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Existe-t-il des espèces animales qui détectent la lumière infrarouge avec leurs yeux ?


J'ai posé une question plus tôt dans la journée sur les oiseaux à vision infrarouge, mais cette fois, je pose une question sur les animaux en général. Je sais que de nombreux serpents ont des récepteurs entre leurs yeux et leur museau qui leur permettent de détecter le rayonnement infrarouge, mais je recherche un animal qui utilise réellement ses yeux.

En cherchant sur Google et en cherchant autour de moi, j'ai trouvé cette déclaration :

Il convient de noter que, bien qu'il existe de nombreux animaux qui détectent la lumière infrarouge, relativement peu d'entre eux la ressentent avec leurs yeux.

L'article ne répertorie aucun animal spécifique qui utilise ses yeux pour détecter la lumière infrarouge, il dit simplement "très peu". Cependant, je n'ai pas pu trouver d'espèces capables de détecter la lumière infrarouge avec leurs yeux.


Réponse courte
Autant que je sache, il n'y a pas d'animal avec des photorécepteurs infrarouges à haute sensibilité dans leurs rétines. Au lieu de cela, l'infrarouge est détecté à des seuils bas avec un système sensoriel dédié chez certaines espèces - l'organe à fosse. Cet organe est séparé de la rétine et sa sortie ne se confond pas avec l'image rétinienne. Cependant, les cônes rouges, et même les cônes verts d'ailleurs, ont une faible sensibilité à la lumière infrarouge et lorsqu'ils sont suffisamment intenses, les stimuli infrarouges peuvent être détectés par l'œil, comme l'a montré une petite étude sur des furets.

Fond
La lumière infrarouge (IR) est classée comme lumière à des longueurs d'onde de 700 nm et plus. La figure 1 montre la sensibilité à la lumière de l'homme dans des conditions scotopiques (adapté à l'obscurité) et photopiques (adapté à la lumière). Il est facile de comprendre pourquoi nous ne pouvons pas percevoir l'IR.

Les espèces capables de détecter l'IR l'utilisent en général pour détecter la chaleur. Des exemples notables sont les espèces suceuses de sang, y compris les moustiques, les punaises de lit et les chauves-souris vampires ainsi que les prédateurs nocturnes, y compris les espèces de serpents (source : National Geographic). Bien que cette détection de chaleur puisse être classée comme une vision IR, l'IR n'est pas détectée par leurs yeux. Au lieu de cela, toutes ces espèces utilisent des organes de détection infrarouge spécialisés appelés orgues à fosse pour détecter les infrarouges. En gros, ce sont des détecteurs de chaleur (source : NSF). Alors que les serpents sont capables de construire des cartes thermiques, l'image IR et les images visuelles détectées par les rétines ne sont pas combinées en une seule image. Pour autant que je sache, l'image visuelle et les images infrarouges coexistent chez les serpents et ne sont pas fusionnées (ou « superposées ») (Campbell, 2002).

Ainsi, les espèces de détection infrarouge les plus remarquables ont une vision infrarouge, mais ces cartes thermiques sont détectées par des organes de la fosse dédiés séparés des rétines et, pour autant que je puisse voir, les images ne sont pas combinées.

Cependant, last but not least - les caméras IR sont souvent utilisées pour étudier les créatures nocturnes car on suppose qu'elles ne peuvent pas détecter l'IR. Fait intéressant, une étude sur une petite population de 5 furets a montré que 3 d'entre eux ont répondu à un niveau supérieur au hasard aux stimuli lumineux bien dans l'IR (870 nm) (Newbold, 2007). Il convient de noter que la détection des stimuli est une question de seuils. La figure 1 montre une réponse presque nulle chez les humains à 700 nm, mais lorsque nous rendons les stimuli suffisamment forts, nous pouvons néanmoins obtenir une petite réponse. La figure 2 montre les spectres d'absorption des cônes rouges et verts. Comme cela apparaît ici, les cônes rouges et même les cônes verts ont une sensibilité spectrale dans le domaine IR. Ensuite, la question pourrait devenir non pas si nous pouvons détecter l'IR, mais à quel niveau nous pouvons le détecter. Dans des conditions d'éclairage normales de tous les jours, nous ne pouvons évidemment pas, mais cela n'exclut pas la possibilité que nous puissions le percevoir à des intensités lumineuses extrêmes.


Fig. 1. Sensibilité spectrale humaine. source : Webvision


Fig. 2. Sensibilités spectrales des cônes rouges et verts. source : Dowling, 1987)

Les références
- Newbold, mémoire de maîtrise. Université de Waikato, Nouvelle-Zélande
- Kalloniates & Luu. Dans : Kolb et al (éds). Webvision. L'organisation de la rétine et du système visuel
- Schnapf et al, La nature (1987); 325: 439-41


Oui, les crevettes Mantis ont 12 photo-récepteurs et peuvent détecter le bas de gamme de l'IR.

Dans H. trispinosa l'un des photorécepteurs, R3P, détecte juste au bord de la lumière « rouge profond » et détecterait l'infrarouge (700+ nm). Bien que cette étude n'ait pas explicitement mesuré la détection infrarouge, de par la forme de la courbe, ce n'est pas un grand pas qu'ils détectent l'infrarouge à des niveaux significatifs. Vous trouverez ci-dessous le lien et un lien vers les courbes de photosensibilité humaine pour le contraste.

Gardez à l'esprit que « l'infrarouge » n'est pas une propriété biologique universelle, il est simplement défini par le fait que notre espèce ne le voit pas.

  • Sensibilités des photorécepteurs Mantis Shrimp

  • Lien sans paywall. Figure 1A

  • Sensibilités des photorécepteurs humains pour le contraste

  • Émission électromagnétique du soleil


Enright, et. Al. (2015) ont découvert que plusieurs espèces de vertébrés - dont le poisson zèbre et les ouaouarons - dans certaines conditions environnementales, décalent vers le rouge les bâtonnets et/ou les cônes de leurs photorécepteurs de quelque chose de l'ordre de 30 ou 60 nm ("au-delà de la portée de la vision humaine ", par résumé d'article). Le mécanisme pour cela est la production de Cyp27c1, qui sert à convertir la vitamine A1 en A2 dans le photorécepteur. Les ouaouarons ont la vitamine A2 uniquement dans la rétine dorsale (supérieure), ce qui leur permet probablement de regarder vers le bas dans l'eau trouble lorsqu'ils sont à la surface (figure 1, note G).

Enright, Jennifer M., et al. "Cyp27c1 décale vers le rouge la sensibilité spectrale des photorécepteurs en convertissant la vitamine A1 en A2." Biologie actuelle 25.23 (2015) : 3048-3057. Relier.


Vision : un nouveau type de cellule capable de détecter la lumière trouvée dans les poissons

Presque toutes les espèces ont une certaine capacité à détecter la lumière. Au moins trois types de cellules de la rétine nous permettent de voir des images ou de faire la distinction entre la nuit et le jour. Aujourd'hui, des chercheurs de la Johns Hopkins School of Medicine ont découvert chez les poissons un autre type de cellule capable de détecter la lumière et de contribuer à la vision.

Reportage dans la revue La nature, l'équipe de neuroscientifiques montre que les cellules horizontales de la rétine, qui étaient autrefois des cellules nerveuses que l'on pensait uniquement communiquer avec les cellules nerveuses voisines et même pas avec le cerveau, sont elles-mêmes sensibles à la lumière.

"C'est ahurissant", déclare King-Wai Yau, Ph.D., professeur de neurosciences au département de neurosciences Solomon H. Snyder de Johns Hopkins.

"Depuis plus de 100 ans, on sait que les cellules en bâtonnets et les cellules en cônes sont responsables de la détection de la lumière, et donc de la vision", explique Yau. "Puis, il y a environ sept ans, un autre capteur de lumière a été découvert dans la rétine, révélant un troisième type de cellules sensibles à la lumière chez les mammifères, nous avons donc cherché à savoir si cela était également vrai chez d'autres vertébrés."

