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La vista è un senso residuo per le specie degli oceani profondi?

La vista è un senso residuo per le specie degli oceani profondi?


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La luce del sole non penetra oltre un paio di centinaia di piedi dalla superficie dell'oceano. Le specie che esistono a maggiore profondità vivono probabilmente in uno stato di perenne notte; eppure da una rapida ricerca di immagini su Google (sono d'accordo che non sia una fonte molto autorevole) per le specie oceaniche profonde vedo che molte di queste hanno occhi.

Così…

  • Gli organi della vista nelle specie degli oceani profondi sono semplicemente un residuo di un'era precedente?
  • Se sono un residuo, l'evoluzione/mutazione ha modificato questi organi nel tempo?
  • Indipendentemente dal fatto che gli organi della vista siano organi vestigiali per le specie oceaniche profonde, come fanno i bulbi oculari a resistere all'estrema pressione dell'acqua negli abissi?

Non posso rispondere alla tua terza, ma posso rispondere alle tue prime due. Con una parola, infatti:

Bioluminescenza

http://brightnepenthe.blogspot.com/2010/08/palate-cleanser-90.html

Questo è l'oceano profondo di notte per te. A differenza degli ambienti sotterranei e delle grotte, non è nero come la pece praticamente da nessuna parte nell'oceano. Ci sono cose da vedere ovunque e svolgono un ruolo importante nelle relazioni predatore/preda e/o nell'accoppiamento. L'assenza di luce naturale rende le cose più difficili da vedere, ma è per questo che vedi gli enormi occhi sulle specie che vivono molto in basso. Quindi, no! Gli occhi sulle creature dell'oceano profondo non sono vestigiali. Sono molto funzionali (e, semmai, probabilmente aumentati in sensibilità).

Le basi sono riassunte qui: http://www.lifesci.ucsb.edu/~biolum/functions.html


La risposta fornita da @MCM contiene una parte importante di informazioni (Bioluminescenza!) Ma non risponde interamente alla domanda. Innanzitutto, correggiamo un malinteso nella domanda.

La luce del sole penetra oltre i 200 metri nell'oceano. L'intensità non è sufficiente per la fotosintesi (e quindi nessun fitoplancton sotto i 200 m) ma le profondità tra 200-1000 m possono ricevere abbastanza luce solare per la visione.

La regione tra 200-1000 m è chiamata mesopelagica. Poiché c'è abbastanza luce per la visione, molte specie mesopelagiche hanno occhi per vedere. Poiché la luce è estremamente debole (gli esseri umani non sarebbero in grado di vedere), le specie mesopelagiche tendono ad avere occhi molto grandi per raccogliere quanta più luce possibile. La vista è molto importante per le specie mesopelagiche.

Al di sotto dei 1000 m si raggiunge il batipelagico (e, proseguendo più in profondità, l'abissopelagico e l'adopelagico). Qui, la penetrazione della luce è insufficiente per la visione. Al di sotto dei 1000 m è buio pesto. Nel batipelagico (e più profondo), si tende a vedere una riduzione delle dimensioni degli occhi e talvolta una completa perdita degli occhi. La bioluminescenza è ancora presente (sebbene molto più comune nei pesci mesopelagici) ma molto meno importante. Il costo fisiologico di produrre e mantenere gli occhi è energeticamente costoso, quindi la maggior parte delle specie che vivono al di sotto dei 1000 m hanno occhi molto deboli, se non li hanno.

Poiché gli occhi delle specie batipelagiche (e più profonde) svolgono ancora la loro funzione originale, direi che gli occhi degli organismi di acque profonde non sono vestigiali, nel senso di aver perso completamente la loro funzione originale o di servire una nuova funzione.


L'affascinante ricerca sull'evoluzione della visione di squali e raggi rivela che gli squali non possono vedere i colori

Tutti i pesci cartilaginei, simili ai mammiferi marini, hanno perso i geni dell'opsina SWS1 e SWS2. Gli squali e le razze contengono fotorecettori sia a bastoncello che a cono, tuttavia è stato scoperto che i raggi possiedono due geni dell'opsina conica. Credito: Nathan Hart, Macquarie University

La vista è un senso cruciale per la maggior parte degli animali e i vertebrati hanno evoluto un insieme altamente adattabile di geni dell'opsina che generano pigmenti sensibili alla luce per decodificare l'immagine retinica. Queste opsine includono un'opsina a bacchetta per aiutare a vedere in condizioni di scarsa illuminazione e quattro classi di opsine a cono per vedere in piena luce e rilevare i colori attraverso lo spettro della luce visibile.

Nel corso dell'evoluzione, queste opsine sono state alterate, perse o duplicate in molte specie per fornire adattamenti unici per la visione a terra, in aria e sott'acqua. Ad esempio, la maggior parte degli uccelli ha mantenuto l'intero complemento di un bastoncello e quattro geni dell'opsina conica presenti nei primi pesci con la mascella, e sono quindi tetracromi conici. Al contrario, la maggior parte dei mammiferi terrestri placentari ha perso le opsine coniche sensibili al blu e RH2 SWS2 sensibili al verde e ha mantenuto (oltre all'opsina dell'asta RH1) solo le opsine coniche sensibili al viola SWS1 e LWS sensibili al rosso, rendendole dicromatiche a cono. Alcuni primati hanno successivamente duplicato l'opsina del cono LWS per produrre un terzo pigmento del cono e sviluppare la tricromia familiare agli esseri umani.

Tutti i pesci cartilaginei, simili ai mammiferi marini, hanno perso i geni dell'opsina SWS1 e SWS2. Gli squali e le razze contengono fotorecettori sia a bastoncello che a cono, tuttavia i raggi possiedono due geni dell'opsina conica mentre gli squali hanno un solo cono. Si scoprì quindi che gli squali avevano perso la capacità di vedere i colori. Credito: Nathan Hart, Macquarie University

Precedenti studi hanno dimostrato che nella loro transizione verso il mare, la maggior parte dei mammiferi marini ha perso anche la classe del gene dell'opsina SWS1, per diventare monocromatici conici con la visione mediata dall'opsina LWS. Il risultato è una visione dei colori inesistente (o minima) in foche, delfini e balene. E si è scoperto che le balene che si immergono in profondità hanno successivamente perso tutte le classi di coni e conservano solo il pigmento dei bastoncelli, con un impatto potenzialmente drammatico sulla loro gamma di sensibilità visiva.

