8 دقیقه
گوزنهای شمالی (Rangifer tarandus) به خاطر استقامتشان در مناطق قطبی شناخته شدهاند، اما چشمهای آنها یک شگفتی فصلی کمتر شناختهشده دارد: چشمها عملاً رنگشان را تغییر میدهند. با کاهش نور روز و تیرهشدن چشمانداز قطبی، رنگ چشمان این گونه از سبز طلایی در تابستان به آبی عمیق و برجسته در زمستان تبدیل میشود — سازگاریای که دید در نور خیلی کم را برای این جانوران تسهیل میکند.
تغییر رنگ هماهنگ با آسمان قطبی
در تابستان، چشم گوزنهای قطبی بازتابی طلایی و فیروزهای نشان میدهند، حالتی که به درخشندگی شبانه در گربهها شباهت دارد. اما در طول زمستانِ طولانی و کمنورِ قطبی — زمانی که خورشید پایین میماند و گرگومیش آبیرنگی بر یخ و برف سایه میافکند — چشم این گوزنها رنگی زنده و آبی میپذیرد. این تغییر فصلی برای اولینبار توسط دانشمندان در سال 2013 گزارش شد و پس از آن با مطالعات آناتومیکی و اپتیکی مورد تأیید قرار گرفت.
این الگوی فصلی نشاندهنده یک سازگاری عملکردی است که باعث میشود گوزنها در محیطی با کیفیت نوری متفاوت بتوانند بهتر ببینند. تغییر رنگ چشم نقش مهمی در افزایش حساسیت شبکیه نسبت به فوتونها ایفا میکند و به گوزنها کمک میکند تا در نورهای کمِ قطبی شکارچیان را شناسایی کنند یا منابع غذایی پراکنده مانند گلسنگ را بیابند.
چگونه تاپتوم لوسیدوم بینایی را تغییر میدهد
این جابجایی با ساختاری موسوم به تاپتوم لوسیدوم (tapetum lucidum) مرتبط است، لایهای بازتابنده نور که پشت شبکیه قرار دارد و در بسیاری از پستانداران فعال در شب دیده میشود. در مورد گوزن شمالی، بهنظر میرسد این لایه بین فصلها تغییر ساختاری پیدا میکند. اثر عملی این تغییر به این صورت است که بازتاب بیشتر نورِ آبی و سردِ گرگومیش از پشت شبکیه به گیرندههای نوری اجازه میدهد تا شانس دوم برای جذب فوتونها داشته باشند.
از دیدگاه فیزیکی، بازتاب مجدد نور توسط تاپتوم موجب افزایش نورِ تجمعی میشود که در نهایت سیگنالهای الکتریکی بیشتری را در مخروطها و استوانههای شبکیه ایجاد میکند. برآوردها نشان میدهد که در زمستان حساسیت بینایی میتواند تا حدود هزار برابر افزایش یابد — معیاری که تفاوت بین دیدن و ندیدن در تاریکی عمیق را تعیین میکند.
جزئیات اپتیکی این فرآیند شامل تغییر در نحوه پراکندگی و بازتابش طول موجهاست: ساختار تاپتوم در تابستان بهصورتی است که نور طلایی-سبز را بازتاب میدهد و در زمستان الگوی بلوری یا پراکندهای پدیدار میشود که بازتاب نور آبی را تقویت میکند. این تحول ظریف در مشخصات طیفی بازتاب، هماهنگ با طیف نور محیط در قطب است.
.avif)
مقایسه رنگ تاپتوم در تابستان و زمستان در برابر نور محیط، با خورشید قطبی بالاتر و پایینتر از افق.
یک معاوضه: روشنایی در برابر وضوح
افزایش روشنایی ورودی به چشم هزینهای دارد. نوری که در زمستان بازتاب میشود تصویر با وضوح مکانی (spatial resolution) پایینتری تولید میکند؛ دانشمندان این حالت را شبیه دیدن از پشت شیشه مات یا دید نرمشده توصیف کردهاند. دلیل این کاهش وضوح، افزایش پراکندگی و تغییر در جهت و فاز موجهای نوری بازتابشده است که اطلاعات مکانی دقیق را کمینه میکند.
در عین حال، این معاوضه از منظر تکاملی منطقی است: توانایی کشف حضور شکارچیان مانند گرگها، یا یافتن لکههای پراکنده گلسنگ بهعنوان منبع غذا در گرگومیشِ آبیِ قطبی، غالباً از تشخیص جزئیات ظریف مهمتر است. بدین ترتیب افزایش حساسیت و روشنایی به قیمت از دست رفتن بخشی از قابلیت تفکیک مکانی بهعنوان یک سازگاری سودمند عمل میکند.
این اصول، یعنی تضاد بین حساسیت و وضوح، در بسیاری از سیستمهای اپتیکی مشاهده میشود و نشاندهنده یک قاعده کلی در طراحیهای زیستی و مهندسی است: وقتی فوتونها نادر و ارزشمندند، سامانهها به نفع جذب بیشتر نور و در نتیجه کاهش جزئیات عمل میکنند.