En concentrant leurs efforts sur le capteur de lumière à mélanopsine, qui est responsable de la détection du jour et de la nuit mais à peine impliqué chez les mammifères, du moins en voyant des images, l'équipe de Yau a recherché des cellules contenant de la mélanopsine chez d'autres vertébrés et en a trouvé dans l'horizontale rétinienne. cellules chez le poisson rouge et le poisson-chat.

Le poisson-chat contient deux types de cellules horizontales rétiniennes : celles qui se connectent aux cellules coniques, qui répondent à la lumière vive, et celles qui se connectent aux cellules bâtonnets, qui répondent à la lumière tamisée. L'équipe a effectué des lectures électriques à partir de cellules horizontales rétiniennes isolées uniques. Ils ont découvert que la lumière provoquait une modification du courant électrique dans les cellules horizontales à cône mais pas dans les cellules horizontales à tige.

Les cellules horizontales, explique Yau, permettent la diaphonie entre les cellules photoréceptrices voisines, permettant à ces cellules de comparer la lumière qu'elles perçoivent, un processus nécessaire pour que le cerveau puisse voir les images. "Le cerveau traite ce qu'il voit dans son contexte avec l'environnement", explique Yau. "Cela permet à notre cerveau de voir les frontières et les contours et les cellules horizontales sont la raison pour laquelle nous pouvons reconnaître et voir un visage, par exemple."

En testant la lumière à différentes longueurs d'onde, l'équipe a découvert que ces cellules horizontales de poisson sont des milliers de fois moins sensibles à la lumière que leurs cellules coniques partenaires.

"En fin de compte, l'effet de lumière sur les cellules horizontales est subtil, peut-être pour permettre aux yeux de ces animaux d'ajuster leurs fonctions aux différentes conditions de lumière ambiante", explique Yau. "Mais le fait que ces cellules horizontales soient sensibles à la lumière est une découverte très surprenante et change notre perception de la rétine dans son ensemble."

Pour en savoir plus sur la façon dont la sensibilité à la lumière des cellules horizontales contribue à la vision de l'image, il faudra étudier des rétines entières, pas seulement des cellules individuelles. Yau, dont le but est de comprendre la vision, est accro. "Peut-être", dit-il, "il y a encore d'autres cellules photosensibles dans l'œil que nous ne connaissons pas encore."

Cette étude a été financée par les National Institutes of Health et le António Champalimaud Vision Award.

Les auteurs de l'article sont Ning Cheng, Takashi Tsunenari et Yau, tous de Johns Hopkins.

Source de l'histoire :

Matériel fourni par Établissements médicaux Johns Hopkins. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.


Contenu

L'explication normale de la tétrachromatie est que la rétine de l'organisme contient quatre types de récepteurs de lumière de plus haute intensité (appelés cellules coniques chez les vertébrés par opposition aux cellules en bâtonnets, qui sont des récepteurs de lumière de plus faible intensité) avec des spectres d'absorption différents. Cela signifie que l'organisme peut voir des longueurs d'onde au-delà de celles de la vision d'un humain typique, et peut être capable de distinguer des couleurs qui, pour un humain normal, semblent être identiques. Les espèces ayant une vision des couleurs tétrachromatique peuvent avoir un avantage physiologique inconnu sur les espèces rivales. [6]

Poisson Modifier

Le poisson rouge (Carassius auratus auratus) [7] et le poisson zèbre (Danio rerio) [8] sont des exemples de tétrachromates, contenant des cellules coniques sensibles à la lumière rouge, verte, bleue et ultraviolette.

Oiseaux Modifier

Certaines espèces d'oiseaux, comme le diamant mandarin et les columbidés, utilisent la longueur d'onde ultraviolette de 300 à 400 nm spécifique à la vision des couleurs tétrachromatique comme outil lors de la sélection du partenaire et de la recherche de nourriture. [9] Lors de la sélection des partenaires, le plumage ultraviolet et la coloration de la peau montrent un haut niveau de sélection. [10] Un œil d'oiseau typique répondra à des longueurs d'onde d'environ 300 à 700 nm. En termes de fréquence, cela correspond à une bande aux alentours de 430-1000 THz. La plupart des oiseaux ont des rétines avec quatre types spectraux de cellules coniques qui sont censées médier la vision des couleurs tétrachromatique. La vision des couleurs des oiseaux est encore améliorée par le filtrage des gouttelettes d'huile pigmentées situées dans les photorécepteurs. Les gouttelettes d'huile filtrent la lumière incidente avant qu'elle n'atteigne le pigment visuel dans les segments externes des photorécepteurs.

Les quatre types de cônes et la spécialisation des gouttelettes d'huile pigmentées donnent aux oiseaux une meilleure vision des couleurs que celle des humains. [11] [12] Cependant, des recherches plus récentes ont suggéré que la tétrachromatie chez les oiseaux ne fournit aux oiseaux qu'un spectre visuel plus large que celui des humains (les humains ne peuvent pas voir la lumière ultraviolette, 300-400 nm), tandis que la résolution spectrale (la "sensibilité " aux nuances) est similaire. [13]

Insectes Modifier

Les insectes en quête de nourriture peuvent voir les longueurs d'onde que les fleurs réfléchissent (allant de 300 nm à 700 nm [14] [15] ). La pollinisation étant une relation mutualiste, les insectes butineurs et certaines plantes ont coévolué, augmentant tous deux la gamme de longueurs d'onde : en perception (pollinisateurs), en réflexion et en variation (couleurs des fleurs). [6] La sélection directionnelle a conduit les plantes à afficher des quantités de plus en plus diverses de variations de couleur s'étendant jusqu'à l'échelle de couleur ultraviolette, attirant ainsi des niveaux plus élevés de pollinisateurs. [6]

Mammifères Modifier

Les souris, qui n'ont normalement que deux pigments coniques, peuvent être modifiées pour exprimer un troisième pigment conique et semblent démontrer une discrimination chromatique accrue, [16] en argumentant contre certains de ces obstacles, cependant, les affirmations de la publication originale sur la plasticité du nerf optique ont également été contestée. [17]

Renne Modifier

Dans les régions où vivent les rennes, le soleil reste très bas dans le ciel pendant de longues périodes. Certaines parties de l'environnement absorbent la lumière ultraviolette et donc pour les rennes sensibles aux UV, contrastent fortement avec la neige réfléchissant les UV. Ceux-ci incluent l'urine (indiquant des prédateurs ou des concurrents), les lichens (une source de nourriture) et la fourrure (comme possédés par les loups, prédateurs du renne). [18] Bien que les rennes ne possèdent pas d'opsine UV spécifique, des réponses rétiniennes à 330 nm ont été enregistrées, médiées par d'autres opsines. [19] Il a été proposé que les flashs UV sur les lignes électriques soient responsables du fait que les rennes évitent les lignes électriques parce que «. " [20]

Humains Modifier

Les singes (y compris les humains) et les singes de l'Ancien Monde ont normalement trois types de cellules coniques et sont donc des trichromates. Cependant, à de faibles intensités lumineuses, les bâtonnets peuvent contribuer à la vision des couleurs, donnant une petite région de tétrachromatie dans l'espace colorimétrique [21] la sensibilité des bâtonnets humains est la plus élevée à une longueur d'onde bleu-vert.