Finora si sapeva poco dell'evoluzione della vista nei pesci cartilaginei, in particolare negli squali e nei loro cugini genetici, le razze.

"Abbiamo caratterizzato l'identità molecolare dei pigmenti visivi retinici espressi in cinque specie di squali e quattro specie di razze, concentrandoci su specie poco profonde note o che probabilmente possiedono fotorecettori a cono e quelle che riempiono particolari lacune filogenetiche", ha affermato. autore corrispondente Nathan Hart.

Nel nuovo studio del suo team, hanno dimostrato che tutti i pesci cartilaginei, simili ai mammiferi marini, hanno perso i geni dell'opsina SWS1 e SWS2. Gli squali e le razze contengono fotorecettori sia a bastoncello che a cono, tuttavia i raggi possiedono due geni dell'opsina conica mentre gli squali hanno un solo cono. Si scoprì quindi che gli squali avevano perso la capacità di vedere i colori.

"Inoltre, abbiamo fornito misurazioni delle caratteristiche spettrali dei pigmenti visivi espressi in nove specie di razze e due specie di squali", ha affermato Hart. “Possiamo ora confermare che tutte le specie di squalo studiate fino ad oggi sembrano essere monocromatici a cono, ma riportiamo che in specie diverse l'opsina a cono singolo può appartenere alla classe di opsine LWS o RH2.

“In generale, la discriminazione del colore può essere utile per comportamenti come il rilevamento delle prede, l'evitamento dei predatori e la scelta del compagno. Dato che molte specie di raggi trascorrono considerevoli periodi di tempo riposando o parzialmente sepolte nel substrato, la visione dei colori può invece aiutare a rilevare i predatori in avvicinamento attraverso il miglioramento del contrasto visivo o l'eliminazione dello sfarfallio acromatico.”

Hart sostiene che gli ambienti oceanici e la gamma di condizioni di luce durante la caccia potrebbero aver causato molti degli adattamenti unici dell'opsina per gli squali.

“A causa dell'assorbimento, della riflessione e della dispersione da parte dell'acqua stessa e di qualsiasi sostanza disciolta o sospesa, la maggior parte degli habitat acquatici è caratterizzata da un basso contrasto visivo. Inoltre, molti squali sono attivi sia di giorno che di notte e devono quindi operare con un'ampia gamma di intensità luminose. È quindi probabile che gli squali operino spesso vicino alla soglia delle loro capacità visive, dove gli svantaggi dei circuiti della visione a colori potrebbero essere dannosi per la sopravvivenza.”

Lo studio ha fornito il quadro più dettagliato finora della diversità delle opsine espresse nelle retine degli elasmobranchi, che include razze e squali.

“Le nostre scoperte sono importanti anche per comprendere l'evoluzione della visione cromatica basata sui coni tra i vertebrati. In generale, questo ritorno alla monocromia del cono indipendentemente in diversi taxa acquatici, principalmente e secondariamente, suggerisce che la visione dei colori è di scarso valore per molti grandi predatori marini.”

Il team di Hart ha anche tracciato una divergenza temporale evolutiva per i geni dell'opsina negli squali e nelle razze e ha collocato queste linee temporali nel contesto più ampio dell'evoluzione della visione dei vertebrati.

Le cinque classi principali di geni dell'opsina visiva presenti nei vertebrati (SWS1, SWS2, RH1, RH2 e LWS) si sono evolute prima della divergenza delle lamprede agnataniche dagli gnatostomi oltre 540 Ma.

“Sembra che i geni dell'opsina SWS1 e SWS2 siano stati persi da questo lignaggio in seguito alla sua separazione dai pesci ossei 460 Ma e prima della divergenza dell'olocefalo (chimere) e degli elasmobranchi (squali, razze e razze) 420 Ma . Pertanto, sembra probabile che solo i geni dell'opsina RH1, RH2 e LWS siano stati mantenuti nei condritti ancestrali (pesci cartilaginei), con una successiva duplicazione genica all'interno del lignaggio olocefalo che ha dato origine a due copie del gene dell'opsina LWS nello squalo elefante Callorhinchus milii.”

Lo studio è stato pubblicato di recente nell'edizione online avanzata di Biologia Molecolare ed Evoluzione.

Riferimento: “Visual Opsin Diversity in Sharks and Rays” di Nathan S Hart, Trevor D Lamb, Hardip R Patel, Aaron Chuah, Riccardo C Natoli, Nicholas J Hudson, Scott C Cutmore, Wayne IL Davies, Shaun P Collin e David M Hunt, 26 novembre 2019, Biologia Molecolare ed Evoluzione.
DOI: 10.1093/molbev/msz269


Chimica della bioluminescenza

Indipendentemente dal fatto che sia vomitata, prodotta nelle cellule o prodotta da batteri, la luce viene creata dalla stessa reazione di base. In questa reazione, una piccola molecola organica, chiamata substrato, viene ossidata. La reazione richiede energia ed è aiutata da un enzima.

Ci sono circa quattro diversi substrati negli organismi marini, tutti chiamati luciferine, lo stesso nome che diamo al substrato nelle lucciole. L'enzima è chiamato luciferasi, di nuovo lo stesso nome usato nelle lucciole. Mescola questi ingredienti insieme, in una cella o nell'acqua stessa, e ottieni luce.


Visione a infrarossi

Qualsiasi cosa calda emette luce a infrarossi, inclusi te e me. Gli umani non possono vederlo senza occhiali speciali, ma alcuni animali possono. Questo trucco è molto utile per i serpenti, che usano la loro capacità di rilevare la luce infrarossa per individuare i piccoli mammiferi che intendono mangiare a cena. I serpenti in realtà non usano i loro occhi per vedere la luce infrarossa, ma usano invece recettori sensibili alla temperatura nei loro volti o nelle labbra.

I serpenti sono gli animali più famosi per la loro visione a infrarossi, ma non sono gli unici. Anche alcune rane e alcuni pesci possono vedere il calore.


