gränser för unga sinnen
Abstrakt
arktiska renar har ovanliga ögon och syn. Till skillnad från de flesta däggdjur kan renar se ultraviolett ljus, vilket är osynligt för oss. De har också en reflekterande vävnad i ögat som ändras från en gyllene färg under sommarmånaderna till en djupblå färg under vintermånaderna. Tillsammans hjälper dessa speciella egenskaper renarna att se växtmat eller rovdjur i snön, särskilt under vintern, när dagsljuset i Arktis är svagt och purpurfärgat. Ett problem med att kunna se purpur och blues riktigt bra är att dessa färger är praktiskt taget osynliga i dimma. Rött ljus färdas bäst i dimma, och det följer att renar, mer än andra däggdjur, skulle dra nytta av en näsa som producerar rött ljus. Minst en ren rapporteras ha en självlysande (glödande) näsa som fungerar bra under dimmiga förhållanden. Målet med detta dokument är att uppskatta rodnad i näsan och utforska dess fördelar och nackdelar.
introduktion
Rudolph The Red-Nosed Reindeer är en klassisk berättelse om djurbeteende av Robert L. May . Den beskriver ren som disporterar sig själva (den tekniska termen för att spela spel) och utesluter en gruppmedlem som heter Rudolph på grund av hans ovanligt stora, röda näsa. Ljuset från Rudolphs näsa, som kan beskrivas som “bländande” i dagsljus och “glödande” på natten, visade sig senare vara till hjälp på julafton, när tjock arktisk dimma störde Santa Claus och hans team av åtta renar. Under dessa dimmiga förhållanden emitterade Rudolphs näsa tillräckligt med ljus för säker flygning och leverans av gåvor runt om i världen (Figur 1). Denna berättelse om Rudolphs näsa och dess glans i dimma är bekant för de flesta barn, vuxna och biologer, men det anses också vara avvikande, vilket betyder extremt ovanligt. Som en allmän regel undviker forskare att studera avvikande egenskaper. Det faktum att luminescerande (glödande) näsor är så sällsynta förklarar varför färgen och fördelarna/nackdelarna med luminescerande näsor är praktiskt taget ostudierade.
- Figur 1-Robert L. mays ursprungliga anteckningar från hans renobservationer skrevs i en poetisk stil som kallades anapestic tetrameter.
- hans anteckningsbok inkluderade skisser av Denver L. Gillen och den här sidan illustrerar den röda glöden eller luminescensen av Rudolphs röda näsa under mörka och tråkiga atmosfäriska förhållanden (Reproducerad med tillstånd från Rauner Special Collections Library, Dartmouth College).
nya fynd om Renens färgvision kan innehålla viktiga ledtrådar om värdet av en självlysande näsa. Till exempel upptäcktes nyligen att arktisk ren (Vetenskapligt namn Rangifer tarandus tarandus) kan se ultraviolett (UV) ljus , vilket är osynligt för människor och de flesta andra däggdjur som främst är aktiva på dagtid. Fördelarna med UV-syn är okända, men förmågan att se UV-ljus kan hjälpa renar att se viktiga saker, som rovdjur och mat. Till exempel absorberar den vita pälsen av vargar och några viktiga växtfoder, som lavar, UV-ljus, vilket gör att lavarna ser mörka ut och lättare att se i snö, eftersom snö reflekterar UV-ljus och ser ljus ut . Fördelarna med att se UV-ljus kan vara störst mitt på vintern, när solen är låg i den arktiska himlen och spridningen av ljus högt i atmosfären ger ljus som huvudsakligen är UV och lila .
ännu mer överraskande är renögon förmåga att ändra färg med årstiderna. Renögon har en spegelliknande reflekterande vävnad som kallas tapetum lucidum, vilket är Latin för “ljus gobeläng.”Denna vävnad orsakar ögonglans, ett fenomen som oftast ses när strålkastarna i våra bilar lyser i ögonen på vilda djur eller husdjur. Ett tapetum lucidum är viktigt för nattliga (nattaktiva) djur, eftersom det låter dem se i mörkret. Det enastående med renar är att deras tapetum lucidum ändras från en rik gyllene färg under sommaren till en djupblå färg under vintern . De faktorer som orsakar denna färgförändring förstås, men fördelarna, om några, är mystiska. En tanke är att det kan öka renarnas förmåga att se blått ljus under svaga ljusförhållanden. Så det är uppenbart att arktiska renar har en mycket ovanlig och intressant syn. Men samtidigt är denna speciella förmåga att se blått ljus i slutet av December en bestämd nackdel under dimmiga förhållanden.
