Magnetic Navigation of Animals, Contrast Sensitivity of Vision, and the Weber-Fechner Law

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

It is known that some animals can react to very small changes in the magnetic field – a thousand times smaller than the geomagnetic field – and use this to navigate the Earth’s magnetic landscape. However, the nature of the molecular magnetic sensor remains unclear, although it has been established that the magnetic sense is associated with vision. It is generally accepted that the operation of a magnetic sensor is based on a magnetochemical reaction. Cryptochromes of photoreceptors lining the retina contain photoinduced spin-correlated pairs of radicals involved in the formation of a nerve impulse and sensitive to a magnetic field. Therefore, the animal could sense the magnetic field as a change in the brightness of large visual fields and orient itself by their contrast. However, the sensitivity of individual sensors – of radical pairs – is known to be very low. Previously, it has been assumed that this difficulty is overcome by a statistical increase in contrast sensitivity due to the parallel processing by the brain of the primary signals of millions of photoreceptors. In the present work, this hypothesis is tested. It has been found that the threshold sensation of brightness contrast almost linearly depends on the logarithm of the angular size of contrasting stimulus, which is typical for the physiology of sensations that obey the Weber-Fechner law. Contrast sensitivity increases with the number of photoreceptors involved in stimulus recognition, however this increase is not quantitatively sufficient to reliably explain the magnetic navigation of animals.

About the authors

V. N. Binhi

Federal Research Center “Prokhorov Institute of General Physics” of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: vnbin@mail.ru
Russian Federation, 119991, Moscow, GSP-1, 38 Vavilov St.

References

  1. Астахова Л.А., Ротов А.Ю., Кавокин К.В., Чернецов Н.С., Фирсов М.Л. Связь магнитного компаса и фоторецепции у птиц: гипотезы и нерешенные вопросы. Журнал общей биологии. 2019. Т. 80. № 2. С. 83–94. https://doi.org/10.1134/S0044459619020040
  2. Муравьева С.В., Пронин С.В., Шелепин Ю.Е. Контрастная чувствительность зрительной системы человека. Экспериментальная психология. 2010. Т. 3. № 3. С. 5–20.
  3. Домбругов Р.М. Телевидение. Киев. Вища Школа. 1979.
  4. Красильников Н.Н., Шелепин Ю.Е. Функциональная модель зрения. Оптический журнал. 1997. Т. 64. № 2. С. 72–82.
  5. Кучерявый А.А. Бортовые информационные системы. Ульяновск. УлГТУ. 2004.
  6. Bertalmio M. Vision мodels for high dynamic range and wide colour gamut imaging. London: Acad. Press, 2020.
  7. Binhi V.N., Prato F.S. Biological effects of the hypomagnetic field: An analytical review of experiments and theories. PLoS ONE. 2017. V. 12. № 6. P. e0179340. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0179340
  8. Binhi V.N., Prato F.S. Rotations of macromolecules affect nonspecific biological responses to magnetic fields. Scientific Reports. 2018. V. 8. № 1. P. 13495. https://doi.org/10.1038/s41598-018-31847-y
  9. Blackwell H.R. Contrast thresholds of the human eye. J. Opt. Soc. America. 1946. V. 36. № 11. P. 624–643.
  10. Buchachenko A. Magneto-biology and medicine. New York. Nova Science. 2014.
  11. Crumey A. Human contrast threshold and astronomical visibility. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2014. V. 442. № 3. P. 2600–2619. https://doi.org/10.1093/mnras/stu992
  12. Curcio C.A., Sloan K.R., Kalina R.E., Hendrickson A.E. Human photoreceptor topography. The Journal of Comparative Neurology. 1990. V. 292. № 4. P. 497–523.
  13. Hore P.J., Mouritsen H. The radical-pair mechanism of magnetoreception. Annual Review of Biophysics. 2016. V. 45. № 1. P. 299–344. https://doi.org/10.1146/annurev-biophys-032116-094545
  14. Lohmann K.J., Lohmann C.M., Ehrhart L.M., Bagley D.A., Swing T. Animal behaviour: geomagnetic map used in sea-turtle navigation. Nature. 2004. V. 428. № 6986. P. 909–910. https://doi.org/10.1038/428909a
  15. Nadler M.P., Miller D., Nadler D.J. (Eds). Glare and contrast sensitivity for clinicians. New York: Springer-Verlag, 1990.
  16. Pelli D.G., Bex P. Measuring contrast sensitivity. Vision Research. 2013. V. 90. P. 10–14. https://doi.org/10.1016/j.visres.2013.04.015
  17. Pishchalnikov R.Y., Gurfinkel Y.I., Sarimov R.M., Vasin A.L., Sasonko M.L., Matveeva T.A., Binhi V.N., Baranov M.V. Cardiovascular response as a marker of environmental stress caused by variations in geomagnetic field and local weather. Biomedical Signal Processing and Control. 2019. V. 51. P. 401–410. https://doi.org/10.1016/j.bspc.2019.03.005
  18. Riccó, A. Relazione fra il minimo angolo visuale e l’intensitГ luminosa. Memorie della Societa Degli Spettroscopisti Italiani. 1877. V. 6. P. B29–B58.
  19. Schulten K., Swenberg C., Weller A. A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion. Zeitschrift fur Physikalische Chemie. 1978. V. 111. № 1. P. 1–5.
  20. Stöckl A.L., O’Carroll D.C., Warrant E.J. Neural summation in the hawkmoth visual system extends the limits of vision in dim light. Current Biology. 2016. V. 26. № 6. P. 821–826. https://doi.org/10.1016/j.cub.2016.01.030
  21. Wan G., Hayden A.N., Iiams S.E., Merlin C. Cryptochrome 1 mediates light-dependent inclination magnetosensing in monarch butterflies. Nature Communications. 2021. V. 12. № 1. P. 771. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21002-z
  22. Watson A.B., Ahumada A.J. A standard model for foveal detection of spatial contrast. Journal of Vision. 2005. V. 5. № 9. P. 717–740. https://doi.org/10.1167/5.9.6
  23. Weisstein E.W. Beta Binomial Distribution. From MathWorld – A Wolfram Web Resource. URL: https://mathworld.wolfram.com/BetaBinomialDistribution.html (accessed 2022.07.18).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (28KB)
3.

Download (40KB)
4.

Download (72KB)
5.

Download (389KB)
6.

Download (190KB)
7.

Download (88KB)

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».