Cinque cose da sapere sulla demo tecnica 2021 di NOAA Ocean Exploration

I ricercatori preparano il veicolo subacqueo autonomo dell'OMS, Orfeo per la sua prima immersione approfondita di 2021Tech Demo. Durante la dimostrazione, i ricercatori a bordo dei NOAA's Esploratore di Okeanos testerà diverse tecnologie emergenti che ci consentiranno potenzialmente di esplorare più a fondo, più lontano e più velocemente di quanto fosse possibile in precedenza. (Foto per gentile concessione di NOAA Ocean Exploration, dimostrazione tecnologica 2021)

Nonostante il fatto che l'oceano copra circa il 70% della superficie terrestre e svolga un ruolo fondamentale nel sostenere la vita sul nostro pianeta, dall'aria che respiriamo e dal cibo che mangiamo ai modelli meteorologici e climatici, solo una piccola parte del nostro oceano è stata esplorato, e gran parte di tale esplorazione è avvenuta in acque meno profonde. Le profondità dell'oceano sono luoghi con temperature quasi gelide, acqua salata corrosiva, luce limitata o assente e pressioni estreme, che li rendono incredibilmente difficili da raggiungere ed esplorare senza la giusta tecnologia.

Questa settimana, il veicolo subacqueo autonomo di WHOI, Orfeo, sta per fare la sua prima immersione profonda nella dimostrazione tecnologica 2021 di NOAA. Durante la spedizione, i ricercatori a bordo dei NOAA's Esploratore di Okeanos testerà diverse tecnologie emergenti che ci consentiranno potenzialmente di esplorare più a fondo, più lontano e più velocemente di quanto fosse possibile in precedenza. I dati raccolti con queste tecnologie, se combinati con il lavoro più tradizionale svolto tramite sonar e veicoli telecomandati dispiegati direttamente da navi di ricerca, ci aiuteranno a colmare le lacune nella nostra comprensione delle profondità oceaniche e a migliorare la nostra capacità di identificare, comprendere, proteggere e gestire risorse oceaniche per le generazioni presenti e future.

Ecco cinque cose fondamentali da sapere sulla spedizione:

Orfeo e Euridice i veicoli subacquei autonomi (AUV) forniranno l'accesso ad alcune delle parti più profonde del nostro oceano mondiale: Orfeo e Euridice sono stati progettati da WHOI in collaborazione con il Jet Propulsion Laboratory della NASA per resistere alla pressione nell'oceano fino a 10.000 metri (6,2 miglia) di profondità, fornendo accesso ad alcune delle parti più profonde del nostro oceano, inclusa la zona hadal. Questi AUV sono piccoli, leggeri, a basso costo, dispiegabili da navi di ricerca e navi di opportunità di tutte le dimensioni e richiedono un supporto tecnico specializzato minimo. L'integrazione di un sistema basato sulla visione per la stima della posizione relativa sviluppato dal Jet Propulsion Laboratory della NASA, simile al sistema Terrain Relative Navigation utilizzato sul rover Mars Perseverance, consentirà agli AUV di rilevare rapidamente e autonomamente la loro posizione rispetto al fondo marino per evitare pericoli e riconoscere le caratteristiche del fondale marino che possono essere di interesse scientifico. Dotato di telecamere per rilevare il fondale marino e possibilità di personalizzazione per soddisfare i diversi obiettivi della missione, Orfeo e Euridice può aiutare a rispondere a domande fondamentali su cosa vive nelle parti più profonde del nostro oceano.

La zona hadal, che comprende tutto ciò che è più profondo di 6.000 metri (3,7 miglia), è uno degli habitat più poco studiati e misteriosi sulla Terra, il che significa che c'è ancora molto da scoprire e da capire. Ora noto per supportare una vasta gamma di vita, esplorare la zona hadal ci aiuterà a capire la composizione e la distribuzione delle specie animali in questa parte dell'oceano e come si sono evolute per sopravvivere sotto immenso freddo, pressione e oscurità. Mentre Orfeo e Euridice non raggiungerà profondità di hadal durante la dimostrazione tecnologica del 2021, questa distribuzione, supportata dal NOAA Ocean Exploration Cooperative Institute, è un passo importante per rendere operativi gli AUV.

Ciò che impariamo dall'esplorazione dell'oceano potrebbe far progredire l'esplorazione dello spazio e viceversa: gli ambienti estremi dell'oceano profondo della Terra possono imitare condizioni estreme nello spazio, rendendo il nostro oceano un buon posto per testare nuove tecnologie per l'esplorazione dello spazio (e viceversa). Esaminando i paralleli nell'esplorazione dell'oceano e dello spazio, possiamo sviluppare strumenti e tecnologie migliori per studiare la vita sia sulla Terra che nello spazio. Pressioni alle profondità hadal che Orfeo e Euridice possono esplorare sono più o meno quelle che gli ingegneri si aspettano di incontrare quando e se una sonda sarà mai in grado di penetrare nel guscio di ghiaccio di Europa per esplorare il fondo marino di quel mondo oceanico.

L'eDNA (DNA ambientale) può permetterci di identificare la biodiversità e la composizione delle specie da un singolo campione di acqua di mare o sedimento: il materiale genetico rilasciato dagli organismi nell'ambiente, noto come DNA ambientale, o eDNA, può essere analizzato per stabilire una linea di base di comunità struttura e biodiversità nell'ecosistema marino e per rilevare specie invasive, fioriture algali dannose, agenti patogeni e parassiti, specie migratorie, specie criptiche, specie in via di estinzione e altro ancora. Le tecniche eDNA sono non distruttive e non invasive e possono migliorare l'accesso a ecosistemi difficili da raggiungere come l'oceano profondo. Inoltre, possono fornire dati biologici completi e accurati con maggiore efficienza, con conseguente accesso pubblico tempestivo alle informazioni. Durante la dimostrazione tecnologica del 2021, NOAA Ocean Exploration sta collaborando con il Northwest Fisheries Science Center di NOAA Fisheries per pilotare protocolli di campionamento sul campo eDNA su Esploratore di Okeanos.

Le operazioni di mappatura estenderanno la copertura della mappatura batimetrica delle acque degli Stati Uniti: la mappatura dei fondali marini è il primo passo per esplorare il nostro oceano. Eppure, nonostante il fatto che l'oceano copra il 70% della superficie del nostro pianeta, meno del 20% del fondale marino globale è stato mappato con la moderna tecnologia ad alta risoluzione. Dati raccolti durante questa spedizione, con un sistema sonar multibeam avanzato sulla nave NOAA Esploratore di Okeanos e gli AUV, contribuiranno a colmare le lacune cartografiche sull'altopiano di Blake, che si trova al largo degli Stati Uniti sudorientali. Nuovi dati di mappatura raccolti in questa regione negli ultimi anni da NOAA Ocean Exploration e dai suoi partner stanno trasformando la comprensione scientifica di quest'area e hanno portato alla recente scoperta di alcune delle più estese formazioni contigue di barriere coralline di acque profonde della nazione.

