Строение глаза змеи. Как устроено зрение змей. Как видят ракообразные

Справедливо говоря, змеи не так слепы, как принято считать. Их зрение сильно варьируется. Например, древесные змеи обладают достаточно острым зрением, а ведущие подземный образ жизни способны лишь отличить свет от тьмы. Но в массе своей они действительно подслеповаты. А в период линьки вообще могут во время охоты промахнуться. Это объясняется тем, что поверхность глаза у змеи покрыта прозрачной роговой оболочкой и в момент линьки также отделяется, и глаза мутнеют.

Однако недостаток зоркости змеи компенсируют органом тепловой чувствительности, позволяющим им отслеживать тепло, излучаемое добычей. А некоторые представители пресмыкающихся даже способны отследить направление источника тепла. Этот орган назвали термолокатором. По сути он позволяет змее «видеть» добычу в инфракрасном спектре и успешно охотиться даже ночью.

Слух змеи

В отношении слуха утверждение, что змеи глухих, справедливо. У них отсутствуют наружнее и среднее ухо и только внутреннее развито почти полностью.

Вместо органа слуха природа подарила змеям высокую вибрационную чувствительность. Поскольку они всем телом соприкасаются с землей, то очень остро ощущают малейшие вибрации. Впрочем, звуки змеи все-таки воспринимают, но в очень низком диапозоне частот.

Обоняние змеи

Главным органом чувств змей является их удивительно тонкое обоняние. Интересный нюанс: при погружении в воду или при зарывании в песок обе ноздри плотно закрываются. А что еще интересней - в процессе обоняния непосредственное участие принимает длинный раздвоенный на конце язык.

При сомкнутом рте он высовывается наружу через полукруглую вырезку в верхней челюсти, а во время глотания прячется в специальное мускульное влагалище. Частыми вибрациями языка змея захватывает микроскопические частицы пахучих веществ, словно берет пробу, и отправляет их в рот. Там она прижимает язык к двум ямкам на верхнем небе - органу Якобсона, который состоит из химически активных клеток. Именно этот орган сообщает змее химическую информацию о происходящем вокруг, помогая ей найти добычу или вовремя заметить хищника.

Необходимо отметить, что у змей, живущих в воде, язык столь же эффективно работает под водой.

Таким образом, змеи не используют язык для определения вкуса в прямом смысле. Он используется ими как дополнение к органу для определения запаха.

Мы ограниченны нашими собственными представлениями. Восприятие реальности происходит за счет функции различных органов, и лишь не многие понимают, что это довольно-таки ограниченное видение. Может быть мы видим очень тусклую версию истинной реальности, из-за того что органы чувств несовершенны. На самом деле мы не можем видеть мир, глазами других форм жизни. Но благодаря науке мы можем приблизиться к этому. Изучая, можно выявить, как построены глаза других животных и как они функционируют. Например, сравнивая с нашим зрением, выявляя число колбочек и палочек или формы их глаз или зрачков. И это, хоть как то приблизит к тому миру, не опознанному нами.

Как видят птицы

Птицы имеют четыре типа колбочек, или так называемых светочувствительных рецепторов, тогда как у человека только три. А область зрения достигает до 360%, если сравнить с человеком, то его равняется 168%. Это позволяет птицам визуализировать мир с совершенно другой точки зрения и гораздо насыщенней, чем восприятие человеческого зрения. Так же большинство птиц может видеть в ультрафиолетовом спектре. Необходимость в таком зрении возникает, когда они добывают себе пищу. Ягоды и другие плоды имеют восковое покрытие, которое отражает ультрафиолетовый цвет, делая их выделяющимися на фоне зеленой листвы. Некоторые насекомые также отражают ультрафиолетовый свет, давая птицам неоспоримое преимущество.

Слева - так видит наш мир птица, справа - человек.

