Který hmyz má složené oči?

Vraťme se nyní k biologii. Lidské oko není zdaleka jediným typem oka. Přestože oči téměř všech obratlovců jsou podobné těm lidským, u nižších živočichů najdeme mnoho dalších typů očí. Nemáme čas o nich diskutovat. Ale mezi bezobratlými (například hmyzem) jsou také vysoce vyvinuté typy očí; Tento komplex, nebo fasetovaný, oči. (Většina hmyzu má kromě velkých složených očí také oči jednoduché neboli ocelli.) Nejdůkladněji byl prozkoumán zrak včel. Je snadné studovat vizuální vlastnosti včel, protože je známo, že jsou přitahovány medem, a můžeme provádět pokusy tak, že medem potřeme například modrý nebo červený papír a budeme pozorovat, který včelu přitáhne. Tato metoda odhalila velmi zajímavé rysy včelího vidění.

Za prvé, když se snažili určit, jak jasně včela vidí rozdíl mezi dvěma kusy „bílého“ papíru, někteří výzkumníci zjistili, že to nevidí příliš dobře, zatímco jiní naopak zjistili, že to dělá zatraceně dobře. . I když byly odebrány dva téměř úplně stejné papírky, včela je přesto rozlišila. Jeden kus papíru byl například vybělený zinkovou bělobou a další olovem, a přestože oba vypadaly úplně stejně, včela je rozeznala, protože odrážely ultrafialové světlo jinak. Bylo tedy zjištěno, že včelí oko je citlivé na kratší vlnové délky než lidské oko. Naše oči vidí od 7000 do 4000 Å, od červené po fialovou, ale včely vidí až 3000 Å, tedy v ultrafialové oblasti! A tím vzniká řada velmi zajímavých efektů. Za prvé, včely rozlišují mnoho květů, které se nám zdají úplně stejné. Není nic překvapivého; vždyť květiny vůbec nekvetou, aby potěšily naše oči. Slouží jako návnada pro včely, jakýsi signál, že je zde med. Každý ví, že existuje spousta „bílých“ květin. Barva, kterou jsme my zdá se Včely zjevně nevidí bílou, protože se ukázalo, že různé bílé květy se neodrážejíultrafialový paprsky tak plné jako oniopravdu Bílé květy. Ne všechno světlo dopadající na něj se odráží od bílého předmětu, dochází ke ztrátě ultrafialových paprsků, a to je úplně stejné, jako když ztrácíme modrou barvu, tedy získáváme žlutou barvu. Takže všechny bílé květy se včelám zdají barevné. Víme však také, že včely nevidí červenou barvu. Můžeme tedy předpokládat, že červené květy se včelám zdají černé? Nic takového! Pečlivé studium červených květů ukazuje, že za prvé, i naše oči jsou schopny rozeznat mírný namodralý nádech u velké většiny červených květů, způsobený dodatečným odrazem modré barvy u většiny z nich, který je ve viditelné oblasti ke včelám. Experimenty navíc také ukazují, že květy se liší svou schopností odrážet ultrafialové světlo z různých částí okvětního lístku atd. Pokud bychom tedy viděli květiny tak, jak je vidí včely, zjistili bychom, že jsou ještě krásnější a rozmanitější!

Bylo však zjištěno, že existují takové červené květy, které neodrážejí modré nebo ultrafialové paprsky, takže musí zdá se černé včely! To do jisté míry vysvětluje zmatek těch lidí, kteří se o tento problém velmi zajímají: koneckonců černá barva se nezdá atraktivní a je obtížné ji odlišit od špinavého, hustého stínu. Takhle to vlastně dopadá: včely nedorazit na těchto květinách. Ale jsou přesně takové, jaké mají ti nejmenší rádi humming bird; Ukázalo se, že tito ptáci vidí červenou barvu dokonale!

READ
Jak dlouho můžete skladovat domácí víno v plastových lahvích?

Další zajímavý aspekt včelího vidění. Při pohledu na kus modré oblohy a aniž by viděla samotné slunce, může včela zjevně stále určit, kde je slunce. U nás to není tak jednoduché. Podívejte se z okna na oblohu. Vidíte, že je modrý. Jakým směrem je nyní slunce? Včela to dokáže zjistit, protože je velmi citlivá na směr. polarizované světlo a světlo odražené od oblohy polarizované. Stále se vedou debaty o tom, jak to dokáže: buď proto, že rozptyl světla je za různých okolností různý, nebo proto, že oči včely jsou přímo citlivé na směr polarizovaného světla. Velmi nedávno byly získány údaje o přímé citlivosti včelího oka.