Chez l'homme, deux gènes de pigment de cellule conique sont présents sur le chromosome X : les gènes classiques d'opsine de type 2 OPN1MW et OPN1MW2. Les personnes ayant deux chromosomes X pourraient posséder plusieurs pigments de cellules coniques, peut-être nés comme des tétrachromates complets qui ont quatre types de cellules coniques fonctionnant simultanément, chaque type ayant un modèle spécifique de réactivité à différentes longueurs d'onde de la lumière dans la gamme du spectre visible. [22] Une étude a suggéré que 15% des femmes dans le monde pourraient avoir le type de quatrième cône dont le pic de sensibilité se situe entre les cônes rouges et verts standard, donnant, théoriquement, une augmentation significative de la différenciation des couleurs. [23] Une autre étude suggère que jusqu'à 50% des femmes et 8% des hommes peuvent avoir quatre photopigments et une discrimination chromatique accrue correspondante par rapport aux trichromates. [24] En 2010, après vingt ans d'étude de femmes avec quatre types de cônes (tétrachromates non fonctionnels), le neuroscientifique Dr Gabriele Jordan a identifié une femme (sujet cDa29) qui pouvait détecter une plus grande variété de couleurs que les trichromates, correspondant à un tétrachromate fonctionnel (ou vrai tétrachromate). [25] [26] [27] [28]

La variation des gènes des pigments des cônes est répandue dans la plupart des populations humaines, mais la tétrachromatie la plus répandue et la plus prononcée proviendrait de femmes porteuses d'anomalies majeures du pigment rouge/vert, généralement classées comme des formes de « daltonisme » (protanomalie ou deutéranomalie). La base biologique de ce phénomène est l'inactivation X des allèles hétérozygotes pour les gènes des pigments rétiniens, qui est le même mécanisme qui donne à la majorité des singes femelles du nouveau monde une vision trichromatique. [29]

Chez l'homme, le traitement visuel préliminaire se produit dans les neurones de la rétine. On ne sait pas comment ces nerfs réagiraient à un nouveau canal de couleur, c'est-à-dire s'ils pourraient le gérer séparément ou simplement le combiner avec un canal existant. L'information visuelle quitte l'œil par le nerf optique, on ne sait pas si le nerf optique a la capacité de réserve pour gérer un nouveau canal de couleur. Une variété de traitements d'image finale a lieu dans le cerveau, on ne sait pas comment les différentes zones du cerveau réagiraient si un nouveau canal de couleur leur était présenté.

Les humains ne peuvent pas voir la lumière ultraviolette directement parce que le cristallin de l'œil bloque la plupart de la lumière dans la gamme de longueurs d'onde de 300 à 400 nm [ pertinent? ] les longueurs d'onde plus courtes sont bloquées par la cornée. [30] Les cellules photoréceptrices de la rétine sont sensibles à la lumière ultraviolette proche, et les personnes dépourvues de lentille (une condition connue sous le nom d'aphakie) voient la lumière ultraviolette proche (jusqu'à 300 nm) sous forme de bleu blanchâtre ou, pour certaines longueurs d'onde, de violet blanchâtre, probablement parce que les trois types de cônes sont à peu près également sensibles à la lumière ultraviolette, cependant, les cellules à cône bleu sont légèrement plus sensibles. [31]

La tétrachromatie peut également améliorer la vision dans la pénombre ou lorsque l'on regarde un écran. [27]


Infrarouge

Certains animaux sont capables de voir la lumière infrarouge émise par d'autres animaux, ce qui les aide à trouver de la nourriture.

Comme la lumière ultraviolette, la lumière infrarouge est autour de nous à tout moment, mais nos yeux humains ne peuvent tout simplement pas la détecter. Contrairement à la lumière ultraviolette, qui a une fréquence très élevée, la lumière infrarouge a une fréquence très basse.

Toutes les choses chaudes produisent de la lumière infrarouge – vous produisez de la lumière infrarouge en ce moment. Mais alors que les humains ne peuvent pas voir cette lumière infrarouge, quelques animaux le peuvent. Les meilleurs exemples d'animaux capables de détecter la lumière infrarouge sont un groupe de serpents appelés vipères des fosses.

Les serpents à sonnettes, les têtes de cuivre et autres vipères à fosse aiment manger des oiseaux, des rongeurs et d'autres proies à sang chaud. Parce que ces animaux ont le sang chaud, ils sont généralement plus chauds que l'air qui les entoure. Cela rend les rongeurs et les oiseaux extrêmement faciles à voir pour les vipères, même s'ils se cachent dans l'herbe ou les buissons.

Fait intéressant, les vipères des fosses n'utilisent pas réellement leurs yeux pour voir la lumière infrarouge. Au lieu de cela, ils utilisent de petites fosses dans leur visage pour détecter la lumière infrarouge émise par leurs espèces de proies.

Les pythons peuvent également voir la lumière infrarouge, mais au lieu d'utiliser les deux grandes fosses sur leur visage pour la voir, ils utilisent une série de très petites dépressions près de leurs lèvres pour détecter la lumière.

Certains animaux capables de voir la lumière infrarouge comprennent :


Sens électrique

Les champs électriques omniprésents produits par certains animaux fonctionnent comme des sens. Les anguilles électriques et certaines espèces de raies ont des cellules musculaires modifiées qui produisent des charges électriques suffisamment puissantes pour choquer et parfois tuer leurs proies. D'autres poissons (y compris de nombreux requins) utilisent des champs électriques plus faibles pour les aider à naviguer dans des eaux troubles, à se rapprocher de leurs proies ou à surveiller leur environnement. Par exemple, les poissons osseux (et certaines grenouilles) possèdent des "lignes latérales" de chaque côté de leur corps, une rangée de pores sensoriels dans la peau qui détectent les courants électriques dans l'eau.


Contenu

La fosse faciale a subi une évolution parallèle chez les pitvipers et quelques boas et pythons. Il a évolué une fois chez les pitvipers et plusieurs fois chez les boas et les pythons. [6] L'électrophysiologie de la structure est similaire entre les deux lignées, mais elles diffèrent par l'anatomie structurelle grossière. Plus superficiellement, les pitvipers possèdent un grand organe à fosse de chaque côté de la tête, entre l'œil et la narine (fosses loreal), tandis que les boas et les pythons ont trois fosses ou plus comparativement plus petites tapissant la lèvre supérieure et parfois la lèvre inférieure, dans ou entre les écailles (fosses labiales). Ceux des pitvipers sont les plus avancés, ayant une membrane sensorielle suspendue par opposition à une simple structure de fosse.

Chez les vipères des fosses, la fosse de chaleur consiste en une poche profonde dans le rostre avec une membrane tendue à travers elle. Derrière la membrane, une chambre remplie d'air assure le contact de l'air de chaque côté de la membrane. La membrane de la fosse est hautement vasculaire et fortement innervée avec de nombreux récepteurs thermosensibles formés à partir des masses terminales du nerf trijumeau (masses nerveuses terminales, ou TNM). Les récepteurs ne sont donc pas des cellules discrètes, mais une partie du nerf trijumeau lui-même. La fosse labiale trouvée chez les boas et les pythons est dépourvue de membrane suspendue et consiste plus simplement en une fosse tapissée d'une membrane également innervée et vasculaire, bien que la morphologie du système vasculaire diffère entre ces serpents et crotalines. Le but du système vasculaire, en plus de fournir de l'oxygène aux terminaux récepteurs, est de refroidir rapidement les récepteurs à leur état thermo-neutre après avoir été chauffés par le rayonnement thermique d'un stimulus. Sans ce système vasculaire, le récepteur resterait dans un état chaud après avoir été exposé à un stimulus chaud et présenterait à l'animal des images rémanentes même après la suppression du stimulus. [7]

Neuroanatomie Modifier

Dans tous les cas, la fosse faciale est innervée par le nerf trijumeau. Dans les crotalines, les informations provenant de l'organe de la fosse sont transmises au noyau réticulaire caloris de la moelle via le tractus trijumeau descendant latéral. De là, il est relayé au tectum optique controlatéral. Chez les boas et les pythons, les informations de la fosse labiale sont envoyées directement au tectum optique controlatéral via le tractus trijumeau descendant latéral, en contournant le noyau réticulaire caloris. [8]

