Light senses

Das Sehen wird von Tieren verwendet, um die Anordnung ihrer Umgebung zu bestimmen, und daher ist dieser Sinn besonders wichtig für die Fortbewegung. Bei Tieren mit Augen, die eine gute Auflösung haben, kann das Sehen verwendet werden, um Objekte anhand ihres geometrischen Aussehens zu identifizieren; Dies erfordert jedoch ein ausgeklügeltes Gehirn, wie es bei Wirbeltieren, Kopffüßern wie Tintenfischen und höheren Arthropoden wie Bienen und springenden Spinnen vorkommt. Das gesamte Sehen oder die Photorezeption beruht auf Photorezeptoren, die ein spezielles lichtdetektierendes Molekül enthalten, das als Rhodopsin bekannt ist. Rhodopsin detektiert elektromagnetische Strahlung – Licht mit Wellenlängen im Bereich von 400-700 Nanometern (1 nm = 10−9m). Es gibt einige Tiere, die Infrarotstrahlung (Wellenlängen größer als 700 nm) erkennen können; Zum Beispiel verwenden einige Schlangen Infrarotstrahlung, um warmblütige Beute zu lokalisieren, und bestimmte Käfer können damit Waldbrände erkennen. Tiere, die Wellenlängen im Infrarotbereich erfassen, tun dies jedoch eher mit Rezeptoren, die Wärme oder mechanische Ausdehnung wahrnehmen, als mit Photorezeptoren.

Das Rhodopsinmolekül der Photorezeptoren besteht aus einem Protein namens Opsin, das die Zellmembran mit sieben Helices überspannt. Diese bilden eine Struktur mit einem zentralen Hohlraum, der eine Chromophorgruppe enthält, die beim Menschen als Retinal bezeichnet wird — der Aldehyd von Vitamin A. Wenn Retinal ein Lichtphoton absorbiert, ändert es seine Konfiguration (von der gebogenen 11-cis-Form zur geraden All-Trans-Form) und löst eine Reihe molekularer Reaktionen aus, die innerhalb weniger Millisekunden zu einer Änderung des Ionenflusses durch die Zellmembran führen. Bei Wirbeltieren bewirkt Licht das Schließen von Natriumkanälen, während bei den meisten wirbellosen Licht zum Öffnen von Natriumkanälen führt. Eine der Funktionen des Opsinmoleküls besteht darin, die Chromophorgruppe so zu „stimmen“, dass sie auf einen bestimmten Wellenlängenbereich reagiert. So ermöglichen verschiedene Opsine mit unterschiedlichen Aminosäuresequenzen, dass ein Organismus Rezeptoren mit unterschiedlichen spektralen Antworten hat; Dies ist die Grundlage des Farbsehens. Beim Menschen sind die Stäbchen, die für die Nachtsicht verwendet werden und für einzelne Photonen empfindlich sind, maximal empfindlich gegenüber blaugrünem Licht (496 nm), und die drei Klassen von Zapfen, die das Farbsehen bei Tageslicht vermitteln, sind maximal empfindlich gegenüber blauem (419 nm), grünem (531 nm) und rotem (558 nm) Licht. Bei Bienen, die ebenfalls Farbsehen haben, sind die drei Maxima in Richtung kürzerer Wellenlängen verschoben — Ultraviolett (344 nm), Blau (436 nm) und Grün (556 nm). Ultraviolettrezeptoren kommen auch bei Vögeln und Fischen vor.

Viele Wirbellose haben die Fähigkeit, polarisiertes Licht zu sehen und zu analysieren. Polarisation entsteht durch atmosphärische Streuung und Reflexion an glatten Oberflächen wie Wasser. Im polarisierten Licht haben alle Photonen ihre elektrischen Felder in der gleichen Ebene vibrieren; dies kann durch Photorezeptoren nachgewiesen werden, wenn die Moleküle entsprechend ausgerichtet sind. Die vorstehende Mikrovillusstruktur wirbelloser Rezeptoren macht dies möglich. Viele Insekten verwenden Polarisation, um die Richtung der Sonne zu ermitteln, wenn der Himmel bedeckt ist, und andere verwenden sie, um Wasseroberflächen zu erkennen.

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Die optischen Systeme der Augen zerlegen das Licht nach seiner Ursprungsrichtung und bilden so Bilder, die zur Navigation und Mustererkennung verwendet werden können. Es gibt ungefähr 10 Möglichkeiten, Bilder zu erstellen, einschließlich Nadellöchern, Linsen und Spiegeln. Von diesen haben die einkammerigen „Kamera-Augen“ von Wirbeltieren und Kopffüßern die beste Auflösung. Das menschliche Auge kann Streifen im Abstand von 1 Bogenminute (1/60 von 1 °) auflösen; dies ist um ein Vielfaches besser als das Facettenauge einer Biene, das Objekte im Abstand von etwa 2,8 ° bis 5,4 ° auflösen kann.