Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 8 בפברואר, 2019

ראייתו של אייל הצפון ויתרונותיו של אף זוהר

תַקצִיר

לאייל הצפון הָאַרְקְטִי יש מערכת ראייה ועיניים מיוחדות מאוד. בניגוד לרוב היונקים, אייל הצפון יכול לראות אור אולטרה-סגול שהוא בלתי נראה עבורנו. יש לו בעין גם רִקְמָה מחזירת אור אשר מְשַׁנָּה את צבעה מזהוב, במהלך חודשי הקיץ, ועד כחול עמוק במהלך חודשי החורף. יחד, התכונות המיוחדות האלה מסייעות לאייל הצפון לראות מזון צמחי או טורפים בשלג, במיוחד במהלך החורף כשאור היום באזור הארקטי הוא עמום וסגלגל. בעיה אחת שיש בראייה טובה של צבעים כחולים וסגולים היא שהצבעים האלה הם בלתי נראים בערפל. בערפל, אורות אדומים נראים הכי טוב, ומכך נובע שאייל הצפון, יותר מיונקים אחרים, יכול להרוויח מאף שמייצר אור אדום. ידוע שלפחות זַן אחד של אייל הצפון הוא בעל אף שפולט אור (זוהר) אשר פועל טוב בתנאים של ערפל. מטרת המאמר היא להעריך את מידת האדמוּמיוּת של האף הזה, ולחקור את יתרונותיו ואת חסרונותיו.

הקדמה

”רוּדוֹלף אייל הצפון אדום-האף“ הוא סיפור קלאסי על התנהגותן של חיות, פרי עטו של הסופר Robert L. May [1]. הוא מתאר איילי צפון שמשתעשעים וּמְשַׂחֲקִים בינם לבין עצמם, וּמַדִּירִים מהקבוצה אייל בשם רודולף בְּשֶׁל אפו הגדול והאדום באופן חריג. האור שנפלט מאפו של רודולף, שניתן לתיאור כ”מְסַנְוֵר“ באור יום ו”זוהֶר“ באור לילה, התברר מאוחר יותר כיעיל כאשר בליל כל הקדושים הערפל העבה של הקוטב הצפוני הפריע להכנות הטיסה של סנטה קלאוס והצוות שלו, שמורכב מ-8 איילי צפון. בתנאים הערפיליים האלה, אפו של רודולף פלט מספיק אור כדי לאפשֵׁר טיסה בטוחה וּלְחַלֵּק את המתנות ברחבי העולם (איור 1). הסיפור הזה על אפו של רודולף והגאוֹניוּת שבו מֻכָּר למרבית הילדים, המבוגרים והביולוגים בארצות הברית, אולם הוא גם נחשב כאָנוֹמַלִי, כלומר יוצא דופן באופן חריג. ככלל, מדענים נוטים להימנע ממחקר של תכונות אנומליוֹת. העובדה שֶׁאַפִּים לוּמִינֶסֶנְטִים (זוהרים) הם נדירים כל כך מסבירה מדוע הצבע והיתרונות או החסרונות של אפים זוהרים כמעט ולא נחקרו. ממצאים חדשים על צבע הראייה של אייל הצפון יכולים לְסַפֵּק רמזים חשובים בדבר הערך של אף זוהר. לדוגמה, התגלה לאחרונה כי אייל הצפון הארקטי (ששמו המדעי הוא Rangifer tarandus tarandus) יכול לראות אור אולטרה-סגול (UV) [2], שהוא בלתי נראה עבור בני אדם ועבור מרבית היונקים שפעילים בעיקר בשעות היום. היתרונות של ראיית UV ידועים, והיכולת לראות UV יכולה לסייע לאייל הצפון לראות דברים חשובים, כמו טורפים או מזון. לדוגמה, פרוותם הלבנה של זאבים וחֵלֶק מהצמחים האכילים החשובים, כמו חֲזָזִיּוֹת, סופגים אור UV וגורמים להם להיראות שחורים, כך שֶׁקַּל יותר לראותם בשלג מֵאַחַר ששלג מחזיר קרינת UV ועל כן נראה בוהק [3]. היתרונות של ראיית אור UV עשויים להיות משמעותיים ביותר באמצע החורף, כשהשמש נמוכה בשמֵי האזור הארקטי ופיזור האור גבוה באטמוספירה מייצר אור שהוא בעיקר בקרינת UV ואורכי גל סגולים [4].