Как видят насекомые

Насекомые имеют сложное строение глаза, состоящего из тысяч линз, образующих поверхность схожую с футбольным мячом; в котором каждая линза - это один «пиксель». Как и мы, насекомые имеют три светочувствительных рецепторов. Восприятие цвета у всех насекомых разное. Например, некоторые из них, бабочки и пчелы, могут видеть в ультрафиолетовом спектре, где длина световой волны варьируется между 700 hm и 1 мм. Способность видеть ультрафиолетовый цвет позволяет пчелам видеть узор на лепестках, который направляет их к пыльце. Красный - это единственная окраска, которая не воспринимается пчелами как цвет. Поэтому в природе редко встречаются цветы чисто красного цвета. Еще один удивительный факт - пчела не может закрывать глаза, и поэтому спит с открытыми глазами.

Слева - так видит наш мир пчела, справа - человек. А вы знали? У богомолов и стрекоз самое большое количество линз и эта цифра доходит до 30 000.

Как видят собаки

Полагаясь на устаревшие данные многие, до сих пор полагают, что собаки видят мир в черно-белых красках, однако это ошибочное мнение. Совсем недавно ученые обнаружили, что у собак цветное зрение, как и у человека, но оно отличается. Колбочек содержащихся в сетчатке глаза меньше, в сравнение с человеческим глазом. Именно они отвечают за цветовосприятие. Особенностью зрения является отсутствия колбочек распознающих красный цвет, поэтому они не могут различать оттенки между желто-зелеными и оранжево-красными цветами. Это схоже с дальтонизмом у людей. За счет большего количества палочек, собаки способны видеть в темноте в пять раз лучше, чем мы. Еще одной особенностью зрения является возможность определения дистанции, что очень помогает им в охоте. Но в близком расстоянии они видят расплывчато, им необходима дистанция 40 см для того, чтобы увидеть объект.

Сравнение, как видят собака и человек.

Как видят кошки

Кошки не могут сфокусироваться на мелких деталях, поэтому видят мир чуть размытым. Им намного проще воспринимать объект в движении. А вот мнения по поводу того, что кошки способны видеть в абсолютной темноте не нашел подтверждения исследованиями ученых, хотя в темноте они видят гораздо лучше, чем днем. Наличие у кошек третьего века помогает им пробираться сквозь кусты и траву во время охоты, оно смачивает поверхность и защищает от пыли и повреждений. Близко его можно рассмотреть, когда кошка полу дремлет и пленка выглядывает сквозь полузакрытые глаза. Еще одной особенностью кошачьего зрения является особенность различать цвета. Например, главные цвета - это голубой, зеленый, серый, а белый и желтый могут и путать.

Как видят змеи

Остротой зрения, как другие животные змеи не блещут, так как их глаза покрыты тонкой пленкой, из-за которой видимость получается мутной. Когда змея сбрасывает кожу, вместе с ней сходит пленка, что делает зрение змей в этот период особенно отчетливым и острым. Форма зрачка змеи может меняться в зависимости от образа охоты. Например, у ночных змей он вертикальный, а у дневных круглой формы. Самыми необычными глазами обладают плетевидные змеи. Их глаза напоминают чем-то замочную скважину. Из-за такого необычного строения глаз змея умело пользуется своим бинокулярным зрением - то есть каждый глаз формирует цельную картинку мира. Глаза змеи могут воспринимать инфракрасное излучение. Правда, они «видят» тепловое излучение не глазами, а специальными чувствительными к теплу органами.

Как видят ракообразные

Креветки и крабы, у которых тоже сложные глаза, имеют не до конца изученную особенность - они видят очень мелкие детали. Т.е. их зрение довольно грубое, и им тяжело что-либо рассмотреть на расстоянии больше 20 см. Однако они очень хорошо распознают движение.

Неизвестно, зачем раку-богомолу нужно превосходящее остальных ракообразных зрение, однако так оно развилось в процессе эволюции. Считается, что у раков-богомолов наиболее сложное цветовое восприятие - у них есть 12 типов зрительных рецепторов (у людей только 3). Эти зрительные рецепторы располагаются на 6 рядах разнообразных рецепторов-омматидий. Они позволяют раку воспринимать циркулярно-поляризованный свет, а также гиперспектральный цвет.

