Oamenii de știință elvețieni au reușit să reproducă ochiul unei muște, așa-numitul ochi artificial compus.
Ochii compuși, constând din multe conuri înguste, sensibile la lumină, numite ommatidia, sunt caracteristici insectelor și crustaceelor.
Astfel de ochi au o serie de avantaje și dezavantaje în comparație cu ochii umani. Ochiul unei muște are o rezoluție mai mică decât ochiul vertebratelor, adică imaginea surprinsă de acest ochi nu va fi clară. Și printre avantaje - sunt mai puțin inerțiale (unele insecte sunt capabile să perceapă pâlpâirea cu o frecvență de până la 300 Hz), nu necesită focalizare și pot distinge nu numai culoarea, ci și direcția de polarizare a luminii. Pe scurt, imaginea este rapidă, variată, bogată, dar nu clară. O echipă de oameni de știință de la Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) a creat un prototip de ochi compus artificial care profită de acest design.
Camera este ca ochiul unei muște (ochi compus)
Ochiul artificial, pe care oamenii de știință l-au numit CurvACE (CURVed Artificial Compound Eyes), este format din 630 de „omatide”, fiecare dintre acestea fiind un element sensibil la lumină și o microlensă care concentrează un fascicul îngust de lumină asupra acestuia. Ochiul are un unghi de vizualizare de 60 de grade pe verticală și 180 de inchi plan orizontal. Unghiurile verticale de vedere ale diferitelor ommatidii sunt stabilite de forma microlentilelor, iar unghiul orizontal este determinat de îndoirea substratului pe care se află ochiul. Această formă este dictată de tehnologia de fabricație - elementele fotosensibile sunt formate pe un cristal solid, care este apoi tăiat în benzi înguste.
Camera este ca ochiul unei muște (ochi compus) Ochiul are un volum de doar 2,2 centimetri cubi și cântărește 1,75 grame. În producția industrială, nivelul modern al tehnologiei va face posibilă reducerea dimensiunii acesteia cu cel puțin jumătate. Scopul principal al ochiului este ca sistem de navigație vizuală pentru roboți. Ochiul este foarte sensibil și interval dinamic- fiecare ommatidia se poate adapta individual la nivelul de iluminare. Un astfel de ochi nu poate fi orbit de strălucirea soarelui. Combinat cu viteza mare (prototipul poate produce până la 1500 de cadre pe secundă), dimensiunea mică, lipsa distorsiunii la marginile câmpului vizual și capacitatea de a obține relativ ușor o vedere circulară sau chiar sferică, acest lucru îl face un instrument ideal pentru determinarea poziției robotului în spațiu, detectarea obstacolelor și evitarea coliziunilor. Vom vedea probabil primele exemple de astfel de camere pe mașini cu conducere autonomă și diverși roboți.
Caracteristicile CurvACE corespund aproximativ cu ochiul muștei de fructe Drosophila. La fel ca ochiul unei insecte, care conține în interior un nod nervos care efectuează prelucrare primară imagini, CurvACE include un microcontroler care procesează semnalul de la senzori folosind algoritmi de flux optic, precum și un accelerometru și un giroscop.
De fapt, umplerea electronică este cel mai masa și volumul ochiului - gama de senzori CMOS cu microlentile are o grosime de 1 mm și cântărește 0,36 grame. Capacitatea de a oferi camerei cu fațetă orice formă și absența lentilelor mari deschide multe posibilități: astfel de „ochi” pot fi încorporați în pereții camerelor, a îmbrăcămintei sau a mobilierului pentru a fi utilizate în casele inteligente sau în sistemele de supraveghere video. Combinând ommatidia tipuri diferiteÎntr-un singur senzor, puteți crea o cameră care va vedea simultan în diferite intervale. Un anumit prototip al ochiului atotvăzător, o nouă nenorocire pentru paranoici și o descoperire miracolă pentru serviciile de informații.
Ochi de insectă mărire mare arată ca o zăbrele fină.Acest lucru se datorează faptului că ochiul insectei este alcătuit din mulți „ochi” mici numiți fațete. Ochii insectelor se numesc ochi compuși. Micul ochi-fațetă se numește ommatidium. Omatidiul are aspectul unui con lung și îngust, a cărui bază este o lentilă în formă de hexagon. De aici și numele ochiului compus: facette înseamnă „margine” în franceză.
Un smoc de omatidie alcătuiește ochiul complex, rotund, de insectă.
