Сколько глаз у обыкновенной мухи? Как видит муха? Подробно о данном вопросе Одна пара сложных фасеточных глаз

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.

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.

И у мух, и у пчел по пять глаз. Три простых глаза расположены в верхней части головы (можно сказать, на темени), а два сложных, или фасеточных - по бокам головы. Сложные глаза мух, пчел (а также бабочек, стрекоз и некоторых других насекомых) - предмет восторженного изучения ученых. Дело в том, что эти органы зрения устроены очень интересно. Они состоят из тысяч отдельных шестиугольников, или, говоря научным языком, фасеток. Каждая из фасеток — это миниатюрный глазок, который дает изображение отдельной части предмета. В сложных глазах комнатной мухи примерно 4000 фасеток, у рабочей пчелы - 5000, у трутня - 8000, у бабочки - до 17 000, у стрекозы - до 30 000. Получается, что глаза насекомых посылают в их мозг несколько тысяч изображений отдельных частей предмета, которые хотя и сливаются в изображение предмета в целом, но все же этот предмет выглядит как бы сложенным из мозаики.

Зачем нужны фасеточные глаза? Считается, что с их помощью насекомые ориентируются в полете. В то время как простые глаза предназначены для рассматривания предметов, находящихся вблизи. Так, если пчеле удалить или заклеить сложные глаза, то она ведет себя как слепая. Если же заклеиваются простые глаза, то кажется, что у насекомого замедленная реакция.

1,2 - Фасеточные (сложные) глаза пчелы или мухи
3 - три простых глаза пчелы или мухи

Пять глаз позволяют насекомым охватывать 360 градусов , то есть видеть все, что происходит спереди, с обоих боков и сзади. Может быть, поэтому к мухе так сложно подобраться незамеченным. А если учесть, что сложные глаза гораздо лучше видят движущийся предмет, чем неподвижный, то остается только удивляться, как у человека иногда все же получается прихлопнуть муху газетой!

Особенность насекомых с фасеточными глазами улавливать даже малейшее движение отображена в следующем примере: если пчелы и мухи усядутся вместе с людьми смотреть кинофильм, то им будет казаться, что двуногие зрители подолгу рассматривают один кадр, прежде чем перейти к рассматриванию следующего. Чтобы насекомые могли смотреть кино (а не отдельные кадры, наподобие фото), то пленку проектора нужно крутить в 10 раз быстрее.

Стоит ли завидовать глазам насекомых? Наверное, нет. К примеру, глаза мухи видят многое, но не способны к пристальному разглядыванию. Вот почему они обнаруживают пищу (каплю варенья, например), ползая по столу и буквально на нее натыкаясь. А пчелы из-за особенностей своего зрения не различают красный цвет - для них он черный, серый или синий.

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.

Каждый, кто хоть раз пытался прихлопнуть муху, прекрасно понимает, что задача эта не из легких. Одни списывают промахи на мгновенную реакцию мух, другие – на остроту ее зрения и панорамное видение. Надо сказать, что в равной степени правы и те, и другие. Летает муха действительно быстро, снимается с места – моментально, поэтому и поймать ее так сложно.

Но главная причина кроется как раз в зрении этого насекомого, а также в строении и количестве его глаз.

Расположены органы зрения мухи обыкновенной по бокам головы, где очень сложно не заметить огромные выпуклые глаза насекомого. Глаз этого насекомого обладает сложным строением и называется фасеточным (от французского слова fasette – грань). Дело в том, что орган зрения образован как раз из таких 6-гранных единиц – фасеток, внешне напоминающих по форме медовую соту (каждая такая часть глаза мухи отлично просматривается под микроскопом). Эти единицы называются омматидиями.

В глазу мухи находится около 4 тысяч таких фасеток, но это не предел: у многих других насекомых их гораздо больше. Например, у пчел – 5 000 фасеток, у некоторых бабочек – до 17 000, а у стрекоз количество омматидиев близится к 30 000.

Каждая из этих 4 тысяч фасеток способна видеть только маленькую часть от целого изображения, а в общую цельную картинку этот «пазл» собирает мозг насекомого.

Самый древний экземпляр мухи, возраст которой около 145 миллионов лет, нашли в Китае.

Как мухи видят

В среднем острота зрения мух превышает человеческие возможности в 3 раза.

Т. к. глаза мух крупные и выпуклые, состоящие из омматидиев (фасеток) со всех сторон поверхности глаза, то это строение спокойно позволяет насекомому видеть сразу во всех направлениях – в стороны, вверх, вперед и назад. Такое панорамное зрение (его еще называют круговым) и помогает мухе вовремя заметить опасность и ретироваться прочь сразу же, поэтому ее так сложно прихлопнуть. Более того, муха не просто физически способна видеть в разных направлениях сразу, но и целенаправленно смотреть вокруг, словно обозревая все пространство вокруг себя одновременно.

Именно многочисленные омматидии позволяют мухе следить за мелькающими и очень быстро движущимися предметами без потери четкости изображения. Условно говоря, если зрение человека способно улавливать 16 кадров в секунду, то муха – 250 -300 кадров/сек. Это качество необходимо мухам не только для улавливания движений со стороны, но и для ориентации и качественного видения при быстром полете.

Что касается цвета окружающих предметов – мухи видят не только основные цвета, но и тончайшие их оттенки, включая ультрафиолет, который человеку видеть природой не дано. Получается, что муха видит окружающий мир более радужным, нежели люди. Кстати, объем предметов эти насекомые тоже видят.

Количество глаз

Как уже говорилось, 2 больших фасеточных глаза расположены по бокам головы мух. У самок расположение органов зрения несколько расширено (разделено широким лбом), у самцов же глаза находятся немного ближе друг к другу.

Но на средней линии лба, за сложными фасеточными глазами, находятся еще 3 обычных (не фасеточных) глаза для дополнительного видения. Чаще всего они включаются в работу, когда надо рассмотреть предмет вблизи, т. к. сложный глаз с идеальным зрением в этом случае не так необходим. Получается, что всего у мух 5 глаз.

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.