Мозг мухи вряд ли больше, чем отверстие в швейной иголке. Но муха, обладая таким мозгом, умудряется обработать более ста статических изображений (кадров) в секунду. Как известно, у человека предел - примерно 25 кадров в секунду. А муха нашла более простой и эффективный способ обработки изображений. И это не могло не заинтересовать исследователей в области робототехники.
Обнаружено, что мухи обрабатывают 100 кадров в секунду. И это позволяет им во время полета обнаружить препятствие в течение нескольких миллисекунд (миллисекунда – это одна тысячная секунды). В частности, исследователи сфокусировали своё внимание на оптических потоках, которые они назвали "оптические полевые потоки ". Похоже на то, что это оптическое поле обрабатывается только первым слоем нейронов. Они обрабатывают “грубый” исходный сигнал от каждого мушиного “пикселя” . И пересылают обработанную информацию на следующий слой нейронов. И, как утверждают исследователи, этих вторичных нейронов всего лишь 60 штук в каждом полушарии мушиного мозга. Тем не менее, мушиному мозгу удаётся уменьшить или раздробить поле зрения на множество протекающих последовательно “векторов движения”, которые дают мухе вектор направления движения и “мгновенную” скорость. И что интересно, то, что муха это всё видит!
Мы, люди (и не все), знаем что такое вектор и мгновенная скорость. А муха об этих вещах, естественно, не имеет никакого понятия. И таким способностям мозга мухи обрабатывать огромное количество информации можно только позавидовать. А почему мы видим всего лишь примерно 50 кадров в секунду, а муха 100? Трудно сказать, но есть разумные предположения на этот счёт. Как взлетает муха? Почти “мгновенно”, с огромным ускорением. Мы такую перегрузку врадли бы выдержали. Но можно создать роботизированный мозг, который по скорости обработки информационных потоков не уступит мозгу мухи.
Чтобы попытаться понять, как крошечный мушиный мозг может обрабатывать такое огромный поток информации, исследователи в Мюнхене создали “симулятор полета” для мухи. Муха могла летать, но удерживалось на привязи. Электроды регистрировали реакцию клеток мозга мухи. А исследователи пытались понять, что же происходит в мозге мухи во время полёта.
Первые результаты очевидны. Мухи обрабатывают изображения от их неподвижных глаз совсем не так, как это делает человек. При перемещении мухи в пространстве, в ее мозге формируются “оптические полевые потоки” (optical flux fields), которые и дают мухе направление движения.
Как бы это видел человек? Например, при движении вперёд, окружающие объекты мгновенно бы разбегались по сторонам. А объекты в поле зрения казались бы большими, чем они есть на самом деле. И казалось бы, что ближайшие и удалённые объекты перемещаются по-разному.
Скорость и направление, с которыми объекты мелькают перед мушиными глазами, генерируют типичные шаблоны векторов движения – полевые потоки. Которые на втором этапе обработки изображения достигают так называемой "lobula plate" – центра зрения более высокого уровня. В каждом полушарии мозга мухи есть всего лишь 60 нервных клеток, ответственных за зрение. Каждая из этих нервных клеток реагирует только на сигнал с определенной интенсивностью.
Но для анализа оптических потоков важна информация, поступающая от двух глаз одновременно. Эту связь обеспечивают особые нейроны, называемые “VS cells”. Они и позволяют мухе точно оценить своё местоположение в пространстве и скорость полёта. Похоже на то, что “VS cells” ответственны за распознавание и реакцию на вращающий момент, действующий на муху во время её манёвров в полёте.
Исследователи в области робототехники работают над тем, чтобы разработать роботов, которые могут наблюдать окружающую среду при помощи цифровых камер, изучать то, что они видят и адекватно реагировать на изменение текущей ситуации. И эффективно и безопасно общаться и взаимодействовать с людьми.
Например, уже ведутся разработки маленького летающего робота, положение и скорость полёта которого будет контролироваться при помощи компьютерной системы, имитирующей зрение мухи.