Il testo di questa storia era basato sulla pagina web delle risorse multimediali per la dimostrazione della tecnologia 2021 di NOAA Ocean Exploration.

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Simon Thorrold, ecologista oceanico

Simon Thorrold è un ecologista oceanico presso la Woods Hole Oceanographic Institution. Usa tecniche che abbracciano la geochimica degli isotopi, il sequenziamento del DNA di nuova generazione e l'etichettatura satellitare per studiare l'ecologia di un'ampia varietà di specie oceaniche. Di recente ha scoperto che le verdesche usano tunnel oceanici di acqua calda, o vortici, per immergersi nella zona crepuscolare dell'oceano, dove si nutrono in acque ricche di sostanze nutritive a centinaia di metri di profondità. Nato in Nuova Zelanda, Simon ha ricevuto il suo B.S. dall'Università di Auckland e Ph.D. della James Cook University, Queensland settentrionale, Australia. Con gran parte del suo lavoro nel Pacifico meridionale e nei Caraibi, Simon ha fatto molte crociere, registrando 1.000 ore di immersioni subacquee e 800 ore in ambienti tropicali. È uno scienziato presso la Woods Hole Oceanographic Institution dal 2001.

Gregory Skomal, biologo degli squali

Il dottor Gregory Skomal è un affermato biologo marino, esploratore subacqueo, fotografo e autore. È stato uno scienziato della pesca con la Divisione della pesca marina del Massachusetts dal 1987 e attualmente dirige il programma di ricerca sugli squali del Massachusetts. È anche docente a contratto presso la University of Massachusetts School for Marine Science and Technology e scienziato aggiunto presso la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI). Ha conseguito un master presso l'Università del Rhode Island e un dottorato di ricerca. dell'Università di Boston. Per più di 30 anni, Greg è stato attivamente coinvolto nello studio della storia della vita, dell'ecologia e della fisiologia degli squali. La sua ricerca sugli squali ha attraversato il globo dalle acque gelide del Circolo Polare Artico alle barriere coralline nel Pacifico centrale tropicale. Gran parte della sua attuale ricerca è incentrata sull'uso della telemetria acustica e della tecnologia di tagging satellitare per studiare l'ecologia e il comportamento degli squali. Greg è un appassionato subacqueo e fotografo subacqueo dal 1978. Ha scritto dozzine di articoli di ricerca scientifica ed è apparso in numerosi documentari cinematografici e televisivi, inclusi programmi per National Geographic, Discovery Channel, BBC e numerose reti televisive. Il suo libro più recente, The Shark Handbook, è un must per tutti gli appassionati di squali. È un Boston Sea Rover e membro dell'Explorers Club, la sua casa e il suo laboratorio si trovano sulla costa meridionale del Massachusetts.

Robert Ballard, esploratore oceanico

Robert Ballard, esploratore oceanico

Robert D. Ballard è Fondatore e Presidente dell'Ocean Exploration Trust Direttore del Center for Ocean Exploration e Professore di Oceanografia presso la Graduate School of Oceanography dell'Università del Rhode Island. È Explorer-At-Large presso la National Geographic Society, Commissioner for the U.S. Commission on Ocean Policy e Research Scholar presso la Woods Hole Oceanographic Institution. Ha prestato servizio nella Marina degli Stati Uniti per più di 30 anni e continua a lavorare con l'Office of Naval Research. Pioniere nello sviluppo di sommergibili d'altura e sistemi di veicoli telecomandati, ha preso parte a più di 155 spedizioni d'altura. Nel 1985 ha scoperto l'RMS Titanic, ed è riuscito a rintracciare numerosi altri naufragi significativi, tra cui la corazzata tedesca Bismarck, la flotta perduta di Guadalcanal, la portaerei statunitense Yorktowne la barca di John F. Kennedy, PT-109. Ha anche scoperto bocche idrotermali e "fumatori neri" nel Galapagos Rift e nell'East Pacific Rise nel 1977 e nel 1979. Autore di numerosi libri, articoli scientifici e articoli, è apparso in diversi National Geographic programmi televisivi, tra cui “Segreti del Titanic" una miniserie in cinque parti, "Alien Deep con Bob Ballard". e, nel 2019, “Expedition Amelia”. Era un consigliere speciale di Steve Spielberg nello show televisivo futuristico seaQuest DSV. I suoi onori includono 22 dottorati onorari, National Geographicil più alto riconoscimento, la Medaglia Hubbard e una Medaglia National Endowment for the Humanities. È stato eletto Fellow dell'American Academy of Arts and Sciences nel 2014.

Timothy Shank, biologo di acque profonde

Tim Shank, biologo di acque profonde

Timothy Shank è un biologo di acque profonde, scienziato associato presso il dipartimento di biologia ed ex direttore dell'Istituto di esplorazione oceanica presso l'istituto oceanografico di Woods Hole. È noto per le sue ricerche sull'ecologia e l'evoluzione della fauna nei sistemi idrotermali, sottomarini, canyon e fosse profonde degli oceani profondi. Ha condotto più di 60 spedizioni scientifiche negli oceani Artico, Atlantico, Pacifico e Indiano. Tim ha completato più di 50 immersioni nel sommergibile azionato dall'uomo Alvin, e più di 100 immersioni con veicoli subacquei autonomi e telecomandati, incluso il primo utilizzo di un ROV . ibrido (Nereo) nelle fosse più profonde dell'oceano . È l'autore del pluripremiato libro best-seller “ Alla scoperta del profondo”.

Sunita Williams, astronauta della NASA

L'astronauta della NASA Sunita L. Williams

Sunita L. Williams (Suni) è stato selezionato come astronauta dalla NASA nel 1998 ed è un veterano di due missioni spaziali Expeditions 14/15 e 32/33. Attualmente si sta addestrando per la prima missione post-certificazione della navicella spaziale Starliner di Boeing - il secondo volo con equipaggio per quel veicolo - e la sua terza missione di lunga durata a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Williams e i suoi compagni di equipaggio stanno lavorando a stretto contatto con Boeing per sviluppare i loro nuovi sistemi di veicoli spaziali, che forniranno servizi di trasporto dell'equipaggio di andata e ritorno alla Stazione Spaziale Internazionale e, insieme a CrewDragon di SpaceX, restituiranno la capacità di lanciare umani nello spazio dal suolo degli Stati Uniti.