איור 1 - רשמיו המקוריים של Robert L. May מאבחנותיו על איילי הצפון נכתבו במשקל שִׁירִי שנקרא anapestic tetrameter.
  • איור 1 - רשמיו המקוריים של Robert L. May מאבחנותיו על איילי הצפון נכתבו במשקל שִׁירִי שנקרא anapestic tetrameter.
  • הַמַּחְבֶּרֶת שלו כללה רישומים של Denver L. Gillen, והעמוד שבתמונה לעיל ממחיש את האף האדום הזוהר של רודולף בתנאים סביבתיים של חושך וראוּת מוגבלת (שוחזר ברשות Rauner Special Collections Library, מ-Dartmouth College).

מפתיעה אפילו יותר היא יכולתן של עֵינֵי אייל הצפון לשנות את צִבְעָן עם השתנות עונות השנה. בעיניהם של איילי הצפון יֶשְׁנָהּ שכבה מחזירת אור דמוּית מַרְאָה שנקראת Tapetum lucidum, אשר משמעותה בלטינית ”שטיח מבריק“. השכבה הזו גורמת לעיניהם לזרוח, תופעה שנראית לעיתים קרובות כשפנסי המכוניות שלנו מאירים לתוך עיניהן של חיות פרא או של חיות מחמד. רקמת ה-tapetum lucidum חשובה עבור חיות לֵילִיּוֹת (שפעילוֹת בשעות הלילה), מאחר שהיא מאפשרת להם לראות בחושך. הדבר יוצא הדופן לגבי איילי הצפון הוא שה-tapetum lucidum שלהם משתנה מצבע זהוב עשיר במהלך הקיץ לצבע כחול עמוק במהלך החורף [5]. הגורמים שיוצרים את שינוי הצבע הזה ידועים, אולם היתרונות (בהנחה שישנם) עדיין מסתוריים. אפשרות אחת היא שהשינוי הזה עשוי להגביר את יכולתו של אייל הצפון לראות אור כחול בתנאים של תאורה עמומה. לכן, ברור שלאייל הצפון הארקטי יש סוג ראייה שהוא מעניין מאוד ובלתי שגרתי. אולם בד בבד היכולת המיוחדת הזו לראות אור כחול היא ללא ספק יתרון בתנאים הערפיליים של סוף חודש דצמבר.

העברת אור בערפל

ערפל הוא הצטברות של טיפות מים קטנטנות או גבישי קרח שמרחפים מעל פני השטח של כדור הארץ. הוא נוצר כאשר לחוּת באוויר מתקררת מתחת לטמפרטורה מסוימת, וחלק מאדי המים מתעבּים (כלומר הופכים לטיפות מים נוזליות קטנטנות). לפי הגדרה, מזג האוויר נחשב לערפילי כאשר איננו יכולים לראות יותר מ-1,000 מטרים קדימה. בספרו, Robert L. May מתאר את הערפל כ”עבה כמו קצף לבן“ וגורם לראוּת קרובה לאפס, מה שמרמז על כך שהערפל יכל להיות אחד משני סוגים: ערפל של קרינה או ערפל של קרח. ערפל של קרינה נוצר כאשר הקרקע מקררת את האוויר שמעליה על-ידי מגע ביניהם. ערפל של קרח נוצר כאשר אוויר חם בא במגע עם אוויר קר במיוחד, ואדי המים משתנים ישירות למוצק ומייצרים גבישי קרח קטנטנים שמרחפים באוויר.

היכולת של האור לזרוח דרך ערפל משתנה לפי הצבעים של האור. אור אדום יותר מתקדם הכי רחוק, אולם המרחק שהאור יכול לעבור קטֵן אם גודלם של גבישי הקרח או טיפות המים בערפל הוא גדול [6]. אם הטיפות הן מעל גודל מסוים, אז התהליך שנקרא פיזור מִיי יכחיד את כל סוגי האור [7]. פיזור מיי מתרחש ברוב סוגי הערפל, מה שהופך את הראייה לקשה דרך רוב סוגי הערפל. אולם, אף אדום זוהר צפוי להתעלוֹת על כל סוג אף אחר, כשהאור האדום מתקדם הכי רחוק בערפל של קרח מֵאַחַר שגבישי הקרח קטנים יותר מאשר טיפות המים בערפל של קרינה [8, 9]. כדי להבין עד כמה אפו של רודולף יכול לסייע בערפל, הכרחי לדעת מהו הצבע המדויק של האור שזוהר מהאף שלו.