Способность видеть окружающую действительность во всём разнообразии цветов и оттенков - это уникальная возможность, которую природа даровала человеку. У насекомых, как и у людей, тоже есть орган зрения, но они воспринимают мир красок иначе. Современные учёные, воспользовавшись специальными приборами, сумели немного приблизиться к разгадке тайны и понять, как видят насекомые предметы, цвета и различные очертания.
Способы восприятия
У разных насекомых органы зрения неодинаковы. Если одни представители класса беспозвоночных могут лишь отличить свет от темноты или наблюдать за миром в чёрно-белых тонах, тогда другие способны распознавать цвета или вовсе видеть всё в ультрафиолетовом спектре.
Способность видеть у насекомых несколько отличается от зрения других живых существ. Некоторые виды имеют несколько пар глаз, которые могут находиться не только на голове, но и на других частях тела. Насекомые не различают мелких деталей и видят всего лишь на расстоянии 1-2 метров. Они могут хорошо ориентироваться на закате благодаря своему умению определять плоскость поляризации света. Мигание световых волн они различают в десятки раз лучше людей. Насекомые воспринимают окружающий мир тремя путями:
- С помощью всей поверхности тела . Это довольно интересная способность многих насекомых, при которой не нужно иметь глаза. Большой минус состоит в том, что живые существа не различают предметы, а способны лишь распознать свет от темноты. Он проникает к голове, сначала проходя через кутикулу и внешний слой кожи. В клетках мозга начинается реакция, и насекомое ощущает, что на него попадает свет. Такая способность помогает насекомым, живущим под землёй. Подобная разновидность зрения существует у тараканов, отдельных видов гусениц и тли.
- Простыми глазами . Насекомым, имеющим подобные зрительные органы, повезло гораздо больше, ведь они способны не только отличить день от ночи, но и различать некоторые объекты, а также их форму. Как правило, простые глаза располагаются на передней части головы насекомого и состоят из роговицы, которая принимает свет из зрительных нервов. Зрительные органы этого типа чаще всего бывают у личинок насекомых. У личинки комара вместо глаз есть пигментные пятна, улавливающие свет. Зато гусеницы имеют по 5-6 органов зрения с каждой стороны головы. С их помощью они неплохо разбираются в формах. Вертикальные предметы они видят лучше, чем горизонтальные, поэтому из двух деревьев, скорее всего, выберут то, что выше, а не шире.
- . Они зачастую встречаются у взрослых насекомых и обычно расположены по бокам их головы. Такие глаза помогают распознавать любые формы объектов и даже различать цвета. Они имеют сложную структуру и состоят из совокупности линз, именуемых фасетками. Интересная особенность состоит в том, что беспозвоночные млекопитающие не видят окружающий мир целиком, а только кусочки изображений, которые уже в мозге собираются в единый пазл. К примеру, муха в процессе полёта успевает соединить все фрагменты в полную картину, поскольку именно в движении она видит гораздо лучше, чем в состоянии покоя.
Чёткость изображения у различных представителей класса беспозвоночных неодинаковая и зависит от роли, которую играет в их жизни зрительное восприятие. Одни могут рассмотреть только очертания объектов, другие представляют предметы вытянутыми в длину, а третьи видят чёткие и пропорциональные изображения.
Цветовое зрение насекомых
Давно известно, что некоторые виды насекомых хорошо различают цвета, а диапазон воспринимаемых ими оттенков отличается от человеческого. Цветовое зрение играет немалую роль в жизни этих членистоногих животных. Они распознают сигналы цветущего растения (запах, окраску венчиков) и находят цветы с необходимым нектаром или пыльцой. Насекомые, отыскав подходящий цветок, запоминают его детали, что помогает потом им найти нужное растение и сэкономить время в период сбора пыльцы.
Наиболее сложными из органов чувств у насекомых являются органы зрения. Последние представлены образованиями нескольких типов, из которых важнейшие - сложные фасетированные глаза примерно такого же строения, как и сложные глаза ракообразных .