Kirstin Meyer-Kaiser, biologa WHOI

Kirstin Meyer-Kaiser, biologa WHOI

Kirstin Meyer-Kaiser è Assistant Scientist presso il Dipartimento di Biologia della Woods Hole Oceanographic Institution. La sua ricerca esplora come le larve di invertebrati del fondo marino come anemoni e stelle marine si disperdono in habitat isolati simili a isole, come le larve si stabiliscono e colonizzano nuovi siti e come le loro comunità cambiano nel tempo. Kirstin è attualmente ricercatore principale per un progetto interdisciplinare sui naufragi nel Santuario marino nazionale di Stellwagen, incluso il piroscafo Portland , spesso chiamato “New England’s Titanic.” Questo progetto utilizza una tecnologia all'avanguardia per costruire modelli fotogrammetrici 3D del Portland e di altri relitti per la ricerca archeologica e biologica e la gestione delle risorse. Kirstin ha anche progetti in corso nell'Artico e sulle barriere coralline di Palau. Il suo lavoro la porta spesso sott'acqua utilizzando veicoli telecomandati e SCUBA e la porta negli angoli più remoti del mondo.


Discussione

L'orientamento altamente significativo verso un target che comprendeva solo il 2,4% (=0,3/4π) del campo visivo degli echinoidi suggerisce che Echinometra ha una forma limitata di visione spaziale. La sua incapacità di orientarsi verso bersagli più piccoli suggerisce inoltre che il bersaglio 33° è vicino alla dimensione minima che può essere rilevata. Sebbene scarsa per gli standard dei vertebrati, questa risoluzione spaziale è paragonabile a quella delle specie con occhi meno sviluppati (Land e Nilsson, 2002 Warrant e Locket, in corso di stampa) ed è la prima prova di visione spaziale in un echinoderma, o qualsiasi specie con un sistema fotorecettivo diffuso.

La metà dell'arena contenente il bersaglio nero era, ovviamente, più scura della metà senza il bersaglio, quindi è possibile che Echinometraè semplicemente sottoposto a fototaxi. Ci sono due argomenti contro questo. Innanzitutto, la metà dell'arena con il bersaglio è solo leggermente più scura della metà senza il bersaglio (supponendo che il bersaglio non rifletta luce), richiedendo all'echinoide di avere una sensibilità al contrasto estremamente buona (∼2,4% Fig. 3). Alcuni vertebrati possono rilevare differenze di radianza di circa l'1-2% in condizioni ideali (Douglas e Hawryshyn, 1990). Tuttavia, le regioni con radianze differenti devono essere adiacenti e separate da un confine netto (Land e Nilsson, 2002). I cambiamenti graduali nella luminosità, in particolare su un ampio campo visivo, sono molto più difficili da rilevare. Anche il movimento continuo verso direzioni leggermente più scure sarebbe disadattivo, dato che l'ambiente degli echinoidi ha molti cambiamenti sottili (ed ecologicamente privi di significato) di luminosità. In secondo luogo, l'orientamento dell'echinoide verso il bersaglio era piuttosto forte, con un terzo degli animali che colpiva il bersaglio stesso, suggerendo che erano in grado di determinarne con precisione la posizione.

La soglia di contrasto minima richiesta per rilevare la presenza di un bersaglio nero a 33° per una data risoluzione spaziale. Il grafico viene calcolato convolundo l'immagine del bersaglio con la funzione di trasferimento di modulazione per una data risoluzione spaziale e quindi determinando il contrasto massimo dell'immagine convoluta (vedi Johnsen et al., in corso di stampa per i dettagli). Le immagini sopra il grafico mostrano l'aspetto del bersaglio se visto da sistemi visivi con risoluzioni spaziali di 1°, 33°, 60° e 120° (da sinistra a destra).

La soglia di contrasto minima richiesta per rilevare la presenza di un bersaglio nero a 33° per una data risoluzione spaziale. Il grafico viene calcolato convolundo l'immagine del bersaglio con la funzione di trasferimento di modulazione per una data risoluzione spaziale e quindi determinando il contrasto massimo dell'immagine convoluta (vedi Johnsen et al., in corso di stampa per i dettagli). Le immagini sopra il grafico mostrano l'aspetto del bersaglio se visto da sistemi visivi con risoluzioni spaziali di 1°, 33°, 60° e 120° (da sinistra a destra).

L'esatta risoluzione spaziale dell'echinoide non può essere determinata dai risultati di questo studio perché un singolo oggetto su uno sfondo vuoto può essere rilevato da sistemi visivi con una risoluzione inferiore alle dimensioni dell'oggetto. Tuttavia, ciò richiede una sensibilità al contrasto molto elevata. La Fig. 3 mostra la soglia di contrasto minima richiesta per rilevare la presenza del bersaglio a 33° in funzione della risoluzione spaziale. Ad esempio, se l'echinoide ha una risoluzione spaziale di 90°, è necessaria una soglia di contrasto minima del 9,5% per rilevare il target di 33°. Questo è ancora piuttosto basso per il rilevamento di confini graduati. È solo quando la risoluzione spaziale scende a circa la dimensione angolare del bersaglio che diventa facilmente rilevabile, richiedendo una soglia di contrasto minima del 50%.

Intrigante l'orientamento altamente significativo verso il bersaglio 33° e la completa assenza di orientamento verso il bersaglio 26°. Mentre l'area di quest'ultimo obiettivo è solo il 54% dell'area del primo, ci si potrebbe aspettare un orientamento debole verso l'obiettivo più piccolo. Entrambe le specie di Echinometra cercare rifugio nelle fessure della roccia (McClanahan, 1999). È quindi possibile che i bersagli più piccoli vengano rilevati ma non considerati sufficientemente grandi da fornire un riparo adeguato. Tuttavia, mentre l'obiettivo di 16° è effettivamente più piccolo del tipico rifugio per queste specie, l'obiettivo di 26° non lo è. Inoltre, le fessure più piccole sono spesso preferite perché offrono una maggiore protezione (Schneider,1985). Pertanto, una spiegazione comportamentale per la mancanza di orientamento al bersaglio 26° appare meno probabile di una fisiologica.

