Grenzen für junge Köpfe
Zusammenfassung
Arktische Rentiere haben ungewöhnliche Augen und Visionen. Im Gegensatz zu den meisten Säugetieren können Rentiere ultraviolettes Licht sehen, das für uns unsichtbar ist. Sie haben auch ein reflektierendes Gewebe im Auge, das sich in den Sommermonaten von einer goldenen Farbe in eine tiefblaue Farbe in den Wintermonaten ändert. Zusammen helfen diese besonderen Eigenschaften den Rentieren, pflanzliche Nahrungsmittel oder Raubtiere im Schnee zu sehen, besonders im Winter, wenn das Tageslicht in der Arktis schwach und violett ist. Ein Problem damit, Purpur und Blau wirklich gut sehen zu können, ist, dass diese Farben im Nebel praktisch unsichtbar sind. Rotes Licht bewegt sich am besten im Nebel, und daraus folgt, dass Rentiere mehr als andere Säugetiere von einer Nase profitieren würden, die rotes Licht erzeugt. Es wird berichtet, dass mindestens ein Rentier eine lumineszierende (leuchtende) Nase hat, die unter nebligen Bedingungen gut funktioniert. Das Ziel dieses Papiers ist es, die Rötung dieser Nase abzuschätzen und ihre Vor- und Nachteile zu untersuchen.
Einleitung
Rudolph das rotnasige Rentier ist eine klassische Geschichte des Tierverhaltens von Robert L. May . Es beschreibt Rentiere, die sich selbst vertreiben (der Fachbegriff für Spiele) und ein Gruppenmitglied namens Rudolph wegen seiner ungewöhnlich großen, roten Nase ausschließen. Das Licht aus Rudolphs Nase, das May bei Tageslicht als “blendend” und nachts als “leuchtend” bezeichnete, erwies sich später an Heiligabend als hilfreich, als dichter arktischer Nebel die Flugvorbereitungen des Weihnachtsmanns und seines Teams von acht Rentieren störte. Unter diesen nebligen Bedingungen emittierte Rudolphs Nase ausreichend Licht für einen sicheren Flug und die Lieferung von Geschenken auf der ganzen Welt (Abbildung 1). Diese Geschichte von Rudolphs Nase und ihrer Brillanz im Nebel ist den meisten Kindern, Erwachsenen und Biologen bekannt, wird aber auch als anomal angesehen, was äußerst ungewöhnlich bedeutet. In der Regel vermeiden Wissenschaftler das Studium anomaler Merkmale. Die Tatsache, dass lumineszierende (leuchtende) Nasen so selten sind, erklärt, warum die Farbe und die Vor- / Nachteile von Lumineszenznasen praktisch nicht untersucht werden.
- Abbildung 1 – Robert L. Mays Originalnotizen aus seinen Rentierbeobachtungen wurden in einem poetischen Stil geschrieben, der als anapestisches Tetrameter bezeichnet wird.
- Sein Notizbuch enthielt Skizzen von Denver L. Gillen und diese Seite illustriert das rote Leuchten oder die Lumineszenz von Rudolphs roter Nase unter dunklen und trostlosen atmosphärischen Bedingungen (reproduziert mit Genehmigung der Rauner Special Collections Library, Dartmouth College).
Neue Erkenntnisse über das Farbsehen von Rentieren könnten wichtige Hinweise auf den Wert einer lumineszierenden Nase geben. Zum Beispiel wurde kürzlich entdeckt, dass arktische Rentiere (wissenschaftlicher Name Rangifer tarandus tarandus) ultraviolettes (UV) Licht sehen können , das für Menschen und die meisten anderen Säugetiere, die hauptsächlich tagsüber aktiv sind, unsichtbar ist. Die Vorteile des UV-Sehens sind unbekannt, aber die Fähigkeit, UV-Licht zu sehen, könnte Rentieren helfen, wichtige Dinge wie Raubtiere und Nahrung zu sehen. Zum Beispiel absorbieren das weiße Fell von Wölfen und einige wichtige pflanzliche Lebensmittel wie Flechten UV-Licht, wodurch die Flechten dunkel und im Schnee leichter zu sehen sind, da Schnee UV-Licht reflektiert und hell aussieht . Die Vorteile des Sehens von UV-Licht könnten mitten im Winter am größten sein, wenn die Sonne tief am arktischen Himmel steht und die Streuung von Licht hoch in der Atmosphäre Licht erzeugt, das hauptsächlich UV und violett ist .
