為那是牠的巢穴,這顯示汗蜂可以看見此類視覺訊號並加以運用。華倫特說:「即使牠們處於最昏暗的光度,要看見這個訊號也毫無困難。」(他指出,人類追蹤這種昆蟲如果沒有戴夜視鏡,就會「直直撞上樹木」,因為太暗了。)


汗蜂非凡的夜視力只有一部份源自眼睛的適應,例如較大的晶狀體,這確實能增進汗蜂的光敏度。但夜行性昆蟲找到巢穴時的亮度,應該連雨蛙都覺得不夠亮。華倫特推論,除了眼睛以外,汗蜂的腦部也能處理微弱光線,因而在日落後還能飛行。


數十年來,科學家猜測大多數生物與人類一樣,在夜間只能看見黯淡無色的景象。他們認為夜行性動物的活動仰賴其他感官,例如嗅覺和聽覺。如今有一波新研究顛覆這項猜測。華倫特解釋:「我們向來自認很了解動物在黑暗中的視覺清晰度,但很少人真正研究過。」等到研究人員開始窺探這個黑暗世界,才發現能在夜間看見極度清晰景象的物種十分普遍。


舉例來說,蛾類、蛙類和壁虎都能在夜間區辨顏色,而研究人員本身只看見灰階景色。對顏色差異較敏感的動物具有優勢,因為要在明亮或黯淡光源下區分物體,色調會比光度這種不含色彩的指標更可靠,有助於牠們在黑暗中尋找食物、巢穴或配偶。隆德大學感官生物學家克爾柏(Almut Kelber)表示:「真的很驚人,這麼多動物能在黯淡光源下如此活躍,人們活動受限時,牠們仍能表現一些行為。」


夜間飛行的秘訣在於眼睛和腦部之間的神經連結。這些動物視覺系統裡的神經細胞可把極少的光線加成起來,產生較亮的圖像,並把可能干擾影像的其他雜訊小心除掉。神經細胞執行這類加成時,方法是把鄰近的輸入訊號全部抓在一起,或是把單一位置在一段時間之內的輸入訊號加總起來,基本上就是降低視覺感知的速度,讓事物變得比較明亮。


夜間區辨色彩


人類以及大部份脊椎動物和無脊椎動物的眼睛,都有一些細胞做為光受器(photoreceptor),用來偵測光線,稱為錐細胞和桿細胞。白晝時主要使用錐細胞,它們受到紅、綠、藍光等入射光子的撞擊,會把訊號送回腦部,讓人類有絕佳的色彩視覺,但在黑暗中不太有反應。在黯淡光源中,我們必須仰賴比較敏感的桿細胞,它們會一起運作,把少量入射光的資訊聯合起來,然而它們往往只區分深淺灰階。


華倫特、克爾柏和另一位同事巴肯紐斯(Anna Balkenius)在2002年的研究中,率先發表動物具有夜間色彩視覺。研究人員把天蛾(hawkmoth)放進實驗室的籠子,訓練牠們把藍色或黃色的人造花與糖水獎勵連結起來。他們先用類似薄暮的照明展開測試,接著把光源調至黯淡星光的程度,隨著環境變暗,天蛾仍可區辨藍色和黃色。這項研究之後,克爾柏團隊又發現木蜂(carpenter bee)和壁虎具有夜間色彩視覺。她也很想測試果蝠和貓頭鷹的色彩視覺,牠們高超的夜間獵捕技巧通常歸因於聽覺靈敏或眼睛很大。


蛙類也可以在黑暗中區辨藍色和綠色。芬蘭赫爾辛基大學的動物生理學家杜納(Kristian Donner)和同事測試林蛙的趨光性。蛙類常有跳向光源的行為,杜納想知道牠們對不同色光是否有偏好。數十年前就有實驗室測試蛙類的桿細胞,顯示有些蛙類對藍光特別有反應,其他蛙類則對綠光有反應。為了找出與蛙類行為有關的細胞差異,杜納的團隊把17隻林蛙放進兩側各有一個開口的桶子,一次放一隻。科學家在一側照射藍光,另一側照射綠光;接著改變光的強度,測量林蛙跳躍的頻率和方向。......