La risoluzione spaziale di Echinometra può essere dovuto alla schermatura della luce dalle spine. Proprio come i pigmenti schermanti negli ommatidi degli occhi composti, le spine limitano il campo visivo angolare di ciascuna porzione della parete corporea fotosensibile assorbendo e riflettendo la luce che non colpisce la superficie più o meno perpendicolarmente (Fig. 4A). Le superfici aborali di E. viridis e E. luunter hanno circa 100-150 spine, risultando in una distribuzione angolare media di una spina ogni 12-16°. Dalla teoria dei segnali, i dettagli possono essere risolti su angoli che sono il doppio della risoluzione angolare del rivelatore. Pertanto, la risoluzione spaziale prevista è 24-32°, suggerendo che le spine potrebbero essere responsabili della risoluzione osservata. È necessaria cautela, tuttavia, perché la distribuzione angolare delle spine è piuttosto variabile. Inoltre, le regioni fotosensibili sottoposte al test possono avere esse stesse una sensibilità direzionale.


Nel profondo, buio, i pesci dell'oceano hanno evoluto una visione superpotente

Quando gli antenati dei pesci delle caverne e di alcuni grilli si trasferirono in caverne nere come la pece, i loro occhi praticamente scomparvero nel corso delle generazioni. Ma i pesci che solcano il mare a profondità maggiori di quelle in cui la luce solare può penetrare hanno sviluppato una supervisione, molto in sintonia con il debole bagliore e luccichio emesso da altre creature. Devono questo potere, hanno appreso i biologi evoluzionisti, a uno straordinario aumento del numero di geni per le opsine dei bastoncelli, proteine ​​retiniche che rilevano la luce fioca. Quei geni in più si sono diversificati per produrre proteine ​​in grado di catturare ogni possibile fotone a più lunghezze d'onda, il che potrebbe significare che, nonostante l'oscurità, i pesci che vagano nelle profondità dell'oceano vedono effettivamente a colori.

La scoperta "scuote davvero il dogma della visione in acque profonde", afferma Megan Porter, una biologa evoluzionista che studia visione all'Università delle Hawaii a Honolulu, che non è stata coinvolta nel lavoro. I ricercatori avevano osservato che più un pesce vive in profondità, più semplice è il suo sistema visivo, una tendenza che pensavano sarebbe continuata fino al fondo. "Il fatto che [gli abitanti più profondi] abbiano tutte queste opsine significa che c'è molta più complessità nell'interazione tra la luce e l'evoluzione nel mare profondo di quanto pensassimo", dice Porter.

A una profondità di 1000 metri, l'ultimo barlume di sole è sparito. Ma negli ultimi 15 anni, i ricercatori si sono resi conto che le profondità sono pervase da una debole bioluminescenza di gamberi, polpi, batteri e persino pesci lampeggianti. La maggior parte degli occhi dei vertebrati riusciva a malapena a rilevare questo sottile luccichio. To learn how fish can see it, a team led by evolutionary biologist Walter Salzburger from the University of Basel in Switzerland studied deep-sea fishes' opsin proteins. Variation in the opsins' amino acid sequences changes the wavelength of light detected, so multiple opsins make color vision possible. One opsin, RH1, works well in low light. Found in the eye's rod cells, it enables humans to see in the dark—but only in black and white.

Salzburger and his colleagues searched for opsin genes in 101 fish species, including seven Atlantic Ocean deep-sea fish whose genomes they fully sequenced. Most fish have one or two RH1 opsins, like many other vertebrates, but four of the deep-sea species stood apart, the researchers report this week in Scienza. Those fish—the lantern-fish, a tube-eye fish, and two spinyfins—all had at least five RH1 genes, and one, the silver spinyfin (Diretmus argenteus), had 38. "This is unheard of in vertebrate vision," says K. Kristian Donner, a sensory biologist at the University of Helsinki.

To make sure the extra genes weren't just nonfunctional duplicates, the team measured gene activity in 36 species, including specimens of 11 deep-sea fish. Multiple RH1 genes were active in the deep-sea species, and the total was 14 in an adult silver spinyfin, which thrives down to 2000 meters. "At first it seems paradoxical—this is where there's the least amount of light," Salzburger says.


'Blind' Mole Rats Can See, Study Confirms

Mole rats spend nearly all their lives underground, but they are not blind as was long thought, and are even color-sensitive, new research confirms.

Anatomical research has shown that the tiny eyes of these subterranean creatures are ill-suited for their activities of navigating dark tunnels and making rare trips aboveground.

However, mole rats also plug their tunnels to keep out predators. According to a Czech study, two species of African mole rats appeared to use their limited vision to do so.

Detecting light from holes in their tunnels enables mole rats to quickly plug the holes to keep out predators like honey badgers and humans.

"Mole rats are a traditional food in many African regions," study researcher Ondřej Kott, a doctoral student at the University of South Bohemia, wrote in an e-mail.

In addition to detecting light, mole rats showed a limited sensitivity to colors during the researchers' experiments. They responded to blue and green-yellow light, but not to red. It was unclear whether they can distinguish between blue and green or green-yellow.

In the maze

To simulate a hole-plugging scenario, the researchers placed the silvery mole rat and the giant mole rat into a maze of Plexiglas tunnels containing horticultural peat. Once they had the animals inside, the researchers covered the maze but illuminated the end of one tunnel with a 40-watt incandescent bulb. They then recorded whether the mole rats used the peat to block the light.

The giant mole rat tried to plug the hole in 80 percent of trials, and the silvery mole rat did so 85 percent of the time.

In a related test, mole rats were supplied with food and nesting material and given the choice between two nesting boxes, one dark and the other illuminated by white or monochromatic light. After 60 and 90 minutes, researchers checked the nesting boxes to see where the mole rats had settled down.

Mole rats preferred the dark box, avoiding the boxes illuminated by white, blue, or green-yellow light. However, they seemed to have no preference between a dark box and a box illuminated by red light, suggesting the animals couldn't detect red.

Life underground

The first behavioral evidence that mole rats can distinguish between light and dark was reported in 2006, according to Kott. With this latest study, the ability to discriminate between light and dark is documented in five species of African mole rats. Separate research has characterized the eye and neural anatomy in 11 of the 22 known species.

