keskiviikko 11. maaliskuuta 2015

Liikeparallaksi ja kuinka sitä hyönteismaailmassa käytetään

Lupasin kirjoittaa perjantaisen lukupiirin tiimoilta kimalaisista ja taustaan sulautuvien kohteiden tunnistuksesta, mutta tekstiä laatiessani huomasin jutun taustoittamisen vaativan oman merkintänsä. Siksipä, ennen kuin menen itse asiaan, käydään tässä lävitse muutama tärkeä termi.

Optinen virtaus ja liikeparallaksi


Optinen virtaus (engl. optic flow) tarkoittaa katsojan liikkumisen aiheuttamaa ympäristössä olevien kohteiden näennäistä liikettä näkökentässä. Optinen virtaus voidaan jakaa kahteen tyyppiin: pyörimisliikkeen aiheuttamaan kiertävään (rotational) ja suoraan kulkevan liikkeen aikaansaamaan translationaaliseen (translational) virtaukseen.

Kiertävää optista virtausta voit kokea pyörähtämällä ympäri. Pyörähdyssuunnastasi riippuen ympäristösi näyttää viuhuvan ohitsesi joko vasemmalta oikealle tai päinvastoin. Jos oikein perehdyt kiertävään optiseen virtaukseen (konttorituolilla pyörimistä ei joka työpaikassa kuulemma katsota hyvällä), huomaat, että kaikki kohteet ympäristössäsi viuhuvat ohitsesi yhtä nopeasti. 

Translationaalista optista virtausta koet liikkuessasi suoraan eteenpäin tai taaksepäin. Suoraan liikuttaessa eri etäisyyksillä olevat kohteet liikkuvat näkökentässäsi eri nopeuksilla. Voit kokeilla tätä vaikka kävelemällä huoneen poikki ja kuvittelemalla ympärilläsi oleville esineille sitä pidemmät "vauhtiviivat", mitä nopeammin ne näyttävät liikkuvan. Suoraan edessäsi horisontissa on piste, joka ei näytä liikkuvan lainkaan, ja josta ympäristösi kuvitteelliset vauhtiviivat saavat alkunsa. Vauhtiviivat ovat pisimmillään suoraan kohdallasi (sivuillasi ja ylä- ja alapuolellasi), ja jos voisit nähdä myös selkäpuolellesi, huomaisit vauhtiviivojen jälleen lyhenevän takanasi. 

Optista virtausta lintuperspektiivistä. Suoraan lennettäessä taustalla 
siintävät vuoret näyttävät liikkuvan hitaammin kuin maankamara tai 
puut, joita hipoen kotka lentää. Kotkan kaartaessa koko maisema 
liikkuu yhtä vauhtia puolelta toiselle.

Eri etäisyyksillä olevien kohteiden "liikkumista" eri nopeuksilla näkökentässä kutsutaan termillä liikeparallaksi. Sen ansiosta translationaalista optista virtausta voidaan käyttää näkökentässä olevien kohteiden sijainnin ja etäisyyden arvioinnissa. Yllä olevassa videossa suorilla lentopätkillä puunrungot viuhahtelevat kotkakameran ohitse, hieman etäämpänä olevat rakennukset näyttävät liikkuvan puita hitaammin, ja joenuoman takaa kohoavat vuoret vaikuttavat pysyvän lähes paikoillaan. Ja pysyväthän ne, kuten myös puut ja rakennukset; ainoastaan kotka kameroineen on liikkeessä ja "viuhuu" ohi ympäristössään sijaitsevien kohteiden. 

Toki maisemasta löytyy myös muita vihjeitä kohteiden etäisyyksistä, kuten se, että kauempana sijaitsevat kohteet voivat käydä etummaisten takana piilossa.

Esimerkki liikeparallaksista. Katsojaa lähimpänä olevat kohteet
näyttävät liikkuvan nopeammin kuin kauempana olevat kohteet.
Animaatio: Nathaniel Domek, via Wikimedia Commons.

