Horváth Gábor, Mizera Ferenc, Bernáth Balázs, Gál József, Pomozi István

A bennünket környezõ világnak az állatok szemével való figyelése nyilvánvalóan kivitelezhetetlen feladat, pedig azoknak a biológusoknak éppen erre lenne szükségük, akik az állatok vizuális etológiájával, azaz a látás által irányított vi selkedés kutatásával foglalkoznak Az állati látás iránt érdeklõdõ fizikusok nagy segítségükre lehetnek ezen biológusoknak a vizuális környezet emberi szem számára láthatatlan, de az állatok látórendszere által érzékelhetõ optikai sajátságainak a mérésére alkalmas mûszerek építésével valamint olyan számítógépes programok kifejlesztésével, amelyekkel azt lehet meghatározni és szemléltetni, hogy az állatok szeme mit is észlel az optikai környezetbõl. Elõadásunkban erre mutatunk egy példát felvázolva a videop olarimetria módszerét, s azt, hogy miként szolgálhatják vele a "biológiai fizikusok" az állatok fénypolarizáció-látásának és viselkedésének kutatását.

Számos állat az emberrel ellentétben képes érzékelni a fény polarizációját. Hogy mérhessük és feltérképezhessük a különbözõ biotópokban elõforduló, a polarizáció-látással rendelkezõ állatok viselkedését meghatározó természetes fényp olarizációs mintázatokat, az elmúlt években kifejlesztettük a videopolarimetria módszerét [1,2], amellyel a hullámhossz függvényében, nagy látószögben mérhetõ a fénypolarizáció foka és iránya, és számítógépes képfeldolgozást követõen nagyfelbontású, hamis színes mintázatok formájában megjeleníthetõ a polarizáció térbeli eloszlása. Sztereo-videopolarimetriával akár három dimenzióban is ábrázolhatóak a polarizációs mintázatok [3]. A rovarok fénypolarizáció-érzékelésének vizsgálatában biológusokkal együttmûkö dve a videopolarimetria alkalmazása számos konkrét, új eredményt hozott, amelyek közül néhányat alább villantunk fel. Vízfelületek vizuális észlelése és vízutánzó légtükrözések

Mivel a vízirovarok a számukra alkalmas vízi élettereket a vízfelületrõl visszaverõdõ fény horizontális polarizációja segítségével detektálják és találják meg, ezért fontos volt a természetes vizek tükrözõdési-polarizációs mintázatainak részletes, elméleti és kísérleti feltérképezése [4-7]. Rámutattunk, hogy míg egy fényes légtükrözés (délibáb) csillogó vízfelületet utánozva az embert becsaphatja, addig a fénypolarizáció-látású, vizet keresõ rovarokat nem téveszti meg, mert a délibáb és a vízfelület tükrözõdési-polarizációs tulajdonságai annyira eltérnek egymástól [8].

Nedvességdetektálás

A nedves vagy bomló anyagokról visszavert fény polarizációjából az arra érzékeny látórendszerû rovarok már távolról, vizuális úton következtetni tudnak a nedvességtartalomra, s eldönthetik, hogy felkeressék-e az illetõ anyagot annak meg felelõen magas nedvességtartalma esetén (pl. táplálkozás vagy peterakás céljából) vagy odébb álljanak más anyagok után tovább kutatva. Ezen alapul pl. a friss állati ürülékeknek a rovarokra kifejtett optikai vonzó hatása vagy egyes rovarevõ növények rovar csalogató mechanizmusa.

Míg a délibáb-tükrözés nem, addig a sötét, sima, csillogó felületek képesek megtéveszteni a fénypolarizáció-érzékeny szemû, vizet keresõ rovarokat, mert számukra a szóban forgó felületrõl tükrözõdõ, vízszintesen poláros fény vizet j elent. Minél sötétebb és simább a felszín, annál vízszintesebb és polárosabb a visszavert fény, s annál vonzóbb a felület. Ezzel magyarázható a recens kuvaiti kõolajtavaknak [1] és a budapesti pakuratónak [9] vagy az õsi, jégkorszaki aszfaltmocsaraknak a fénypolarizáció-érzékeny látórendszerû állatokra, fõleg a vizet keresõ rovarokra és madarakra kifejtett, eddig rejtélyesnek tûnõ vizuális vonzó hatása. Sikerült kimutatnunk, hogy ezek a felületek gyakran polárosabbak a természetes vízfelületeknél, ezért h a a rovaroknak vizuális úton kell dönteniük pl. egy kõolajtócsa vagy egy vízpocsolya között, akkor a polárosabb kõolajat választják, s abban landolva menthetetlenül elpusztulnak [9].

Ugyanezzel a jelenséggel magyarázható az entomológusok által már évtizedek óta ismert, eddig rejtélynek számító azon megfigyelés is, hogy miért rajzanak a kérész nevû vízirovarok a patakjuk mellett futó aszfaltutak fölött, s miért p etéznek az aszfaltra a patak vize helyett. Hasonlóan veszélyesek számukra és a kipusztulási folyamatukat gyorsítják a mezõgazdaságban egyre elterjedtebben használt fekete mûanyag fóliák. Az aszfalt utakról és e fóliákról tükrözõdõ erõsen és vízszintesen p oláros fény szupernormális ingert jelent a vizet keresõ, polarizáció-érzékeny rovarok számára, akik a vizek helyett ezekre a megtévesztõ, csábító, antropogén eredetû felületekre szállnak, ahol

hamar kiszáradnak és tömegesen elpusztulnak [10].