C'est le tectum optique du cerveau qui traite finalement ces signaux infrarouges. Cette partie du cerveau reçoit également d'autres informations sensorielles, notamment la stimulation optique, mais aussi motrice, proprioceptive et auditive. Certains neurones du tectum ne répondent qu'à une stimulation visuelle ou infrarouge, d'autres répondent plus fortement à une stimulation visuelle et infrarouge combinée, et d'autres encore ne répondent qu'à une combinaison de stimulation visuelle et infrarouge. Certains neurones semblent être réglés pour détecter un mouvement dans une direction. Il a été découvert que les cartes visuelles et infrarouges du monde du serpent sont superposées dans le tectum optique. Ces informations combinées sont transmises via le tectum au cerveau antérieur. [9]

Les fibres nerveuses de l'organe à fosse sont constamment allumées à un rythme très faible. Les objets qui se trouvent dans une plage de température neutre ne modifient pas la cadence de tir. La plage neutre est déterminée par le rayonnement thermique moyen de tous les objets dans le champ récepteur de l'organe. Le rayonnement thermique au-dessus d'un seuil donné provoque une augmentation de la température de la fibre nerveuse, entraînant une stimulation du nerf et un tir ultérieur, avec une température accrue entraînant une augmentation du taux de tir. [10] La sensibilité des fibres nerveuses est estimée à >0,001 °C. [11]

L'organe à fosse s'adaptera à un stimulus répété si un stimulus adapté est supprimé, il y aura une fluctuation dans la direction opposée. Par exemple, si un objet chaud est placé devant le serpent, la cadence de tir de l'organe augmentera au début, mais après un certain temps s'adaptera à l'objet chaud et la cadence de tir des nerfs de l'organe à fosse reviendra à la normale. . Si cet objet chaud est ensuite retiré, l'orgue à fosse enregistrera maintenant l'espace qu'il occupait comme étant plus froid, et en tant que tel, la cadence de tir sera réduite jusqu'à ce qu'elle s'adapte au retrait de l'objet. La période de latence d'adaptation est d'environ 50-150 ms. [dix]

La fosse faciale visualise en fait le rayonnement thermique en utilisant les mêmes principes optiques qu'une caméra à sténopé, dans laquelle l'emplacement d'une source de rayonnement thermique est déterminé par l'emplacement du rayonnement sur la membrane de la fosse thermique. Cependant, des études qui ont visualisé les images thermiques vues par la fosse faciale à l'aide d'une analyse informatique ont suggéré que la résolution est extrêmement mauvaise. La taille de l'ouverture de la fosse entraîne une mauvaise résolution des petits objets chauds et, associée à la petite taille de la fosse et à la mauvaise conduction thermique qui en résulte, l'image produite est d'une résolution et d'un contraste extrêmement faibles. On sait qu'une certaine mise au point et netteté de l'image se produit dans le tractus trijumeau descendant latéral, et il est possible que l'intégration visuelle et infrarouge qui se produit dans le tectum puisse également être utilisée pour aider à rendre l'image plus nette.

Mécanisme moléculaire Modifier

Malgré sa détection de la lumière infrarouge, le mécanisme de détection infrarouge n'est pas similaire aux photorécepteurs - alors que les photorécepteurs détectent la lumière via des réactions photochimiques, la protéine dans les fosses des serpents est un type de canal potentiel de récepteur transitoire, TRPV1 qui est un ion sensible à la température canaliser. Il détecte les signaux infrarouges via un mécanisme impliquant le réchauffement de l'organe à fosse plutôt qu'une réaction chimique à la lumière. [12] Dans sa structure et sa fonction, il ressemble à une version biologique d'un instrument de détection de chaleur appelé bolomètre. Ceci est cohérent avec la fine membrane de la fosse, qui permettrait au rayonnement infrarouge entrant de réchauffer rapidement et avec précision un canal ionique donné et de déclencher une impulsion nerveuse, ainsi que la vascularisation de la membrane de la fosse afin de refroidir rapidement le canal ionique à son état de température d'origine. Alors que les précurseurs moléculaires de ce mécanisme se retrouvent chez d'autres serpents, la protéine est à la fois exprimée à un degré beaucoup plus faible et est beaucoup moins sensible à la chaleur. [12]

Les serpents détecteurs infrarouges utilisent largement les organes à fosse pour détecter et cibler les proies à sang chaud telles que les rongeurs et les oiseaux. Les serpents à sonnettes aveugles ou aux yeux bandés peuvent frapper leurs proies avec précision en l'absence totale de lumière visible, [13] [14] bien qu'il ne semble pas qu'ils évaluent les proies en fonction de leur température corporelle. [15] De plus, les serpents peuvent délibérément choisir des sites d'embuscade qui facilitent la détection infrarouge des proies. [16] [17] On supposait auparavant que l'organe a évolué spécifiquement pour la capture de proies. [11] Cependant, des preuves récentes montrent que l'organe à fosse peut également être utilisé pour la thermorégulation. Dans une expérience qui a testé les capacités des serpents à localiser un refuge thermique frais dans un labyrinthe inconfortablement chaud, toutes les vipères des fosses ont pu localiser le refuge rapidement et facilement, tandis que les vraies vipères n'ont pas pu le faire. Cela suggère que les pitvipers utilisaient leurs organes de fosse pour aider aux décisions de thermorégulation. [4] Il est également possible que l'organe ait même évolué en tant qu'adaptation défensive plutôt que prédatrice, ou que de multiples pressions aient potentiellement contribué au développement de l'organe. [5] L'utilisation du puits de chaleur pour diriger la thermorégulation ou d'autres comportements chez les pythons et les boas n'a pas encore été déterminée.


Équilibre et mouvement : le système vestibulaire

Les stimuli associés à la système vestibulaire sont l'accélération linéaire (gravité) et l'accélération et la décélération angulaires. La gravité, l'accélération et la décélération sont détectées en évaluant l'inertie des cellules réceptives du système vestibulaire. Chez les vertébrés, la gravité est détectée par la position de la tête. L'accélération et la décélération angulaires s'expriment par la rotation ou l'inclinaison de la tête.

Le système vestibulaire des vertébrés présente certaines similitudes avec le système auditif. Il utilise des cellules ciliées situées dans l'oreille dans une structure appelée le vestibulaire labyrinthe (situé à côté de la cochlée) , mais il les active d'une manière différente par rapport au système auditif. Les cellules ciliées du labyrinthe vésibulaire détectent les signaux de deux manières :

  • Certaines cellules ciliées se trouvent sous une couche gélatineuse, leurs stéréocils se projetant dans la gélatine. Intégrés dans cette gélatine se trouvent des cristaux de carbonate de calcium, comme de minuscules rochers, qui se déplacent en réponse à la gravité. Chaque fois que la tête est inclinée ou soumise à une accélération ou à une décélération, ces cristaux provoquent un déplacement de la gélatine, pliant les stéréocils. La courbure des stéréocils stimule les neurones, et ils signalent au cerveau que la tête est inclinée, permettant le maintien de l'équilibre.
  • Certaines cellules ciliées se projettent dans une calotte gélatineuse appelée cupule. Lorsque la tête tourne, le fluide dans les canaux se déplace, pliant ainsi les stéréocils et envoyant des signaux au cerveau. Lorsque le mouvement s'arrête, le mouvement du fluide dans les canaux ralentit ou s'arrête.

Les cellules ciliées dans les canaux semi-circulaires ont des projections qui s'étendent dans des cupules, qui se déplacent en réponse aux changements d'accélération ou de décélération. Crédit image : par la NASA – Source : The Effects of Space Flight on the Human Vestibular System, un article éducatif en ligne du gouvernement américain’s National Aeronautics and Space Administration (NASA), Public Domain, https://commons.wikimedia .org/w/index.php?curid=6765835

Cette vidéo donne un aperçu rapide du système vestibulaire des mammifères :

Un système similaire impliquant des cellules ciliées et une cupule est présent au Ligne latèrale de poissons osseux, qui sont utilisés pour détecter les changements de pression de l'eau.

