Швейцарские учёные удалось воспроизвести глаз мухи, так называемый искусственный фасеточный глаз.
Фасеточные глаза, состоящие из множества узких светочувствительных конусов, называемых омматидиями, характерны для насекомых и ракообразных.
Такие глаза имеют ряд преимуществ и недостатков по сравнению с человечиским. Глаз мухи имеет меньшее разрешение, чем глаз позвоночных, то есть картинка улавливаемая данным глазом будет не четкая. А из преимуществ - они менее инерционны (некоторые насекомые способны воспринимать мелькания с частотой до 300 Гц), не требуют фокусировки и могут различать не только цвет, но и направление поляризации света. Если в двух словах – то картинка быстрая, разнообразная, насыщеная но не четкая. Команда учёных из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создала прототип искусственного фасеточного глаза, который использует преимущества такой конструкции.
Камера как глаз у мухи (фасеточный глаз)
Искусственный глаз, который учёные назвали CurvACE (CURVed Artificial Compound Eyes), состоит из 630 «омматидиев», каждый из которых представляет собой светочувствительный элемент и микролинзу, фокусирующую на него узкий пучок света. Глаз имеет угол обзора 60 градусов в вертикальной и 180 - в горизонтальной плоскости. По вертикали углы зрения разных омматидиев заданы формой микролинз, а по горизонтали - изгибом подложки, на которой расположен глаз. Такая форма продиктована технологией изготовления - светочувствительные элементы формируются на твёрдом кристалле, который затем разрезается на узкие полоски.
Камера как глаз у мухи (фасеточный глаз)
Глаз имеет объём всего 2,2 кубических сантиметра и весит 1,75 грамма. При промышленном производстве современный уровень техники позволит уменьшить его размеры как минимум вдвое. Основное назначение глаза - системы визуальной навигации для роботов. Глаз обладает высокой чувствительностью и динамическим диапазоном - каждый омматидий может индивидуально приспосабливаться к уровню освещённости. Такой глаз нельзя ослепить солнечным бликом. В сочетании с высоким быстродействием (прототип может выдавать до 1500 кадров в секунду), малыми размерами, отсутствием искажений по краям поля зрения и возможностью относительно просто добиться кругового или даже сферического обзора это делает его идеальным инструментом для определения положения робота в пространстве, детектирования препятствий и предотвращения столкновений. Наверное первые образцы таких камер мы увидим на автомобилях с автоуправлением и различных роботах.
По своим характеристикам CurvACE приблизительно соответствует глазу плодовой мушки дрозофилы. Так же как и глаз насекомого, содержащий внутри нервный узел, осуществляющий первичную обработку изображения, СurvACE включает в себя микроконтроллер, который обрабатывает сигнал с сенсоров с помощью алгоритмов оптического потока, а так же акселерометр и гироскоп.
Собственно электронная начинка и составляет большую часть массы и объема глаза - сам массив CMOS-сенсоров с микролинзами имеет толщину 1 мм и весит 0,36 грамма. Возможность придавать фасеточной камере любую форму и отсутствие больших линз открывают множество возможностей: такие «глаза» можно встраивать в стены помещений, в одежду или мебель для использования в системах умного дома или видеонаблюдения. Комбинируя омматидии разного типа в одном сенсоре, можно создать камеру, которая будет видеть одновременно в разных диапазонах. Некий праобраз всевидещего глаза, новая беда для параноиков и чудо находка для спецслужб.
Глаз насекомого при большом увеличении похож на мелкую решетку.Это потому, что глаз насекомого состоит из множества маленьких "глазков"-фасеток. Глаза насекомых называют фасеточными. Крошечный глазок-фасетка называется омматидий. Омматидий имеет вид длинного узкого конуса, основание которого - линза, имеющая вид шестигранника. Отсюда и название фасеточного глаза: facette в переводе с французского означает "грань".
Пучок омматидиев составляет сложный, круглый, глаз насекомого.