ljusöverföring i dimma
dimma är en ansamling av små vattendroppar eller iskristaller upphängda ovanför jordens yta. Det bildas när fuktig luft kyls under en viss temperatur och en del av vattenångan kondenserar (vänder sig till små vätskedroppar). Per definition anses vädret vara dimmigt när vi inte kan se mer än 1000 m framåt. I sin bok beskrev Robert L. May dimma ” så tjock som vit fizz “och nära noll synlighet (det var” mörkt och tråkigt”), vilket antyder att dimman kunde ha varit en av två möjliga typer: strålningsdimma eller isdimma. Strålningsdimma händer när marken kyler luften ovanför den genom kontakt. Isdimma uppstår när varm luft interagerar med extremt kall luft och vattenångan ändras direkt till ett fast ämne och bildar små iskristaller suspenderade i luften.
ljusets förmåga att lysa genom dimma varierar beroende på ljusets färg. Rödare ljus färdas längst, men avståndet som ljuset kan färdas minskar om storleken på iskristallerna eller vattendropparna i dimman är stor . Om dropparna är över en viss storlek, kommer en process som kallas Mie-spridning att släcka allt ljus av vilken färg som helst . Mie spridning händer i de flesta dimma typer, vilket gör de flesta dimma mycket svårt att se igenom, men en glödande röd näsa förutspås överglänsa någon annan typ av näsa, med rött ljus färdas vidare i is dimma eftersom iskristallerna I is dimma är mindre än vattendropparna i strålning dimma . För att förstå hur bra Rudolph näsa kan vara i dimman, är det nödvändigt att veta den exakta färgen på ljuset skiner från näsan.
färgen på Rudolphs näsa
en ledtråd till färgen på Rudolphs näsa kommer från Barbara Hazens version av Mays ursprungliga berättelse . I denna version, Rudolph gömmer sig bakom en järnek buske så att ” hans klarröd näsa blandas in med de ljusa röda bär.”Figur 2 illustrerar denna händelse och mängden ljus för varje våglängd, vilket är ett sätt att mäta färgen, som studsar eller reflekterar från järnekbär. Denna typ av graf kallas ett reflektansspektrum. Om vi antar att bären som visas i Figur 2 liknar de av järnekfrukter i Arktis, kan vi uppskatta att Rudolphs näsa producerar ljus med en spektral topp på cirka 700 nm, eftersom detta är ljusets våglängd som reflekteras starkast av järnekbär. En toppreflektion på 700 nm innebär att bären, och därmed Rudolfs näsa, måste vara extremt röda – möjligen den maximala rodnad som däggdjurens ögon kan se.
- Figur 2-en senare version av Rudolph The Red-Nosed Reindeer diskuterade den liknande färgen på mogna hollybär och Rudolphs näsa.
- illustrationen av Richard M. Scarry visas tillsammans med en bild av mogna hollyfrukter (vanligt namn: English / Christmas holly; Vetenskapligt namn: Ilex aquifolium). Diagrammet visar bärens reflektansspektra, som i grunden beskriver rodnad och ljusstyrka i deras färg. Den rödskuggade regionen representerar variationen och den svarta linjen representerar genomsnittet i ett prov på 10 bär.
denna uppskattning är bara en utbildad gissning, men det tyder på att ett rött dimljus är bättre än någon annan typ. Rudolphs näsa kan vara särskilt viktig på vintern, när Renens ögon är bättre på att se blått. Eftersom dimma blockerar blått ljus är det vettigt att renarna har det största behovet av dimljus under vintermånaderna som December. Detta hjälper till att förklara varför Rudolphs näsa var så användbar för att flyga i tjock dimma. En självlysande röd näsa kan dock också ha nackdelar. Renens näsor har ett komplext system med många små blodkärl och är därför ganska varma , ett drag som inte bara hindrar rennäsor från att frysa utan också gör att värme från Renens kropp går förlorad till den omgivande luften. Om för mycket värme går förlorad från hans glödande näsa kan Rudolph riskera hypotermi (en farligt låg kroppstemperatur) under extremt kalla väderförhållanden. Det är därför oerhört viktigt för barn att tillhandahålla högkalorimat för att hjälpa Rudolph att behålla sin kroppstemperatur på julafton.
sammantaget verkar fördelarna med en röd luminescerande näsa vara större än nackdelarna, vilket väcker frågor om hur ofta röda luminescerande näsor förekommer hos renar. För närvarande känner vi bara till en självlysande näsa i renbeståndet, men dess fördelar tyder på att den kan överföras till kommande generationer av renar. Å andra sidan minskar frekvensen av dimmigt väder över hela världen på grund av klimatförändringar, vilket kan göra fördelarna med en glödande röd näsa mindre viktiga i framtiden. En annan hypotes tyder på att Rudolphs röda näsa är infekterad med nasala parasiter och helt enkelt röd och svullen . Sådana olika tankar om varför Rudolphs näsa är röd berättar för oss att ytterligare undersökning behövs, och det är hoppas att läsarna av denna artikel kommer att hjälpa till med framtida forskning om egenskaperna hos arktiskt ljus och dimma. Sådana studier kan kasta nytt ljus på Renens fantastiska biologi och vision.
ordlista
självlysande: avger ljus; glödande.
ultraviolett: en typ av ljus som är osynligt för människor men synligt för vissa djur. Till exempel kan många fåglar och insekter se ultraviolett ljus.