La ligne latérale s'étend le long du corps des poissons osseux. Le canal de la ligne latérale est tapissé de cellules ciliées sensorielles avec des projections qui s'étendent dans des cupules. Le canal permet à l'eau de pénétrer dans l'environnement environnant, ce qui peut bander les cupules lorsque la pression de l'eau change, déclenchant des potentiels d'action dans les neurones sensoriels synapsés avec les cellules ciliées. Par Thomas.haslwanter – Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21451808

De nombreux invertébrés détectent l'équilibre grâce à une structure appelée statocyste, un organe en forme de boule tapissé de cellules ciliées tournées vers l'intérieur et contenant statolithes, particules denses semblables aux cristaux de carbonate de calcium dans l'utricule et le saccule des vertébrés. Tout mouvement provoque le changement d'emplacement des statolithes à l'intérieur du statocyste, activant différentes cellules ciliées lorsqu'ils se déplacent.

Les statocystes contiennent des cellules ciliées tournées vers l'intérieur (marron) qui détectent les mouvements des statolithes (violet), des particules denses qui se déplacent en réponse à la gravité. Les cellules ciliées sont synapsées avec des neurones sensoriels (lignes noires) qui communiquent des informations sensorielles au cerveau. Crédit image : Davis, W. J. (1968) – http://caspar.bgsu.edu/

courses/Neuroethology/Labs/Images/Statocyst.jpg, domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22495818

Les informations ci-dessous ont été adaptées de OpenStax Biology 36.5

Comme pour les stimuli auditifs, la lumière voyage par ondes. Les ondes de pression qui créent le son doivent voyager dans un milieu : un gaz, un liquide ou un solide. En revanche, la lumière est composée d'ondes électromagnétiques et n'a besoin d'aucun support. La lumière peut voyager dans le vide (c'est pourquoi nous pouvons voir les étoiles depuis l'espace.) Le comportement de la lumière peut être discuté en termes de comportement des ondes et aussi en termes de le comportement de l'unité fondamentale de la lumière : un paquet de rayonnement électromagnétique appelé photon. Les humains ne peuvent percevoir qu'une petite tranche de l'ensemble du spectre électromagnétique, qui comprend un rayonnement que nous ne pouvons pas voir sous forme de lumière car il est inférieur à la fréquence de la lumière rouge visible et au-dessus de la fréquence de la lumière violette visible, qui sont les limites de la détection de la lumière des vertébrés.

Certaines variables sont importantes lorsqu'on discute de la perception de la lumière :

  • Longueur d'onde (qui varie inversement avec la fréquence) est détecté comme une teinte, ou Couleur. La lumière à l'extrémité rouge du spectre visible a des longueurs d'onde plus longues (et une fréquence plus basse), tandis que la lumière à l'extrémité violette a des longueurs d'onde plus courtes (et une fréquence plus élevée). La longueur d'onde de la lumière est exprimée en nanomètres (nm) un nanomètre correspond à un milliardième de mètre. Les humains perçoivent une lumière comprise entre environ 380 nm et 740 nm. Certains autres animaux, cependant, peuvent détecter des longueurs d'onde en dehors de la gamme humaine. Par exemple, les abeilles voient la lumière proche de l'ultraviolet afin de localiser les guides de nectar sur les fleurs, et certains reptiles non aviaires détectent la lumière infrarouge (la chaleur que dégage la proie).
  • Vague amplitude est perçu comme une intensité lumineuse, ou luminosité.

La détection de la lumière se fait par photorécepteurs, des cellules qui contiennent des molécules absorbant les pigments qui absorbent la lumière. Les cellules photoréceptrices sont généralement situées dans des organes collecteurs de lumière appelés yeux. Les yeux varient en structure dans différents types d'animaux et comprennent:

  • œilletons dans les vers plats, qui sont des structures en forme de fossette qui détectent la direction d'une source lumineuse
  • Yeux composés d'arthropodes, qui contiennent plusieurs lentilles et détectent les formes, les motifs et les mouvements
  • yeux d'épingle dans le nautile, qui ne contient pas de lentille et forme des images simples à faible résolution
  • yeux simples des céphalopodes et des vertébrés, qui contiennent une seule lentille et forment des images à haute résolution

Beaucoup de ces types d'yeux, qui sont présents dans les organismes vivants aujourd'hui, peuvent également avoir représenté une voie d'évolution d'un simple patch de cellules photosensibles à de simples yeux de lentilles de vertébrés et de céphalopodes :

Par Matticus78 sur Wikipedia en anglais, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2748615

Cette vidéo décrit les origines évolutives de l'œil humain :

L'œil des vertébrés contient les structures suivantes :

  • Sclère : tissu externe dur (blanc de l'œil)
  • Cornée : feuille transparente de tissu conjonctif, fonctionne avec le cristallin pour focaliser la lumière sur la rétine
  • Iris : anneau de muscle pigmenté qui contrôle la quantité de lumière entrant dans l'œil
  • Pupille : trou au centre de l'iris
  • Lentille : structure cristalline et incurvée qui focalise la lumière sur la cornée (en se pliant, pas en se déplaçant) en conjonction avec la cornée
  • Rétine : fine couche de cellules photoréceptrices et de neurones
    • Cellules photoréceptrices : cellules sensorielles détectrices de lumière
    • Cellules bipolaires : neurones intermédiaires de connexion
    • Cellules ganglionnaires : neurones dont les axones se projettent vers le cerveau via le nerf optique
    • Fovéa : site de la rétine avec uniquement des cônes, zone de résolution visuelle la plus élevée

    (a) L'œil humain est représenté en coupe transversale. (b) A blowup shows the layers of the retina. Image credit: OpenStax Biology

    The vertebrate eye is pretty good at forming high-resolution images, though perhaps we are a little biased in making that assessment. But it turns out that that the vertebrate eye is actually far from ideal. In fact, the cephalopod eye, which looks the same on the surface but evolved independently, is far better. Here is a comparison between the vertebrate and cephalopod eyes:

    • Cephalopod eyes move the lens to focus (like in a camera), rather than changing lens shape as in the vertebrate eye the result in vertebrates is age-related loss of resolution as the lens loses flexibility over time
    • Vertebrate eyes have an “inverted” retina, where blood vessels and nerves are in front of the photreceptor cells, unlike in the cephalopod eye where the nerves are derrière the photoreceptor cells the result in vertebrates is the blind spot as well age-related macular degeneration and increased likelihood of retina detachment (a severe medical emergency) due to the loose association between the retina and the back of the eye

    The vertebrate and cephalopod eyes are very similar but with key differences, including the relative locations of the photoreceptors and sensory neurons (the retina is “inverted” in the vertebrate eye, resulting in a blind spot where the optic nerve exits the retina), and the movable lens in cephalopods compared with a flexible lens in vertebrates. Image credit: modification of work by By Philcha, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4612105

    Regardless of the structure of the eye, all photoreception relies on light-absorbing pigment molecules embedded in the photoreceptor cells. This pigment is called retinal, and it is contained in a protein called opsin. Together, they form a complex called rhodopsin, that allow us to detect light and color. Both the protein and the pigment are essential for this process:

    • The pigment: retinal, reversibly changes shape when it is hit by a photon of light (this process is extremely similar to detection of red vs far-red light by phytochrome in plants.)
    • The protein: opsin, holds the retinal pigment and changes shape/activity when the retinal changes shape in response to absorption of light. Opsins are responsible for our ability to perceive differences in color or hue. Humans have three color-sensitive opsins: S opsin (short-wavelength opsin), M opsin (medium-wavelength opsin), and L opsin (long-wavelength opsin).
    • The photoreceptor cells: rods et cônes each contain a unique opsion that causes the cell the cell to be most sensitive to a specific wavelength of light. Keep in mind that the retinal is always the same it is the opsin that varies in different photoreceptor cells
      • Cones (which are cone-shaped) each contain a single type of color-sensitive opsin, making each cone most sensitive to a particular hue or color of light. Though we only have three types of cones (due to the three types of color-sensitive opsins), we are able to detect so much variation in hue to do activation of different combinations of cones at the same time. Cones require high-levels of light to work, which is why we can’t perceive color well in the dark. Cones are heavily concentrated at the fovéa and are useful for focusing on important visual details.
      • Tiges (which are rod-shaped) each contain a fourth type of opsin called rod opsin, which is activated by an intermediate wavelength of light and is capable of working in low-levels of light. Rods are not color-sensitive, but allow us to see in low levels of light. Rods are heavily concentrated at the periphery (outer edges) of the retina, and are useful for detecting movement in our field of vision.