צבע האף של רודולף

רֶמֶז לצבע אפו של רודולף מגיע מגרסתה של Barbara Hazen לסיפור המקורי של May [10]. בגרסה הזו, רודולף מתחבא מאחורי שיח של צמח הצִינִית כך ש”אפו האדום התמזג עם הציניוֹת האדומות הבוהקות“. איור 2 ממחיש את האירוע הזה ואת כמות האור של כל אורך גל, שהוא דרך למדידה של הצבע, אשר מקפֵּץ מציניוֹת או מוחזר מהן. סוג כזה של גרף נקרא ספקטרוּם הַחְזָרָה. אם אנו מניחים שהציניוֹת שמוצגות באיור 2 דומות לאלה שיש באזור הארקטי, אנו יכולים להעריך שאפו של רודולף מייצר אור בעוצמה מקסימלית בסביבות אורך גל של 700 ננומטרים, מאחר שזהו אורך הגל של האור שמוחזר באופן החזק ביותר מציניוֹת מהסוג הזה. הַחְזָרָה מקסימלית באורך גל של 700 ננומטרים משמעותה שהציניוֹת, ולכן גם אפו של רודולף, צריכים להיות אדומים להפליא – ככל הנראה במידת האדמומיוּת המקסימלית שעיניהם של יונקים מסוגלוֹת לראות.

איור 2 - גרסה מאוחרת יותר של רודולף אייל הצפון אדום האף [10] דנה בצבעם הדומה של ציניוֹת ושל אפו של רודולף.
  • איור 2 - גרסה מאוחרת יותר של רודולף אייל הצפון אדום האף [10] דנה בצבעם הדומה של ציניוֹת ושל אפו של רודולף.
  • איור ההמחשה הזה של Richaed M. Scarry מוצג יחד עם תמונה של פרי הציניוֹת (שם באנגלית: Christmas holly; שם מדעי: Ilex aquifolium). הגרף מראֶה את ספקטרום ההחזרה של הציניות, שמתאר באופן בסיסי את האדמומיות והבוהק של צבעם. האזור האדום מייצג את השׁוֹנוּת, והקו השחור מייצג את הממוצע מדגימה של 10 ציניות.

ההערכה הזו היא רק ניחוש מושׂכל, אולם היא מציעה שאור הערפל האדום טוב יותר מאשר כל אור אחר. אפו של רודולף עשוי להיות חשוב במיוחד בחורף, כשעיניהם של אייל הצפון רואות טוב יותר צבעים כחולים. מאחר שערפל חוסם אור כחול, הגיוני שאיילי הצפון יזדקקו הכי הרבה לאור ערפל בחודשי החורף כמו דצמבר. זה מסייע להסביר מדוע אפו של רודולף היה כה שימושי עבור טיסה בערפל כבד. אולם אף אדום זוהר עשוי להיות גם בעל חסרונות. באפיהם של איילי הצפון יש מערכת של המון ורידים קטנטנים [11], ולכן הם די חמים [12], תכונה שלא רק מונעת מהם לקפוא אלא גם גורמת לחום מגופו של אייל הצפון להיאבד לאוויר שבסביבה. אם חום רב מדי נאבד מאפו הזוהר, רודולף יכול להסתכן בהִיפּוֹתֶרְמְיָה (תת-חום, טמפרטורת גוף נמוכה באופן מסוכן) בתנאי מזג אוויר קרים במיוחד. לכן, חשוב מאוד שילדים יְסַפְּקוּ מאכלים עַתִּירֵי קלוריות כדי לסייע לרודולף לשמור על חום הגוף שלו בערב חג המולד.

סך הכול, היתרונות של אף לומיניסנטי מסתמנים כגדולים יותר מאשר החסרונות, מה שמעלה את השאלה עד כמה תכופים מופעים של אפים אדומים אצל איילי הצפון. נכון להיום, אנו יודעים רק על אף לומיניסנטי אחד באוכלוסיית איילי הצפון, אולם היתרונות שלו מעלים את הסבירוּת שהוא יועבר הלאה לדורות הבאים של איילי הצפון. מצד אחר השכיחוּת של מזג אוויר ערפילי יורדת ברחבי העולם בעקבות שינוי האקלים [13], מה שעשוי לגרום ליתרונות של אף אדום זוהר להיות פחות חשובים בעתיד ממה שהם כיום. הַשְׁעָרוֹת אחרות מציעות כי אפו של רודולף מזוהם ולכן הוא אדום ונפוח [14]. רעיונות שונים כל כך בדבר אדמומיוּת אפו של רודולף מצביעים על כך שנדרשת חקירה נוספת, ואנו מקווים שקוראי המאמר הזה יסייעו לעתיד המחקר על תכונות של אור וערפל באזור הארקטי. מחקרים כאלה יוכלו לשפוך אור חדש על הביולוגיה המדהימה של אייל הצפון ועל מערכת הראייה המופלאה שלו.

מילון מונחים

לוּמִינֶסֶנְטִי (Luminescent): נהוֹרני – פולט אור, בוהק, זוהר.