TAPETUM LUCIDUM: En spegelliknande reflekterande vävnad i ögonen på vissa djur som får ögonen att lysa när starkt ljus träffar dem.
Mie SCATTERING: en process uppkallad efter Gustav Mie, en tysk professor i fysik. Det händer när runda eller sfäriska partiklar av vissa storlekar får ljus att sprida sig.
bekräftelser
jag är tacksam för arkivhjälp av JD Shaw, Mr Swan, Al Witzel och personal vid Rauner Special Collections Library, Dartmouth College. Jag är skyldig Majfamiljen för att underlätta och tillåta reproduktion av Rudolph-bilder. De åsikter och forskning som presenteras här inspirerades av min dotter Eleanor, som gillar att fråga varför.
finansiering
finansiering erhölls från David och Lucile Packard Foundation (Fellowship in Science and Engineering no. 2007-31754).
Maj, R. L. 1939. Rudolph den Rödnosade renen. Chicago, IL: Montgomery Ward.
Hogg, C., Neveu, M., Stokkan, K.-A., Folkow, L., Cottrill, P., Douglas, R., et al. 2011. Arktiska renar utökar sitt visuella intervall till ultraviolett. J. Exp. Biol. 214:2014–9. doi: 10.1242/jeb.053553
Meinander, O., Kontu, A., Lakkala, K., Heikkil Xhamster, A., Ylianttila, L. och Toikka, M. 2008. Dagliga variationer i UV albedo av arktisk snö. Atmos. Chem. Phys. 8:6551–63. doi: 10.5194 / AVS-8-6551-2008
Tyler, N. J. C., Jeffery, G., Hogg, C. R. och Stokkan, K.-A. 2014. Ultraviolett syn kan förbättra renarnas förmåga att diskriminera växter i snö. Arktis 67:159-66. doi: 10.14430 / arctic4381
Stokkan, K.-A., Folkow, L., hertigar, J. Han är en av de mest kända i världen. 2013. Skiftande speglar: adaptiva förändringar i retinala reflektioner till vintermörkret i arktiska renar. Proc. R. Soc. Lond. B 280: 20132451. doi: 10.1098/rspb.2013.2451
Arnulf, A., Bricard, J., Curcorib, E. och V. Överföring genom dis och dimma i spektralområdet 0,35 till 10 mikron. J. Opt. Soc. Är. 47:491–8. doi: 10.1364/josa.47.000491
Grabner, M., och Kvicera, V. 2011. Våglängdsberoende modell av utrotning i dimma och dis för fritt utrymme optisk kommunikation. Välja. Uttrycka 19: 3379-86. doi: 10.1364 / oe.19.003379
Kumai, M. 1973. Arktisk dimma droppstorleksfördelning och dess effekt på ljusdämpning. J. Atmos. Sci. 30:635–43. doi: 10.1175/1520-0469(1973)030<0635:AFDSDA>2.0.CO;2
pris, J. 2011. Strålning dimma. Del i: observationer av stabilitet och droppstorleksfördelningar. Gränsskikt Meteorol. 139:167–91. doi: 10.1007 / s10546-010-9580-2
Hazen, B. S. 1958. Rudolph den Rödnosade renen. New York, NY: gyllene Press.
van der Hoven, B., Klijn, E., van Genderen, M., Schaftenaar, W., de Vogel, L. L., van Duijn, D., et al. 2012. Mikrocirkulatoriska undersökningar av nässlemhinnan i ren Rangifer tarandus (Mammalia, Artiodactyla, Cervidae): Rudolphs näsa var överhettad. Deinsea 15:37-46. Tillgänglig från: http://www.hetnatuurhistorisch.nl/fileadmin/user_upload/documents-nmr/Publicaties/Deinsea/Deinsea_15/DSA15_Hoven_et_al.pdf
det är en av de mest populära och mest populära. 2012. Varför Rudolphs näsa är röd: observationsstudie. BMJ 345: e8311. doi: 10.1136 / bmj.e8311
Torregrosa, A., O ‘ Brien, ta och Faloona, I. C. 2014. Kustdimma, klimatförändringar och miljö. Eos Trans. Är. Geophys. Unionen 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
