Frontiers for Young Minds

wprowadzenie

Rudolph The Red-Nosed Renifer to klasyczna opowieść o zachowaniu zwierząt Roberta L. May . Opisuje on reniferów (techniczne określenie na granie w gry) i wykluczających członka grupy o imieniu Rudolph ze względu na jego niezwykle duży, czerwony nos. Światło z nosa Rudolfa, które można określić jako ” oślepiające “w świetle dziennym i” świecące ” w nocy, okazało się później pomocne w Wigilię Bożego Narodzenia, kiedy gęsta arktyczna mgła zakłóciła przygotowania do lotu Świętego Mikołaja i jego drużyny ośmiu reniferów. W tych mglistych warunkach nos Rudolfa emitował światło wystarczające do bezpiecznego lotu i dostarczania prezentów na całym świecie(ryc. 1). Ta historia o nosie Rudolfa i jego blasku we mgle jest znana większości dzieci, dorosłych i biologów, ale jest również uważana za anomalną,co oznacza niezwykle niezwykłą. Ogólnie rzecz biorąc, naukowcy unikają badania anomalnych cech. Fakt, że luminescencyjne (świecące) nosy są tak rzadkie, wyjaśnia, dlaczego kolor i zalety/wady luminescencyjnych nosów są praktycznie nieostre.

nowe odkrycia dotyczące widzenia kolorów reniferów mogą zawierać ważne wskazówki dotyczące wartości luminescencyjnego nosa. Na przykład niedawno odkryto , że renifery arktyczne (nazwa naukowa Rangifer tarandus tarandus) widzą światło Ultrafioletowe (UV), które jest niewidoczne dla ludzi i większości innych ssaków, które są aktywne głównie w ciągu dnia. Korzyści z widzenia UV są nieznane, ale zdolność widzenia światła UV może pomóc reniferom zobaczyć ważne rzeczy, takie jak drapieżniki i żywność. Na przykład białe futro wilków i niektóre ważne pokarmy roślinne, takie jak porosty, pochłaniają światło UV, dzięki czemu porosty wyglądają na ciemne i łatwiejsze do zobaczenia w śniegu, ponieważ śnieg odbija światło UV i wygląda jasno . Korzyści z widzenia światła UV mogą być największe w środku zimy, kiedy słońce jest niskie na Arktycznym niebie, a rozpraszanie światła wysoko w atmosferze wytwarza światło, które jest głównie UV i purpurowe .

jeszcze bardziej zaskakująca jest zdolność oczu renifera do zmiany koloru wraz z porami roku. Oczy reniferów mają lustrzaną tkankę odblaskową zwaną tapetum lucidum, co po łacinie oznacza ” jasny gobelin.”Tkanka ta powoduje połysk oczu, zjawisko, które najczęściej obserwuje się, gdy reflektory naszych samochodów świecą w oczy dzikich zwierząt lub domowych zwierząt. Tapetum lucidum jest ważne dla zwierząt nocnych (nocnych), ponieważ pozwala im widzieć w ciemności. Niezwykłą cechą reniferów jest to, że ich tapetum lucidum zmienia się z bogatego złotego koloru latem na ciemnoniebieski kolor zimą . Czynniki, które powodują tę zmianę koloru, są zrozumiałe, ale zalety, jeśli w ogóle, są tajemnicze. Jednym z pomysłów jest to, że może zwiększyć zdolność reniferów do widzenia niebieskiego światła w słabych warunkach oświetleniowych. Jasne jest więc, że renifery arktyczne mają bardzo niezwykły i interesujący rodzaj wizji. Ale w tym samym czasie ta specjalna zdolność do widzenia niebieskiego światła pod koniec grudnia jest zdecydowaną wadą w Warunkach mglistych.

transmisja światła we mgle

Mgła to nagromadzenie drobnych kropelek wody lub kryształków lodu zawieszonych nad powierzchnią ziemi. Powstaje, gdy wilgotne powietrze jest chłodzone poniżej określonej temperatury, a część pary wodnej skrapla się (zamienia się w małe kropelki cieczy). Z definicji pogoda jest uważana za mglistą, gdy nie możemy zobaczyć więcej niż 1000 m przed nami. W swojej książce Robert L. May opisał mgłę “gęstą jak biały fizz” i prawie zerową widoczność (była to “ciemna i ponura”), co sugeruje, że mgła mogła być jednym z dwóch możliwych typów: mgła radiacyjna lub mgła lodowa. Mgła radiacyjna występuje, gdy ziemia ochładza powietrze nad nią przez kontakt. Mgła lodowa występuje, gdy ciepłe powietrze wchodzi w interakcję z bardzo zimnym powietrzem, a para wodna zmienia się bezpośrednio w ciało stałe, tworząc małe kryształki lodu zawieszone w powietrzu.

