Eläinten näkökyky pimeässä on hämmästyttävän lähellä fysiikan asettamia ehdottomia rajoja

9.10.2020
Kun yrität ottaa kuvaa hienosta maisemasta iltahämärissä, olet varmasti huomannut, että kamera ei kykene toistamaan samaa tunnelmaa kuin mitä silmäsi näkee. Ihmisen näköaistin suorituskyky hämärässä valaistuksessa on tutkitusti parempi kuin minkään elektronisen laitteen. Helsingin yliopistossa ja Aalto yliopistossa tehdyssä tutkimuksessa paljastui, että oikeissa olosuhteissa sammakon hämäränäkö ylittää kirkkaasti ihmisen näköaistin varsin hyvän suorituskyvyn.

Sanna Koskela Helsingin yliopiston bio- ja ympäristötieteellisessä tiedekunnasta tutki väitöskirjassaan hämäränäön herkkyyttä kahdella eri selkärankaisella mallilajilla: sammakolla ja hiirellä. Koskela keskittyi erityisesti siihen, miten eläinten näkösuoritus käyttäytymisen tasolla lähestyy yksittäisten valohiukkasten ja biologisen kohinan asettamia ehdottomia fysikaalisia rajoja.

– Väitöskirjassani näytän kuinka hämmästyttävän lähelle fysiikan asettamia rajoja näkösuoritus voi päästä useassa eri käyttäytymistehtävässä. Suorituskyky riippuu kuitenkin kontekstista ja käyttäytymistehtävän merkityksestä eläimelle sekä aivojen sen hetkisestä tilasta, kuvailee Koskela. 

Valo jakautuu yksittäisiin hiukkasiin, joita kutsutaan fotoneiksi ja esimerkiksi yötaivaan tähdistä tulee vain muutamia fotoneja silmän valoaistinsoluille. Hämäränäöstä vastaava valoaistinsolut eli sauvat kykenevät vastaamaan jopa yksittäisiin valon hiukkasiin ja me kykenemme aistimaan jopa muutamien valohiukkasten vasteet silmässä. Lisähaasteen hämäränäölle asettaa biologinen kohina, jota väistämättä syntyy kaikissa hermoston mekanismeissa, koska jokaiseen molekyyliin ja biologiseen prosessiin liittyy tietty määrä satunnaisvaihtelua. 

Koskela selvitti sammakoiden värinäön herkkyyttä lähes pilkkopimeässä. Sammakkoeläimet ovat mielenkiintoisia koska niillä on muista selkärankaisista poiketen kahdenlaisia sauva-valoaistinsoluja hämäränäköön. Värinäköön tarvitaan vähintään kahdenlaisia valoaistinsoluja, jotka vastaavat eri valon aallonpituuksiin eli väreihin. Koskela osoitti, että sammakot pystyvät erottamaan värejä valaistuksessa, missä ihmiset eivät pysty. Lisäksi Koskela havaitsi, että sammakkoeläinten värinäön kynnysherkkyys riippuu käyttäytymistehtävästä – Koskela korostaa, että aistinvarainen erotuskyky riippuu myös evolutiivisista valinnoista ja eläimen käyttäytymistilasta.

Hämäränäön herkkyys voi olla erilainen yön ja päivän välillä 

Silmässä on oma biologinen kello ja silmä myös välittää aivojen biologiselle kellolle tiedon valojaksoista. Onkin oletettu, että näönherkkyys voisi sopeutua ennakoivasti valtaviin valon intensiteetin muutoksiin yön ja päivän välillä. Koskela havaitsi, että yöllä hiiret todellakin erottivat hyvin heikkoja valoja pimeässä jopa kymmenen kertaa paremmin kuin päivällä. 

– Yllätykseksemme tämä ei johtunut muutoksista silmän valoherkkyydessä, vaan parempi suorituskyky yöllä johtui sekä tehokkaammasta käyttäytymisstrategiasta että tarkemmasta näkötiedon käsittelystä aivoissa, sanoo Koskela. Näytimme lisäksi, että hiiret pystyvät hyödyntämään tehokkaampaa strategiaa myös päiväsaikaan, jos ovat ensin suorittaneet tehtävän yöllä. 

Näkeminen vaatii sekä valojen että varjojen havaitsemista. Koskela määritti mikä on heikon mahdollinen varjo, jonka hiiri voi havaita heikossa taustavalossa. Tämä kysymys on jäänyt verrattain huomiotta, vaikkakin varjojen havaitseminen on evolutiivisesti tärkeä niin saaliseläinten kuin saaliiden havaitsemisessa. Koskela havaitsi, että hiiret pystyvät erottamaan hämmästyttävän himmeitä varjoja, joissa vain muutamat valohiukkaset puuttuvat satojen sauvasolujen joukossa suhteessa taustavaloon. Koskelan mukaan täydelliseen suorituskykyyn nähden valohiukkasia menetetään väistämättä kun silmän verkkokalvo pyydystää valohiukkasia, mutta aivojen käyttäytymistä ohjaava suorituskyky on tässä tehtävässä lähes täydellistä.

Koskela on tehnyt tutkimustyönsä Prof. Petri Ala-Laurilan ja Prof. Kristian Donnerin tutkimusryhmissä Helsingin yliopiston ja Aalto yliopiston muodostamassa tutkimusympäristössä.

Väitös:

FM Sanna Koskela väittelee 9.10.2020 kello 16 Helsingin yliopiston bio- ja ympäristötieteellisessä tiedekunnassa aiheesta "The limits of visual sensitivity and its circadian control". Väitöstilaisuus järjestetään osoitteessa Metsätalo, sali 1, Unioninkatu 40, Helsinki. Vastaväittäjänä on PhD, Chief of the Section on Light and Circadian Rhythms Samer Hattar, National Institute of Health, ja kustoksena on professori Juha Voipio.

Väitöskirja julkaistaan sarjassa Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis. Väitöskirja on myös elektroninen julkaisu ja luettavissa Heldassa.