Швейцарські вчені вдалося відтворити око мухи, так зване штучне фасеткове око.
Фасеткові очі, що складаються з безлічі вузьких світлочутливих конусів, які називаються омматідіями, характерні для комах і ракоподібних.
Такі очі мають ряд переваг та недоліків у порівнянні з людським. Око мухи має меншу роздільну здатність, ніж око хребетних, тобто картинка, що уловлюється даним оком, буде не чітка. А з переваг - вони менш інерційні (деякі комахи здатні сприймати миготіння з частотою до 300 Гц), не вимагають фокусування і можуть розрізняти не лише колір, а й напрямок поляризації світла. Якщо двома словами – то картинка швидка, різноманітна, насичена але з чітка. Команда вчених із Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL) створила прототип штучного фасеткового ока, який використовує переваги такої конструкції.
Камера як око у мухи (фасеткове око)
Штучне око, яке вчені назвали CurvACE (CURVed Artificial Compound Eyes), складається з 630 «омматидіїв», кожен з яких є світлочутливим елементом і мікролінзою, що фокусує на нього вузький пучок світла. Око має кут огляду 60 градусів у вертикальній та 180 - у горизонтальній площині. По вертикалі кути зору різних омматидіїв задані формою мікролінз, а по горизонталі – вигином підкладки, на якій розташоване око. Така форма продиктована технологією виготовлення – світлочутливі елементи формуються на твердому кристалі, який потім розрізається на вузькі смужки.
Камера як око у мухи (фасеткове око) Око має об'єм всього 2,2 кубічних сантиметрів і важить 1,75 грама. При промисловому виробництві сучасний рівень техніки дозволить зменшити його розміри щонайменше вдвічі. Основне призначення ока – системи візуальної навігації для роботів. Око має високу чутливість і динамічним діапазоном- кожен омматидій може індивідуально пристосовуватись до рівня освітленості. Таке око не можна засліпити сонячним відблиском. У поєднанні з високою швидкодією (прототип може видавати до 1500 кадрів в секунду), малими розмірами, відсутністю спотворень по краях поля зору та можливістю щодо просто домогтися кругового або навіть сферичного огляду це робить його ідеальним інструментом для визначення положення робота в просторі, детектування перешкод та запобігання зіткненням. Напевно, перші зразки таких камер ми побачимо на автомобілях з автокеруванням і різних роботах.
За своїми характеристиками CurvACE приблизно відповідає оку плодової мушки дрозофіли. Так само як і око комахи, що містить усередині нервовий вузол, що здійснює первинну обробкузображення, СurvACE включає мікроконтролер, який обробляє сигнал з сенсорів за допомогою алгоритмів оптичного потоку, а так само акселерометр і гіроскоп.
Власне електронна начинка і складає велику частинумаси та об'єму ока – сам масив CMOS-сенсорів з мікролінзами має товщину 1 мм і важить 0,36 грама. Можливість надавати фасетковій камері будь-яку форму і відсутність великих лінз відкривають безліч можливостей: такі «очі» можна вбудовувати в стіни приміщень, одяг чи меблі для використання в системах розумного будинку або відеоспостереження. Комбінуючи омматидії різного типув одному сенсорі можна створити камеру, яка буде бачити одночасно в різних діапазонах. Якийсь прообраз всевидячого ока, нове лихо для параноїків та диво знахідка для спецслужб.
Око комахи при великому збільшеннісхожий на дрібні ґрати.Це тому, що око комахи складається з безлічі маленьких "вічок"-фасеток. Очі комах називають фасетковими. Крихітне вічко-фасетка називається омматидій. Омматидій має вигляд довгого вузького конуса, основа якого - лінза, що має вигляд шестигранника. Звідси і назва фасеткового ока: facette у перекладі з французької означає "грань".
Пучок омматидіїв складає складне, кругле, око комахи.