Глаза состоят из отдельных омматидиев ( рис. 337), количество которых определяется главным образом биологическими особенностями насекомых. Активные хищники и хорошие летуны, стрекозы обладают глазами, насчитывающими до 28 000 фасеток в каждом. В то же время муравьи (отр. Перепончатокрылые), особенно рабочие особи видов, обитающих под землей, имеют глаза, состоящие из 8 - 9 омматидиев.
Каждый омматидий представляет совершенную фотооптическую сенсиллу ( рис. 338). В его состав входят оптический аппарат, включающий роговицу, - прозрачный участок кутикулы над омматидием и так называемый хрустальный конус. В совокупности они выполняют роль линзы. Воспринимающий аппарат омматидия представлен несколькими (4 - 12) рецепторными клетками; специализация их зашла очень далеко, о чем говорит полная утрата ими жгутиковых структур. Собственно чувствительные части клеток - рабдомеры - представляют скопления плотно упакованных микроворсинок, располагаются в центре омматидия и тесно прилегают друг к другу. В совокупности они образуют светочувствительный элемент глаза - рабдом.
По краям омматидия залегают экранирующие пигментные клетки; последние довольно существенно отличаются у дневных и ночных насекомых. В первом случае пигмент в клетке неподвижен и постоянно разделяет соседние омматидии, не пропуская световые лучи из одного глазка в другой. Во втором случае пигмент способен перемещаться в клетках и скапливаться только в их верхней части. При этом лучи света попадают на чувствительные клетки не одного, а нескольких соседних омматидиев, что заметно (почти на два порядка) повышает общую чувствительность глаза. Естественно, что подобного рода адаптация возникла у сумеречных и ночных насекомых. От чувствительных клеток омматидия отходят нервные окончания образующие зрительный нерв.
Кроме сложных глаз многие насекомые имеют еще и простые глазки ( рис. 339), строение которых не соответствует строению одного омматидия. Светопреломляющий аппарат линзообразной формы, сразу же под ним расположен слой чувствительных клеток. Весь глазок одет чехлом из пигментных клеток. Оптические свойства простых глазков таковы, что воспринимать изображения предметов они не могут.
Личинки насекомых в большинстве случаев обладают только простыми глазками, отличающимися, однако, по строению от простых глазков взрослых стадий. Никакой преемственности между глазками взрослых особей и личинок не существует. Во время метаморфоза глаза личинок полностью резорбируются.
Зрительные способности насекомых совершенны. Однако структурные особенности сложного глаза предопределяют особый физиологический механизм зрения. Животные, имеющие сложные глаза, обладают "мозаичным" зрением. Малые размеры омматидиев и их обособленность друг от друга приводят к тому, что каждая группа чувствительных клеток воспринимает лишь небольшой и сравнительно узкий пучок лучей. Лучи, падающие под значительным углом, поглощаются экранирующими пигментными клетками и не достигают светочувствительных элементов омматидиев. Таким образом, схематично каждый омматидии получает изображение только одной небольшой точки объекта, находящегося в поле зрения всего глаза. Вследствие этого изображение складывается из стольких световых точек, отвечающих различным частям объекта, на сколько фасеток падают перпендикулярно лучи от объекта. Общая картина комбинируется как бы из множества мелких частичных изображений путем приложения их одного к другому.
Восприятие цвета насекомыми также отличается известным своеобразием. Представители высших групп Insecta имеют цветовое зрение, основанное на восприятии трех основных цветов, смешение которых и дает все красочное многообразие окружающего нас мира. Однако у насекомых по сравнению с человеком наблюдается сильный сдвиг в коротковолновую часть спектра: они воспринимают зелено - желтые, синие и ультрафиолетовые лучи. Последние для нас невидимы. Следовательно, цветовое восприятие мира насекомыми резко отличается от нашего.