Fiecare ommatidia are un câmp vizual foarte limitat: unghiul vizual al ommatidia în partea centrală a ochiului este de numai aproximativ 1°, iar la marginile ochiului - până la 3°. Omatidiul „vede” doar acea secțiune minusculă a obiectului din fața ochilor către care este „îndreptată”, adică unde este îndreptată extensia axei sale. Dar din moment ce omatidiile sunt strâns adiacente unele cu altele, iar axele lor din ochiul rotund diverg într-o manieră radială, întregul ochi compus acoperă obiectul ca întreg. Mai mult, imaginea obiectului se dovedește a fi mozaic, adică alcătuită din piese separate.
Numărul de ommatidii din ochi variază de la insectă la insectă. O furnică lucrătoare are doar aproximativ 100 de ommatidii în ochi, o muscă de casă are aproximativ 4.000, o albină lucrătoare are 5.000, fluturii au până la 17.000 și libelulele au până la 30.000! Astfel, vederea furnicii este foarte mediocră, în timp ce ochii uriași ai libelulei - două emisfere irizate - asigură câmpul vizual maxim.
Datorită faptului că axele optice ale ommatidiilor diverg la unghiuri de 1-6°, claritatea imaginii insectelor nu este foarte mare: nu disting mici detalii. În plus, majoritatea insectelor sunt miope: văd obiectele din jur la o distanță de doar câțiva metri. Dar ochi compusi Sunt excelente la distingerea luminii care pâlpâie (clipește) cu o frecvență de până la 250–300 de herți (pentru oameni, frecvența maximă este de aproximativ 50 de herți). Ochii insectelor sunt capabili să determine intensitatea fluxului de lumină (luminozitate) și, în plus, au o abilitate unică: pot determina planul de polarizare a luminii. Această abilitate îi ajută să navigheze atunci când soarele nu este vizibil pe cer*.
Insectele disting culorile, dar deloc ca noi. De exemplu, albinele „nu cunosc” culoarea roșie și nu o disting de negru, dar o percep invizibile pentru noi raze ultraviolete, care sunt situate la capătul opus al spectrului. Radiațiile ultraviolete sunt detectate și de unii fluturi, furnici și alte insecte. Apropo, orbirea insectelor polenizatoare față de culoarea roșie explică faptul curios că printre flora noastră sălbatică nu există plante cu flori stacojii.
*Lumina care vine de la soare nu este polarizată, adică fotonii săi au o orientare arbitrară. Cu toate acestea, la trecerea prin atmosferă, lumina este polarizată ca urmare a împrăștierii de către moleculele de aer, iar planul de polarizare este întotdeauna îndreptat către soare.
Pe lângă ochii compuși, insectele au încă trei oceli simple cu un diametru de 0,03-0,5 mm, care sunt situate sub formă de triunghi pe suprafața fronto-parietală a capului. Acești ochi nu sunt potriviți pentru a distinge obiecte și sunt necesari pentru un scop complet diferit. Ei măsoară nivelul mediu de iluminare, care este folosit ca punct de referință („semnal zero”) atunci când procesează semnale vizuale. Dacă sigilați acești ochi ai unei insecte, aceasta își păstrează capacitatea de a se orienta în spațiu, dar va putea zbura doar într-o lumină mai strălucitoare decât de obicei. Motivul pentru aceasta este că ochii sigilați iau câmpul negru drept „nivel mediu” și, prin urmare, oferă ochilor compuși o gamă mai largă de iluminare și, în consecință, le reduce sensibilitatea.
arata tot
La insectele superioare, organele de vedere nu sunt identice ca structură. Pe frunte sau pe ele sunt trei simpli (în mijloc - , pe părțile laterale ale acesteia - lateral), iar pe părțile laterale sunt doi ochi compuși complecși. Ele se găsesc la insectele adulte, precum și la insecte și transmit majoritatea informațiilor vizuale primite.
Structura generală a ochilor
Majoritatea insectelor au ochi și doar un număr relativ mic de taxoni nu au. De exemplu, ele nu sunt prezente la unele specii primitive, precum și la furnicile Ection rătăcitoare. În cele mai multe cazuri, ochii sunt prezentați ca două structuri separate, totuși, de exemplu, la libelule sunt atât de mari încât converg într-o singură structură pe ochi.
Forma organelor complexe de vedere este adesea apropiată de rotundă, dar în unele cazuri sunt în formă de lacrimă (ca o mantis rugătoare) sau în formă de rinichi, deoarece au o crestătură pe care „se așează” antena (precum cea groasă). salcie Lamia textоr). În unele cazuri, crestătura este atât de ascuțită încât separă părțile superioare și inferioare ale ochiului una de cealaltă, ceea ce face să pară că insecta nu are doi ochi, ci patru (un exemplu este gândacul Tetrops praeusta). Uneori, caracteristicile formei și mărimii ochilor sunt determinate de apartenența la un gen sau altul. Astfel, bărbații au de obicei mai mult ochi dezvoltati decât femelele, ceea ce este evident mai ales în exemplul trântorilor și al albinelor lucrătoare. La calarei, se ating la mijloc la masculi și nu se ating la femele.