Кожен омматидій має дуже обмежене поле зору: кут огляду омматідіїв у центральній частині ока – всього близько 1°, а по краях ока – до 3°. Омматидій «бачить» тільки той крихітний ділянку предмета, на який він "націлений", тобто куди спрямоване продовження його осі. Але так як омматидії тісно прилягають один до одного, а їх осі в круглому оці розходяться променеподібно, все складне око охоплює предмет в цілому. Причому зображення предмета виходить у ньому мозаїчним, тобто складеним із окремих шматочків.
Число омматидіїв в оці у різних комах по-різному. У робочої мурашки в оці всього близько 100 омматідіїв, у кімнатної мухи - близько 4000, у робочої бджоли - 5000, у метеликів - до 17 000, а у бабок - до 30 000! Таким чином, у мурашки зір дуже посередній, тоді як величезні очі бабки - дві райдужні півкулі - забезпечують максимальне поле зору.
Через те, що оптичні осі омматідії розходяться під кутами 1-6 °, чіткість зображення комах не дуже висока: дрібних деталей вони не розрізняють. Крім того, більшість комах короткозорі: бачать навколишні предмети на відстані лише кількох метрів. Зате фасеткові очіДобре вміють розрізняти миготіння (блимання) світла з частотою до 250-300 герц (для людини гранична частота близько 50 герц). Очі комах здатні визначати інтенсивність світлового потоку (яскравість), а крім того, вони мають унікальну здатність: вміють визначати площину поляризації світла. Ця здатність допомагає їм орієнтуватися, коли сонця видно на небосхилі*.
Комахи розрізняють кольори, але зовсім не так, як ми. Наприклад, бджоли «не знають» червоного кольору і не відрізняють його від чорного, зате сприймають невидимі для нас ультрафіолетові промені, які розташовані на протилежному кінці спектра Ультрафіолет розрізняють також деякі метелики, мурахи та інші комахи. До речі, саме сліпістю комах-запилювачів нашої смуги до червоного кольору пояснюється цікавий факт, що серед нашої дикорослої флори немає рослин із червоними квітками.
*Світло, що йде від сонця, не поляризоване, тобто його фотони мають довільну орієнтацію. Однак, проходячи через атмосферу, світло поляризується внаслідок розсіювання молекулами повітря, і при цьому площина його поляризації завжди спрямована на сонце
Крім фасеткових очей у комах є ще три простих вічка діаметром 0,03-0,5 мм, які розташовуються у вигляді трикутника на лобово-тім'яній поверхні голови. Ці очі не пристосовані для розрізнення об'єктів і потрібні для зовсім іншої мети. Вони вимірюють усереднений рівень освітленості, який при обробці зорових сигналів використовується як точка відліку («нуль-сигналу»). Якщо заклеїти комаху ці очі, воно зберігає здатність до просторової орієнтації, але літати зможе лише за яскравішому світлі, ніж зазвичай. Причина цього в тому, що заклеєні очі приймають за «середній рівень» чорне поле і тим самим задають фасетковим очам ширший діапазон освітленості, а це, відповідно, знижує їхню чутливість.
Показати все
У вищих комах органи зору однакові за своєю будовою. На лобі або у них знаходяться три простих (у середині - , з боків від нього - латеральні), а з боків розташовуються два складні фасеткові очі. Вони зустрічаються у дорослих комах, а також у с, і передають у більшу частину одержуваної візуальної інформації.
Загальна будова очей
Очі є у більшості комах, і лише відносно невелика кількість таксонів вони не мають. Наприклад, їх немає в деяких примітивних видів, а також у мандрівних мурах Ection. У більшості випадків очі представлені у вигляді двох окремих утворень, однак, наприклад, у бабок вони настільки великі, що сходяться в єдину структуру.
За формою складні органи зору частіше близькі до округлих, однак у ряді випадків вони краплеподібні (як у богомола) або ниркоподібні, оскільки мають вирізку, на якій сидить антена (як у вербового товстуна Lamia textоr). У деяких випадках вирізка настільки різка, що відокремлює верхню та нижню частину ока один від одного, через що здається, що око у комахи не два, а чотири (приклад - жук Tetrops praeusta). Іноді особливості форми та розміру очей визначаються приналежністю до тієї чи іншої статі. Так, самці зазвичай мають більше розвинені очі, ніж самки, що особливо видно на прикладі трутнів та робочих бджіл. У гілок вони стикаються в середині у самців і не стикаються у самок.