Как видят обезьяны

Цветовое зрение человекообразных обезьян трихроматическое. У дурукулей, ведущих ночую жизнь, монохроматическое - с таким лучше ориентироваться в темноте. Зрение обезьян определяется образом жизни, питанием. Обезьяны по цвету различают съедобное и несъедобное, узнают степень зрелости плодов и ягод, избегают ядовитых растений.

Как видят лошади и зебры

Лошади крупные животные, поэтому им необходимы широкие возможности органов зрения. У них превосходное периферическое зрение, которое позволяет им видеть почти все, что находиться вокруг. Вот почему их глаза направлены в стороны, а не прямо как у людей. Но это так же означает, что перед носом у них слепое пятно. И они всегда видят все из двух частей. Зебры и лошади видят ночью лучше, чем человек, но видят они в основном в серых оттенках.

Как видят рыбы

Каждый вид рыб видит по-разному. Вот, например акулы. Кажется, что глаз акулы очень похож на человеческий, но действует он совершенно по-другому. Акулы не различают цвета. У акулы есть дополнительный отражающий слой за сетчаткой глаза, благодаря чему она обладает невероятной остротой зрения. Акула видит в 10 раз лучше человека в чистой воде.

Говоря в целом о рыбах. В основном рыбы не способны видеть дальше 12 метров. Различать объекты они начинают на расстоянии двух метров от них. У рыб о отсутствуют веки, но тем не менее, они защищены специальной пленкой. Еще одна из особенностей зрения - способность видеть за пределами воды. Поэтому рыболовам не рекомендуется надевать яркой одежды, которая может вспугнуть.

Введение...............................................................................................................3

1. Способов видеть много — все зависит от целей..........................................4

2. Рептилии. Общие сведения.............................................................................8

3. Органы инфракрасного зрения змей.............................................................12

4. «Тепловидящие» змеи....................................................................................17

5. Змеи поражают добычу вслепую...................................................................20

Заключение..........................................................................................................22

Список литературы.............................................................................................24

Введение

Вы уверены, что окружающий мир выглядит именно так, каким он предстает нашему взгляду? А вот животные видят его совсем иначе.

Роговица и хрусталик у человека и высших животных устроены одинаково. Схоже и устройство сетчатки. Она содержит чувствительные к свету колбочки и палочки. Колбочки отвечают за цветовое зрение, палочки — за зрение в темноте.

Глаз — удивительный орган человеческого организма, живой оптический прибор. Благодаря ему мы видим днем и ночью, различаем цвета и объем изображения. Глаз устроен как фотокамера. Его роговица и хрусталик, как объектив, преломляют и фокусируют свет. Выстилающая глазное дно сетчатка выступает в роли чувствительной фотопленки. Она состоит из особых световоспринимающих элементов — колбочек и палочек.

А как устроены глаза наших «братьев меньших»? У животных, которые охотятся ночью, в сетчатке больше палочек. У тех представителей фауны, которые ночью предпочитают спать, в сетчатке одни колбочки. Самые зоркие в природе — дневные животные и птицы. Это и понятно: без острого зрения они просто не выживут. Но и у ведущих ночной образ жизни животных есть свои преимущества: даже при минимальном освещении они замечают малейшие, почти неуловимые движения.

В целом люди видят четче и лучше большинства животных. Дело в том, что в глазу человека имеется так называемое желтое пятно. Оно расположено в центре сетчатки на оптической оси глаза и содержит только колбочки. На них попадают лучи света, которые меньше всего искажаются, проходя через роговицу и хрусталик.

«Желтое пятно» — специфическая особенность зрительного аппарата человека, все остальные виды его лишены. Именно из-за отсутствия этого важного приспособления собаки и кошки видят хуже нас.

1. Способов видеть много — все зависит от целей

Каждый вид в результате эволюции развил свои зрительные способности настолько, насколько это требуется для его среды обитания и образа жизни. Если понимать это, можно сказать, что у всех живых организмов зрение по-своему «идеальное».

