Sveitsiske forskere har klart å reprodusere øyet til en flue, det såkalte kunstige sammensatte øyet.
Sammensatte øyne, bestående av mange smale lysfølsomme kjegler kalt ommatidia, er karakteristiske for insekter og krepsdyr.
Slike øyne har en rekke fordeler og ulemper sammenlignet med menneskeøyne. Øyet til en flue har lavere oppløsning enn øyet til virveldyr, det vil si at bildet tatt av dette øyet ikke vil være klart. Og blant fordelene - de er mindre treghet (noen insekter er i stand til å oppfatte flimring med en frekvens på opptil 300 Hz), krever ikke fokusering og kan skille ikke bare farge, men også lysets polariseringsretning. I et nøtteskall er bildet raskt, variert, rikt, men ikke klart. Et team av forskere fra Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) har laget en prototype av kunstig sammensatt øye som drar fordel av dette designet.
Kameraet er som et flueøye (sammensatt øye)
Det kunstige øyet, som forskerne kalte CurvACE (CURVed Artificial Compound Eyes), består av 630 "ommatider", som hver er et lysfølsomt element og en mikrolinse som fokuserer en smal lysstråle på det. Øyet har en synsvinkel på 60 grader vertikalt og 180 tommer horisontalt plan. De vertikale synsvinklene til forskjellige ommatidier er satt av formen på mikrolinsene, og den horisontale vinkelen bestemmes av bøyningen av underlaget som øyet er plassert på. Denne formen er diktert av produksjonsteknologien - lysfølsomme elementer er dannet på en solid krystall, som deretter kuttes i smale strimler.
Kameraet er som et flueøye (sammensatt øye) Øyet har et volum på bare 2,2 kubikkcentimeter og veier 1,75 gram. I industriell produksjon vil det moderne teknologinivået gjøre det mulig å redusere størrelsen med minst halvparten. Hovedformålet med øyet er som et visuelt navigasjonssystem for roboter. Øyet er svært følsomt og dynamisk rekkevidde- hver ommatidia kan individuelt tilpasse seg belysningsnivået. Et slikt øye kan ikke blendes av solskinnet. Kombinert med høy hastighet (prototypen kan produsere opptil 1500 bilder per sekund), liten størrelse, mangel på forvrengning i kantene av synsfeltet og evnen til relativt enkelt å oppnå all-round eller til og med sfærisk syn, gjør dette det til en ideelt verktøy for å bestemme robotens posisjon i rommet, oppdage hindringer og unngå kollisjoner. Vi får nok se de første eksemplene på slike kameraer på selvkjørende biler og ulike roboter.
CurvACEs egenskaper tilsvarer omtrent øyet til Drosophila fruktflue. Akkurat som øyet til et insekt, inneholder inne i en nerveknute som utfører primær behandling bilder, inkluderer CurvACE en mikrokontroller som behandler signalet fra sensorene ved hjelp av optiske strømningsalgoritmer, samt et akselerometer og gyroskop.
Egentlig er den elektroniske fyllingen mestøyets masse og volum - utvalget av CMOS-sensorer med mikrolinser er 1 mm tykt og veier 0,36 gram. Evnen til å gi fasettkameraet hvilken som helst form og fraværet av store linser åpner for mange muligheter: slike "øyne" kan bygges inn i veggene til rom, klær eller møbler for bruk i smarthus eller videoovervåkingssystemer. Kombinere ommatidia forskjellige typer I én sensor kan du lage et kamera som vil se samtidig i forskjellige områder. En slags prototype på det altseende øyet, en ny ulykke for paranoide og et mirakelfunn for etterretningstjenestene.
Insekt øye høy forstørrelse ser ut som et fint gitter.Dette er fordi insektets øye består av mange små "øyne" kalt fasetter. Øynene til insekter kalles sammensatte øyne. Den lille øyefasetten kalles et ommatidium. Ommatidium har utseendet til en lang, smal kjegle, hvis base er en linse formet som en sekskant. Derav navnet på det sammensatte øyet: fasett betyr "kant" på fransk.
En dusk av ommatidia utgjør det komplekse, runde insektøyet.