Каждый омматидий имеет очень ограниченное поле зрения: угол обзора омматидиев в центральной части глаза - всего около 1°, а по краям глаза - до 3°. Омматидий «видит» только тот крошечный участок находящегося перед глазами предмета, на который он "нацелен", то есть куда направлено продолжение его оси. Но так как омматидии тесно прилегают друг к другу, а их оси в круглом глазу расходятся лучеобразно, то весь сложный глаз охватывает предмет в целом. Причём изображение предмета получается в нем мозаичным, то есть составленным из отдельных кусочков.
Число омматидиев в глазу у разных насекомых различно. У рабочего муравья в глазу всего около 100 омматидиев, у комнатной мухи - около 4000, у рабочей пчелы - 5000, у бабочек - до 17 000, а у стрекоз - до 30 000! Таким образом, у муравья зрение весьма посредственное, тогда как огромные глаза стрекозы - два радужных полушария - обеспечивают максимальное поле зрения.
Из-за того, что оптические оси омматидиев расходятся под углами 1-6°, четкость изображения насекомых не очень высока: мелких деталей они не различают. Кроме того, большинство насекомых близоруки: видят окружающие предметы на расстоянии лишь нескольких метров. Зато фасеточные глаза отлично умеют различать мелькания (мигания) света с частотой до 250–300 герц (для человека предельная частота около 50 герц). Глаза насекомых способны определять интенсивность светового потока (яркость), а кроме того, они обладают уникальной способностью: умеют определять плоскость поляризации света. Эта способность помогает им ориентироваться, когда солнца не видно на небосклоне*.
Насекомые различают цвета, но совсем не так, как мы. Например, пчелы «не знают» красного цвета и не отличают его от чёрного, но зато воспринимают невидимые для нас ультрафиолетовые лучи, которые расположены на противоположном конце спектра. Ультрафиолет различают также некоторые бабочки, муравьи и другие насекомые. Кстати, именно слепостью насекомых-опылителей нашей полосы к красному цвету объясняется любопытный факт, что среди нашей дикорастущей флоры нет растений с алыми цветками.
*Свет, идущий от солнца, не поляризован, то есть его фотоны имеют произвольную ориентацию. Однако, проходя через атмосферу, свет поляризуется в результате рассеивания молекулами воздуха, и при этом плоскость его поляризации всегда направлен на солнце
Кроме фасеточных глаз у насекомых есть еще три простых глазка диаметром 0,03-0,5 мм, которые располагаются в виде треугольника на лобно-теменной поверхности головы. Эти глазки не приспособлены для различения объектов и нужны для совсем другой цели. Они измеряют усредненный уровень освещенности, который при обработке зрительных сигналов используется в качестве точки отсчета («ноль-сигнала»). Если заклеить насекомому эти глазки, оно сохраняет способность к пространственной ориентации, но летать сможет только при более ярком свете, чем обычно. Причина этого в том, что заклеенные глазки принимают за «средний уровень» черное поле и тем самым задают фасеточным глазам более широкий диапазон освещенности, а это, соответственно, снижает их чувствительность.
Показать все
У высших насекомых органы зрения не одинаковы по своему строению. На лбу или у них находятся три простых (в середине - , по бокам от него - латеральные), а по бокам располагаются два сложных фасеточных глаза. Они встречаются у взрослых насекомых, а также у с , и передают в большую часть получаемой визуальной информации.
Общее строение глаз
Глаза есть у большинства насекомых, и лишь относительно небольшое количество таксонов ими не обладают. К примеру, их нет у некоторых примитивных видов, а также у странствующих муравьев Ection. В большинстве случаев глаза представлены в виде двух отдельных образований, однако, например, у стрекоз они настолько велики, что сходятся в единую структуру на .
По форме сложные органы зрения чаще близки к округлым, однако в ряде случаев они каплевидные (как у богомола) или почковидные, так как имеют вырезку, на которой «сидит» антенна (как у ивового толстяка Lamia textоr). В некоторых случаях вырезка настолько резкая, что отделяет верхнюю и нижнюю часть глаза друг от друга, из-за чего кажется, что глаз у насекомого не два, а четыре (пример - жук Tetrops praeusta). Иногда особенности формы и размера глаз определяются принадлежностью к тому или иному полу. Так, самцы обычно имеют более развитые глаза, нежели самки, что особенно видно на примере трутней и рабочих пчел. У слепней они соприкасаются в середине у самцов и не соприкасаются у самок.