În partea inferioară, adiacentă capului, fiecare ochi este limitat de o membrană bazală sau asemănătoare cu sită. În ea, în funcție de numărul de ommatidii, există multe găuri prin care trec fibrele nervului optic. Prin ele intră în ochi, străpungându-l și trecând între ele. În locul ochiului, formează o invaginare destul de profundă, formând capsula oculară, sau oculară; este structura de susținere a ochiului.
Ommatidium ca unitate structurală a ochiului compus
Dimensiune transversală(diametrul) unităților structurale ale ochiului diferă și el, dar în orice caz se măsoară în microni. Diametrul gandacului este de 20 de microni, iar cel al gandacului american este de 32 de microni.
Axele vizuale ale ommatidiilor ar trebui să fie aproximativ perpendiculare pe suprafață, prin urmare, cu cât ocupă mai mult spațiu, cu atât ochii insectelor sunt mai convexi. Cu toate acestea, proeminența puternică a ochilor nu vorbește atât de mult despre viziune buna, cât despre câmp mare revizuire, conform macar, la speciile diurne.
Structură detaliată ommatidia este destul de complexă și va fi discutată folosind exemplul unui ochi apozițional tipic (explicația acestui termen în secțiunea următoare). În structura fiecărei unități de ochi compuși există trei complexe funcționale de structuri sau trei aparate:
- dioptrie (refractie)
Constă din lentile, refractează și direcționează lumina.
- receptor (percepție)
Percepe și transmite informații vizuale.
- aparat de izolare a pigmentului
Structura ommatidiumului
Structura ommatidiumului
1 - cornee, 2 - celule cornegenice,
3 - con de cristal, 4 - celule Semper,
5 - celule retiniene, 6 - tija optică,
7 - lateral celule pigmentare,
8 - celule pigmentare retiniene,
9 - membrană bazală
Omatidia aparatului vizual
Aparat de dioptrie
constă din următoarele părți (din exterior spre interior): (fotografie)Aparat receptor
include mai multe componente:- Retiniană celule- structuri alungite care sunt situate sub conul cristalin sub forma unui fascicul (5 per (fotografie) ).
- Tijă optică (rabdom)- o formatiune alungita formata din produse de secretie ai celulelor retiniene si situata in centrul fasciculului acestora. Într-o secțiune transversală, rabdomul și celulele retiniene formează o imagine a unei „floare”, unde rabdomul ocupă o poziție axială, fiind „nucleul”, iar celulele retiniene sunt situate în jurul ei, ca petalele (6 pe (fotografie)).
- Nervi optici - nervii care transmit informatii catre sistemul nervos central.
Aparat de pigmentare
izolarea constă din 3 formațiuni:- Celulele cornegenice (pigmentul principal).: aceleași care produc lentila. Sunt umplute cu pigment și izolează cristalinul de corneele ommatidiilor vecine.
- Celulele pigmentare incidentale- izolați fiecare de ceilalți la nivelul conului de cristal (7 per (fotografie) ).
- Celulele pigmentare ale retinei- îndeplinesc aceeași funcție, dar mai scăzută, la nivelul celulelor retiniene și tijă optică(8 per (fotografie) ).
Ochi de neurosuperpunere
Astfel de ochi se disting prin faptul că în ei există o însumare a semnalelor nervoase de la o anumită parte a celulelor vizuale, lumina în care vine dintr-un singur loc. Acest tip de ochi se găsește la muște.
Vederea insectelor
În ommatidia vecină, axele vizuale sunt foarte apropiate unele de altele, ceea ce oferă insectelor capacitatea de a distinge mai bine punctele care sunt aproape unele de altele. Ca urmare, acuitatea lor vizuală este de aproximativ 3 ori mai mare decât cea a oamenilor. În același timp, pe măsură ce obiectul se îndepărtează de ochi, vederea se deteriorează; Astfel, insectele după standardele umane, miop.
Un alt avantaj al ochilor compuși este că multe ommatidii le permit să urmărească mai bine obiectele care pâlpâie și se mișcă rapid. Pentru noi, o imagine continuă pe ecran se formează atunci când filmul se mișcă cu 16 cadre pe secundă, iar pentru insecte - la 250-300. Acest lucru le oferă un avantaj când vine vorba de viteză.