Říká se také, že včela je schopna rozlišit jednotlivé záblesky světla s frekvencí 200x na 1 setí, přičemž my rozlišujeme pouze 20 záblesků. V úlu se včely pohybují velmi rychle; Pohybují tlapami, mávají křídly, ale naše oči mají problém všechny tyto pohyby sledovat. Kdybychom dokázali rozlišit rychlejší blikání, pak by to byla jiná věc. Pro včelu je zřejmě velmi důležité, aby její oči reagovaly tak rychle.

Nyní si promluvme o tom, co je ve skutečnosti zraková ostrost včely? Včelí oko je složité; skládá se z obrovského množství speciálních očí tzv ommatidia, které se nacházejí na téměř kulovité ploše po stranách hlavy hmyzu.

Na Obr. Obrázek 36.7 ukazuje ommatidium. Nahoře je průhledná oblast, jakási „čočka“, ale ve skutečnosti je to spíše filtr, který tlačí světlo podél úzkého vlákna, kde je zjevně absorbováno. Z jeho druhého konce vybíhá nervové vlákno. Centrální nervové vlákno má po stranách šest buněk, ze kterých v podstatě vychází. Pro naše účely je tento popis zcela dostačující; hlavní věc je, že buňka má kónický tvar a mnoho takových buněk, přiléhajících k sobě, tvoří povrch včelího oka.

Pojďme se nyní podívat, jaké je rozlišení takového oka. Nakreslíme na povrch oka čáru (obr. 36.8), schematicky znázorňující ommatidium, které budeme považovat za kouli o poloměru r. Teď to zkusíme vypočítat šířku každého ommatidia, u kterého trochu napneme svou vynalézavost a budeme předpokládat, že příroda je stejně inteligentní jako my! Pokud je ommatidium velmi velké, pak rozlišení nemůže být větší. Jinými slovy, jedno ommatidium přijímá informace o jednom směru, sousední ommatidium dostává informace o jiném atd. a včela dostatečně dobře nevidí předměty, které mezi ně spadají. Nejistota zrakové ostrosti oka tedy nepochybně souvisí s úhlovou velikostí konce ommatidia vzhledem ke středu zakřivení oka. (Ve skutečnosti jsou oči umístěny pouze na povrchu hlavy.) Ale úhel mezi jedním ommatidiem a dalším se samozřejmě rovná průměru ommatidiu dělenému poloměrem zakřivení povrchu oka:

READ
Kdy zasít Ampelous petúnie pro sazenice?

Obr. 36.7. Struktura ommatidia.

Můžeme tedy říci: „Čím menší je hodnota , tím větší je zraková ostrost.

Obr. 36.8. Distribuční diagram ommatidií na povrchu včelího oka.

Ale proč potom příroda nedala včele velmi, velmi malé ommatidii?” V reakci na to můžeme říci následující: fyziku již známe natolik dobře, abychom pochopili, že při pokusu o průchod světla úzkou štěrbinou je kvůli difrakci nemožné dost dobře vidět daným směrem, protože se tam světlo dostane z různé směry, tj. všechny směry vnitřní úhel d, takové, že

Nyní je jasné, že když to vezmeme příliš malé, každé ommatidium díky difrakci uvidí nejen jedním směrem! Pokud ale  uděláte příliš velké, pak ačkoliv se budou všichni dívat stejným směrem, bude jich příliš málo na to, abyste získali dostatečně detailní obrázek. Tuto vzdálenost tedy musíme zvolit d, takže plný účinek těchto dvou mechanismů je minimální. Pokud sečteme dva výrazy a najdeme místo, kde má součet minimum, dostaneme

co dává vzdálenost

Pokud pro odhad předpokládáme, že r přibližně stejné 3 mm, a vlnovou délku světla, které včela vidí, vezmeme rovnou 4000 A, poté po vynásobení a extrakci kořene zjistíme

Knihy uvádějí průměr 30mk. Jak vidíte, domluva se ukazuje jako docela dobrá! Je jasné, že právě tento mechanismus určuje velikost včelího oka a je zcela přístupný našemu chápání. Nyní, když výsledné číslo dosadíme do (36.1), je snadné určit, jaké je úhlové rozlišení včelího oka. Ve srovnání s lidským okem se ukazuje být velmi chudý. Jsme schopni vidět věci, jejichž zdánlivá velikost je třicetkrát menší než to, co vidí včela. Takže ve srovnání s člověkem je obraz včely spíše rozmazaný a nezaostřený.