Функции простых глазков взрослых насекомых требуют еще серьезного изучения. По - видимому, они в какой - то мере "дополняют" сложные глаза, влияя на активность поведения насекомых в разных условиях освещенности. Кроме того, было показано, что простые глазки наряду со сложными глазами способны воспринимать поляризованный свет.
Каждый из нас, кто хотя бы раз пытался избавиться от надоедливой мухи, бегая за ней с хлопушкой в руке, прекрасно знает, что задача эта не всегда легко выполнима, а иной раз и невыполнима вовсе. Реакция у серо-черной мелкой квартирантки, что надо. Дело в том, что вы не конкурент ей. Почему? Читайте статью, в которой мы все расскажем о крылатых надоедах.
В чем же превосходит нас эта мушка:
- в скорости передвижения (более двадцати км в час),
- в возможности уследить за ее быстрыми перемещениями.
Как видят мухи
Мы, представители рода человеческого, считающие себя такими совершенными и всемогущими, обладаем всего лишь бинокулярным зрением, позволяющим концентрировать внимание на конкретном объекте или на определённой узкой области впереди нас, и никак не способны видеть, что происходит у нас за спиной, а вот для мухи это не проблема, так как ее зрение панорамное, видит она все пространство на 360 градусов (каждый глаз способен давать обзор по 180 градусов).
Кроме того, эти насекомые не просто благодаря анатомическому строению своего зрительного аппарата могут видеть в разных направлениях сразу, но и способны целенаправленно обозревать пространство вокруг себя. И обеспечивается всё это
расположенными по бокам двумя большими выпуклыми, хорошо выделяющимися на голове насекомого глазами. Столь огромное поле зрения обусловливает особую «проницательность» этих насекомых. Кроме того, на опознание предметов им нужно значимо меньше времени, чем нам, людям. Острота зрения у них также превосходит нашу человеческую в 3 раза.
Строение сложных глаз
Если рассмотреть глаз мухи под микроскопом, то можно увидеть, что составлен он, как мозаика, из множества мелких участков – фасеток – шестигранных структурных единиц, внешне по форме очень похожих на медовые соты. Такой глаз соответственно называют фасеточным , а сами фасетки по-другому называют еще омматидиями. В глазу мухи можно насчитать порядка четырех тысяч таких фасеток. Все они дают свое изображение (маленькую часть от целого), а мозг мухи формирует из них, как из пазлов, общую картину.
Панорамное, фасеточное зрение и бинокулярное, которое свойственно людям, имеют диаметрально противоположное назначение. Для насекомых, чтобы иметь возможность быстро ориентироваться и не только замечать приближение опасности , но и успевать ее избежать, важно не хорошо и четко видеть конкретный предмет, а, главным образом, осуществлять своевременное восприятие движений и изменений в пространстве.
Есть ещё одна любопытная особенность зрительного восприятия мухой окружающего мира, касаемая палитры цветов. Некоторые, такие привычные нашему глазу, из них насекомые не различают совсем, другие выглядят для них иначе, чем для нас, в других тонах. Что касается красочности окружающего пространства – мухи различают
не только семь основных цветов, но и их тончайшие оттенки, потому что их глаза способны видеть не только видимый свет, но и ультрафиолет, который людям, увы, видеть не дано. Получается, что в зрительном восприятии мухи окружающий мир более радужный, чем у людей.
Необходимо отметить также, что, имея определенные преимущества зрительной системы, эти представители мира шестиногих (да, у них 3 пары ног) не могут видеть в темноте. Ночью они спят, так как их глаза не позволяют ориентироваться в тёмное время суток.
А ещё эти мелкие и шустрые существа замечают только некрупные и находящиеся в движении объекты. Насекомое не воспринимает такой большой объект, например, как человек. А вот приближение человеческой руки к мухе её глаза прекрасно видят и тотчас передают необходимый сигнал в мозг. Также и любую другую стремительно приближающуюся опасность им не составит труда увидеть, благодаря сложной и надёжной структуре глаз, позволяющей насекомому видеть пространство во всех направлениях одновременно – вправо, влево, вверх, назад и вперед и отреагировать соответствующим образом, спасая себя, поэтому их так сложно прихлопнуть.