У нижній частині, що прилягає до голови, кожне око обмежене базальною, або ситоподібною мембраною. У ній, згідно з кількістю омматидіїв, є безліч отворів, через які проходять зорові нервові волокна. Через них же в око входять, що пронизують його і проходять між. На місці ока утворює досить глибоке вп'ячування, утворюючи очну капсулу, або очний; він є опорною структурою ока.
Омматидій як структурна одиниця складного ока
Поперечний розмір(Діаметр) структурних одиниць ока також відрізняється, проте він, у будь-якому випадку, вимірюється в мікронах. хруща по діаметру рівні 20 мікрон, американського таргана - 32 мікрони.
Зорові осі омматідіїв повинні бути приблизно перпендикулярні поверхні, тому чим більше простір вони займають, тим більше опуклі очі комах. Однак сильна опуклість очей говорить не так про хороший зір, скільки про великому поліогляду, за Крайній мірі, У денних видів.
Детальна будоваоматидії досить складно і буде розглянуто на прикладі типового опозиційного ока (пояснення даного терміна в наступному розділі). У структурі кожної одиниці фасеткових очей знаходиться три функціональні комплекси структур, або три апарати:
- діоптричний (заломлюючий)
Складається з лінз, переломлює та спрямовує світло.
- рецепторний (сприймає)
Сприймає та передає зорову інформацію.
- апарат пігментної ізоляції
Будова омматідія
Будова омматідія
1 - рогівка, 2 - корнеагенні клітини,
3 - кристалічний конус, 4 - клітини Земпера,
5 - ретинальні клітини, 6 - зорова паличка,
7 - побічні пігментні клітини,
8 - ретинальні пігментні клітини,
9 - базальна мембрана
Зорові апарати омматідія
Діоптричний апарат
складається наступних частин (зовні всередину): (Фото)Рецепторний апарат
включає ще кілька компонентів:- Ретинальні клітини- витягнуті структури, які розташовуються нижче за кристалічний конус у вигляді пучка (5 на (Фото) ).
- Зорова паличка (рабдом)- Довгасте освіту, що складається з продуктів секреції ретинальних клітин і знаходиться в центрі їх пучка. У поперечному зрізі рабдом і ретинальні клітини формують картину «квітки», де рабдом займає осьове положення, будучи «серцевинкою», а ретинальні клітини розташовані навколо нього, подібно до пелюсток (6 на (Фото)).
- Зорові нерви - нерви, що передають інформацію до центральної нервової системи.
Апарат пігментний
ізоляції має у своєму складі 3 освіти:- Корнеагенні (головні пігментні) клітини: ті самі, які виробляють кришталика Вони заповнюються пігментом та ізолюють кришталик від рогівок сусідніх омматидіїв.
- Побічні пігментні клітини- Ізолюють кожен від інших на рівні кришталевого конуса (7 на (Фото) ).
- Ретинальні пігментні клітини- виконують ту ж функцію, але нижче, на рівні розташування ретинальних клітин та зорової палички(8 на (Фото) ).
Нейросуперпозиційне око
Такі очі відрізняються тим, що в них відбувається підсумовування нервових сигналів від деякої частини зорових клітин, світло яких приходить з одного місця. Такий тип ока є у мух.
Зір комах
У сусідніх омматідіїв зорові осі сильно зближені між собою, що дає комахам здатність краще розрізняти точки, що знаходяться близько один до одного. В результаті, гострота їхнього зору приблизно в 3 рази вище, ніж у людини. Разом з тим при видаленні об'єкта від ока зір погіршується; таким чином, комахи, людським міркам, короткозорі.
Ще одна перевага фасеткових очей полягає в тому, що безліч омматидії дозволяє краще стежити за об'єктами, що миготять і швидко переміщаються. Для нас злите зображення на екрані формується під час руху плівки 16 кадрів на секунду, а для комах - при 250-300. Це створює їм перевагу при швидкому.
