Bird Vision: Spatial acuity and colour discrimination in bright and dim light

Abstract

Birds use vision to guide navigation, foraging and mate choice, and studies of the limitations in bird visual perception are most helpful for the understanding of bird ecology. Here, I present four studies of bird vision in bright and dim light. Paper I is a quantification of how sensitive colour vision modelling is to variation in data, such as the spectral sensitivity of photoreceptors and receptor noise, which are used as model parameters. In Papers II and III, I have studied budgerigars (Melopsittacu undulatus), which are strictly diurnal, and Bourke’s parrots (Neopsephotus bourkii) that are diurnal but also active during twilight. Paper II shows that the intensity limit of colour vision and the optical sensitivity of single photoreceptors are similar in both species. Both parrots need more light to see colours (between 0.1-0.4 cd/m2) than other vertebrates (e.g. 0.01 cd/m2 for humans). In Paper II, it was also found that Bourke’s parrots have larger eyes and retinas with a higher density of rods compared to budgerigars. In Paper III, I investigated whether this gives Bourke’s parrots enhanced spatial vision in dim light. This does not seems to be the case, the spatial acuity is similar in both species at light intensities between 0.08 cd/m2 and 73 cd/m2. So far, there are no indications of superior visual capacities in dim light in Bourke’s parrots compared to budgerigars. In Paper IV, I have studied how colour vision in birds mediates spatial information. Colour patterns function as signals in bird communication, such as the plumage coloration of a courting bird. Much is known about birds’ perception of colour contrast, but the spatial tuning of colour vision in birds has been completely unknown. Here, I present, for the first time, a contrast sensitivity function for isoluminant colour patterns in an animal besides humans, the budgerigar. Paper IV shows that colour vision is used for the detection of colour contrast in larger fields while achromatic vision is used to detect fine detail. Similar finding has been made in humans suggesting that this is a general property of vertebrate vision. With Paper IV, it is now possible to account for both colour contrast and the spatial arrangement of colours in patterns when exploring bird communication.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Under dagen, när det är ljust, har fåglar både överlägsen synskärpa och färgseende jämfört med de flesta andra djur, inklusive människan. Men vad händer när det skymmer och under natten när det är mörkt? Vi människor tappar mycket av vår synskärpa i svagt ljus och vi förlorar vårt färgseende när det blir mörkare än ungefär en månupplyst natt. Det här beror på att ljuset blir för svagt för att våra tappar ska fungera och tapparna är de fotoreceptorer som ger hög synskärpa och färgseende. I svagt ljus tar de mer ljuskänsliga stavarna över, och de ger endast lågupplöst “svartvitt” seende. Även fåglars ögon har tappar och stavar, men till skillnad från kunskapen om människan syn har det varit osäkert hur mycket ljus fåglar behöver för att kunna använda sig av sina tappar för att se skarpt och i färg.

I den här avhandlingen presenterar jag fyra studier av fåglars seende i ljus och i mörker. Avhandlingens första studie klargör till vilken grad vi kan lita på färgseendemodeller som använts till att bestämma huruvida fåglar kan upptäcka färgkontraster. Fåglar använder sitt färgseende till att vägleda många beteenden, som att hitta föda eller bedöma lämpligheten hos en möjlig parningspartner. I det senare fallet är uppfattningen att många fåglar väljer sin partner utifrån fjäderteckningens kvalitet, det vill säga, en “vacker” fjäderdräkt med rätt färgkontraster signalerar bra anlag! Resultaten visar att modellerna är tillförlitliga men att det finns osäkerhetsfaktorer som bör beaktas. En sådan faktor är i vilken grad modellerna är lämpliga för att beskriva färgseende i svagt ljus.

I den andra studien undersökte jag när två papegojor, undulater (Melopsittacus undulatus) och bourkesparakiter (Neopsephotus bourkii), förlorar sitt färgseende i skymningen. Båda arterna är fröätande gräsparakiter som naturligt förekommer i halvöknar i Australiens inland. Undulaterna är strikt dagaktiva medan bourkesparakiter flyger redan långt innan solen går upp och även sent på kvällen. Bourkesparakiter har också större ögon än undulaterna. Många nattaktiva djur har stora ögon för att kunna samla in mycket ljus och få ett känsligare seende. Har då bourkesparakiterna ljuskänsligare ögon än undulaterna och kan de i så fall se färger bättre i skymningen?

Resultaten visar att fåglar behöver mellan fem till tjugo gånger mer ljus än människor för att se färger. Fåglarna förlorar sitt färgseende kort efter solnedgången och det är tveksamt om en fågelhona kan se fjäderdräktsfärgerna hos en uppvaktande hane i skymningsljus eller färgen hos äggen eller sina kycklingar i en dunkel bohåla. Det är däremot ingen skillnad mellan fågelarterna, bourkesparakiterna ser inte färger bättre i svagt ljus.

Genom att studera fåglarnas ögon i mikroskop fann jag att Bourkesparakiterna har en högre andel stavar i ögonen än undulaterna vilket skulle kunna ge ljuskänsligare “svartvitt” seende och därmed bättre synskärpa i svagt ljus. I den tredje studien undersökte jag den här möjligheten men upptäckte, till min förvåning, ingen skillnad mellan arterna. Trots att bourkesparakiterna till synes har ögon bättre anpassade till aktivitet i svagt ljus än undulaterna, ger de varken bättre färgseende eller synskärpa. De här slutsatserna påkallar en viss försiktighet i att bedöma djurs synförmågor utifrån morfologiska eller ekologiska karaktärer.

I den sista studien undersökte jag hur väl undulater ser färgmönster. Resultaten visar att undulaterna har mindre än hälften så bra upplösning för färgmönster som för svartvita mönster. Det här är likadant för oss människor, små detaljer upptäcker vi med hjälp av svartvit kontrast medan färgseendet används för att se färgen av större ytor. Den här kunskapen hjälper oss att förstå hur färgmönster fungerar som signaler i fåglars kommunikation. Det är kanske inte så märkligt att färgen i många fjäderdräkter är arrangerade i större ytor medan de små detaljerna består av kontraster mellan mörkt och ljust.

• author: Lind, Olle
• supervisor: Almut Kelber
• opponent: Osorio, Daniel, University of Sussex
• organization: Department of Biology; Lund Vision Group (research group)
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Animal vision, Visual ecology, Colour vision, Spatial acuity, Spatial contrast sensitivity, Dim light, Visual modelling, Behavioural experiments, Birds, Psittaciformes
• pages: 98 pages
• defense location: Biology Lecture Hall, Sölvegatan 35, Lund
• defense date: 2011-04-01 13:00:00
• ISBN: 978-91-7473-097-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Department of Cell and Organism Biology (Closed 2011.) (011002100)
• id: caf8c3d4-1c2f-45f3-aa3e-5b040178ba45 (old id 1845272)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:19:31
• date last changed: 2020-10-13 13:46:48