Obr. 36.9. Optimální velikost ommatidium se rovnám.

Přesto to tak je a s více prostě počítat nemůže. Přirozeně se nabízí otázka: proč včela nemá oko jako my, s čočkou a vším ostatním? Existuje několik docela zajímavých důvodů, které tomu brání. Za prvé, včela je příliš malá; pokud by měla oko podobné našemu, ale odpovídajícím způsobem menší, pak by velikost zornice byla asi 30 mk, a proto by byla difrakce tak velká, že by včela stejně neviděla lépe. Příliš malé oko není dobré. Pak, když uděláte oko velké jako hlava včely, zabere celou hlavu. Koneckonců, hodnota složeného oka spočívá v tom, že nezabírá prakticky žádné místo – jen tenkou vrstvu na povrchu hlavy včely. Než tedy včele poradíte, nezapomeňte, že má své vlastní problémy!

Před časem jsem zde plánoval zveřejnit zjevně protináboženský článek a projít oblíbeným příkladem nevýslovné složitosti kreacionistů. Chtěl jsem vyřešit incident s odmítnutím uznat evoluci očí, ale našel jsem skvělý článek o Habrém od Vyacheslava Pugovkina @ra3vdx, který se zabývá přesně tímto problémem. Proto jsem se rozhodl změnit důraz a rozvinout neméně zajímavé téma: mluvit o struktuře a bionickém potenciálu složeného oka. Promluvme si o tom – a začnu možná u sochaře Lina, hlavní postavy groteskního románu China Miéville.

READ
Jak uchovat potraviny déle bez chlazení na cestách?

Vážně jsem se začal zajímat o strukturu složených očí kolem léta a podzimu 2013, když jsem četl „Stanici ztracených snů“, první knihu o městě New Crobuzon, „divnou fantasy“ od China Miéville. Jeho fantasmagorické město je vzácnou parodií na rodný Londýn a spisovatel, který se netají svým nekompromisním marxistickým postojem, naplňuje děj až po okraj odhalením a satirou prohnilé multikulturní společnosti, všemožného genderového chaosu, policejního státu. , korupce, drogová závislost a sobecká zrada. Zvláštní pozornost věnuje návštěvníkům, kterým říká „Xenie“. Právě ke Xenias, a konkrétně k rase Khepri, patří Lin, múza a spolubydlící Isaaca Grimnebulina, svobodomyslného vědce vyhozeného z univerzity a živícího se jako inženýr na volné noze.

Jak by správná fantasy měla, Miévillova kniha si půjčuje bizarní stvoření z mýtů. Khepri je staroegyptský bůh vycházejícího slunce, chybí mu hlava a na jejím místě je obrovský skarabeus:

Khepri

Lin má podobnou strukturu:

V Linových vypoulených zrcadlových očích vypadalo město jako bizarní vizuální kakofonie. Milion drobných částeček celku; každý maličký pětiúhelníkový segment zářil jasnými vícebarevnými světly a ještě jasnějšími záblesky, neuvěřitelně citlivý na gradaci světla, ale špatně rozlišující detaily, pokud se Lin nepodívala zblízka, až ji oči trochu bolely. Každý ze segmentů jí sám o sobě neumožňoval rozlišit mrtvé oprýskané šupiny zchátralých zdí, protože architektonické struktury byly zredukovány na jednoduché barevné skvrny. A přesto přesně věděla, jak vypadají. Každý viditelný fragment, každá část, každý tvar a každý odstín barvy měly nějaký jemný rozdíl, který Linovi umožnil posoudit stav budov jako celku.

Lyn se již pokusila popsat svou vizi města Isaacovi.