      Human rod cells and the different types of cone cells each have an optimal wavelength. However, there is considerable overlap in the wavelengths of light detected. Image credit: OpenStax Biology

      This video provides a brief explanation of how we can perceive so many different colors with only three types of cones:

      What happens when a photon activates rhodosin? Unlike all the other sensory systems we have discussed, a rod or cone cell hyperpolarizes when its rhodopsins are activated by light, and it depolarizes when its rhodopsins are in the dark. This means that, when in the dark, our rods and cones are depolarized and thus releasing neurotrasnsmitters to their synapsed bipolar cells. When a rod or cone cell is activated by light, it hyperpolarizes and s'arrête releasing neurotransmitter.


      Sensory Biology Around the Animal Kingdom

      Le scientifique Personnel
      Sep 1, 2016

      © TIM ROBBERTS/GETTY IMAGES

      Jump to discussions on:

      G rowing up, we learn that there are five senses: sight, smell, touch, taste, and hearing. For the past five years, Le scientifique has taken deep dives into each of those senses, explorations that revealed diverse mechanisms of perception and the impressive range of these senses in humans and diverse other animals. But as any biologist knows, there are more than just five senses, and it&rsquos difficult to put a number on how many others there are. Humans&rsquo vestibular sense, for example, detects gravity and balance through special organs in the bony labyrinth of the inner ear. Receptors in our muscles and joints inform our sense of body position. (See &ldquoProprioception: The Sense Within.&rdquo) And around the animal kingdom, numerous other sense organs aid the perception of their worlds.

      Detecting Gravity and Motion

      A BALANCING ACT: Ctenophore statocysts (1), consist.

      The comb jelly’s single statocyst sits at the animal’s uppermost tip, under a transparent dome of fused cilia. A mass of cells called lithocytes, each containing a large, membrane-bound concretion of minerals, forms a statolith, which sits atop four columns called balancers, each made up of 150–200 sensory cilia. As the organism tilts, the statolith falls towards the Earth’s core, bending the balancers. Each balancer is linked to two rows of the ctenophore’s eight comb plates, from which extend hundreds of thousands of cilia that beat together as a unit to propel the animal. As the balancers bend, they adjust the frequency of ciliary beating in their associated comb plates. “They’re the pacemakers for the beating of the locomotor cilia,” says Sidney Tamm, a researcher at the Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Massachusetts, who has detailed the structure and function of the ctenophore statocyst (Biol Bull, 227:7-18, 2014 Biol Bull, 229:173-84, 2015).

      Sensing gravity’s pull and the subsequent ciliary response is entirely mechanical, Tamm notes—no nerves are involved in ctenophore statocyst function. Most other animals with statocyst sensing, on the other hand, do employ a nervous system. Statocysts exist in diverse invertebrate species, from flatworms to bivalves to cephalopods. Although the details of the statocyst’s architecture vary greatly across these different groups, it is generally a balloon-shape structure with a statolith in the center and sensory hair cells around the perimeter. As the statolith, which can be cell-based as in the ctenophore or a noncellular mineralized mass, falls against one side of the sac, it triggers those hair cells to initiate a nervous impulse that travels to the brain.

      The complexity of the statocyst system appears to correlate with the complexity of a species’ movement and behavior, says Heike Neumeister, a researcher at the City University of New York. Squids and octopuses, which move rapidly around in three-dimensional space, for example, have highly adapted equilibrium receptor organs. Likewise, the nautilus, whose relatives were among the first animals to leave the bottom of the ocean and begin swimming and employing buoyancy, has a fairly advanced system. Each of its two statocysts is able to detect not only gravity, like the ctenophore’s, but angular accelerations as well, like those of octopuses, squids, and cuttlefishes (Phil Trans R Soc Lond B, 352:1565-88, 1997). “[Nautilus] statocysts are an intermediate state of evolution between simpler mollusks and modern cephalopods,” says Neumeister.

      These sensory systems may be damaged by the man-made noise now resonating throughout the world’s oceans. Michel André, a bioacoustics researcher at the Polytechnic University of Catalonia in Barcelona, Spain, started looking into the effects of noise pollution on cephalopods after the number of giant squid washing ashore along the west coast of Spain shot up in 2001 and then again in 2003. “The postmortem analysis couldn’t reveal the causes of the death,” recalls André. Nearby, however, researchers were conducting ocean seismic surveys, using pulses of high-intensity, low-frequency sound to map the ocean floor. Although, these animals don’t have ears, André and others wondered if that noise might be affecting the squids’ sense of balance.

      Sure enough, exposing squid, octopuses, and cuttlefish to low-frequency sound, which caused the animals’ whole bodies to vibrate, universally resulted in damage to their statocysts. Hair cells were ruptured or missing the statocysts themselves sometimes had lesions or holes even the associated nerve fibers suffered damage. As a result, the animals became disoriented, often floating to the water’s surface (Front Ecol Environ, doi:10.1890/100124, 2011). “They eventually died because they were not eating,” says André. “I don’t think that [anyone thought] that animals who could not hear would be suffering from acoustic trauma. . . . This is something we have to be concerned about.”

      Feeling the Flow

      © CLAUS LUNAU/SCIENCE SOURCE Light, sound, and odors travel through water very differently than they do in air. Accordingly, aquatic animals have sensory systems tuned to their fluid medium—most notably, the lateral line system. Observable as distinct pores that run along the flanks and dot the heads of more than 30,000 fish species, the lateral line is composed of mechanoreceptors called neuromasts—clusters of hair cells not unlike those found in the mammalian ear and vestibular system—that relay information about the velocity and acceleration of water flow.

      “If you live underwater, the water is often moving with respect to your body, and it’s carrying the environment with it,” says University of California, Irvine, biologist Matt McHenry, who studies the lateral line sense in fish. “To have some sense of where it’s going and how fast it’s going seems pretty fundamental. It makes a lot of sense that they would be tuned in to flow.” Despite more than 100 years of research on the lateral line, however, many questions remain about its structure and function, how the sense relays information to the nervous system, and how it affects fish behavior.

      NEUROMASTS: Clusters of hair cells project from the surface of a larval zebrafish’s skin to sense the water’s movement. (Cupula has been removed.) JURGEN BERGER/MAX PLANCK INSTITUTE FOR DEVELOPMENTAL BIOLOGY Transparent zebrafish larvae, whose surface lateral line structures can be observed without the need for dissection, are starting to yield answers. Using a high-power microscope, Jimmy Liao of the University of Florida’s Whitney Laboratory for Marine Science and his colleagues attach tiny glass probes to individual neuromasts and stimulate the mechanoreceptors with controlled vibrations. “We’re able to tickle an individual neuromast and record from the neuron that innervates that specific cluster,” he says. With this system, Liao’s team has found that a neuromast’s response to different water velocities depends on its position in space (J Neurophysiol, 112:1329-39, 2014). “If you bend [a neuromast] halfway and then give it a velocity, that’s very different than just giving it the velocity in its normal configuration,” Liao says.

      Liao and his collaborators have also determined that the sensors stimulate sensory neurons in a nonlinear fashion—that is, with increasing velocity, the nervous response only increases up to a certain point, then levels off (J Neurophysiol, 113:657-68, 2015). And the researchers have traced the nervous connections from neuromasts found on the flank of a fish’s body to specific locations within the posterior lateral line ganglion, a group of nerve cells outside the brain. Tail neuromasts are connected to afferent neurons found in the center of the ganglion, Liao says, while neuromasts closer to the head contact neurons on its periphery.