"Broadly speaking, all species are well-equipped for image-forming vision but severely constrained in terms of visual acuity," Kott told LiveScience. In this family of rodents, "the brain only resolves a coarsely 'pixelated' image of the outside world."

There is plenty of other evidence that these subterranean rodents have not adapted to use their eyes in dark tunnels or aboveground. Most African mole rats have small lenses in their eyes that do not effectively collect light, and they lack the adaptations seen in nocturnal mammals for low-light vision. They also appear poorly equipped to orient themselves in the three-dimensional environment they would encounter on the ground, according to Kott.

African mole rats are not alone among subterranean mammals in possessing limited vision. Light-avoidance behavior has been documented in moles and in the misleadingly named blind mole rat. (Blind mole rats are not members of the African mole rat family.)


No eyes? Nessun problema. Marine creature expands boundaries of vision

WASHINGTON (Reuters) - A cousin of the starfish that resides in the coral reefs of the Caribbean and Gulf of Mexico lacks eyes, but can still see, according to scientists who studied this creature that expands the boundaries of the sense of sight in the animal kingdom.

Researchers said on Thursday that the red brittle star, called Ophiocoma wendtii, is only the second creature known to be able to see without having eyes - known as extraocular vision - joining a single species of sea urchin.

It possesses this exotic capability thanks to light-sensing cells, called photoreceptors, covering its body and pigment cells, called chromatophores, that move during the day to facilitate the animal’s dramatic color change from a deep reddish-brown in daytime to a stripy beige at nighttime.

Brittle stars, with five radiating arms extending from a central disk, are related to starfish (also called sea stars), sea cucumbers, sea urchins and others in a group of marine invertebrates called echinoderms. They have a nervous system but no brain.

The red brittle star - up to about 14 inches (35 cm) from arm tip to arm tip - lives in bright and complex habitats, with high predation threats from reef fish. It stays hidden during daytime - making the ability to spot a safe place to hide critical - and comes out at night to feed on detritus.

Its photoreceptors are surrounded during daytime by chromatophores that narrow the field of the light being detected, making each photoreceptor like the pixel of a computer image that, when combined with other pixels, makes a whole image. The visual system does not work at night, when the chromatophores contract.

“If our conclusions about the chromatophores are correct, this is a beautiful example of innovation in evolution,” said Lauren Sumner-Rooney, a research fellow at Oxford University Museum of Natural History who led the study published in the journal Current Biology.

Laboratory experiments indicated the brittle stars have rudimentary vision. Placed in a circular arena, they moved toward walls that were white with a black bar, suggestive of a daytime hiding place.

Another scenario showed they were not simply detecting brightness versus darkness. When they were presented with gray walls making it so no part of the arena was lighter or darker overall, they still moved toward the black stripe, which was centered on a white stripe so as to reflect the same amount of light as the gray.

“It’s such an alien concept for us, as very visually driven animals, to conceive of how an animal might see its habitat without eyes, but now we know of two examples,” Sumner-Rooney added.


Vision and a Carpet of Light

The eyes of the White Shark are moderately large, suggesting that vision is fairly important to this species' way of life. In structure and function, the eyes of the Great White and other sharks are remarkably similar to our own - with a few interesting and important differences mixed in. Perhaps because we are such visually dominated creatures ourselves, sight is perhaps the most studied and best understood of shark senses. Until recently, however, we knew next to nothing about the visual capabilities of the White Shark. What little we did know had to be gleaned from studies on other species.

The shark eye is essentially a hollow ball equipped with all the features one would expect in that a typical vertebrate: cornea, iris, lens, and retina. The cornea is the clear, outer covering of the vertebrate eye. In humans, it is responsible for about 81 percent of the eye's total focusing power (which is why even small irregularities in the cornea can cause such serious visual impairment in humans). However, since seawater has an optical density almost identical to that of corneal tissue, sharks must rely on the spherical lens to handle the task of focusing light within the eye. In sharks and humans, the amount of light entering the eye is controlled by the iris. The iris is contractile sheet of muscle perforated by an opening called a pupil. Under conditions of low light, iris muscles contract to dilate the pupils (those of many deep-sea sharks are permanently dilated, to capture what little light flickers in their realm of perpetual darkness) under high light conditions, the iris muscles relax and the pupil contracts. As unimpressive as this may seem to humans, accustomed to having their pupils dilate and contract continually, realize that no teleost fish can do this - which explains why most bony fishes always seem to be staring blankly into next week. Pupil contraction can also increase a shark's visual depth of field (range of depths that are in focus), in much the same way as we can extend our focal range under harsh light conditions by squinting.

Although many sharks have eyes with slit-like pupils, those of the Great White appear dark as buttons of onyx. Yet if one looks into the eye of a living individual from up close, internal structure can be discerned. The pupil is circular, the iris dark and ringed with a spectral hint of midnight blue. Although the eyes can be rotated within their sockets, when relaxed and not obviously tracking an object, a White Shark's eyes seem to be oriented forward and down. This orientation may explain why these animals often cruise past a caged diver slightly above his or her eye-level: the better to visually inspect the strange, bubbling biped.

The shark lens is crystalline and roughly spherical in shape, giving it terrific refractive power. However, unlike the lenses of humans - which change focal length by changing shape - those of sharks focus by changing position. To focus on distant objects, the muscles controlling the shark lens relax, allowing the lens to settle some distance from the cornea to focus on near objects, the shark's lens controlling muscles contract, pulling the lens toward the cornea. Curiously, this is the same way that amphibians and snakes (but not other reptiles) focus yet opposite to the way that teleosts move the lens to focus on distant and near objects. Studies by shark biologist Samuel Gruber have revealed that most sharks are somewhat far-sighted, having a focal length of about 9 inches (23 centimetres) to optical infinity. This dramatic range of focal lengths testifies eloquently to the refractive qualities of the shark lens. At distances of 50 feet (15 metres) or less, vision is probably a shark's dominant sense.