Orientaatiolento


Pesässä asuvien pistiäisten (mehiläisten, kimalaisten jne.) on tärkeää löytää reissuiltansa takaisin omalle pesälleen. Nämä hyönteiset opettelevat pesän suuaukon läheisyydessä olevat maamerkit orientaatiolentojen (orientation flights) aikana. Pesästä lähtiessään pistiäinen pörrää tyypillisesti ensin muutaman sekunnin ihan lähellä pesän suuaukkoa ja lähtee sitten peruuttamaan poispäin. Peruuttaessaan se pitää katseensa koko ajan pesän suuaukkoa kohti ja lentää viuhkamaisesti laajenevia kaaria tehden poispäin pesästä. Joskus pistiäinen lentää lopuksi kierroksen tai pari pesän ympäri ennen kuin kääntyy ja lentää poispäin ruokaa etsimään. 

Orientaatiolento. Musta piste kuvaa pesän suuaukkoa ja sininen viiva hyönteisen lentoreittiä pesältä pois. 
Hyönteinen tutkii suuaukkoa ensin läheltä ja loittonee siitä laajenevia kaaria ja/tai kehiä lentäen.

Pistiäinen suorittaa orientaatiolennon yleensä joka kerta pesästä poistuessaan, koska hyönteiselle merkityksellisten maamerkkien sijainti pesän suuaukon ympärillä saattaa hyvinkin muuttua lentojen välissä (etenkin, jos paikalle sattuu käyttäytymistieteilijä metkut mielessään). Pesälle palatessaan pistiäisen ei yleensä tarvitse lentää samoja kaaria ja silmukoita kuin orientaatiolennon aikana, mutta yleensä se kaartelee palatessaankin varmistaakseen olevansa oikealla ovella [1].

Orientaatiolento voidaan jakaa sakkadeihin ja intersakkadeihin. Sakkadit voisi kai suomentaa nykäyksiksi. Ne ovat hetkiä, jolloin hyönteinen kääntyy tai kääntää päätään äärimmäisen nopeasti niin, että sen sillä hetkellä kokema optinen virtaus on lähes yksinomaan kiertävää. Intersakkadi tarkoittaa kahden sakkadin välistä aikaa, jolloin hyönteinen kokee lähes yksinomaan translationaalista optista virtausta. Intersakkadien aikana hyönteinen pystyy siis käyttämään liikeparallaksia pesän ympärillä olevien maamerkkien sijainnin ja etäisyyden arvioinnissa.

Juutuupista löytyy esimerkkejä orientaatiolennoista esimerkiksi hakusanoilla "wasp orientation flight". Videot ovat melko pitkiä ja sisältävät odottelua, mutta ovat parhaimmista näkee, kuinka ampiainen tarkastaa pesän suuaukon ympäryksen. 

Lisälukemista orientaatiolennoista:

  1. Zeil, J. (1993) Orientation flights of solitary wasps (Cerceris, Sphecidae; Hymenoptera). II Similarities between orientation and return flights and the use of motion parallax. J. Comp. Physiol. A 172: 207-222.

Siinäpä tuli nyt hieman pohjustusta seuraavalle tekstille. Liikkeen näkemisestä ja suunnistamisesta tulen varmasti kirjoittamaan toistekin. Seuraavalla kerralla tulee kuitenkin luvattu kimalaisartikkeli. Siihen asti pysykäähän korkealla!


keskiviikko 4. maaliskuuta 2015

Terveiset Ruotsinmaalta!

Aloitin helmikuussa tutkijatohtorin unelmatyöni Lundin yliopiston näkötutkimusryhmässä. Torakat ovat vaihtuneet mehiläisiin, ja viimeiset viikot ovat olleet varsin kiireisiä. Uutta opeteltavaa on on aina aluksi paljon, mutta normaalin alkukankeuden lisäksi tällä kertaa painaa päälle myös aikataulu: Huhtikuun alussa lennän kolmeksi kuukaudeksi työskentelemään Panamaan! Panamassa olen melkolailla oman onneni nojassa, eli kaikki uuteen tutkimukseeni liittyvä metodeista välineistön korjaamiseen on opeteltava ennen reissuun lähtöä. Kiirettä on siis pitänyt, joten suokaa anteeksi pitkä blogihiljaisuus!