Комахи можуть сприймати поляризацію світла. Мало того, що вони бачать усі об'єкти об'ємними, вони розрізняють тонкі відтінки та переливи кольорів, недоступні людському оку. У більшості комах зір кольоровий, чорно-білий є лише у примітивних форм, що мешкають у печерах, у великого борошняного хрущака та термітів. У літаючих рослиноїдних видів них є світлоприймач, «налаштований» на сприйняття в ультрафіолетовому спектрі, завдяки чому вони краще розрізняють філіжанки квіток з повітря.
Питання "Скільки очей у звичайної мухи?" не такий простий, як здається. Два великі очі, розташовані з боків голови, можна побачити неозброєним поглядом. Але насправді влаштування органів зору мухи набагато складніше.
Якщо подивитися на збільшене зображення очей мухи, видно, що вони схожі на стільники і складаються з безлічі окремих сегментів. Кожна частина має форму шестикутника з правильними гранями. Звідси й походить назва такої будови ока – фасеткова («facette» у перекладі з французької означає «грань»). Похвалитися складними фасетковими очима можуть багато хто і деякі членистоногі, причому муха далеко не рекордсмен за кількістю фасеток: у неї всього 4 000 фасеток, а у бабок – близько 30 000.
Осередки, які ми бачимо, називаються омматідіями. Омматидії мають конусоподібну форму, вузький кінець якої йде вглиб ока. Конус складається з клітини, яка сприймає світло, та кришталика, захищеного прозорою рогівкою. Всі омматидії тісно притиснуті один до одного і з'єднані рогівкою. Кожен із них бачить «свій» фрагмент картинки, а мозок складає ці крихітні зображення в одне ціле.
Розташування великих фасеткових очей у самок та самців мухи відрізняється. У самців очі близько посаджені, а у самок – більше рознесені на всі боки, тому що у них є лоб. Якщо подивитися на муху під мікроскопом, то посередині голови вище фасеткових органів зору можна розглянути три невеликі точки, розташовані трикутником. Насправді, ці точки є простими очима.
У мухи одна пара складних очей і три простих - всього п'ять. Навіщо природа пішла таким складним шляхом? Справа в тому, що фасетковий зір сформувався, щоб насамперед охоплювати поглядом якнайбільше простору і вловлювати рух. Такі очі виконують основні функції. Простими очима муху «забезпечили» для вимірювання рівня освітленості. Фасеткові очі є основним органом зору, а прості – другорядним. Якби у мухи не було простих очей, вона була б повільнішою і могла б літати тільки при яскравому світлі, а без фасеткових очей вона засліпила б.
Яким муха бачить світ довкола себе?
Великі очі опуклої форми дозволяють мусі бачити все навколо себе, тобто кут зору дорівнює 360 градусів. Це вдвічі ширше, ніж у людини. Нерухомі очі комахи одночасно дивляться по всіх чотирьох сторонах. Зате гострота зору мухи нижча за людську майже в 100 разів!
Так як кожен омматидій є самостійним осередком, картинка виходить сітчастою, що складається з тисяч окремих маленьких зображень, що доповнюють один одного. Тому світ для мухи – це зібраний пазл, що складається з кількох тисяч шматочків, причому досить розпливчастий. Більш менш чітко комаха бачить всього на відстані 40 - 70 сантиметрів.
Муха здатна розрізняти кольори і навіть невидиме людському оку поляризоване світло та ультрафіолет. Око мухи відчуває найменші зміни яскравості світла. Вона здатна бачити сонце, приховане густими хмарами. Але в темряві мухи бачать погано та ведуть переважно денний спосіб життя.
Ще одна цікава здатність мухи – швидка реакція на рух. Муха сприймає об'єкт, що рухається, в 10 разів швидше за людину. Вона легко обчислює швидкість об'єкта. Ця здатність життєво необхідна визначення відстані до джерела небезпеки і досягається з допомогою «передачі» зображення від однієї осередки - омматидія до іншого. Авіаційні інженери взяли на озброєння таку особливість зору мухи і розробили прилад для обчислення швидкості літака, що летить, повторивши будову її ока.