Noch überraschender ist die Fähigkeit der Rentieraugen, ihre Farbe mit den Jahreszeiten zu ändern. Rentieraugen haben ein spiegelähnliches reflektierendes Gewebe, das Tapetum lucidum genannt wird, was lateinisch für “heller Wandteppich” ist.” Dieses Gewebe verursacht Augenglanz, ein Phänomen, das am häufigsten auftritt, wenn die Scheinwerfer unserer Autos wilden Tieren oder Haustieren in die Augen leuchten. Ein Tapetum lucidum ist wichtig für nachtaktive Tiere, da es ihnen erlaubt, im Dunkeln zu sehen. Das Herausragende an Rentieren ist, dass ihr Tapetum lucidum im Sommer von einer satten goldenen Farbe in eine tiefblaue Farbe im Winter wechselt . Die Faktoren, die diese Farbänderung verursachen, werden verstanden, aber die Vorteile, wenn überhaupt, sind mysteriös. Eine Idee ist, dass es die Fähigkeit von Rentieren erhöhen könnte, blaues Licht unter schlechten Lichtverhältnissen zu sehen. Es ist also klar, dass arktische Rentiere eine sehr ungewöhnliche und interessante Art von Vision haben. Gleichzeitig ist diese besondere Fähigkeit, Ende Dezember blaues Licht zu sehen, unter nebligen Bedingungen ein klarer Nachteil.
Lichtdurchlässigkeit im Nebel
Nebel ist eine Ansammlung winziger Wassertröpfchen oder Eiskristalle, die über der Erdoberfläche schweben. Es entsteht, wenn feuchte Luft unter eine bestimmte Temperatur abgekühlt wird und ein Teil des Wasserdampfes kondensiert (zu winzigen Flüssigkeitströpfchen wird). Per Definition gilt das Wetter als neblig, wenn wir nicht mehr als 1000 m voraus sehen können. In seinem Buch beschrieb Robert L. May Nebel “so dick wie weißes Fizz” und nahe Null Sichtbarkeit (es war “dunkel und trostlos”), was darauf hindeutet, dass der Nebel eine von zwei möglichen Arten gewesen sein könnte: Strahlungsnebel oder Eisnebel. Strahlungsnebel entsteht, wenn der Boden die Luft darüber durch Kontakt abkühlt. Eisnebel tritt auf, wenn warme Luft mit extrem kalter Luft interagiert und der Wasserdampf sich direkt in einen Feststoff verwandelt und winzige Eiskristalle bildet, die in der Luft schweben.
Die Fähigkeit des Lichts, durch Nebel zu scheinen, variiert je nach Lichtfarbe. Rotes Licht reist am weitesten, aber die Entfernung, die das Licht zurücklegen kann, nimmt ab, wenn die Eiskristalle oder Wassertropfen im Nebel groß sind . Wenn die Tröpfchen über einer bestimmten Größe liegen, löscht ein als Mie-Streuung bezeichneter Prozess das gesamte Licht jeder Farbe . Mie-Streuung tritt in den meisten Nebeltypen auf, wodurch der meiste Nebel sehr schwer zu durchschauen ist, aber es wird vorhergesagt, dass eine glühende rote Nase jede andere Art von Nase überstrahlt, wobei rotes Licht im Eisnebel weiter wandert, da die Eiskristalle im Eisnebel kleiner sind als die Wassertröpfchen im Strahlungsnebel . Um zu verstehen, wie hilfreich Rudolphs Nase im Nebel sein könnte, ist es notwendig, die genaue Farbe des Lichts zu kennen, das aus seiner Nase scheint.
Die Farbe von Rudolphs Nase
Ein Hinweis auf die Farbe von Rudolphs Nase stammt aus Barbara Hazens Version von Mays ursprünglicher Geschichte . In dieser Version versteckt sich Rudolph hinter einem Stechpalmenstrauch, so dass “seine leuchtend rote Nase mit den leuchtend roten Beeren verschmilzt.” Abbildung 2 veranschaulicht dieses Ereignis und die Lichtmenge jeder Wellenlänge, mit der die Farbe gemessen werden kann, die von Stechpalmenbeeren reflektiert oder reflektiert wird. Diese Art von Diagramm wird als Reflexionsspektrum bezeichnet. Wenn wir davon ausgehen, dass die in Abbildung 2 gezeigten Beeren denen von Stechpalmenfrüchten in der Arktis ähnlich sind, können wir schätzen, dass Rudolphs Nase Licht mit einem spektralen Peak von etwa 700 nm erzeugt, da dies die Wellenlänge des Lichts ist, das am stärksten von den Stechpalmenbeeren reflektiert wird. Eine Spitzenreflexion von 700 nm bedeutet, dass die Beeren und damit Rudolphs Nase extrem rot sein müssen – möglicherweise die maximale Rötung, die die Augen von Säugetieren sehen können.