Insectele pot percepe polarizarea luminii. Nu numai că văd toate obiectele ca fiind tridimensionale, dar disting nuanțe subtile și nuanțe de culori care sunt inaccesibile la ochiul uman. Majoritatea insectelor au vedere în culori; numai formele primitive care trăiesc în peșteri, viermii mari de făină și termitele au vedere alb-negru. Speciile erbivore zburătoare au un detector de lumină „acordat” pentru a percepe în spectrul ultraviolet, datorită căruia disting mai bine caliciul florilor de aer.
Întrebare „Câți ochi are o muscă comună?” nu este atât de simplu pe cât pare. Doi ochi mari situati pe lateralele capului pot fi vazuti cu ochiul liber. Dar, în realitate, structura organelor vizuale ale muștei este mult mai complexă.
Dacă te uiți la o vedere mărită a ochilor unei muște, poți vedea că aceștia sunt ca niște fagure și sunt formați din multe segmente individuale. Fiecare parte are forma unui hexagon cu margini regulate. De aici provine numele pentru această structură a ochiului – fațetă („fațetă” tradusă din franceză înseamnă „margine”). Multe artropode se pot lăuda cu ochi fațetați complexi, iar musca este departe de a deține recordul pentru numărul de fațete: are doar 4.000 de fațete, în timp ce libelulele au aproximativ 30.000.
Celulele pe care le vedem se numesc omatidie. Ommatidia are o formă de con, al cărui capăt îngust se extinde adânc în ochi. Conul este format dintr-o celulă care percepe lumina și o lentilă protejată de o cornee transparentă. Toate omatidiile sunt strâns presate unele de altele și conectate prin cornee. Fiecare dintre ei vede fragmentul „lor” din imagine, iar creierul pune aceste imagini minuscule într-un singur întreg.
Dispunerea ochilor mari compuși este diferită la muștele femele și masculi. La bărbați, ochii sunt apropiați unul de celălalt, în timp ce la femele sunt mai distanțați, deoarece au frunte. Dacă te uiți la o muscă la microscop, atunci în mijlocul capului deasupra organelor fațete ale vederii poți vedea trei puncte mici aranjate într-un triunghi. De fapt, aceste puncte sunt simpli ochi.
În total, musca are o pereche de ochi compuși și trei simpli - cinci în total. De ce a luat natura pe un drum atât de dificil? Cert este că viziunea fațetă s-a format pentru a acoperi în primul rând cât mai mult spațiu cu privirea și a capta mișcarea. Astfel de ochi îndeplinesc funcții de bază. Cu ochi simpli, musca a fost „prevăzută” pentru a măsura nivelul de iluminare. Ochii compuși sunt organul principal al vederii, iar ochii simpli sunt un organ secundar. Dacă o muscă nu ar avea ochi simpli, ar fi mai lent și ar putea zbura doar în lumină puternică, iar fără ochi compuși ar orbi.
Cum vede o muscă lumea din jurul ei?
Ochii mari, convexi, permit muștei să vadă totul în jurul ei, adică unghiul vizual este de 360 de grade. Acesta este de două ori mai lat decât al unui om. Ochii nemișcați ai insectei privesc simultan în toate cele patru direcții. Dar acuitatea vizuală a unei muște este de aproape 100 de ori mai mică decât cea a unui om!
Deoarece fiecare ommatidia este o celulă independentă, imaginea se dovedește a fi o plasă, constând din mii de imagini mici individuale care se completează reciproc. Prin urmare, pentru o muscă, lumea este un puzzle asamblat format din câteva mii de piese și unul destul de vag. Insecta vede mai mult sau mai puțin clar la doar o distanță de 40 - 70 de centimetri.
Musca este capabilă să distingă culorile și chiar lumina polarizată și ultravioleta invizibilă pentru ochiul uman. Ochiul muștei simte cele mai mici schimbări în luminozitatea luminii. Ea este capabilă să vadă soarele ascuns de norii groși. Dar în întuneric, muștele văd prost și duc un stil de viață predominant diurn.
O altă abilitate interesantă a unei muște este reacția sa rapidă la mișcare. O muscă percepe un obiect în mișcare de 10 ori mai repede decât un om. „Calculează” cu ușurință viteza unui obiect. Această abilitate este vitală pentru determinarea distanței până la sursa pericolului și se realizează prin „transmiterea” imaginii de la o celulă - ommatidia - la alta. Inginerii de aviație au profitat de această caracteristică a vederii muștei și au dezvoltat un dispozitiv pentru calcularea vitezei unei aeronave care zboară, repetând structura ochiului acestuia.