The retina is a light-sensitive sheet of tissue lining the inside surface of the eyeball. The retina detects light energy by virtue of a vitamin A-based pigment called rhodopsin. When struck by a photon (packet) of visible light, rhodopsin undergoes a temporary conformational change. This, in turn, generates an electrical signal that is transmitted via the optic nerve to the brain, where the stimulus is interpreted as vision. Because this conformational change requires time and the speed of nerve transmission is finite, there are sharp limits to the frequency of images that an eye can separate. Persistence of images on the human retina is what allows film to provide us the illusion of movement: successive still frames are projected at a frequency faster than our eyes can transmit them. The minimum frequency of flashes or images at which an eye can no longer separate them is termed flicker fusion frequency. Shark vision studies by Gruber have revealed that juvenile Lemon Sharks (Negaprion brevirostris) experience flicker fusion at a frequency of about 45 flashes per second - nearly twice the frequency at which humans cease to see discrete flashes. So, to a young Lemon Shark, one of our movies would appear like a rapid-fire slide show, made up of a series of discrete still images.

As in humans, sharks have two basic types of retinal cell: rods and cones . As their name implies, rods are slightly elongated, while cones are gently tapered and relatively squat. Rods are particularly adept at detecting contrast and movement - even operating under relatively low light levels - but are not very good at discerning fine detail. In opposition, cones excel at discerning fine details - including color - but require well illuminated operating conditions. Many of the earliest studies of shark retinas seemed to indicate that these fishes have rods only. It was therefore concluded that shark vision is poor, providing at best a grainy and monochromatic view of the world. Later technologies and approaches have revealed that this is not at all the case. The visual pigment rhodopsin is most responsive to green light, which corresponds well to the greenish light which bathes shallow coastal waters. In deeper waters where blue is the predominant color of ambient light, sharks possess a secondary visual pigment, a golden photosensitive compound that is most responsive to light at the blue end of the spectrum. An analogous mix of rhodopsin and secondary pigments is what grants us color vision. Thanks to decades of careful, dedicated work by Samuel Gruber and his co-workers, we now know that many sharks see in color, too. In a revealing 1985 paper, shark biologist Samuel Gruber and anatomist Joel Cohen studied the retina of the White Shark. Gruber and Cohen demonstrated that the Great White retina has both rods and cones, but at a significantly different ratio from most sharks. The small, moderately deep-dwelling Spiny Dogfish has a rod-to-cone ratio of about 50:1, while in the larger, more shallow-water Sandbar Shark (Carcharhinus plumbeus) the rod-to-cone ratio is about 13:1. But in the White Shark, the rod-to-cone ratio is about 4:1 - roughly the same as in human beings. From these results, Gruber and Cohen concluded that the White Shark has the retinal mechanisms necessary for acute, bright-light, color vision. Further, they speculated that - while the Great White has different parts of the retina specialized for day and night vision - this species probably does not have the extended period of visual activity that the nocturnally predaceous Lemon Shark does.

Perhaps the most ecologically significant discovery about shark retinas was revealed in a fascinating 1991 paper by Robert Hueter. Hueter discovered that the Lemon Shark has a broad, horizontal band that lies across the equator of the retina and is disproportionally rich in cones. Based on a similar retinal band in the Lion (Panthera leo), Cheetah (Acinonyx jubatus), Thompson's Gazelle (Gazella rufifrons), Wildebeast (Connochaetes taurinus), and other mammals of the African plains, this so-called ' visual streak ' probably grants the Lemon and other sharks a particularly clear view of the underwater horizon. As a shark's potential prey, rivals, and mates are most likely to first appear on the horizon at the limit of visibility, the adaptive (survival) value of the visual streak is easy to imagine. Gruber and Cohen's 1985 study of the White Shark retina has revealed a higher cone concentration in the "central" retina, suggesting that this species may also have some manner of visual streak. Human eyes also have a cone-rich retinal feature, the fovea, restricted to a small circular patch at the back of the eyeball. The fovea has been demonstrated to be the single most sensitive part of the human retina. Thus, if the White Shark does have a visual streak, this species may be able to use this hyper-sensitive retinal region to extend its period of visual activity well into crepuscular (dawn and dusk) or nocturnal periods.

Shark eyes exhibit at least one other particularly marvelous feature. Like cats and other nocturnal animals renowned for their eyeshine, the eyes of sharks have a reflective layer behind the retina. Called a tapetum lucidum - literally, "carpet of light" - in sharks this structure is composed of a series of plates silvered with guanine (a metabolic waste product that is also responsible for the intense silveriness of herrings and other pelagic teleosts). These plates are angled in such a way to reflect light back through the retina at precisely the same angle as they had originally passed through. Under low light conditions, this arrangement allows a shark efficient re-use of each quanta of available light, greatly increasing its photosensitivity. The eyes of humans - which lack this tapetal system - are remarkably sensitive on a clear, moonless night, the unaided human eye can detect the light from a single match up to 10 miles (16 kilometres) away. The tapetum-equipped eyes of sharks probably grants them at least 10 times the light sensitivity we have. Under a new moon, many shark species can probably hunt by starlight alone. During daylight hours, however, such a light sensitivity-enhancing mechanism may be deleterious. Sharks have evolved an elegant solution to the blinding problems of too much ambient light. Many species of sharks have migratory pigment cells that can occlude the tapetal plates under bright-light conditions - functioning much like built-in sunglasses! Gruber & Cohen's 1985 study of the White Shark retina has verified that it, too, has a well developed system of tapetal plates.

The Great White thus has a highly developed visual system, even when compared with that of other sharks. The White Shark's retinas are sensitive to contrast and motion, an ability that may be particularly useful when stalking seals or sea lions by tracking their animated dark silhouettes against the glaring, sundappled surface. The White Shark retina is particularly well equipped to discern spatial relationships and detect fine details, which may be particularly important in ascertaining the relative size of other Great Whites or subtle aspects of their body language. The White Shark retina is also equipped with tapetal plates that are occlusible, enabling this species to protect its delicate retina from bright light - as when this species raises its eyes above water level, as though to survey what is happening above the surface. For all its wonderful adaptations, the White Shark's eyes lack a protective nictitating ('winking') membrane as found in many so-called 'higher' carcharhinoids (such as the whaler sharks, family Carcharhinidae). To protect its eyes from injury due to prey flailing desperately in its jaws, the White Shark has no recourse but to roll its eyes tailward in their sockets, exposing the tough, fibrous sclerotic coat. Despite this low-tech solution to a very real predatory problem, it is clear that the Great White - like ourselves - relies heavily on vision to provide it information about the world in which it must earn a living.


Guarda il video: Locchio e il senso della vista (Dicembre 2022).