چه چیزی تحقیقات نشان میدهد
مطالعاتی که توسط تیمی به رهبری چشمپزشکی به نام رابرت فازبری (Robert Fosbury) انجام شد، چشمهایی را که در تابستان تلف شده بودند با نمونههایی که در زمستان جمعآوری شده بودند مقایسه کرد. تحلیل آنها در سال 2022 نشاندهنده یک تغییر ساختاری وابسته به فصل در تاپتوم بود. فازبری مثالی قابل فهم بهکار برد: «در شرایط خیلی سرد، برای افزایش اصطکاک روی یخ مقداری باد تایر را خالی میکنید؛ گوزن هم مایع را از تاپتومِ خود خارج میکند تا دید بهتری از محیط بهدست بیاورد.»
این شواهد حاکی از آن است که گشادگی مردمک در نور دائماً کم ممکن است تعادل مایعات داخل چشم را تغییر دهد و به بازآرایی میکروسکوپی ساختارهای تاپتوم منجر شود که تغییر نوری مشاهدهشده را تولید میکند. در عمل، گشادگی ماندگار مردمک میتواند فشار و توزیع مایعات داخل چشم را دگرگون کند و به یک حالت اپتیکی متفاوت بینجامد.
با وجود این یافتهها، دانشمندان تأکید میکنند که مکانیزم دقیق هنوز بهطور کامل تشریح نشده است. محرکهای بیوشیمیایی دقیق، مسیرهای سیگنالدهی سلولی و چگونگی مرتب شدن دوباره اجزای تاپتوم در مقیاس میکروسکوپی جز پرسشهای باز باقیماندهاند. نکتهی کلیدی این است که فرآیند باید معکوسپذیر باشد؛ چرا که با بازگشت نور روز، رنگ چشمها نیز به حالت تابستانی بازمیگردد.
برای تکمیل تصویر، مطالعات تکمیلی مورد نیاز است که شامل نمونهبرداریهای فصلی از همان افراد باشد تا توالیِ تغییرات ساختاری و زمانیِ آنها مستند شود. این مطالعات میتوانند با روشهای تصویربرداری میکروسکوپی، آنالیزهای طیفی و اندازهگیریهای فیزیولوژیک فشار و ترکیب مایع داخل چشم همراه باشند.
.avif)
این کره چشم گوزن از وسط بریده شده و یک لایه تابناک آبی را نشان میدهد
اهمیت این کشف
علاوه بر جنبه کنجکاوی طبیعی، چشم فصلی گوزن بینشهای قابلتوجهی در علم بینایی و سازگاری با محیطهای سخت فراهم میکند. این پدیده نشان میدهد که دینامیک مایعات در مقیاس میکروسکوپی میتواند عملکرد اپتیکی را تغییر دهد و احتمالاً دیگر گونههای ساکن در محیطهای کمنور نیز ترفندهای مشابهی بهکار میگیرند.
از منظر زیستشناسی حفاظتی، درک این سازگاری میتواند در تدوین استراتژیهای حفاظت از زیستگاههای قطبی کمککننده باشد، زیرا تغییرات اقلیمی و کاهش یخزدگی بر الگوهای نوری و در نتیجه روی مزیتهای تطبیقی چنین سازگاریهایی تأثیر میگذارد. برای مثال، افزایش روزهای مهآلود یا تغییرات در شدت نورِ فصل میتواند بازدهی بینایی زمستانی را تحت تأثیر قرار دهد.
در حوزه فیزیولوژی تطبیقی و چشمپزشکی مقایسهای، این یافتهها منابعی برای درک بهتر سازکارهای شبکیه و راهکارهای بیوفیزیکی تقویت حساسیت فراهم میکنند. در مهندسی اپتیکی و طراحی سیستمهای دید در نور کم، الگوهای تاپتوم گوزن میتواند الهامبخش «اپتیک زیستموردی» یا دستگاههایی باشد که با تنظیم ساختارهای بازتابنده داخلی، بین حساسیت و وضوح تعادل برقرار میکنند — موضوعی که در چشمانداز توسعه فناوریهای تصویربرداری کمنور اهمیت دارد.
پژوهشگران همچنین توصیه میکنند مطالعات هدفمند در طول گذارهای فصلی — بهویژه پاییز و بهار — انجام شود تا پیشرفت ساختاری را بهطور مستقیم در همان افراد مشاهده کنند. این رویکرد میتواند اطلاعات دقیقی درباره زمانبندی، محرکهای محیطی و پاسخهای فیزیولوژیک مرتبط فراهم آورد.
خواه بهعنوان موضوعی در زیستشناسی حفاظتی، خواه در فیزیولوژی تطبیقی یا اپتیک الهامگرفته از طبیعت، چشمهای آبی گوزن شمالی یادآور زندهای است که تکامل تنها شکل و رفتار را تغییر نمیدهد، بلکه میتواند قوانین فیزیکی رویت را نیز تنظیم کند.
در پایان، این پدیده نمونهای از تلفیق زیستشناسی، فیزیک و مهندسی است و مسیرهای پژوهشی متعددی را باز میکند: از مطالعات مولکولی و میکروسکوپی ساختمان تا مدلسازیهای اپتیکی و کاربردهای فناوری. سوابق مطالعاتی مرتبط، از گزارشهای میدانی تا آنالیزهای آزمایشگاهی مانند کارهای منتشرشده در سالهای 2013 و 2022، همچنان منابع مهمی برای توسعه دانش در این حوزه هستند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر