Renar är älskade över hela världen för sina mörka, uttrycksfulla ögon, majestätiska horn och magiska umgänge med jultomten. Det ögonblick du lär dig den kalla, hårda sanningen om hur julklappar anländer under granen är ett upprörande ögonblick som fördärvar många barndomar. Men renar är mer speciella än vad ditt cyniska äldre syskon eller klasskamrater skulle ha fått dig att tro.

Den arktiska renen, liksom sitt huvudsakliga rovdjur, vargen, är otroligt väl anpassad till sitt snöiga hem, där vinterförhållanden kan se temperaturer sjunka till -50°C och låga nivåer av dagsljus. Renar har ett andra lager av päls och breda halvmåneformade hovar som håller dem stabila och låter dem gräva i snön. Och som vår nya Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences studie visar att deras ögon genomgår fysisk förändring när årstiderna vänder, vilket gör att de kan se klart i den långa vinterskymningen.

Midvintern i Arktis är antingen mörk eller skymning, när solen är under horisonten, hela dagen. Renar behöver hitta och avslöja sin vinterföda, laven, genom att borsta den snötäckta marken med sina hovar, horn och nosparti. Det finns gott om lavar i Arktis – en idealisk födokälla som renar kan hitta var de än går.

Twilight är speciellt

Renar livnär sig i skymningen när vargar jagar. Skymningen har dock en unik egenskap som skiljer den från dag eller natt:den är extremt blå och innehåller väldigt lite grönt, gult och orange.

Detta beror på att jordens ozonskikt, upplyst av en sol under horisonten, fungerar som ett filter som spänner över himlen, som i skymningen absorberar nästan allt ljus utom blått ljus. Solljuset färdas en längre sträcka genom atmosfären och passerar horisontellt genom ozonskiktet. Denna ozonblå är annorlunda än den klara himmelsblå dagtid, som orsakas av spridning av solljus av luftmolekyler.

Även om artister kallar denna tid efter solnedgången "The Blue Hour" tenderar vi att inte lägga märke till det eftersom våra ögon anpassar sig till den långsamt skiftande färgen. När mörkret närmar sig växlar vår syn från att förlita sig på konreceptorerna som ger oss färgseende till att använda de känsligare stavarna, som är färgblinda. På vintern kan skymningen vara mer än en tredjedel av dagen i polarmiljöer.

Vargar och renar förbättrar båda sin känslighet för arktisk skymning med en "spegel" bakom näthinnan. När ljus kommer in i ögat och passerar genom näthinnan, upptäcks och absorberas inte allt av specialiserade neuroner som kallas fotoreceptorer. Spegeln reflekterar istället den tillbaka genom näthinnan en andra gång, då mer ljus kommer att upptäckas. Renarna ser en bild som är ljusare men något suddigare eftersom spegeln sprider lite ljus i sidled, lite som ett immigt glas.

Detta är en fördel i svagt ljus eftersom djuret förlitar sig mer på visuell kontrast och rörelse än visuell skärpa. Spegeln, kallad tapetum lucidum (glänsande matta), utvecklats självständigt hos många djur. Viktiga undantag inkluderar människor och rovfåglar, som behöver skarpa bilder.

Ögon som förändras med årstiderna

Vår studie jämförde ögonen på renar som dog under sommaren med exemplar från renar som dog på vintern.

Den visade att renarnas ögon genomgår en unik säsongsmässig förändring i sitt tapetum och ändrar färg, reflekterar guld-turkost ljus på sommaren och speglar djupblått på vintern. Både lav- och vargpäls reflekterar mindre blått än andra färger så de ser mörka ut mot det snötäckta landskapet.

En rens tapetum använder samma struktur som gör påfågelns skimrande fjädrar, Morpho-fjärilens lysande blåa vingar och opalpärlans färgglimtar. Detta kallas strukturell färgning.

I renens tapetum är dessa strukturer mycket fina fibrer av kollagen som är för små för att kunna ses med ett ljusmikroskop, liknande men finare än musklernas struktur. Föreställ dig dessa fibrer som ett stort antal pennor prydligt staplade i en genomskinlig låda i ett sexkantigt mönster.

Släpp in tillräckligt med vatten för att fylla luckorna, minska skalan med en faktor på cirka 40 000 och lådan kommer att reflektera blått ljus. Detta representerar vinterns tapetum. För att förvandla till sommarens tapetum, öka mängden vatten tio gånger och dubbla djupet på lådan. I denna lilla skala kommer fibrerna ungefär att bibehålla sitt sexkantiga mönster, men det kommer att finnas fler luckor mellan dem.

Vi tror att denna omvandling utlöses av en tryckförändring i renögat som sker på sommaren och vintern.

Ett annat sätt att tänka på det är som renögon med sommar- och vinterdäck. Under mycket kalla förhållanden släpper du ut lite luft ur däcken för att öka greppet på isen. Renen släpper ut vätska ur tapetum för att avslöja en bättre bild av sin omgivning.

Detta fynd kan hjälpa ingenjörer att tillverka produkter som ändrar reflekterad färg. Möjligheterna är oändliga. Om du använder en yta belagd med en reflekterande nanostruktur, liknande den hos renens tapetum, snarare än en pigmentbaserad färg, kan du ändra färg genom att ändra separationen av de nedskalade "pennorna" som reflekterar ljuset. Du kan till exempel ändra färgen på din bil genom att justera separationen. Till skillnad från många pigment bleknar inte dessa strukturella färger med tiden.

Så även om renar länge har inspirerat jultraditioner som berättats över hela världen, kan de nu inspirera till teknik och vetenskap.