Hver ommatidia har et svært begrenset synsfelt: synsvinkelen til ommatidia i den sentrale delen av øyet er bare omtrent 1°, og ved kantene av øyet - opptil 3°. Ommatidium "ser" bare den lille delen av objektet foran øynene som det er "rettet mot", det vil si hvor forlengelsen av dens akse er rettet. Men siden ommatidiene er tett ved siden av hverandre, og deres akser i det runde øyet divergerer på en radiell måte, dekker hele det sammensatte øyet objektet som helhet. Dessuten viser bildet av objektet seg å være mosaikk, det vil si bygd opp av separate deler.
Antall ommatidier i øyet varierer fra insekt til insekt. En arbeidsmaur har bare rundt 100 ommatidia i øyet, en husflue har omtrent 4000, en arbeiderbi har 5000, sommerfugler har opptil 17 000, og øyenstikkere har opptil 30 000! Dermed er maurens syn veldig middelmådig, mens øyenstikkerens enorme øyne - to iriserende halvkuler - gir maksimalt synsfelt.
På grunn av det faktum at de optiske aksene til ommatidia divergerer i vinkler på 1-6 °, er ikke klarheten i bildet av insekter veldig høy: de skiller ikke små detaljer. I tillegg er de fleste insekter nærsynte: de ser omkringliggende gjenstander i en avstand på bare noen få meter. Men sammensatte øyne De er utmerket til å skille flimrende (blinkende) lys med en frekvens på opptil 250–300 hertz (for mennesker er den maksimale frekvensen omtrent 50 hertz). Øynene til insekter er i stand til å bestemme intensiteten av lysstrømmen (lysstyrke), og i tillegg har de en unik evne: de kan bestemme lysets polariseringsplan. Denne evnen hjelper dem med å navigere når solen ikke er synlig på himmelen*.
Insekter skiller farger, men slett ikke som vi gjør. For eksempel, bier "kjenner ikke" fargen rød og skiller den ikke fra svart, men de oppfatter usynlig for oss ultrafiolette stråler, som er plassert i motsatt ende av spekteret. Ultrafiolett stråling oppdages også av noen sommerfugler, maur og andre insekter. Forresten, det er blindheten til pollinerende insekter til den røde fargen som forklarer det merkelige faktum at blant vår ville flora er det ingen planter med skarlagensrøde blomster.
*Lyset som kommer fra solen er ikke polarisert, det vil si at fotonene har en vilkårlig orientering. Men når lyset passerer gjennom atmosfæren, polariseres lys som et resultat av spredning av luftmolekyler, og polariseringsplanet er alltid rettet mot solen
I tillegg til sammensatte øyne, har insekter tre flere enkle ocelli med en diameter på 0,03-0,5 mm, som er plassert i form av en trekant på den frontoparietale overflaten av hodet. Disse øynene er ikke egnet for å skille gjenstander og er nødvendige for et helt annet formål. De måler det gjennomsnittlige belysningsnivået, som brukes som et referansepunkt ("nullsignal") ved behandling av visuelle signaler. Hvis du forsegler disse øynene til et insekt, beholder det evnen til romlig orientering, men vil bare kunne fly i sterkere lys enn vanlig. Årsaken til dette er at de forseglede øynene tar det svarte feltet som "gjennomsnittlig nivå" og derved gir de sammensatte øynene et bredere spekter av belysning, og dette reduserer følgelig deres følsomhet.
Vis alt
Hos høyere insekter er ikke synsorganene identiske i struktur. På pannen eller på dem er det tre enkle (i midten - , på sidene av den - lateral), og på sidene er det to komplekse sammensatte øyne. De finnes i voksne insekter, så vel som i insekter, og overfører det meste av den visuelle informasjonen som mottas.
Generell struktur av øynene
De fleste insekter har øyne, og det er bare et relativt lite antall taxaer som ikke har det. For eksempel er de ikke til stede i noen primitive arter, så vel som i de vandrende Ection-maurene. I de fleste tilfeller presenteres øynene som to separate strukturer, men for eksempel hos øyenstikker er de så store at de konvergerer til en enkelt struktur på øyet.
Formen på de komplekse synsorganene er ofte nær runde, men i noen tilfeller er de dråpeformede (som en mantis) eller nyreformede, siden de har et hakk som antennen "sitter" på (som den tykke pil Lamia textоr). I noen tilfeller er hakket så skarpt at det skiller øvre og nedre del av øyet fra hverandre, noe som gjør at det ser ut til at insektet ikke har to øyne, men fire (et eksempel er Tetrops praeusta-billen). Noen ganger bestemmes egenskapene til formen og størrelsen på øynene ved å tilhøre et eller annet kjønn. Dermed har menn vanligvis flere utviklet øyne enn hunner, noe som er spesielt tydelig i eksemplet med droner og arbeiderbier. Hos hestefluer berører de på midten hos hanner og berører ikke hos hunner.