      When it comes to the specific role of lateral line sensing in fish behavior, however, the research is still somewhat murky. “We have a very crude understanding for what behaviors depend on this sense,” says McHenry. “At a receptor level, I think we have a pretty good handle for what kind of information they’re extracting, but in real-world applications it’s not clear why that’s useful a lot of the time.”

      HAIRLINE: Modified epithelial cells called hair cells—similar to those in the mammalian inner ear—are the work horses of the lateral line in fishes. Hair cells connect to afferent neurons and are grouped together into structures called neuromasts whose hairs are covered by a jelly-like secretion called the cupula. When moving water or vibrations trigger neuromasts, which sit inside pores on the head, body, and tail of the fish, hair cells stimulate neurons to relay information about velocity or acceleration to sensory ganglia distributed through the fish’s body. © LAURIE O'KEEFE One challenge is isolating sensory information detected by the lateral line from information detected by other fish senses, specifically vision, says Sheryl Coombs, an emeritus professor at Bowling Green State University who has spent decades studying the links between the lateral line sense and fish behavior. “Most behaviors rely on animals integrating information across the senses,” she says. “It’s difficult sometimes to pick apart the role of the lateral line because the senses act together in complementary ways, often.”

      To get around this problem, Coombs has studied nocturnal fish and species that live in complete darkness, such as the Mexican blind cave fish (Astyanax mexicanus), which often lacks eyes altogether. In this species, Coombs has found that the fish may use their lateral line sense to construct rudimentary maps of their surroundings. “They’re basically ‘listening’—for lack of a better word—to their own flow field that they create by moving through the water,” she says. “They create the flow, and then they’re listening to distortions in that flow created by the presence of the obstacle. It’s sort of analogous to echolocation in the sense that animals are producing a sound and they’re listening to how the sound bounces back.”

      Magnetoreception

      Mollusks, insects, birds, and some mammals are able to sense Earth’s magnetic field, but how they do so remains a mystery. In the last couple of decades, “most of the research [has focused] on proteins and genetics in the various animals, speculating on possible means of magnetoreception,” says Roswitha Wiltschko, who—along with her husband, Wolfgang Wiltschko—ran a magnetoreception lab at Goethe University Frankfurt, Germany, until she retired in 2012.

      Although the details are still unclear, most magnetoreception researchers have converged upon two key mechanisms: one based on magnetite, an iron oxide found in magnetotactic bacteria, mollusk teeth, and bird beaks and the other on cryptochromes, blue-light photoreceptors first identified in Arabidopsis that are known to mediate a variety of light-related responses in plants and animals.

      Once we have found magnetoreception structures reliably, we can start trying to understand how they convert the magnetic field into a neural response. —Roswitha Winklhofer
      Goethe University Frankfurt

      In 2001, Michael Winklhofer, then at Ludwig Maximilian University of Munich, and colleagues reported their identification of magnetite in the beaks of homing pigeons (Eur J Mineral, 13:659-69). A year earlier, Klaus Schulten of the University of Illinois at Urbana-Champaign and colleagues proposed that cryptochromes in the bird eye might also play a role in avian magnetoreception (A Sense of Mystery,” Le scientifique, August 2013.)


      Over the years, support for this idea has emerged. In 2007, Henrik Mouritsen of the University of Oldenburg, Germany, and colleagues showed that blue light–exposed avian cryptochrome 1a indeed forms long-lived radical pairs (PLOS ONE, 2:e1106). And this April, Peter Hore of the University of Oxford and colleagues published a computer-based modeling study showing that light-dependent chemical reactions in cryptochrome proteins in the eyes of migratory birds could “account for the high precision with which birds are able to detect the direction of the Earth’s magnetic field,” the authors wrote (PNAS, 113:4634-39, 2016).

      Birds seem to use both the magnetite and the radical pair/cryptochrome–based mechanisms. Cryptochrome-based orientation has also been reported in Drosophile and cockroaches, and researchers have found evidence of magnetite-based navigation in animals from mollusks to honeybees. And there may be other components of magnetoreception still to discover, as scientists continue their search for magnetic sensory structures across the animal kingdom. Late last year, for example, biophysicist Can Xie of Peking University in Beijing and colleagues identified a Drosophila protein, dubbed MagR, that—when bound to photosensitive Cry—has a permanent magnetic moment, the researchers reported, meaning it spontaneously aligns with magnetic fields (Nat Mater, 15:217-26, 2015). The MagR/Cry complex, the researchers noted, exhibits properties of both magnetite-based and photochemical magnetoreception. (See “Biological Compass,” Le scientifique, November 2015). The study was met with skepticism, however, and the results have yet to be independently verified.

      In addition to mechanism, questions remain about the function of magnetoreceptive capabilities. “Once we have found [magnetoreception structures] reliably, we can start trying to understand how they convert the magnetic field into a neural response, and at the brain level, how are the single responses processed and integrated with other navigational information to tell the animal where it is and where to go,” says Winklhofer.

      In the mid-1990s, for example, Wiltschko and her husband Wolfgang demonstrated that migratory birds called silvereyes (Zosterops lateralis) reacted to a strong magnetic pulse by shifting their orientations 90° clockwise, returning to their original headings around a week later (Expérience, 50:697-700, 1994). Magnetic field manipulations can also affect Drosophila navigation, John Phillips, now of Virginia Tech, has shown (J Comp Physiol A, 172:303-08, 1993). And Richard Holland, now of Bangor University, U.K., and colleagues showed in the mid-2000s that experimentally shifting the Earth’s magnetic field altered homing behavior in Eptesicus fuscus bats (La nature, 444:702, 2006).

      “Some animals use their magnetic sense for long-distance navigation, some for magnetic alignment or orientation, and some animals may have the capability to sense the magnetic field but do nothing,” says Xie. Or, at least, nothing that has yet been recognized by researchers.

      —Tracy Vence

      Thermoreception

      HEAT SENSE: Pit organs consist of a large, hollow, air-filled outer chamber and a smaller inner chamber separated by a membrane embedded with heat-sensitive receptors. The receptors are innervated by the trigeminal ganglia (TG), which transmit the infrared signals to the brain. © LAURIE O'KEEFE Many animals are able to sense heat in the environment, but vampire bats and several types of snakes are the only vertebrates known to have highly specialized systems for doing so. Humans and other mammals sense external temperature with heat-sensitive nerve fibers, but pit vipers, boa constrictors, and pythons have evolved organs in their faces that the animals use to detect infrared (IR) energy emitted by prey and to select ecological niches. And vampire bats have IR receptors on their noses that let them home in on the most blood-laden veins in their prey.

      “Infrared sense is basically a souped-up [version] of thermoreception in humans,” says David Julius, a professor and chair of the physiology department at the University of California, San Francisco (UCSF), who studies this sense in snakes. The difference is, snakes and vampire bats “have a very specialized anatomical apparatus to measure heat,” he says.

      These IR-sensing apparatuses, known as pit organs, have evolved at least twice in the snake world—once in the ancient family that includes pythons and boas (family Boidae) and once in the pit vipers (subfamily Crotalinae), which includes rattlesnakes. Pythons and boas have three or more simple pits between scales on their upper and sometimes lower lips each pit consists of a membrane that is lined with heat-sensitive receptors innervated by the trigeminal nerve. Pit vipers, by contrast, typically have one large, deep pit on either side of their heads, and the structure is more complex, lined with a richly vascularized membrane covering an air-filled chamber that directs heat onto the IR-sensitive tissue. This geometry maximizes heat absorption, Julius notes, and also ensures efficient cooling of the pit, which reduces thermal afterimages.