“Vidím stejně jasně jako ty, ještě jasněji.” Pro vás je vše nerozlišené. V jednom rohu jsou ruiny chudinské čtvrti, v dalším zbrusu nový vlak s jiskřivými písty, ve třetím je nějaká žena namalovaná na břiše staré špinavé šedé vzducholodě. Musíte to brát jako jeden obrázek. Strašný nepořádek! Nemá smysl, odporuje si, úplný zmatek. Pro mě se každá malá část jeví jako celek, každá je alespoň trochu jiná než ta druhá.“

Je zřejmé, že popsané fasetové vidění u inteligentního tvora je předpoklad neméně odvážný než nahrazení hlavy tělem skarabea. To znamená, že se podívejme, jak fungují složené oči a proč se ukázaly jako takový evoluční úspěch u hmyzu, pavoukovců a korýšů.

Oční zařízení

Lidské oko, na principu, na kterém funguje mnoho optických přístrojů (v angličtině je dokonce výraz „camera eye“), je především přední částí složitého a velkého mozku. Neurofyziologický potenciál mozku je dostatečný pro multifaktoriální zpracování obrazu. Oko tedy v podstatě slouží jako schránka pro zrakové buňky a obsahuje přibližně 6 milionů čípkových buněk a 120 milionů tyčinkových buněk. Oko obratlovců má poměrně úzké zorné pole (proto musel například zajíc roztáhnout oči do stran hlavy, aby toto pole zvětšil), zatímco naše oko se vyznačuje vynikající schopností rozpoznávat vzory, což nám spolu s binokulárností umožňuje procházet terénem, ​​vnímat perspektivu a také sledovat stereo obrazy (mimochodem, nevím jak).

READ
Co se stane, když květinu často přesazujete?

Složené oko hmyzu má úplně jinou strukturu. Skládá se z fotosenzitivních prvků – ommatidií, těsně přiléhajících k sobě na principu včelí plástve. Počet ommatidií se u různých druhů hmyzu značně liší: od 100 u mravence dělníka po 30 000 u vážky. Každá ommatidia působí nezávisle na ostatních, proto se fasetové oko vyznačuje redundancí: pokud je část faset poškozena, oko zůstává funkční. Klíčovými funkčními vlastnostmi lidského oka jsou hloubka a průhlednost, které zajišťují lom světla. Kromě toho má lidské oko duhovku, která funguje jako fotografická clona, ​​a je také vybaveno svaly. Celá tato infrastruktura zajišťuje pohyb a akomodaci oka a mozek je zodpovědný za zpracování, analýzu a kompletaci snímků.

Schopnosti hmyzu jsou mnohem skromnější, takže hmyz by nebyl schopen udržet fungování takového oka (a ještě více „starat se o něj jako o zřítelnici oka“). Oko je příliš těžký a energeticky náročný orgán. Proto evoluce upřednostňovala uspořádání světlocitlivých ommatidií co nejkompaktněji na konvexním povrchu a díky konvexitě se zvětšilo zorné pole. Mimochodem, Lin je trochu nedůvěřivý: obrázky ze sousedních ommatidií se samozřejmě překrývají a částečně překrývají.

Navíc výhody složeného oka ve srovnání s optickým okem nejsou omezeny na šířku zorného pole. Složené oko skvěle detekuje pohyb (proto je tak těžké uhodit mouchu) a také směr, ze kterého světlo přichází. Například člověk rozlišuje maximálně 20 záblesků světla za sekundu a včela – desetkrát více. Anatomicky se složené oči od sebe mírně liší a patří do tří hlavních typů: apoziční (a), neurosuperpoziční (b) a optické superpoziční, přičemž ty se zase dělí na reflexní (c), refrakterní (d) a parabolický (e) .

Nejjednodušší strukturou je apoziční složené oko, funguje to takto:

Na základě výše uvedeného je zřejmé, že hmyz je v zásadě krátkozraký: není schopen zaostřit na objekt a také nemá bdělost v obvyklém smyslu. Složené oko bude zkoumat předmět lépe, čím více ommatidií světlo dopadne, tedy čím blíže je hmyz k dotyčnému předmětu. Možná proto má hmyz tak vyvinutý čich a feromonovou komunikaci. Pro hmyz to tedy není tak důležité zvážit, jak všimnout si cokoliv.

V důsledku toho se ukázalo, že složené oko není ani tak optickým zařízením, jako spíše maticí senzorů/fotosenzitivních prvků. Pojďme si promluvit o nějakém bionickém využití.