Завдяки такому швидкому сприйняттю, мухи живуть у уповільненій реальності порівняно з нами. Рух, що триває секунду, з погляду людини, муха сприймає як десятисекундну дію. Напевно, люди здаються їм дуже повільними істотами. Мозок комахи працює зі швидкістю суперкомп'ютера, отримуючи зображення, аналізуючи його і передаючи відповідні команди тілу за тисячні частки секунди. Тому притулити муху виходить далеко не завжди.
Отже, правильною відповіддю на запитання "Скільки очей у звичайної мухи?" буде число "п'ять". Основні є у мухи парним органом, як і багатьох живих істот. Чому природа створила саме три простих ока- Залишається загадкою.
У процесі еволюції зору у деяких тварин виникають досить складні оптичні прилади. До таких, безумовно, можна віднести очі фасеткові. Вони сформувалися у комах та ракоподібних, деяких членистоногих та безхребетних. Чим відрізняється фасеткове око від простого, якими є його основні функції? Про це поговоримо у нашому сьогоднішньому матеріалі.
Очі фасеткові
Це оптична система, растрова, де відсутня єдина сітківка. А всі рецептори об'єднані в невеликі ретинули (групи), утворюючи опуклий шар, що не містить ніяких нервових закінчень. Таким чином, око складається з безлічі окремих одиниць - омматидій, що об'єднуються в загальну системузору.
Очі фасеткові, властиві, відрізняються від бінокулярних (властивих у тому числі і людині) поганим визначенням дрібних деталей. Зате вони можуть розрізняти коливання світла (до 300 Гц), тоді як для людини граничні можливості - 50 Гц. А ще мембрана такого типу очей має трубчасту структуру. З огляду на це очі фасеткові немає таких особливостей рефракції, як далекозорість чи короткозорість, їм застосовується поняття акомодації.
Деякі особливості будови та зору
У багатьох комах займають більшу частину голови і практично нерухомі. Наприклад, очі фасеткові у бабки складаються з 30 000 частинок, утворюючи складну структуру. У метеликів – 17 000 омматидіїв, у мухи – 4 тисячі, у бджоли – 5. Найменша кількість частинок у мурахи робітника – 100 штук.
Бінокулярне чи фасеткове?
Перший тип зору дозволяє сприймати обсяг предметів, їх дрібні деталі, оцінювати відстані до об'єктів та їх розташування один до одного. Проте людину обмежується кутом 45 градусів. Якщо огляд необхідний повніший, очне яблукоздійснює рух на рефлекторному рівні (чи повернемо голову навколо осі). Фасеткові очі у вигляді напівсфер з омматідіями дозволяють бачити навколишню дійсність з усіх боків, не повертаючи органів зору чи голови. Причому зображення, яке при цьому передає око, дуже схоже на мозаїку: однією структурною одиницею ока сприймається окремий елемент, а разом вони відповідають за відтворення повної картини.
Різновиди
Омматидії мають анатомічні особливості, у результаті розрізняються їх оптичні якості (наприклад, в різних комах). Вчені визначають три види фасету:
До речі, деякі види комах мають змішаний типфасеткових органів зору, а в багатьох, крім нами, є ще й прості очі. Так, у мухи, наприклад, з боків голови розташовані парні фасеткові органи досить великих розмірів. А на темряві є три простих ока, які виконують допоміжні функції. Така ж організація органів зору і в бджоли - тобто лише п'ять очей!
У деяких ракоподібних фасеткові очі як би сидять на рухливих виростах-стеблинках.
А в деяких амфібій і риб є ще й додаткове (тем'яне) око, яке розрізняє світло, але має предметний зір. Сітківка його складається лише з клітин та рецепторів.
Сучасні наукові розробки
У Останнім часомочі фасеткові - предмет вивчення та захоплення вчених. Адже такі органи зору, зважаючи на свою оригінальну будову, дають ґрунт для наукових винаходів та пошуків у світі сучасної оптики. Основні переваги – широкий огляд простору, розробка штучних фасеток, що використовуються переважно у мініатюрних, компактних, секретних системах спостереження.
Loading...