I den nedre delen, ved siden av hodet, er hvert øye begrenset av en basal, eller sillignende, membran. I den, i henhold til antall ommatidia, er det mange hull som de optiske nervefibrene passerer gjennom. Gjennom dem kommer de inn i øyet, gjennomborer det og passerer mellom. I stedet for øyet danner det en ganske dyp invaginasjon, og danner okulær kapsel, eller okular; det er øyets støttestruktur.
Ommatidium som en strukturell enhet av det sammensatte øyet
Tverrgående størrelse(diameter) av øyets strukturelle enheter er også forskjellige, men i alle fall måles det i mikron. Diameteren på kakerlakken er 20 mikron, og den på den amerikanske kakerlakken er 32 mikron.
De visuelle aksene til ommatidia skal være omtrent vinkelrett på overflaten, derfor, jo mer plass de opptar, desto mer konvekse blir insektenes øyne. Øynenes sterke fremspring snakker imidlertid ikke så mye om godt syn, hvor mye om stort felt anmeldelse, ifølge i det minste, hos dagaktive arter.
Detaljert struktur ommatidia er ganske kompleks og vil bli diskutert ved å bruke eksemplet med et typisk apposisjonell øye (forklaring av dette begrepet i neste avsnitt). I strukturen til hver enhet av sammensatte øyne er det tre funksjonelle komplekser av strukturer, eller tre apparater:
- dioptrisk (brytende)
Består av linser, bryter og retter lys.
- reseptor (oppfatte)
Oppfatter og overfører visuell informasjon.
- apparat for pigmentisolering
Struktur av ommatidium
Struktur av ommatidium
1 - hornhinne, 2 - hornhinneceller,
3 - krystallkjegle, 4 - Semperceller,
5 - retinale celler, 6 - optisk stang,
7 - side pigmentceller,
8 - retinale pigmentceller,
9 - kjellermembran
Visuelt apparat ommatidia
Dioptriapparat
består av følgende deler (fra utsiden til innsiden): (bilde)Reseptorapparat
inkluderer flere komponenter:- Retinal celler- langstrakte strukturer som er plassert under den krystallinske kjeglen i form av en bjelke (5 pr. (bilde) ).
- Optisk stang (rabdom)- en avlang formasjon bestående av sekresjonsprodukter fra netthinneceller og plassert i midten av bunten deres. I et tverrsnitt danner rabdomen og netthinnecellene et bilde av en "blomst", der rabdomen inntar en aksial posisjon, som "kjernen", og netthinnecellene er plassert rundt den, som kronblader (6 på (bilde)).
- Optiske nerver - nerver som overfører informasjon til sentralnervesystemet.
Pigmenteringsapparater
isolasjon består av 3 formasjoner:- Korneagene (hovedpigment) celler: de samme som produserer objektivet. De er fylt med pigment og isolerer linsen fra hornhinnene til nabo ommatidia.
- Tilfeldige pigmentceller- isoler hver fra de andre på nivå med krystallkjeglen (7 pr (bilde) ).
- Retinal pigmentceller- utføre samme funksjon, men lavere, på nivå med netthinneceller og optisk stang(8 pr (bilde) ).
Neurosuperposisjon øye
Slike øyne utmerker seg ved det faktum at det i dem er en summering av nervesignaler fra en viss del av synscellene, hvor lyset kommer fra ett sted. Denne typen øye finnes i fluer.
Insektsyn
I naboommatidia er synsaksene svært nær hverandre, noe som gir insekter muligheten til bedre å skille punkter som er nær hverandre. Som et resultat er synsstyrken deres omtrent 3 ganger høyere enn hos mennesker. Samtidig, når objektet beveger seg bort fra øyet, forringes synet; Altså insekter etter menneskelig standard, nærsynt.
En annen fordel med sammensatte øyne er at mange ommatidia lar dem bedre spore flimrende og raskt bevegelige objekter. For oss dannes et kontinuerlig bilde på skjermen når filmen beveger seg med 16 bilder per sekund, og for insekter - med 250-300. Dette gir dem en fordel når det kommer til fart.
