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一种拥有100只眼睛的昆虫让科学家们感到非常惊讶 |
捻翅目昆虫（Strepsiptera）因其扭曲的翅膀而得名，这个名字来源于希腊词strepsi，意思是扭曲或转动，以及ptera，翅膀。但翅膀并不是它们唯一扭曲的特征，正如科学家们发现的那样。实际上，这些以其他昆虫（如纸蜂）为食的生物，也拥有奇异的眼睛。
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昆虫的视角。 捻翅目昆虫的每个小眼都处理一块视觉信息，而不是像复眼中的小面那样只记录单个点。单个视网膜反转各个信息块，如上图所示。但在现实中，它们之间很可能没有那么多重叠。 |
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大多数昆虫都拥有所谓的复眼，复眼由数百甚至数千个晶状体组成，每个晶状体对视野中的一个点进行采样。然而，捻翅目昆虫的透镜数量更少，但更大，被称为小眼，聚集在头部两侧。果蝇Drosophila melanogaster的每只眼睛可能有约700个小面，而一种名为Xenos peckii的捻翅目昆虫只有50个小眼。15个果蝇晶状体覆盖的面积与X. peckii的一个晶状体相同。
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重建图 展示了捻翅目昆虫视觉系统的一部分，包括几个独立的小眼透镜（黄色），视网膜（红色）和感受器细胞和板层（蓝色），以及小眼之间的组织（绿色）。 |
鉴于这些差异，研究人员长期以来一直怀疑小眼实际上可能处理整个视觉场景的块状信息，而不仅仅是单独的点。但他们没有证据。你如何通过捻翅目昆虫的“眼镜”来看世界呢？
最近，尽管如此，该理论从一系列光学和神经解剖学研究中获得了有力的支持。博士后研究员埃尔克·布施贝克和比尔吉特·埃默，以及康奈尔大学的罗恩·霍伊教授测量了X. peckii小眼及其大脑视觉中心的许多特性，所有这些都表明小眼实际上是形成图像的。他们的工作发表在11月4日出版的《科学》杂志上，表明捻翅目昆虫的眼睛可能最像三叶虫的眼睛，三叶虫是5.9亿至4.1亿年前在地球海洋中大量繁殖的海洋无脊椎动物。
荧光染色突出了这个X. peckii眼睛的扫描电子显微镜图像中单个的小眼。 |
布施贝克和她的同事首先进行了一些光学测量，发现基于它们的焦平面和空间截止频率，每个小眼应该能够分辨出昆虫视角中的数千个点。此外，每个小眼的聚光能力至少是传统复眼中单个小面的30倍。对小眼灵敏度的近似值也表明，它们捕获了足够的光线，因此其视网膜中的100多个感光细胞可能每个都能分辨出一个图像点。
小眼， 在这个来自X. peckii蛹的显微切片中显示，有一个覆盖其视网膜的厚透镜。 |
神经解剖学的发现同样意义重大。研究人员发现，每个视网膜感受器细胞的投射形成了一条神经，该神经终止于板层，板层是从典型的复眼采样的许多点组装成完整图像的区域。并且来自相邻小眼的神经投射到板层中的相邻区域——所有这些都证实了这样一种观点，即通过小眼感知到的视觉“块”在那里被拼合在一起，就像拼图碎片完成整个场景一样。此外，视神经毡层——或神经细胞网络——占X. peckii大脑的75％。如果每个小眼只接收视野中的一个点，那么如此庞大而密集的纤维网就不是必需的。
根据他们的发现，布施贝克、埃默和霍伊创建了一个引人注目的捻翅目昆虫视觉模型。每个小眼在其视网膜上创建一个局部的——且倒置的——图像。这个图像片段被发送到板层，使其与来自附近小眼的图像片段相邻。并且图像在板层处被重新反转，这要归功于视网膜出射的感受器纤维彼此交叉的事实。这种方案的优势很可能是，与由更传统的、点处理的小面制成的捻翅目昆虫的小眼睛相比，小眼具有更大的聚光能力和分辨能力。
谜团尚未完全解开。科学家们不确定单个小眼捕获的图像之间的重叠程度；尽管他们的模型假设没有重叠，但这并非不可思议。他们将继续思考为什么捻翅目昆虫进化出与其它节肢动物在结构和功能上如此不同的视觉系统。一百只小眼睛绝非偶然。