Datorită unei astfel de percepții rapide, muștele trăiesc într-o realitate mai lentă în comparație cu noi. O mișcare care durează o secundă, din punct de vedere uman, este percepută de o muscă ca o acțiune de zece secunde. Cu siguranță oamenii li se par a fi creaturi foarte lente. Creierul insectei funcționează cu viteza unui supercomputer, primind o imagine, analizând-o și transmitând organismului comenzile corespunzătoare în miimi de secundă. Prin urmare, nu este întotdeauna posibil să loviți o muscă.
Deci, răspunsul corect la întrebarea „Câți ochi are o muscă obișnuită?” numărul va fi cinci. Principalele sunt un organ pereche în muscă, ca la multe ființe vii. De ce natura a creat exact trei ochi simpli- rămâne un mister.
În timpul evoluției vederii, unele animale se dezvoltă destul de complexe instrumente optice. Acestea, desigur, includ ochi compuși. S-au format la insecte și crustacee, unele artropode și nevertebrate. Cum diferă un ochi compus de un ochi simplu, care sunt principalele sale funcții? Vom vorbi despre asta în materialul nostru astăzi.
Ochi compuși
Acesta este un sistem optic, raster, unde nu există o singură retină. Și toți receptorii sunt combinați în retinule (grupuri) mici, formând un strat convex care nu mai conține nicio terminație nervoasă. Astfel, ochiul este format din multe unități individuale - ommatidia, unite în sistem comun viziune.
Ochii compuși, inerenți acestora, diferă de cei binoculari (inerenți și oamenilor) prin definirea lor slabă a micilor detalii. Dar sunt capabili să distingă între fluctuațiile luminii (până la 300 Hz), în timp ce pentru oameni capabilitățile maxime sunt de 50 Hz. Și membrana acestui tip de ochi are o structură tubulară. Având în vedere acest lucru, ochii cu fațete nu au caracteristici de refracție precum hipermetropia sau miopia; conceptul de acomodare nu le este aplicabil.
Unele caracteristici structurale și vizuale
La multe insecte, acestea ocupă cea mai mare parte a capului și sunt practic nemișcate. De exemplu, ochii compuși ai unei libelule constau din 30.000 de particule, formând o structură complexă. Fluturii au 17.000 de ommatidie, muștele au 4 mii, albinele au 5. Furnica lucrătoare are cel mai mic număr de particule - 100 de bucăți.
Binocular sau fațetă?
Primul tip de viziune vă permite să percepeți volumul obiectelor, micile detalii ale acestora, să estimați distanța până la obiecte și locația lor unul în raport cu celălalt. Cu toate acestea, oamenii sunt limitati la un unghi de 45 de grade. Dacă este necesară o analiză mai completă, globul ocular efectuează mișcare la nivel reflex (sau ne întoarcem capul în jurul axei). Ochii combinați sub formă de emisfere cu omatidie vă permit să vedeți realitatea înconjurătoare din toate părțile, fără a vă întoarce organele vizuale sau capul. Mai mult, imaginea pe care o transmite ochiul este foarte asemănătoare cu un mozaic: o unitate structurală a ochiului percepe un element separat și împreună sunt responsabili pentru recrearea imaginii complete.
Soiuri
Ommatidia au caracteristici anatomice, drept urmare proprietățile lor optice diferă (de exemplu, între diferite insecte). Oamenii de știință definesc trei tipuri de fațete:
Apropo, unele tipuri de insecte au tip mixt fațete organe ale vederii și multe, pe lângă cele pe care le luăm în considerare, au și ochi simpli. Deci, într-o muscă, de exemplu, pe părțile laterale ale capului există organe fațete pereche situate destul de dimensiuni mari. Și pe coroană există trei ochi simpli care îndeplinesc funcții auxiliare. Albina are aceeași organizare a organelor vizuale - adică doar cinci ochi!
La unele crustacee, ochii compuși par să stea pe tulpini mobile.
Și unii amfibieni și pești au, de asemenea, un ochi suplimentar (parietal), care distinge lumina, dar are viziune de obiect. Retina sa este formată numai din celule și receptori.
Evoluții științifice moderne
ÎN În ultima vreme Ochii compuși sunt un subiect de studiu și de încântare pentru oamenii de știință. La urma urmei, astfel de organe de vedere, datorită structurii lor originale, oferă baza pentru invenții și cercetări științifice în lumea opticii moderne. Principalele avantaje sunt o privire de ansamblu amplă asupra spațiului, dezvoltarea fațetelor artificiale, utilizate în principal în sisteme de supraveghere miniaturale, compacte, secrete.
Se încarcă...