zdolność światła do świecenia przez mgłę zmienia się w zależności od Koloru Światła. Czerwone światło porusza się najdalej, ale odległość, jaką może pokonać światło, zmniejsza się, jeśli rozmiar kryształków lodu lub kropelek wody we mgle jest duży . Jeśli krople są powyżej pewnego rozmiaru, proces zwany rozpraszaniem Mie wygaśnie całe światło o dowolnym kolorze . Mie rozprasza się w większości rodzajów mgły, co sprawia, że większość mgły jest bardzo trudna do przejrzenia, ale przewiduje się, że świecący czerwony nos przyćmiewa każdy inny rodzaj nosa, a czerwone światło podróżuje dalej we mgle lodowej, ponieważ kryształy lodu we mgle lodowej są mniejsze niż krople wody we mgle radiacyjnej . Aby zrozumieć, jak pomocny może być nos Rudolfa we mgle, konieczne jest poznanie dokładnego koloru światła świecącego z jego nosa.

kolor nosa Rudolfa

wskazówka dotycząca koloru nosa Rudolfa pochodzi z oryginalnej historii Barbary Hazen . W tej wersji Rudolph ukrywa się za holly bush, tak że “jego jasnoczerwony nos zmieszał się z jasnoczerwonymi jagodami.”Rysunek 2 ilustruje to zdarzenie i ilość światła każdej długości fali, która jest sposobem pomiaru koloru, który odbija się lub odbija od jagód ostrokrzewu. Ten typ wykresu nazywany jest widmem odbicia. Jeśli założymy, że jagody pokazane na rysunku 2 są podobne do owoców ostrokrzewu w Arktyce, możemy oszacować, że nos Rudolfa wytwarza światło o widmowym piku około 700 nm, ponieważ jest to długość fali światła odbijanego najsilniej przez ostrokrzewu. Maksymalne odbicie 700 nm oznacza, że jagody, a więc nos Rudolfa, muszą być bardzo czerwone – być może maksymalne zaczerwienienie, które Oczy ssaków są w stanie zobaczyć.

to tylko przypuszczenie, ale sugeruje, że czerwone światło przeciwmgielne jest lepsze niż jakikolwiek inny rodzaj. Nos Rudolfa może być szczególnie ważny zimą, kiedy oczy renifera lepiej widzą błękit. Ponieważ mgła blokuje niebieskie światło, ma sens, że renifery mają największą potrzebę światła mgły w miesiącach zimowych, takich jak grudzień. Pomaga to wyjaśnić, dlaczego nos Rudolfa był tak przydatny do latania w gęstej mgle. Jednak luminescencyjny czerwony nos może mieć również wady. Nosy reniferów mają złożony system wielu drobnych naczyń krwionośnych i dlatego są dość ciepłe, co nie tylko zapobiega zamarzaniu nosów reniferów, ale także powoduje utratę ciepła z ciała renifera do otaczającego powietrza. Jeśli jego świecący nos straci zbyt dużo ciepła, Rudolph może zaryzykować hipotermię (niebezpiecznie niską temperaturę ciała) w ekstremalnie niskich warunkach pogodowych. Dlatego niezwykle ważne jest, aby dzieci dostarczały wysokokaloryczne pokarmy, które pomagają utrzymać temperaturę ciała w Wigilię Bożego Narodzenia.

ogólnie rzecz biorąc, zalety czerwonego luminescencyjnego nosa wydają się być większe niż wady, co rodzi pytania o to, jak często czerwone luminescencyjne nosy występują u reniferów. Obecnie znamy tylko jeden świecący nos w populacji reniferów, ale jego zalety sugerują, że można go przekazać przyszłym pokoleniom reniferów. Z drugiej strony, częstotliwość mglistej pogody zmniejsza się na całym świecie ze względu na zmiany klimatyczne, które mogą sprawić, że korzyści ze świecącego czerwonego nosa będą mniej ważne w przyszłości. Inna hipoteza sugeruje, że czerwony nos Rudolfa jest zarażony pasożytami nosa i po prostu czerwony i opuchnięty . Tak różne pomysły na temat tego, dlaczego nos Rudolfa jest czerwony, mówią nam, że potrzebne są dalsze badania i mamy nadzieję, że czytelnicy tego artykułu pomogą w przyszłych badaniach nad właściwościami światła Arktycznego i mgły. Takie badania mogą rzucić nowe światło na niesamowitą biologię i wizję reniferów.