      In 2010, Julius and Elena Gracheva, now at Yale University, identified the heat-sensitive ion channel TRPA1 (transient receptor potential cation channel A1) that triggers the trigeminal nerve signal in both groups of snakes (La nature, 464:1006-11). The same channels in humans are activated by chemical irritants such as mustard oil or by acid, and the resulting signal is similar to those produced by wounds on the skin, Gracheva says. In snakes, these channels have mutated to become sensitive to heat as well.

      Vampire bats—which, true to their name, feed on the blood of other creatures—are the only mammals known to have a highly developed infrared sense. Like snakes, the bats have an innervated epithelial pit, which is located in a membrane on the bats’ noses. In 2011, Julius, Gracheva, and their colleagues identified the key heat-sensitive ion channel in vampire bats as TRPV1 (La nature, 476:88-91). In humans, this channel is normally triggered by temperatures above 43 °C, but in the bats, it is activated at 30 °C, the researchers found.

      More than 30 years ago biologists Peter Hartline, now of New England Biolabs in Ipswich, Massachusetts, and Eric Newman, now at the University of Minnesota, found that information from the snake pit organ activates a brain region called the optic tectum (known in mammals as the superior colliculus), which is known to process visual input (Science, 213:789-91, 1981). The pit organ appears to act like a pinhole camera for infrared light, producing an IR image, Newman says. However, it’s impossible to know whether snakes actually “see” in infrared.

      “Unfortunately we don’t have a sensory map [of the brain] in snakes or vampire bats,” Gracheva agrees. “I don’t think we have enough data to say [these animals] can superimpose a sensory picture onto the visual picture, though it definitely would make sense.”

      —Tanya Lewis

      Electroreception

      Apullae of Lorenzini openings in great white shark skin © GARY BELL/OCEANWIDEIMAGES Sharks and other fish are well known for their ability to detect electric fields, with some species able to sense fields as weak as a few nanovolts per centimeter—several million times more sensitive than humans. But it turns out that they aren’t the only ones. In recent years, evidence for electroreception has been accumulating all over the animal kingdom: in monotremes (such as the platypus), crayfish, dolphins, and, most recently, bees.

      “The number of taxa that are now effectively known to detect weak electric fields is increasing,” says Shaun Collin of the University of Western Australia, “although some of these we don’t know very much about yet, and for some we only have evidence of a behavioral response.”

      ELECTRIC SLIDE: Sharks and other cartilaginous fish have highly specialized electroreceptive organs called the ampullae of Lorenzini. These bundles of sensory cells, situated at the end of jelly-filled pores in the skin, detect electric fields in the water surrounding the fish and send signals to the brain. © LAURIE O'KEEFE First formally described in the middle of the last century in weakly electric fish (J Exp Biol, 35:451-86, 1958), electroreception operates most effectively over less than half a meter in water—a more conductive medium than air. The sense is most frequently employed by aquatic or semi-aquatic animals to find prey in environments where other senses are less reliable—in murky or turbid water, for example, or where food can bury itself in sediment. Such “electrolocation” is usually passive, relying on bioelectric fields generated by the nerves and muscles of other animals, but some species, such as knifefish, measure distortions in electric fields that they themselves generate.

      Researchers have also documented other functions of electroreception. “Especially in the stingray family, it is used in social communication,” says Collin. “The opposite sex can use it to assess whether there’s a potential for mating, and discriminate that opportunity from something that could turn into predation.” And some baby sharks appear to use electroreception for predator aversion. According to research by Collin’s group, electric fields trigger a “freeze” response in bamboo sharks while they’re still in egg sacs (PLOS ONE, doi:10.1371/journal.pone.0052551, 2013).

      Electroreception is thought to be an ancestral trait among vertebrates that has subsequently been lost from several lineages (including the amniotes—the group comprising reptiles, birds, and mammals), and then re-evolved independently at least twice in teleost fish and once in monotremes. In 2011, researchers added cetaceans to that list, after discovering electroreception in the Guiana dolphin, a resident of murky coastal waters around South America that evolved its electroreceptors from what used to be whiskers (Proc R Soc B, doi:10.1098/rspb.2011.1127).

      Most electroreceptors consist of modified hair cells with voltage-sensitive protein channels, arranged in bundles that activate nerves leading to the brain. “The classic example is the ampullae of Lorenzini,” says Collin. Described in 1678 by Italian anatomist Stefano Lorenzini, ampullae are extensions of the lateral line system that are present in dense clusters over the heads of cartilaginous fish such as sharks and rays. Each ampulla consists of a bundle of electrosensory cells at the end of a pore filled with a hydrogel that was recently shown to have the highest reported proton conductivity of any known biological material (Sci Advances, 2:e1600112, 2016).

      But pinning down how any of these receptors operate at a molecular level remains a challenge, notes Clare Baker, a neuroscientist at the University of Cambridge. “We hardly know anything about the specific genes involved, or the genetic basis for building electroreceptors in the embryo,” she says, adding that the major animal models in fish and amphibians—zebrafish Danio rerio and frog genus Xenopus—both belong to lineages that have lost electroreception altogether.

      Baker’s group has adopted the paddlefish, a relative of the sturgeon, as a model organism. Electrosensitivity in these animals, as in other primitive vertebrates such as the axolotl, depends on modified hair cells that develop as part of the ancestral lateral line system and are homologous to the ampullary organs of sharks. Fate-mapping experiments in these species have identified candidate genes for electroreceptor development (Evol Dev, 14:277-85, 2012), and Baker says future work will use gene-editing technologies such as CRISPR-Cas9 to get a better grip on these genes’ functions.

      Meanwhile, the field is continuing to uncover surprises. In 2013, research from Daniel Robert’s group at the University of Bristol showed that bumblebees are capable of detecting the weak electric fields generated by flowers, and use this information to discriminate between food sources of differing quality (Science, 340:66-69). And earlier this year, the same researchers identified bees’ electrosensors as tiny hairs that move in the presence of electric fields (PNAS, 113:7261-65, 2016). “Electroreception provides another source of information,” says Robert, who suspects that a flower’s electric field may indicate to bees when nectar and pollen are available. “They’re really good at learning where the resources are.”

      For Collin, the Bristol team’s findings are indicative of how much more there is still to discover about electroreception. Even in large clades such as reptiles and birds, “there is circumstantial evidence that they might have electroreception, but there hasn’t been anything concrete,” he says. “There may well still be examples of functions we don’t even know about.”


      Serpents

      Some people refer to the infrared vision of snakes as a sixth sense. Snakes have receptors that allow them to see infrared in the dark thanks to protein channels that are activated by heat from the bodies of their prey.

      The snake family known as pit vipers, which includes pythons, boas, and rattlesnakes, have a particularly well-developed ability to sense heat in the dark thanks to their infrared vision. They have pits lined with heat sensors along their upper and lower jaws.


      Crabs

      Crabs are unable to move their eyes, but the creatures have an excellent visual field that helps them spot predators and prey.

      For instance, the fiddler crab (Uca vomeris) can see all around itself, including overhead, according to a 2009 study published in the Journal of Experimental Biology.

      The eye cells on top of the crab's stalks can perceive light and dark, but not fine detail. "The crab only needs to see one dark spot moving in its upward vision to know it must run for its burrow," study co-author Jan Hemmi, a senior lecturer of biology at the University of Western Australia said in a statement.


      5) Mantis Shrimp

      Power: Super Sight

      If the power of vision determined a species&rsquo place in the hierarchy of life, mantis shrimp would rank higher than eagles with night-vision goggles. The stupefying abilities associated with their eyes is almost incomprehensible. They can see the following: the spectrum of light visible to humans, polarized light, infrared and ultraviolet waves. They can even see heat!

      Basically, it can see the same spectra of light that requires humans to use thousands of dollars of equipment.

      Reason: This shrimp comes equipped with 12 different types of color photoreceptors, whereas humans have only 3.

      However, surprisingly, an experiment conducted on these shrimps concluded that humans were still better at discriminating between colors.

      After reading about all of these incredible creatures, which animal has the potential to be the best superhero?


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