В нижней части, прилежащей к голове, каждый глаз ограничен базальной, или ситовидной мембраной. В ней, согласно количеству омматидиев, имеется множество отверстий, через которые проходят зрительные нервные волокна. Через них же в глаз входят , пронизывающие его и проходящие между . На месте глаза образует довольно глубокое впячивание, образуя глазную капсулу, или глазной ; он является опорной структурой глаза.
Омматидий как структурная единица сложного глаза
Поперечный размер (диаметр) структурных единиц глаза также отличается, однако он, в любом случае, измеряется в микронах. майского жука по диаметру равны 20 микрон, американского таракана - 32 микрона.
Зрительные оси омматидиев должны быть примерно перпендикулярны поверхности , поэтому, чем большее пространство они занимают, тем более выпуклы глаза насекомых. Однако сильная выпуклость глаз говорит не столько о хорошем зрении, сколько о большом поле обзора, по крайней мере, у дневных видов.
Подробное строение омматидиев довольно сложно и будет рассмотрено на примере типичного аппозиционного глаза (объяснение данного термина в следующем разделе). В структуре каждой единицы фасеточных глаз находится три функциональных комплекса структур, или три аппарата:
- диоптрический (преломляющий)
Состоит из линз, преломляет и направляет свет.
- рецепторный (воспринимающий)
Воспринимает и передает зрительную информацию.
- аппарат пигментной изоляции
Строение омматидия
Строение омматидия
1 - роговица, 2 - корнеагенные клетки,
3 - кристаллический конус, 4 - клетки Земпера,
5 - ретинальные клетки, 6 - зрительная палочка,
7 - побочные пигментные клетки,
8 - ретинальные пигментные клетки,
9 - базальная мембрана
Зрительные аппараты омматидия
Диоптрический аппарат
состоит следующих частей (снаружи внутрь): (фото)Рецепторный аппарат
включает еще несколько компонентов :- Ретинальные клетки - вытянутые структуры, которые располагаются ниже кристаллического конуса в виде пучка (5 на (фото) ).
- Зрительная палочка (рабдом) - продолговатое образование, состоящее из продуктов секреции ретинальных клеток и находящееся в центре их пучка. В поперечном срезе рабдом и ретинальные клетки формируют картину «цветка», где рабдом занимает осевое положение, являясь «сердцевинкой», а ретинальные клетки расположены вокруг него, подобно лепесткам (6 на (фото) ).
- Зрительные нервы - нервы, передающие информацию в центральную нервную систему.
Аппарат пигментной
изоляции имеет в своем составе 3 образования:- Корнеагенные (главные пигментные) клетки : те же самые, которые вырабатывают хрусталика. Они заполняются пигментом и изолируют хрусталик от роговиц соседних омматидиев.
- Побочные пигментные клетки - изолируют каждый от других на уровне хрустального конуса (7 на (фото) ).
- Ретинальные пигментные клетки - выполняют ту же функцию, но ниже, на уровне расположения ретинальных клеток и зрительной палочки (8 на (фото) ).
Нейросуперпозиционный глаз
Такие глаза отличаются тем, что в них происходит суммирование нервных сигналов от некоторой части зрительных клеток, свет в которые приходит из одного места. Такой тип глаза имеется у мух.
Зрение насекомых
У соседних омматидиев зрительные оси сильно сближены между собой, что дает насекомым способность лучше различать точки, находящиеся близко друг к другу. В результате, острота их зрения примерно в 3 раза выше, чем у человека. Вместе с тем, при удалении объекта от глаза зрение ухудшается; таким образом, насекомые, по человеческим меркам, близоруки.
Еще одно преимущество фасеточных глаз состоит в том, что множество омматидиев позволяет лучше следить за мелькающими и быстро перемещающимися объектами. Для нас слитное изображение на экране формируется при движении пленки 16 кадров в секунду, а для насекомых - при 250-300. Это создает им преимущество при быстром .
Насекомые могут воспринимать поляризацию света. Мало того, что они видят все объекты объемными, они различают тонкие оттенки и переливы цветов, недоступные человеческому глазу. У большинства насекомых зрение цветное, черно-белое имеется лишь у примитивных форм, обитающих в пещерах, у большого мучного хрущака и термитов. У летающих растительноядных видов них есть светоприемник, «настроенный» на восприятие в ультрафиолетовом спектре, благодаря чему они лучше различают чашечки цветков с воздуха.
Вопрос "Сколько глаз у обыкновенной мухи?" не так прост, как кажется. Два больших глаза, расположенных по бокам головы, можно увидеть невооруженным взглядом. Но на деле устройство органов зрения мухи гораздо сложнее.
Если посмотреть на увеличенное изображение глаз мухи, видно, что они похожи на соты и состоят из множества отдельных сегментов. Каждая из частей имеет форму шестиугольника с правильными гранями. Отсюда и произошло название такого строения глаза – фасеточное («facette» в переводе с французского означает «грань»). Похвастаться сложными фасеточными глазами могут многие и некоторые членистоногие, причем муха далеко не рекордсмен по количеству фасеток: у нее всего 4 000 фасеток, а у стрекоз – около 30 000.
Ячейки, которые мы видим, называются омматидиями. Омматидии имеют конусообразную форму, узкий конец которой уходит вглубь глаза. Конус состоит из клетки, которая воспринимает свет, и хрусталика, защищенного прозрачной роговицей. Все омматидии тесно прижаты друг к другу и соединены роговицей. Каждый из них видит «свой» фрагмент картинки, а мозг складывает эти крошечные изображения в одно целое.
Расположение больших фасеточных глаз у самок и самцов мухи отличается. У самцов глаза близко посажены, а у самок – больше разнесены по сторонам, так как у них имеется лоб. Если посмотреть на муху под микроскопом, то посередине головы выше фасеточных органов зрения можно разглядеть три небольших точки, расположенных треугольником. На самом деле эти точки являются простыми глазами.
Итого у мухи одна пара сложных глаз и три простых - всего пять. Зачем природа пошла по такому сложному пути? Дело в том, что фасеточное зрение сформировалось, чтобы в первую очередь охватывать взглядом как можно больше пространства и улавливать движение. Такие глаза выполняют основные функции. Простыми глазами муху «обеспечили» для измерения уровня освещённости. Фасеточные глаза являются основным органом зрения, а простые – второстепенным. Если бы у мухи не было простых глаз, она была бы более медленной и могла летать только при ярком свете, а без фасеточных глаз она ослепла бы.
Каким муха видит окружающий мир?
Большие глаза выпуклой формы позволяют мухе видеть все вокруг себя, то есть угол зрения равен 360 градусам. Это в два раза шире, чем у человека. Неподвижные глаза насекомого одновременно смотрят по всем четырём сторонам. Зато острота зрения мухи ниже человеческой почти в 100 раз!
Так как каждый омматидий является самостоятельной ячейкой, картинка получается сетчатой, состоящей из тысяч отдельных маленьких изображений, дополняющих друг друга. Поэтому мир для мухи – это собранный пазл, состоящий из нескольких тысяч кусочков, причем довольно расплывчатый. Более или менее четко насекомое видит всего на расстоянии 40 - 70 сантиметров.
Муха способна различать цвета и даже невидимый человеческому глазу поляризованный свет и ультрафиолет. Глаз мухи чувствует малейшие изменения яркости света. Она способна видеть солнце, скрытое густыми облаками. Но в темноте мухи видят плохо и ведут преимущественно дневной образ жизни.
Еще одна интересная способность мухи – быстрая реакция на движение. Муха воспринимает движущийся объект в 10 раз быстрее человека. Она легко «вычисляет» скорость объекта. Эта способность жизненно необходима для определения расстояния до источника опасности и достигается за счет «передачи» изображения от одной ячейки - омматидия к другой. Авиационные инженеры взяли на вооружение такую особенность зрения мухи и разработали прибор для вычисления скорости летящего самолета, повторив строение ее глаза.