Insekter kan oppfatte polarisasjonen av lys. Ikke bare ser de alle objekter som tredimensjonale, de skiller fra subtile nyanser og nyanser av farger som er utilgjengelige til det menneskelige øyet. De fleste insekter har fargesyn; bare primitive former som lever i huler, den store melormen og termittene har svart og hvitt syn. Flyvende planteetende arter har en lysdetektor "innstilt" for å oppfatte i det ultrafiolette spekteret, takket være at de bedre skiller blomsterbekkene fra luften.
Spørsmål "Hvor mange øyne har en vanlig flue?" er ikke så enkelt som det ser ut til. To store øyne plassert på sidene av hodet kan sees med det blotte øye. Men i virkeligheten er strukturen til fluens visuelle organer mye mer kompleks.
Hvis du ser på en forstørret visning av en flues øyne, kan du se at de er bikakelignende og består av mange individuelle segmenter. Hver del har formen av en sekskant med vanlige kanter. Det er her navnet på denne øyestrukturen kommer fra - fasett ("fasett" oversatt fra fransk betyr "kant"). Mange leddyr kan skryte av komplekse fasetterøyne, og flua har langt fra å holde rekorden for antall fasetter: den har bare 4000 fasetter, mens øyenstikkere har rundt 30 000.
Cellene vi ser kalles ommatidia. Ommatidia har en kjegleformet form, hvis smale ende strekker seg dypt inn i øyet. Kjeglen består av en celle som oppfatter lys og en linse beskyttet av en gjennomsiktig hornhinne. Alle ommatidia er tett presset til hverandre og forbundet med hornhinnen. Hver av dem ser "sitt" fragment av bildet, og hjernen setter disse små bildene i en helhet.
Arrangementet av de store sammensatte øynene er forskjellig hos kvinnelige og mannlige fluer. Hos menn er øynene satt tett sammen, mens hos kvinner er de mer adskilt, siden de har en panne. Hvis du ser på en flue under et mikroskop, kan du midt på hodet over synsorganene se tre små prikker arrangert i en trekant. Faktisk er disse punktene enkle øyne.
Totalt har flua ett par sammensatte øyne og tre enkle – fem totalt. Hvorfor tok naturen en så vanskelig vei? Faktum er at fasettsyn ble dannet for først og fremst å dekke så mye plass som mulig med blikket og fangebevegelsen. Slike øyne utfører grunnleggende funksjoner. Med enkle øyne ble fluen "gitt" for å måle belysningsnivået. Sammensatte øyne er det viktigste synet, og enkle øyne er et sekundært organ. Hvis en flue ikke hadde enkle øyne, ville den være tregere og kunne bare fly i sterkt lys, og uten sammensatte øyne ville den bli blind.
Hvordan ser en flue verden rundt seg?
Store, konvekse øyne lar fluen se alt rundt seg, det vil si at synsvinkelen er 360 grader. Dette er dobbelt så bredt som et menneskes. Insektets ubevegelige øyne ser samtidig i alle fire retninger. Men synsstyrken til en flue er nesten 100 ganger lavere enn for et menneske!
Siden hver ommatidia er en uavhengig celle, viser bildet seg å være et mesh, bestående av tusenvis av individuelle små bilder som utfyller hverandre. Derfor, for en flue, er verden et samlet puslespill som består av flere tusen brikker, og et ganske vagt. Insektet ser mer eller mindre klart på bare en avstand på 40 - 70 centimeter.
Fluen er i stand til å skille farger og til og med polarisert lys og ultrafiolett usynlig for det menneskelige øyet. Flueøyet merker de minste endringer i lysets lysstyrke. Hun er i stand til å se solen skjult av tykke skyer. Men i mørket ser fluer dårlig og fører en overveiende daglig livsstil.
En annen interessant evne til en flue er dens raske reaksjon på bevegelse. En flue oppfatter et objekt i bevegelse 10 ganger raskere enn et menneske. Den "beregner" enkelt hastigheten til et objekt. Denne evnen er avgjørende for å bestemme avstanden til farekilden og oppnås ved å "overføre" bildet fra en celle - ommatidia - til en annen. Luftfartsingeniører utnyttet denne funksjonen i fluens syn og utviklet en enhet for å beregne hastigheten til et flygende fly, og gjenta øyestrukturen.