Nobelia odotellessa saan jälleen työskennellä Ig-nobelistien kanssa 
(graduohjaajani palkittiin vuonna 2005). Ehkä minun alallani on parempi 
tähdätäkin tuonne huumori-Nobeleihin. Toivottavasti apurahoja ei sentään 
makseta  Zimbabwen kymppitriljoonan seteleillä...

Olen lupautunut vetämään tänä perjantaina lukupiirin omavalintaisesta tutkimusartikkelista. Löysin innostavan jutun kimalaisten kyvystä nähdä taustasta heikosti erottuvia maamerkkejä. Tutkimuksessa yhdistyvät käyttäytyminen ja sähköfysiologia virtuaaliympäristössä, eli se on juuri minun tiedehermoani kutkuttavalta alueelta. Odotan jo innolla esityksen jälkeistä keskustelua! Täten lupaan kirjoittaa kyseisestä artikkeista pääkohdat esitykseni jälkeen myös tänne. 

Pyrin jossain vaiheessa kirjoittamaan myös uuden tutkimukseni taustoista, jahka olen hieman enemmän sinut kokonaisuuden kanssa. Todennäköisesti blogi päivittyy jatkossakin varsin verkkaisen tahtiin. 

Mukavaa hiihtolomaviikkoa pohjoissuomalaisille!

keskiviikko 28. tammikuuta 2015

Mitä on näköaisti?

Näköaistia käsittelevässä blogissa lienee luontevinta heti aluksi hahmotella, mitä näköaisti on. En yritä määritellä sitä, mutta raavin aihetta vähän, jotta tuleville teksteille olisi tarttumapintaa.


Mitä näöllä aistitaan?


Näköaisti on valon havaitsemista. Valo taas on sähkömagneettista säteilyä. Usein tässä kohden sanottaisiin, että näkyvä valo on sähkömagneettista säteilyä ultravioletin ja infrapuna-aallonpituuksien välillä, mutta tämä on kovin ihmiskeskeinen määritelmä. Useat eläimet näkevät vallan hyvin ultraviolettia valoa. Jotkin eläimet havaitsevat myöskin infrapunaa, joskaan sen aistiminen varsinaisesti ole enää näkemistä, koska sitä ei havaita näköpigmentin avulla.

Kuva 1: Sähkömagneettinen säteily lyhytaaltoisimmasta gammasäteilystä pitkiin radioaaltoihin.
Ihmissilmä näkee säteilyä, jonka aallonpituudet ovat suunnilleen välillä 400-700 nm.
Lähde:Tatoute and Phrood (Unknown) [GFDL, CC-BY-SA-3.0
or CC BY-SA 2.5-2.0-1.0], via Wikimedia Commons

Valoon reagoiminen eli fototransduktio tapahtuu näköaistinsolujen solukalvolla. Näiden solukalvojen kannalta katsottuna valo koostuu fotoneiksi kutsutuista, pienen pienistä ”yksittäispakkauksista”. Hämärässä valaistuksessa fotoneita on vähän, ja valoaistinsolut reagoivat kuhunkin solukalvolleen osuvaan fotoniin erikseen. Näitä yksittäisten fotonien aiheuttamia reaktioita eli yksittäisfotonivasteita pystytään mittaamaan sähköfysiologisin menetelmin. Kirkkaassa päivänvalossa fotoneita on ylen määrin, eivätkä näköaistinsolut laske niitä kaikkia erikseen. Ne ilmoittavat sen sijaan, että nyt on muuten melkoisesti, paljon tai älyttömästi fotoneita!

Mitä näkemiseen tarvitaan?