podziękowania

jestem wdzięczny za pomoc archiwalną J. D. Shawa, M. R. Swana, A. L. Witzela i pracowników Rauner Special Collections Library, Dartmouth College. Jestem wdzięczny rodzinie May za ułatwienie i umożliwienie reprodukcji obrazów Rudolfa. Przedstawione tu poglądy i badania zainspirowała moja córka Eleanor, która lubi pytać dlaczego.

finansowanie

finansowanie otrzymało od Fundacji Davida i Lucile Packard (Fellowship in Science and Engineering no. 2007-31754).

Maj, R. L. 1939. Rudolf czerwononosy Renifer. Chicago, IL: Montgomery Ward.

Hogg, C., Neveu, M., Stokkan, K.-A., Folkow, L., Cottrill, P., Douglas, R., et al. 2011. Renifery arktyczne rozszerzają swój zasięg widzenia w ultrafiolet. J. Exp. Biol. 214:2014–9. doi: 10.1242 / jeb.053553

Meinander, O., Kontu, A., Lakkala, K., Heikkilä, A., Ylianttila, L., and Toikka, M. 2008. Dobowe zmiany albedo UV Arktycznego śniegu. Atmos. Chem. Phys. 8:6551–63. doi: 10.5194 / acp-8-6551-2008

2014-10-11 11: 40: 40 Ultrafioletowe widzenie może zwiększyć zdolność reniferów do rozróżniania roślin w śniegu. Arctic 67:159-66. Doi: 10.14430 / arctic4381

Stokkan, K.-A., Folkow, L., Dukes, J., Neveu, M., Hogg, C., Siefken, S., et al. 2013. Przesuwające się lustra: adaptacyjne zmiany odbić siatkówki w zimowej ciemności u arktycznych reniferów. Proc. R. Soc. Lond. B 280:20132451. 10.1098/2013.2451

Arnulf, A., Bricard, J., Curé, E., and Véret, C. 1957. Transmisja przez mgłę i mgłę w obszarze widmowym 0,35 do 10 mikronów. J. Opt. Soc. Am. 47:491–8. 10.1364 / josa47.000491

Grabner, M., and Kvicera, V. 2011. Zależny od długości fali model wymierania we mgle i mgle dla wolnej przestrzeni komunikacji optycznej. Opt. Express 19:3379-86. doi: 10.1364/oe.19.003379

Rozkład wielkości kropel arktycznej mgły i jej wpływ na tłumienie światła. J. Atmos. Sci. 30:635–43. doi: 10.1175/1520-0469(1973)030<0635:AFDSDA>2.0.CO;2

Price, J. 2011. Mgła radiacyjna. Część I: obserwacje stabilności i rozkładu wielkości kropli. Meteorol Graniczny. 139:167–91. doi: 10.1007 / s10546-010-9580-2

Hazen, B. S. 1958. Rudolf czerwononosy Renifer. New York, NY: Golden Press.

van der Hoven, B., Klijn, E., van Genderen, M., Schaftenaar, W., de Vogel, L. L., van Duijn, D., et al. 2012. Badania mikrokrążenia błony śluzowej nosa u renifera Rangifer tarandus (Mammalia, parzystokopytne, jeleniowate): nos Rudolfa był przegrzany. Deinsea 15: 37-46. Dostępne od: http://www.hetnatuurhistorisch.nl/fileadmin/user_upload/documents-nmr/Publicaties/Deinsea/Deinsea_15/DSA15_Hoven_et_al.pdf

Ince, C., van Kuijen, A.-M., Milstein,D. M. J., Yürük, K., Folkow, L. P., Fokkens, W. J., et al. 2012. Dlaczego nos Rudolfa jest czerwony: badanie obserwacyjne. BMJ 345: e8311. doi: 10.1136 / bmj.e8311

Torregrosa, A., O ‘ Brien, T. A., and Faloona, I. C. 2014. Mgła przybrzeżna, zmiany klimatu i środowisko. Eos Trans Am. Geophys. Union 95:473-4. doi: 10.1002/2014EO500001

Halvorsen, O. 1986. Epidemiology of reindeer parasites. Parasitol. Today 2:334–9. doi: 10.1016/0169-4758(86)90053-0