Многочисленные фасетки позволяют мухе следить за очень быстро перемещающимися предметами с высокой четкостью изображения. Для сравнения, если зрение человека может воспринимать 16 кадров в секунду, то у мухи – 250 –300 кадров в секунду. Это свойство необходимо мухам, как уже описано, для улавливания движений со стороны, а также и для собственной ориентации в пространстве при быстром полете.
Количество глаз у мухи
Кстати, помимо двух больших сложных фасеточных глаз, у мухи есть ещё три простых, расположенных на лобной части
головы в промежутке между фасеточными. В противовес сложным, эти три нужны для того, чтобы видеть объекты на близком расстоянии, т. к. сложный глаз в этом случае оказывается бесполезен.
Таким образом, на вопрос, сколько же глаз у комнатной мухи, мы теперь можем точно ответить, что их пять:
- два фасеточных (сложных), состоящих из тысяч омматидиев и необходимых для получения информации о быстро меняющихся в пространстве событиях,
- и три простых глаза, позволяющих как бы наводить резкость.
Фасеточные глаза расположены у мух по бокам головы , причем у самок расположение органов зрения несколько расширено (разделено широким лбом), у самцов же глаза находятся немного ближе друг к другу.
Как видят насекомые ?
Муха резко уворачивается от летящего на нее предмета, бабочка выбирает определенный цветок, а гусеница ползет к самому высокому дереву. У насекомых, как у людей тоже есть органы зрения, но видят и воспринимают они мир по-особому. Своим исключительным зрением, недоступным для человека. Некоторые насекомые могут определять только светлое и темное, а кто-то хорошо разбирается в оттенках. Итак, как же насекомые видят мир?
Способы видеть мир у насекомых
Их возможность видеть делится на три способа.
Всей поверхностью тела
Интересная особенность, при которой не обязательно иметь глаза. Но ее большой минус в том, что насекомое может отличать только свет от темноты. Никаких предметов или цветов оно не видит. Как же это работает? Свет проходит через кутикулу, внешний слой кожи, и проникает к голове насекомого. Там происходит реакция в клетках мозга, и насекомое понимает, что на него падает свет. Такое устройство доступно не для всех, но очень помогает тем насекомым, которые живут под землей, например, дождевым червям или слепым пещерным жукам. Эта разновидность зрения есть у тараканов, тли и гусениц.
Материалы по теме:
Для чего нужна пыльца?
Простыми глазами
Насекомым, у которых простые глазки повезло больше. Они могут не только определять темноту от света, но и различать отдельные объекты и даже их форму. Такие глазки чаще всего встречаются у личинок насекомых. Например, личинки комаров вместо глаз имеют пигментные пятна, которые улавливают свет. Зато у гусениц по пять – шесть глазков с каждой стороны головы. Благодаря этому она хорошо разбирается в формах. Но вертикальные объекты она видит намного лучше, чем горизонтальные. Например, если ей предстоит выбрать дерево, то она скорее поползет к тому, что выше, а не к тому, что шире.
Сложными, или фасеточными, глазами
Такие глаза чаще всего встречаются у взрослых насекомых. Определить их можно сразу – обычно они находятся по бокам головы. Фасеточные глаза намного сложнее и разнообразнее всех остальных. Они могут распознавать формы объектов и определять цвета. Одни насекомые хорошо видят днем, а другие – ночью. Интересная особенность этих глаз и в том, что они не видят всю картину в целом, а только кусочки. И уже в мозгу насекомое собирает пазл из полученных изображений, чтобы увидеть полную картину. Как муха успевает в полете соединить все кусочки фрагмента? Удивительно, но именно в полете она видит лучше, чем в покое. И для места посадки любое насекомое скорее выберет то, что двигается или колышется.