Totesin heti aluksi, että näkeminen on valon havaitsemista. Hetkonen, sanoo biologian tunnilla valveilla ollut lukija! Sittenhän myös kasvit, levät ja syanobakteerit näkevät! Ne havaitsevat valoa, koskapa ne pystyvät yhteyttämään! Aivan, tuo on totta. Näkemisen ja yhteyttämisen välillä on kuitenkin selkeä ero. Yhteyttämisessä valon energia muutetaan kemialliseksi energiaksi, jota voidaan säilöä. Näkemisessä valon energia muutetaan sähköiseksi signaaliksi, joka saa aikaan näköohjattua käyttäytymistä. Tämä muistisääntö on hyödyllinen, joskaan ei aina ihan yksiselitteinen.

Yksinkertaisimmissa näköaistimissa valon havaitsemiseen ja siihen reagoimiseen tarvitaan fotoneita vangitsevaa proteiinia eli näköpigmenttiä ja jonkinlainen ”liikuntaelin”, joka käynnistyy, kun pigmenttiin osuu valoa tai sen päälle lankeaa varjo. Näiden osasten välillä ei tarvitse olla edes hermoyhteyttä, vaan ne voivat sijaita samassa solussa. Näin on esimerkiksi kuutiomeduusojen planula-toukkavaiheen pistesilmissä. Kussakin planula-toukan paristakymmenestä silmästä on värekarva, jonka valon saapuminen näköpigmenttiin saa liikkumaan. Näin toukka pystyy vaihtamaan paikkaa ympäristön valoisuuden mukaan [1]. 

Monimutkaiset silmät voivatkin sitten olla hyvin monimutkaisia. Omissa silmissämme jo pelkästään verkkokalvolla on useita solutyyppejä, itse näköaistimus tapahtuu aivoissa, ja näköaistimuksen aiheuttama reaktio voi olla vaikkapa hyvin monimutkainen liikesarja tai ajatusketju.


Millaista tietoa näköaisti välittää ympäristöstä? 


Näköaistista puhuttaessa ei välttämättä tarkoiteta kuvan näkemistä, vaikka useilla näköaistimilla se onkin mahdollista. Yksinkertaisimmat valoaistimet kertovat kantajilleen, onko yö vai päivä, ja/tai uivatko ne oikealla syvyydellä meressä. Tämä ei ehkä kuulosta kummoiselta tiedolta, mutta sen turvin planktoneläimet pärjäävät elämässään vallan mainiosti. 

Toisessa ääripäässä ovat esimerkiksi tarkkanäköiset päiväpedot haukka ja sudenkorento, jotka havaitsevat pienikokoisia saaliita kaukaa ja pystyvät pitämään valitun kohteen näkökentässään, vaikka lentonopeus sumentaa maailman niiden ympäriltä.

Mihin näköaistia käytetään?


Kuten edellä jo mainitsin, näköaisti ohjaa käyttäytymistä. Eläimet käyttävät näköaistia edellä mainitun valon läsnä- tai poissaolon arvioinnin lisäksi mm. ruoanhankinnassa, lisääntymiskumppanin ja -paikan valinnassa, viestinnässä, petojen välttämisessä, suunnistuksessa ja matkojen arvioinnissa. Keksitkö listalle jatkoa?

Luonnonvalinta vaikuttaa näköaistiin pääasiassa näköohjatun käyttäytymisen kautta [2]. Jos käyttäytyminen on asianmukaista näköaistin välittämään tietoon nähden, on eläimellä paremmat mahdollisuudet saada geeninsä siirtymään seuraavaan sukupolveen. Käytännössä siis jos eväsrepun päällä näkyy voileipä, sitä kannattaa puraista, mutta jos siinä nököttää leijona, kannattaa vaihtaa lähestymistapaa, mikäli haluaa aikanaan päästä kertomaan seikkailustaan lapsenlapsille. Näköaistimet ja näköohjattu käyttäytyminen ovat käytännössä erottamattomat, ja niitä tulisi mieluiten tutkia rinnakkain. 


Tämä oli hyvin lyhyt ja puutteellinen johdanto näköaistiin. Yritän muistaa linkata tulevia tekstejä tähän sitä mukaa, kun kirjoitan näistä aiheista laajemmin.