- Abbildung 2 – Eine spätere Version von Rudolph the Red-Nosed Reindeer diskutierte die ähnliche Farbe reifer Stechpalmenbeeren und Rudolphs Nase.
- Die Illustration von Richard M. Scarry wird gezeigt, zusammen mit einem Bild von reifen Stechpalmenfrüchten (allgemeiner Name: Englisch / Weihnachtsstechpalme; wissenschaftlicher Name: Ilex aquifolium). Die Grafik zeigt die Reflexionsspektren der Beeren, die im Wesentlichen die Rötung und Helligkeit ihrer Farbe beschreiben. Der rot schattierte Bereich stellt die Variation dar und die schwarze Linie stellt den Durchschnitt in einer Stichprobe von 10 Beeren dar.
Diese Schätzung ist nur eine fundierte Vermutung, aber es deutet darauf hin, dass ein rotes Nebelscheinwerfer besser ist als jede andere Art. Rudolphs Nase kann besonders im Winter wichtig sein, wenn die Augen von Rentieren besser blau sehen können. Da Nebel blaues Licht blockiert, ist es sinnvoll, dass Rentiere in Wintermonaten wie Dezember den größten Bedarf an einem Nebelscheinwerfer haben. Dies erklärt, warum Rudolphs Nase so nützlich war, um in dichtem Nebel zu fliegen. Eine lumineszierende rote Nase kann jedoch auch Nachteile haben. Die Nasen von Rentieren haben ein komplexes System aus vielen winzigen Blutgefäßen und sind daher ziemlich warm , eine Eigenschaft, die nicht nur verhindert, dass Rentiernasen gefrieren, sondern auch dazu führt, dass Wärme aus dem Körper eines Rentiers an die Umgebungsluft verloren geht. Wenn zu viel Wärme von seiner glühenden Nase verloren geht, könnte Rudolph unter extrem kalten Wetterbedingungen Unterkühlung (eine gefährlich niedrige Körpertemperatur) riskieren. Für Kinder ist es daher äußerst wichtig, kalorienreiche Lebensmittel bereitzustellen, damit Rudolph an Heiligabend seine Körpertemperatur halten kann.
Insgesamt scheinen die Vorteile einer roten Lumineszenznase größer zu sein als die Nachteile, was die Frage aufwirft, wie oft rote Lumineszenznasen bei Rentieren auftreten. Derzeit kennen wir nur eine lumineszierende Nase in der Rentierpopulation, aber ihre Vorteile deuten darauf hin, dass sie an zukünftige Generationen von Rentieren weitergegeben werden könnte. Andererseits nimmt die Häufigkeit von Nebelwetter aufgrund des Klimawandels weltweit ab , was die Vorteile einer leuchtend roten Nase in Zukunft möglicherweise weniger wichtig macht. Eine andere Hypothese legt nahe, dass Rudolphs rote Nase mit Nasenparasiten infiziert und einfach rot und geschwollen ist . Solche unterschiedlichen Vorstellungen darüber, warum Rudolphs Nase rot ist, sagen uns, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind, und es ist zu hoffen, dass die Leser dieses Artikels bei zukünftigen Forschungen zu den Eigenschaften von arktischem Licht und Nebel helfen werden. Solche Studien könnten ein neues Licht auf die erstaunliche Biologie und Vision von Rentieren werfen.
Glossar
LUMINESZIEREND: Emittierendes Licht; glühend.
ULTRAVIOLETT: Eine Art von Licht, das für Menschen unsichtbar, aber für einige Tiere sichtbar ist. Zum Beispiel können viele Vögel und Insekten ultraviolettes Licht sehen.
TAPETUM LUCIDUM: Ein spiegelähnliches reflektierendes Gewebe in den Augen einiger Tiere, das ihre Augen zum Leuchten bringt, wenn helles Licht auf sie trifft.
MIE-STREUUNG: Ein Prozess, benannt nach Gustav Mie, einem deutschen Professor für Physik. Dies geschieht, wenn runde oder kugelförmige Partikel bestimmter Größe Licht streuen.
Danksagung
Ich bin dankbar für die archivarische Unterstützung von J. D. Shaw, M. R. Swan, A. L. Witzel und Mitarbeitern der Rauner Special Collections Library, Dartmouth College. Ich bin der Familie May zu Dank verpflichtet, dass sie die Reproduktion von Rudolph-Bildern erleichtert und ermöglicht hat. Die hier vorgestellten Ansichten und Forschungen wurden von meiner Tochter Eleanor inspiriert, die gerne fragt, warum.
Finanzierung
Die Finanzierung wurde von der David and Lucile Packard Foundation (Fellowship in Science and Engineering no. 2007-31754) erhalten.
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