A méhek tükrözõdési polarizáció indukálta hamisszínes világa

Számos rovart, pl. a méheket a virágok fajra jellemzõ színe vezeti a nektárforráshoz, ezért ezek a rovarok fejlett színlátással rendelkeznek. Mivel a rovarok fotoreceptorai anatómiai sajátságaikból kifolyólag eredendõen fénypolarizáció- érzékenyek is, ezért megfelelõ kiküszöbölõ mechanizmus nélkül összekeverednének a virágszirmokról visszavert, s a rovarszembe jutó részlegesen poláros és színes fény hordozta polarizációs és spektrális információk. Ez oda vezetne, hogy pl. a méhek képtele nek lennének elkülöníteni a színeket a polarizációtól, s így a virágszirmoknak a színe aszerint változna, hogy mennyire poláros a róluk visszavert fény. Ez igen megnehezítené, vagy teljesen lehetetlenné tenné a virágoknak a színeik alapján történõ megtalá lását. Videopolarimetriás mérésekkel és egy, a méhek retinájában lezajló neurobiológiai mechanizmusokat leíró számítógépes program segítségével sikerült meghatároznunk, hogy milyen hamisszínekben látnák a világot a méhek, ha fotoreceptoraik szemük egészéb en polarizáció-érzékenyek lennének. Demonstráltuk pl., hogy miként változnának a növényi felületek (virágszirmok és levelek) méhek által észlelt színei, ha a méhek különbözõ irányból közelednének hozzájuk, s ha fotoreceptoraik polarizáció-érzékenyek lenné nek. A méhek e problémát úgy oldották meg, hogy egy ügyes anatómiai trükkel fotoreceptoraikat fénypolarizáció-érzéketlenné tették szemük azon régiójában, amellyel a virágokat nézik. Megmutattuk, hogy mi lehetne az a másik neurobiológiai megoldás, amellyel a méhek el tudnák kerülni a növényi felületek tükrözõdési polarizáció indukálta hamisszíneit, valamint elemeztük annak lehetséges okait, amiért a biológiai evolúció során nem ez a mechanizmus fejlõdött ki a méhek szemében. A méhek szemének azon részében, amellyel az égboltot kémlelik, viszont polarizáció-érzékenyek a fotoreceptorok, mivel ezek észlelik az égbolt polarizációs mintázatait [11]. A méhek ezen mintázat segítségével tájékozódnak.

Köszönetnyilvánítás:

Kutatómunkánkat az F-012858 számú OTKA pályázat valamint a Magyar Felsõoktatásért és Kutatásért Alapítványtól kapott 12 hónapos Magyary Zoltán posztdoktori ösztöndíj (H.G.) tette lehetõvé.

[1] Horváth, G. and Zeil, J. ( 1996) Kuwait oil lakes as insect traps. Nature 379, 303-304

[2] Horváth, G. and Varjú, D. (1997) Polarization pattern of freshwater habitats recorded by video polarimetry in red, green and blue spectral ranges and its relevance for water detection by aquatic insects. Journal of Experimental Bi ology 200, 1155-1163

[3] Horváth, G., Mizera, F. and Kriska, G. (1998) Stereo videopolarimetry: Measuring and visualizing natural polarization patterns in three dimensions. Journal of the Optical Society ofAmerica A (in press)

[4] Schwind, R. and Horváth, G. (1993) Reflection-polarization pattern at water surfaces and correction of a common representation of the polarization pattern of the sky. Naturwissenschaften 80, 82-83

[5] Horváth, G. (1995) Reflection-polarization patterns at flat water surfaces and their relevance for insect polarization vision. Journal of Theoretical Biology 175, 27-37

[6] Horváth, G. and Varjú, D. (1995) Underwater refraction-polarization patterns of skylight perceived by aquatic animals through Snell's window of the flat water surface. vision Research 35, 1651-1666

[7] Horváth, G. and Pomozi, I. (1997) How celestial polarization changes due to reflection from the deflector panels used in deflector loft and mirror experiments studying avian navigation. Journal of Theoretical Biology 184, 291-300 [8] Horváth, G., Gál, J. and Wehner, R. (1997) Why are water-seeking insects not attracted by mirages? The polarization pattern of mirages. Naturwissenschaften 84, 300-303 [Erratum 85, 90 (1998)]

[9] Horváth, G., Bernáth, B. and Molnár, G. (1998) Dragonflies find crude oil visually more attractive than water: Multiple choice experiments on dragonfly polarotaxis. Naturwissenschaften (in press)

[10] Kriska, Gy., Horváth, G. and Andrikovics, S. (1998) Why do mayflies lay their eggs en masse on dry asphalt roads? Water-imitating polarized light reflected from asphalt attracts Ephemeroptera. Journal of Experimental Biology (in press)

[11] Horváth, G. and Wehner, R. (1998) Patterns of skylight polarization perceived by desert ants and measured by video polarimetry in the green and ultraviolet range of the spectrum. Journal of Comparative Physiology A (in press)