Lukemistoksi suosittelen kahta itselläni kovassa käytössä olevaa kirjaa:
  1. Land, M. F. & Nilsson, D.-E. (2012) Animal eyes, 2. painos. Oxford University Press. Oxford, UK.
  2. Cronin, T.V., Johnsen, S., Marshall, N.J. & Warrant, E.J. (2014) Visual ecology. Princeton University Press. Princeton, New Jersey.


Seuraavan blogitekstin ilmestymiseen voi mennä useampi viikko, koska minulla on nyt edessäni maastamuutto ja uuteen työhön opettelu. Valmistelen kuitenkin uusia tekstejä koko ajan, joten jospa saan jotain julkaisuvalmiiksikin.

Seuraavaan kertaan!


torstai 15. tammikuuta 2015

Hauska nähdä!

Uuden vuoden kunniaksi täytyy lopultakin aloittaa Silmästä silmään -blogin päivittäminen. Loin blogin lähes kaksi vuotta sitten tarkoituksenani kirjoittaa itseäni kiinnostavista näköaistiin liittyvistä aiheista suomeksi, samalla omia yleistietojani laajentaen. Ensi alkuun kirjoittelin paljonkin artikkelinalkuja, jotka itsekritiikkini kuitenkin hautasi ”pöytälaatikkoon”. Viime vuosi kului väitöskirjaa kirjoittaessa, mutta nyt minulla ei ole enää järkevää tekosyytä olla kirjoittamatta.

Kuka tätä kirjoittaa?


Olen Anna Honkanen, vastikään Oulun yliopistosta väitellyt hyönteisnäkötutkija. Viime vuodet olen tutkinut sokeritorakan hämäränäköä käyttäytymiskokein ja sähköfysiologisin menetelmin. Tänä vuonna tulen jatkamaan hämäränäkötutkimusta muualla, uusien haasteiden ja uuden hyönteislajin parissa. Kuuluin väitösprojektini ajan Tieteen kananpojat -blogin vakiokirjoittajiin, joten kevyt tiedebloggaaminen on minulle ennestään tuttua. Minkäänlaista säännöllistä julkaisuaikataulua en vielä uskalla uudelle blogilleni luvata.

Koe-eläimeni, torakka.
Torakka käyttäytymiskokeessa.

Mitä blogi sisältää?


Tarkoituksenani on kirjoittaa kiinnostuksenaiheistani, joista on vaikea löytää tietoa suomeksi. Aihepiirin olen rajannut näköaistiin, ja tekstit tulevat käsittelemään ainakin näköohjattua käyttäytymistä, näköaistiin liittyviä aivoalueita ja hermostomekanismeja, eri olosuhteisiin sopeutuneita näköaistimia ja oletettavasti etenkin hyönteisten näköaistia. Kenties sekaan eksyy toisinaan jotain ihan muutakin.

Pyrin esittämään asiat niin selkeästi kuin osaan ja viittaamaan alkuperäislähteisiin, jotta lukija voi tutustua aihepiireihin lähemmin. Blogitekstejäni ei kannata käyttää lähdemateriaalina muualla, sillä virheitä ja epätarkkuuksia niihin tulee jäämään varmasti.

Miksi Silmästä silmään?


Valitsin blogin nimeksi Silmästä silmään, koska se herättää mielikuvan, että olen puhumassa kasvotusten jollekulle. Sellaiseen tyyliin pyrin kirjoittamaan: ”Luin juuri jotain jännää! Annas, kun kerron…”

Toisaalta, nimeä voi ajatella vertailevan biologian (kerron tänään yhden eläimen silmästä ja huomenna toisen), neuroanatomian (mitä näköaistiin liittyvää löytyy silmien välistä) tai vaikka tieteen popularisoinnin kautta (tuotan teille silmäiltäväksi synteesin asioista, joista olen itse lukenut). Ihan kuinka vain, mielestäni nimi toimii.

No niin, tästä lähdetään liikkeelle. Toivottavasti tekstiä syntyy, eikä itsekritiikki hiljennä innokasta bloggaajaa. Ärähtäkää kommenttikentässä, jos tekstejä ei ala tippua!