Takket være en så rask oppfatning lever fluer i en langsommere virkelighet sammenlignet med oss. En bevegelse som varer et sekund, fra et menneskelig synspunkt, oppfattes av en flue som en ti-sekunders handling. Folk virker for dem å være veldig trege skapninger. Insektets hjerne jobber med hastigheten til en superdatamaskin, mottar et bilde, analyserer det og sender de riktige kommandoene til kroppen på tusendeler av et sekund. Derfor er det ikke alltid mulig å slå en flue.
Så det riktige svaret på spørsmålet "Hvor mange øyne har en vanlig flue?" tallet vil være fem. De viktigste er et parorgan i flua, som i mange levende vesener. Hvorfor skapte naturen nøyaktig tre enkle øyne- forblir et mysterium.
Under utviklingen av synet utvikler noen dyr seg ganske komplekse optiske instrumenter. Disse inkluderer selvfølgelig sammensatte øyne. De ble dannet i insekter og krepsdyr, noen leddyr og virvelløse dyr. Hvordan skiller et sammensatt øye seg fra et enkelt øye, hva er hovedfunksjonene? Vi vil snakke om dette i vårt materiale i dag.
Sammensatte øyne
Dette er et optisk system, raster, hvor det ikke er en enkelt netthinne. Og alle reseptorene er kombinert i små retinula (grupper), og danner et konveks lag som ikke lenger inneholder noen nerveender. Dermed består øyet av mange individuelle enheter - ommatidia, forent til felles system syn.
Sammensatte øyne, som er iboende i dem, skiller seg fra binokulære (iboende hos mennesker også) i deres dårlige definisjon av små detaljer. Men de er i stand til å skille mellom lyssvingninger (opptil 300 Hz), mens de maksimale egenskapene for mennesker er 50 Hz. Og membranen til denne typen øye har en rørformet struktur. I lys av dette har ikke fasettøyne slike brytningsegenskaper som langsynthet eller nærsynthet; konseptet med akkommodasjon er ikke relevant for dem.
Noen strukturelle og synsfunksjoner
Hos mange insekter opptar de det meste av hodet og er praktisk talt ubevegelige. For eksempel består de sammensatte øynene til en øyenstikker av 30 000 partikler, og danner en kompleks struktur. Sommerfugler har 17 000 ommatidia, fluer har 4 tusen, bier har 5. Arbeidsmauren har det minste antallet partikler - 100 stykker.
Kikkert eller fasett?
Den første typen syn lar deg oppfatte volumet av objekter, deres små detaljer, estimere avstanden til objekter og deres plassering i forhold til hverandre. Imidlertid er mennesker begrenset til en vinkel på 45 grader. Hvis en mer fullstendig gjennomgang er nødvendig, øyeeplet utfører bevegelse på refleksnivå (eller vi snur hodet rundt aksen). Sammensatte øyne i form av halvkuler med ommatidia lar deg se den omkringliggende virkeligheten fra alle sider uten å snu visuelle organer eller hodet. Dessuten er bildet som øyet formidler veldig likt en mosaikk: en strukturell enhet av øyet oppfatter et eget element, og sammen er de ansvarlige for å gjenskape det komplette bildet.
Varianter
Ommatidia har anatomiske trekk, som et resultat av at deres optiske egenskaper er forskjellige (for eksempel blant forskjellige insekter). Forskere definerer tre typer fasetter:
Forresten, noen typer insekter har blandet type fasettorganer for syn, og mange, i tillegg til de vi vurderer, har også enkle øyne. Så, i en flue, for eksempel, på sidene av hodet er det parrede fasettorganer plassert ganske store størrelser. Og på kronen er det tre enkle øyne som utfører hjelpefunksjoner. Bien har samme organisering av visuelle organer - det vil si bare fem øyne!
Hos noen krepsdyr ser sammensatte øyne ut til å sitte på bevegelige stilker.
Og noen amfibier og fisk har også et ekstra (parietal) øye, som skiller lys, men har objektsyn. Netthinnen består kun av celler og reseptorer.
Moderne vitenskapelig utvikling
I I det siste Sammensatte øyne er et emne for studier og glede for forskere. Tross alt gir slike synsorganer, på grunn av deres opprinnelige struktur, grunnlaget for vitenskapelige oppfinnelser og forskning i verden av moderne optikk. De viktigste fordelene er en bred oversikt over plass, utvikling av kunstige fasetter, hovedsakelig brukt i miniatyr, kompakte, hemmelige overvåkingssystemer.
Laster inn...