Bionika založená na složeném oku

Začněme čistě energetickým příkladem. Řeč je o perovskitech, minerálech na bázi titaničitanu vápenatého CaTiO3. V roce 2012 zaujaly vědce jako nový perspektivní materiál pro výrobu solárních článků. Faktem je, že perovskit přeměňuje sluneční energii přímo na elektrickou energii (mnohem efektivněji než křemíkové články) a je také tenký, lehký a kompaktní. Zároveň je velmi mechanicky nestabilní. Ukázalo se, že rovnoměrná vrstva perovskitu praská a odlupuje se nejen mechanickým, ale i tepelným vlivem.

READ
Jak správně používat Advantix pro psy?

V roce 2017 vědci ze Stanfordu korelovali design perovskitového solárního článku s tvarem složeného oka mouchy. Pozornost věnovali konkrétně výše zmíněné redundanci složeného oka, stejně jako šestiúhelníkovému uspořádání ommatidií jako plástve:

Epoxidová pryskyřice byla použita jako rám (lešení), do kterého byly umístěny perovskitové články. Ukázalo se, že za testovacích podmínek může taková baterie vyrábět elektřinu po dobu jednoho a půl měsíce při teplotě 85 °C – podle toho je vhodná pro umístění na střechu.

Ale tato možnost použití fasetové konfigurace se týká čistě výroby energie a nás více zajímá shromažďování a analýza informací, tedy fazetové senzory. Zde je další diagram ilustrující vizuální spektrum hmyzu:

Mnoho objektů, které se nám zdají bílé (například okvětní plátky), se ve skutečnosti aktivně odráží v ultrafialovém světle a toto ultrafialové spektrum je užitečné pro rozlišení malých detailů krajiny a jejich orientaci. V roce 2005 bylo v Austrálii navrženo letadlo o hmotnosti pouhých 75 g a vybavené fasetovanou kamerou pro provoz v ultrafialové oblasti; předpokládalo se, že by mohl být užitečný při průzkumu Marsu.

Další výhodnou možností miniaturizace faset je výroba extrémně tenkých lékařských sond, které funkčně připomínají ploché i vypouklé fasetové oči. Pro diagnostickou práci uvnitř těla pacienta však stačí použít ploché fasetové senzory, kde každá ommatidia dotváří celkový obraz (protože přístroj přiléhá k vyšetřované oblasti téměř těsně).

Konvexní umělé složené oči se používají pro jiné účely, jako je sledování pohybu ve třech rozměrech. Je logické instalovat takové senzory, které nevyžadují napájení, na hmyzí roboty určené pro mapování terénu. Rovněž byly uměle vytvořeny matrice s 30 000 mikročočkami; jak je uvedeno výše, v jednom oku vážky je přesně 30 000 faset. Pouze jedna taková matice umožňuje pokrýt zorné pole 105° a dvě spárované „oči vážek“ již pokrývají pole 180°. Navíc, když taková kamera vyhodnocuje pohyb ve třech rozměrech, relativní standardní nejistota nepřesahuje 9 % a samotné vyhodnocení se provádí na základě rozložení odraženého světla.

Zvláštní výhodou fasetových vizuálních senzorů je to, že mohou být multispektrální. Do matice postavené na principu složeného oka můžete umístit prvky, z nichž každý vnímá svou vlastní část spektra. Tato metoda je racionálnější než tradiční difrakční technologie využívající interferometry, kde se musí příchozí světlo nejprve rozložit na spektra a poté sestavit zpět do obrazu.

Konečně v roce 2017 bylo možné spojit fazetu a retinální oči v jednom zařízení:

V tomto případě se kombinují síly faset a sítnice: fasety poskytují rozsáhlejší obraz, kde se obrazy z různých mikročoček částečně překrývají, a sítnice poskytuje obraz v reprezentaci, kterou je pohodlnější analyzovat pomocí vizuálního senzoru. . Potenciálně právě tato struktura řeší i problémy nezaostření a „krátkozrakosti“ složeného oka a umožňuje kombinovat rozlišovací schopnost optického oka a dynamické aspekty zachycené složeným okem.

Samozřejmě mě zajímá, která z těchto technologií bude použita při vytváření skutečných bionických očí, ale stejně zajímavé je slyšet vaše verze toho, jak přesně Lin mohl vidět.

Rate article
Add a comment

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: