Каждый человек хотя бы раз в жизни, пытался поймать муху. Скорей всего подобная затея была обречена на провал. Это связано с реакцией насекомого. Скорость реагирования мухи можно объяснить ее необычным зрением. На первый взгляд может показаться, что ничего особенного в насекомом нет, но это не так. Попробуем во всем разобраться.
Человек – существо, обладающее бинокулярным зрением, позволяющим фокусироваться на выбранном объекте. Муха отличается от любого млекопитающего. Насекомое просматривает пространство в пределах 360 градусов. Каждый глаз наблюдает за своей зоной, равной 180 градусам.
Особенность зрения мухи заключается в том, что она целенаправленно просматривает пространство, в котором находится. Это объясняется тем, что насекомое имеет на голове 2 выпуклых глаза.
Важно: острота зрения у насекомого в 3 раза выше, чем у человека.
Крылатый вредитель видит движения в замедленном виде. Подобное явление можно сравнить с эпизодом из кинофильма «Матрица», когда главный герой уклоняется от летящих пуль, зависающих в воздухе.
Строение глаз насекомого
Чтобы понять строение органов зрения, необходимо воспользоваться микроскопом. После увеличения видно, что внутри глаза расположено огромное количество мелких «глазиков», напоминающих медовые соты. Такой орган зрения называется фасеточным.
Важно: в каждом выпуклом глазе насчитывается около 3 тыс. фасеток.
Каждая фасетка передает изображение в мозг насекомого, после чего формируется общий пазл. В отличие от человека, с его бинокулярным зрением, мухи не видят четкой картинки. При этом они способны улавливать даже незначительные движения. Таким образом, насекомое может избегать опасности.
Благодаря своему строению глаз, мухи способны видеть оттенки, которые на доступны человеку. Это же касается и ультрафиолета. Благодаря «особенным» органам зрения, крылатый вредитель видит мир более радужно.
Несмотря на свои уникальные глаза, муха не способна видеть в темное время суток. Поэтому насекомые ночью спят. Еще одной особенностью зрения вредителя является то, что они не способны различать крупные объекты. Например, человека. При этом они отчетливо видят движение руки.
Благодаря своим фасеткам, муха способна видеть перемещающиеся объекты с высокой четкостью изображения. Насекомое воспринимает 300 кадров в секунду. Для сравнения можно отметить человеческое зрение, которое видит только 16 кадров. Благодаря особенному строению глаз, муха не только своевременно замечает приближающуюся опасность, но и прекрасно ориентируется в пространстве во время полета.
Сколько глаз у мухи?
Чтобы полностью сложилась картинка и можно было понять, как видят мухи, необходимо определить точное количество глаз. Как было рассмотрено выше, у насекомого имеется несколько органов зрения, а именно:
- 2 фасеточных;
- 3 простых, небольшого размера.
Первый вид глаз позволяет своевременно определять угрозу, а оставшиеся помогают фокусироваться на конкретной цели. Фасеточные «очки» размещены по бокам. Что касается дополнительных глаз, то они расположены в верхней части головы – на темечке.
У самцов органы зрения расположены ближе друг к другу. У самок лоб немного шире, поэтому глаза разведены в стороны. Несмотря на физиологические отличия, в обоих случаях насекомое просматривает пространство на 360 градусов.
Глаза и IT-технологии
Изучив строение органов зрения мухи, исследователи из университета Иллинойса сумели разработать фасеточную камеру. Внешне она напоминает глаз насекомого, состоящий из 180 камер-фасеток.
Каждая крошечная линза оснащена собственным фотодатчиком. Поэтому микрокамеры работают автономно друг от друга. Каждый фрагмент, отснятый камерой, отправляется в микропроцессор, где и формируется панорамная картинка. Ширина готового изображения соответствует углу обзора равному 180 градусам.
Важно: подобное изобретение не нуждается в фокусировке.
Объекты расположенные в непосредственной близости с камерами видны также отчетливо, как и те, что расположены на расстоянии. При необходимости форму «электронного глаза мухи» можно изменить. Это возможно благодаря эластичному полимеру, из которого изготовлено устройство.
Благодаря исследованию такого насекомого как муха, удалось получить уникальную камеру, которая может быть использована в видеонаблюдении. Также подобные устройства могут быть задействованы при создании новых компьютеров и ноутбуков.
Удивительное зрение
Проанализировав структуру глаза мухи, можно отметить на сколько удивительным зрением обладает насекомое. Вредитель не просто просматривает пространство на 360 градусов, но и мгновенно реагирует на опасность.
Зрение «домашней» мухи можно сравнить с высококлассной системой слежения. К тому же исследования насекомого позволили разработать новейшие технологии, которые решат многие проблемы.
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 направлена на солнце
Кстати...
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.
Все люди знают, что поймать или прихлопнуть муху очень сложно: она очень хорошо видит и моментально реагирует на любые движения, взлетая вверх. Разгадка кроется в уникальном зрении этого насекомого. Ответ на вопрос о том, сколько глаз у мухи, поможет понять причину ее неуловимости.
Устройство зрительных органов
Домашняя или обыкновенная муха имеет черно-серый окрас туловища длиной до 1 см и немного желтоватое брюшко, 2 пары серых крыльев и голову с большими глазами. Она относится к самым древним жителям планеты, о чем свидетельствуют данные археологов, обнаруживших экземпляры, датируемые 145 млн. лет.
При рассмотрении головы мухи под микроскопом можно увидеть, что у нее очень оригинальные объемные глаза, расположенные с двух сторон. Как видно на фото глаз мухи, они похожи визуально на мозаику, составленную из 6-гранных структурных единиц, которые называют фасетками или омматидиями, похожими на строение медовых сот. В переводе с французского слово «fasette» означает грани. Благодаря этому глаза называют фасеточными.
Как понять, что видит муха по сравнению с человеком, у которого зрение является бинокулярным, т. е. составляется из двух картинок, которые видят 2 глаза? У насекомых зрительный аппарат устроен более сложно: каждый глаз состоит из 4 тыс. фасеток, показывающих небольшую часть видимого изображения. Поэтому формирование общей картины внешнего мира у них происходит по принципу «сбора пазлов», что позволяет говорить об уникальности строения мозга мух, способного обрабатывать более 100 кадров изображений в секунду.
На заметку!
Фасеточное зрение есть не только у мух, но и у других насекомых: у пчел имеется 5 тыс. фасеток, у бабочек – 17 тыс., у рекордсменов стрекоз – до 30 тыс. омматидий.
Как видит муха
Такое устройство зрительных органов не дает возможности концентрироваться мухе на определенном предмете или объекте, а показывает общую картину всего окружающего пространства, что позволяет быстро заметить опасность. Угол обзора каждого глаза составляет 180°, что вместе составляет 360°, т. е. тип зрения является панорамным.
Благодаря такой структуре глаз, муха прекрасно обозревает все вокруг, в т. ч. видит человека, который пытается подкрасться сзади. Контроль за всем окружающим пространством обеспечивает ей 100% оборону от всех неприятностей, в т. ч. и от людей, собирающихся .
Кроме 2-х основных, у мух есть еще 3 обычных глаза, расположенных на лбу в промежутках между фасеточными. Эти органы позволяют им рассматривать близлежащие объекты более четко для распознавания и мгновенной реакции.
Интересно!
Суммируя все данные, можно констатировать, что зрение мухи представлено 5-ю глазами: 2 фасеточных – для контроля за окружающим пространством и 3 простых – для наведения резкости и распознавания объектов.
Особенности зрительных способностей мух
Зрение у мухи обыкновенной имеет еще множество интересных особенностей:
- основные цвета и их оттенки мухи различают прекрасно, к тому же они способны отличать и ультрафиолетовые лучи;
- они совершенно ничего не видят в темноте и потому ночью спят;
- однако некоторые цвета из всей палитры они улавливают немного иначе, потому условно их считают дальтониками;
- фасеточное устройство глаз позволяет фиксировать одновременно все вверху, внизу, слева, справа и впереди и дает возможность быстро отреагировать на приближающуюся опасность;
- глаза мухи различают только мелкие предметы, к примеру, приближение руки, но крупную фигуру человека или мебель в помещении не воспринимают;
- у самцов фасеточные глаза расположены ближе друг к другу по сравнению с самками, имеющими более широкий лоб;
Интересно!
Об остроте зрения свидетельствует и факт, сколько кадров в секунду видит муха. Для сравнения точные цифры: человек воспринимает только 16, а муха – 250-300 кадров в секунду, что помогает ей прекрасно ориентироваться при быстрой скорости в полете.
Мерцательные характеристики
Существует показатель зрительных способностей, который связан с частотой мерцания изображения, т. е. самой ее низкой границей, при которой свет фиксируется как постоянный источник освещения. Называется он CFF - critical flicker-fusion frequency. Его значение показывает то, насколько быстро глаза у животного способны обновлять изображение и обрабатывать зрительную информацию.
Человек способен улавливать частоту мерцания 60 Гц, т. е. обновление изображения 60 раз в сек., которой придерживаются при показе визуальной информации на телевизионном экране. Для млекопитающих (собак, кошек) это критическое значение равно 80 Гц, из-за чего им обычно не нравится просмотр телепередач.
Чем выше значение частоты мерцания, тем больше биологических преимуществ имеет животное. Поэтому для насекомых, у которых данное значение достигает 250 Гц, это проявляется в возможности более быстрой реакции на опасность. Ведь для человека, приближающегося к «добыче» с газетой в руках с намерением ее убить, движение кажется быстрым, но уникальное строение глаза позволяет ей улавливать даже мгновенные перемещения как бы в замедленном темпе.
По данным биолога К. Гили, такая высокая критическая частота мерцания у мух обусловлена их малыми размерами и быстрым обменом веществ.
Интересно!
Различие показателя CFF для различных видов позвоночных животных выглядит так: самый маленький 14 Гц – у угрей и черепах, 45 – у рептилий, по 60 – у людей и акул, у птиц и собак – 80, у сусликов – 120.
Приведенный анализ зрительных способностей позволяет понять, что мир глазами мухи выглядит как сложная система большого числа картинок по аналогии с небольшими видеокамерами, каждая из них передает насекомому информацию о небольшой части окружающего пространства. Собранное воедино изображение позволяет одним взглядом держать визуальную «круговую оборону» и мгновенно реагировать на приближение врагов. Исследования ученых таких зрительных способностей насекомых позволили заниматься разработками летающих роботов, у которых компьютерные системы контролируют положение в полете, имитируя зрение мух.
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.
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.
Loading...