Человек под водой видит плохо, а у рыбы глаза устроены так, что она, не меняя позиции, различает предметы, которые для нас остаются «за бортом» зрения. У донных рыб, например камбалы и сома, глаза расположены в верхней части головы, чтобы видеть врагов и добычу, которые обычно появляются сверху. Кстати, глаза рыбы могут поворачиваться в разные стороны независимо друг от друга. Зорче других видят под водой хищные рыбы, а также обитатели глубин, питающиеся мельчайшими существами — планктоном и донными организмами.

Зрение животных приспособлено к привычной среде. Кроты, например, подслеповаты — они видят только вблизи. Но другое зрение в полной темноте их подземных нор и не нужно. Мухи и другие насекомые плохо различают очертания предметов, зато за одну секунду способны зафиксировать большое число отдельных «картинок». Около 200 по сравнению с 18 у человека! Поэтому мимолетное движение, которое мы воспринимаем как едва уловимое, для мухи «раскладывается» на множество единичных образов — словно кадры на кинопленке. Благодаря этому свойству насекомые моментально ориентируются, когда им нужно ловить на лету свою жертву или спасаться от врагов (включая людей с газетой в руке).

Глаза насекомых — одно из самых удивительных творений природы. Они хорошо развиты и занимают большую часть поверхности головы насекомого. Состоят из двух типов — простых и сложных. Простых глаз обычно три, и расположены они на лбу в виде треугольника. Они различают свет и темноту, а когда насекомое летит, следят за линией горизонта.

Сложные глаза состоят из множества маленьких глазков (фасеток), имеющих вид выпуклых шестигранников. Каждый такой глаз оснащен своеобразной простейшей линзой. Сложные глаза дают мозаичное изображение — в каждую фасетку «вмещается» лишь фрагмент попавшего в поле зрения объекта.

Интересно, что у многих насекомых в сложных глазах отдельные фасетки увеличены. А их место расположения зависит от образа жизни насекомого. Если его больше «интересует», что происходит над ним, самые большие фасетки находятся в верхней части сложного глаза, а если под ним — в нижней. Ученые не раз пытались понять, что именно видят насекомые. Действительно ли окружающий мир предстает перед их взором в виде волшебной мозаики? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет.

Особенно много опытов проводилось с пчелами. В ходе экспериментов выяснилось, что зрение этим насекомым нужно для ориентации в пространстве, распознавания врагов и общения с другими пчелами. В темноте пчелы не видят (и не летают). Зато они очень хорошо различают некоторые цвета: желтый, синий, голубовато-зеленый, фиолетовый и еще специфический «пчелиный». Последний — это результат «смешения» ультрафиолетового, синего и желтого. В целом остротой своего зрения пчелы вполне могут конкурировать с людьми.

Ну а как же обходятся существа, у которых очень слабое зрение или те, кто вовсе им обделен? Как они ориентируются в пространстве? Некоторые тоже «видят» — только не глазами. У простейших беспозвоночных и медуз, состоящих на 99 процентов из воды, имеются чувствительные к свету клетки, отлично заменяющие им привычные зрительные органы.

Зрение представителей фауны, населяющих нашу планету, хранит еще много удивительных тайн, и они ждут своих исследователей. Но ясно одно: все разнообразие глаз в живой природе — результат долгой эволюции каждого вида и тесным образом связано с его образом жизни и средой обитания.

Люди

Мы четко видим предметы вблизи и различаем тончайшие оттенки цветов. В центре сетчатки расположены колбочки «желтого пятна», отвечающие за остроту зрения и восприятие цвета. Обзор — 115—200 градусов.