Благодаря такому быстрому восприятию, мухи живут в замедленной реальности, по сравнению с нами. Движение, длящееся секунду, с точки зрения человека, муха воспринимает как десятисекундное действие. Наверняка люди кажутся им очень медлительными существами. Мозг насекомого работает с быстротой суперкомпьютера, получая изображение, анализируя его и передавая соответствующие команды телу за тысячные доли секунды. Поэтому прихлопнуть муху получается далеко не всегда.
Итак, правильным ответом на вопрос "Сколько глаз у обыкновенной мухи?" будет число «пять». Основные являются у мухи парным органом, как и у многих живых существ. Почему природа создала именно три простых глаза - остается загадкой.
В процессе эволюции зрения у некоторых животных возникают довольно сложные оптические приборы. К таким, безусловно, можно отнести глаза фасеточные. Они сформировались у насекомых и ракообразных, некоторых членистоногих и беспозвоночных. Чем отличается фасеточный глаз от простого, каковы его основные функции? Об этом поговорим в нашем сегодняшнем материале.
Глаза фасеточные
Это оптическая система, растровая, где отсутствует единая сетчатка. А все рецепторы объединены в небольшие ретинулы (группы), образуя выпуклый слой, не содержащий более никаких нервных окончаний. Таким образом, глаз состоит из множества отдельных единиц - омматидий, объединяющихся в общую систему зрения.
Глаза фасеточные, присущие, к отличаются от бинокулярных (присущих в том числе и человеку) плохим определением мелких деталей. Зато они способны различать колебания света (до 300 Гц), тогда как для человека предельные возможности - 50 Гц. А еще мембрана такого типа глаз имеет трубчатую структуру. Ввиду этого глаза фасеточные не имеют таких особенностей рефракции, как дальнозоркость или близорукость, для них неприменимо понятие аккомодации.
Некоторые особенности строения и зрения
У многих насекомых занимают большую часть головы и фактически неподвижны. К примеру, глаза фасеточные у стрекозы состоят из 30 000 частиц, образуя сложную структуру. У бабочек - 17 000 омматидиев, у мухи - 4 тысячи, у пчелы - 5. Наименьшее количество частичек у муравья рабочего - 100 штук.
Бинокулярное или фасеточное?
Первый тип зрения позволяет воспринимать объем предметов, их мелкие детали, оценивать расстояния до объектов и их расположение по отношению друг к другу. Однако человека ограничивается углом в 45 градусов. Если обзор необходим более полный, глазное яблоко осуществляет движение на рефлекторном уровне (либо мы повернем голову вокруг оси). Фасеточные глаза в виде полусфер с омматидиями позволяют видеть окружающую действительность со всех сторон, не поворачивая органов зрения или головы. Причем изображение, которое передает при этом глаз, очень похоже на мозаику: одной структурной единицей глаза воспринимается отдельный элемент, а вместе они отвечают за воссоздание полной картины.
Разновидности
Омматидии имеют анатомические особенности, в результате чего и различаются их оптические свойства (к примеру, у разных насекомых). Ученые определяют три вида фасета:
Кстати, некоторые виды насекомых имеют смешанный тип фасеточных органов зрения, а у многих, кроме рассматриваемых нами, имеются еще и простые глаза. Так, у мухи, к примеру, по бокам головы расположены парные фасеточные органы довольно больших размеров. А на темени есть три простых глаза, выполняющих вспомогательные функции. Такая же организация органов зрения и у пчелы - то есть всего пять глаз!
У некоторых ракообразных фасеточные глаза как бы сидят на подвижных выростах-стебельках.
А у некоторых амфибий и рыб имеется еще и дополнительный (теменной) глаз, который различает свет, но обладает предметным зрением. Сетчатка его состоит только из клеток и рецепторов.
Современные научные разработки
В последнее время глаза фасеточные - предмет изучения и восторга ученых. Ведь такие органы зрения, ввиду своего оригинального строения, дают почву для научных изобретений и изысканий в мире современной оптики. Основные преимущества - широкий обзор пространства, разработка искусственных фасеток, используемых преимущественно в миниатюрных, компактных, секретных системах наблюдения.
Loading...