אולטרה-סגול (Ultraviolet): סוג של אור שהוא בלתי נראה עבור אנשים, אולם נראה עבור חיות מסוימות. לדוגמה, ציפורים וחרקים רבּים יכולים לראות אור אולטרה-סגול.

(Tapetum lucidum): שכבה מחזירת אור דמוּיַת מראָה בעיניהן של חלק מהחיות, אשר גורמת לעיניים שלהן לִזהור כאשר אור פוגע בהן.

פיזור מִיי (Mie scattering): תהליך שנקרא על שמו של Gustav Mie, פרופסור גרמני לפיזיקה. פיזור זה מתרחש כאשר חלקיקים עגולים או כדוריים בגדלים מסוימים גורמים לאור להתפזר.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

אני אסיר תודה ל- J. D. Shaw, M. R. Swan ו-A. L. Witzel על הסיוע הארכיוני וכן לצוות ספריית אוספים מיוחדים של ראונר, מכללת דרטמות’. אני אסיר תודה למשפחת May על שהתירו וסייעו לשכפל תמונות של רודולף. המחקר וההשקפות שהוצגו כאן קיבלו השראה מבתי אלינור, שאוהבת לשאול למה.

מימון

המימון התקבל מקרן David and Lucile Packard (מלגה במדע והנדסה מספר 2007-31754).


מקורות

[1] May, R. L. 1939. Rudolph the Red-Nosed Reindeer. Chicago, IL: Montgomery Ward.

[2] Hogg, C., Neveu, M., Stokkan, K.-A., Folkow, L., Cottrill, P., Douglas, R., et al. 2011. Arctic reindeer extend their visual range into the ultraviolet. J. Exp. Biol. 214:2014–9. doi: 10.1242/jeb.053553

[3] Meinander, O., Kontu, A., Lakkala, K., Heikkilä, A., Ylianttila, L., and Toikka, M. 2008. Diurnal variations in the UV albedo of arctic snow. Atmos. Chem. Phys. 8:6551–63. doi: 10.5194/acp-8-6551-2008

[4] Tyler, N. J. C., Jeffery, G., Hogg, C. R., and Stokkan, K.-A. 2014. Ultraviolet vision may enhance the ability of reindeer to discriminate plants in snow. Arctic 67:159–66. doi: 10.14430/arctic4381

[5] Stokkan, K.-A., Folkow, L., Dukes, J., Neveu, M., Hogg, C., Siefken, S., et al. 2013. Shifting mirrors: adaptive changes in retinal reflections to winter darkness in Arctic reindeer. Proc. R. Soc. Lond. B 280:20132451. doi: 10.1098/rspb.2013.2451

[6] Arnulf, A., Bricard, J., Curé, E., and Véret, C. 1957. Transmission by haze and fog in the spectral region 0.35 to 10 microns. J. Opt. Soc. Am. 47:491–8. doi: 10.1364/josa.47.000491

[7] Grabner, M., and Kvicera, V. 2011. The wavelength dependent model of extinction in fog and haze for free space optical communication. Opt. Express 19:3379–86. doi: 10.1364/oe.19.003379

[8] Kumai, M. 1973. Arctic fog droplet size distribution and its effect on light attenuation. J. Atmos. Sci. 30:635–43. doi: 10.1175/1520-0469(1973)030<0635:afdsda>2.0.CO;2

[9] Price, J. 2011. Radiation fog. Part I: observations of stability and drop size distributions. Boundary-Layer Meteorol. 139:167–91. doi: 10.1007/s10546-010-9580-2

[10] Hazen, B. S. 1958. Rudolph the Red-Nosed Reindeer. New York, NY: Golden Press.

[11] van der Hoven, B., Klijn, E., van Genderen, M., Schaftenaar, W., de Vogel, L. L., van Duijn, D., et al. 2012. Microcirculatory investigations of nasal mucosa in reindeer Rangifer tarandus (Mammalia, Artiodactyla, Cervidae): Rudolph’s nose was overheated. Deinsea 15:37–46. Available from: http://www.hetnatuurhistorisch.nl/fileadmin/user_upload/documents-nmr/Publicaties/Deinsea/Deinsea_15/DSA15_Hoven_et_al.pdf

[12] Ince, C., van Kuijen, A.-M., Milstein, D. M. J., Yürük, K., Folkow, L. P., Fokkens, W. J., et al. 2012. Why Rudolph’s nose is red: observational study. BMJ 345:e8311. doi: 10.1136/bmj.e8311

[13] Torregrosa, A., O’Brien, T. A., and Faloona, I. C. 2014. Coastal fog, climate change, and the environment. Eos Trans. Am. Geophys. Union 95:473–4. doi: 10.1002/2014EO500001

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