На сетчатке нашего глаза изображение фиксируется в перевернутом виде. Но наш мозг корректирует картинку и преобразует ее в «правильную»

Кошки

Широко посаженные кошачьи глаза дают обзор в 240 градусов. Сетчатка глаза в основном снабжена палочками, колбочки собраны в центре ретины (области острого зрения). Ночное зрение лучше дневного. В темноте кошка видит в 10 раз лучше нас. Ее зрачки расширяются, а находящийся под сетчаткой отражающий слой обостряет зрение. А цвета кошка различает плохо — всего несколько оттенков.

Собаки

Долгое время считалось, что собака видит мир черно-белым. Однако псовые всё же различают цвета. Просто эта информация не слишком значима для них.

Зрение у псовых на 20-40% хуже, чем у человека. Объект, который мы различаем на расстоянии 20 метров, для собаки «исчезает», если он отдален больше чем на 5 метров. Зато ночное зрение отличное — в три-четыре раза лучше, чем у нас. Собака — ночной охотник: она далеко видит во тьме. В темноте собака сторожевой породы способна разглядеть движущийся объект на расстоянии 800-900 метров. Обзор — 250—270 градусов.

Птицы

Пернатые — рекордсмены по остроте зрения Они хорошо различают цвета. У большинства хищных птиц острота зрения в несколько раз выше, чем у человека. Ястребы и орлы замечают движущуюся добычу с высоты двух километров. От внимания парящего на высоте 200 метров ястреба не ускользает ни одна деталь. Его глаза «увеличивают» центральную часть изображения в 2,5 раза. У человеческого глаза нет такого «увеличителя»: чем выше мы находимся, тем хуже видим то, что внизу.

Змеи

У змеи нет век. Ее глаз покрыт прозрачной оболочкой, которую при линьке заменяет новая. Взгляд змея фокусирует, меняя форму хрусталика.

Большинство змей различают цвета, но контуры изображения расплываются. Змея главным образом реагирует на движущийся объект, да и то, если он рядом. Стоит жертве пошевельнуться, и рептилия обнаруживает ее. Если вы замрете, змея вас не увидит. Но может атаковать. Расположенные возле глаз змеи рецепторы улавливают тепло, исходящее от живого существа.

Рыбы

Глаз у рыбы — с шарообразным хрусталиком, который не меняет форму. Чтобы сфокусировать взгляд, рыба приближает или удаляет хрусталик от сетчатки глаза с помощью особых мышц.

В прозрачной воде рыба видит в среднем на 10-12 метров, а четко — на расстоянии 1,5 метра. Зато угол зрения необычайно велик. Рыбы фиксируют предметы в зоне 150 градусов по вертикали и 170 градусов по горизонтали. Они различают цвета и воспринимают инфракрасное излучение.

Пчелы

«Пчелы дневного видения»: на что глядеть ночью в улье?

Глаз пчелы улавливает ультрафиолетовое излучение. Другую пчелу она видит в лиловом цвете и будто через «сжавшую» изображение оптику.

Глаз пчелы состоит из 3 простых и 2 сложных фасеточных глазков. Сложные во время полета различают движущиеся предметы и очертания неподвижных. Простые — определяют степень интенсивности света. Ночного зрения у пчел нет»: на что глядеть ночью в улье?

2. Рептилии. Общие сведения

У рептилий плохая репутация и мало друзей среди людей. Существует множество недоразумений, связанных с их телом и образом жизни и сохранившихся до наших дней. Действительно, само слово “рептилия” означает “животное, которое пресмыкается” и словно напоминает о распространенном представлении о них, в особенности, о змеях как об отвратительных созданиях. Несмотря на сложившийся стереотип, не все змеи ядовиты и многие рептилии играют существенную роль в регулировании численности насекомых и грызунов.

Большинство рептилий - хищники, обладающие хорошо развитой сенсорной системой, помогающей находить добычу и избегать опасности. У них отменное зрение, а змеи, кроме того, имеют специфическую способность фокусировать свой взгляд, изменяя форму хрусталика. Рептилии, ведущие ночной образ жизни, как, например, гекконы, видят все черно-белым, но большинство других имеет хорошее цветное зрение.

Слух для большинства рептилий не имеет особой важности, и внутренние структуры уха обычно слабо развиты. У большинства отсутствует и наружное ухо, исключая барабанную перепонку, или “тимпанум”, которая воспринимает колебания, передаваемые по воздуху; от барабанной перепонки они передаются через косточки внутреннего уха к мозгу. Змеи наружного уха не имеют и могут воспринимать только те колебания, которые передаются по земле.

Рептилий характеризуют как холоднокровных животных, но это не вполне точно. Температура их тела в основном определяется окружающей средой, но во многих случаях они могут ее регулировать и при необходимости поддерживать на более высоком уровне. Некоторые виды способны генерировать и удерживать тепло внутри собственных тканей тела. Холодная кровь имеет некоторые преимущества по сравнению с теплой. Млекопитающим необходимо поддерживать температуру тела на постоянном уровне в очень узких пределах. Для этого им постоянно требуется пища. Рептилии, наоборот, очень хорошо переносят понижение температуры тела; ее жизненный интервал у них намного шире, чем у птиц и млекопитающих. Поэтому они способны заселять такие места, которые для млекопитающих не пригодны, например, пустыни.

Однажды наевшись, они могут переваривать пищу в состоянии покоя. У некоторых самых крупных видов между приемами пищи может проходить несколько месяцев. Крупные млекопитающие не выжили бы при таком режиме питания.

По-видимому, из рептилий только у ящериц хорошо развито зрение, так как многие из них охотятся на быстро передвигающуюся добычу. Водные рептилии в большей степени полагаются на такие органы чувств, как обоняние и слух, когда выслеживают добычу, находят себе супруга или определяют приближение врага. Зрение у них выполняет подсобную роль и действует только на близком расстоянии, зрительные образы расплывчаты, отсутствует способность долго фокусироваться на неподвижных предметах. У большинства змей зрение довольно слабое, способное обычно регистрировать только движущиеся объекты, находящиеся поблизости. Реакция оцепенения у лягушек, когда к ним приближается, например, уж, является хорошим защитным механизмом, так как змея не догадается о присутствии лягушки, пока та не сделает резкого движения. Если же такое произойдет, то зрительные рефлексы позволят змее быстро расправиться с ней. Только древесные змеи, которые обвиваются вокруг веток и хватают птиц и насекомых на лету, имеют хорошее бинокулярное зрение.

У змей система органов чувств иная, чем у других имеющих слух рептилий. По-видимому, они не слышат совсем, так что звуки дудочки заклинателя змей для них недоступны, они входят в состояние транса от движений этой дудочки из стороны в сторону. Они не имеют наружного уха и барабанной перепонки, но, возможно, способны улавливать некоторые очень низкочастотные вибрации, используя в качестве органов чувств легкие. В основном змеи обнаруживают добычу или приближающегося хищника по колебаниям земли или другой поверхности, на которой они находятся. Тело змеи, целиком находящееся в контакте с землей, действует как один большой детектор колебаний.

Некоторые виды змей, в том числе гремучие и ямкоголовые, обнаруживают добычу по инфракрасному излучению ее тела. Под глазами у них имеются чувствительные клетки, определяющие малейшие изменения температуры вплоть до долей градуса и, таким образом, ориентирующие змей на местонахождение жертвы. Некоторые удавы также имеют чувствительные органы (на губах вдоль ротового отверстия), способные фиксировать изменения температуры, но они менее чувствительны, чем у гремучих и ямкоголовых змей.

Для змей очень важны чувства вкуса и обоняния. Дрожащий раздвоенный змеиный язык, который некоторые люди считают «змеиным жалом», в действительности собирает быстро исчезающие в воздухе следы различных веществ и переносит их к чувствительным углублениям на внутренней поверхности рта. На небе находится специальное устройство (орган Якобсона), которое связано с мозгом ответвлением обонятельного нерва. Постоянное выпускание и втягивание язычка является эффективным методом отбора проб воздуха на важные химические компоненты. При втягивании язык оказывается рядом с органом Якобсона, и его нервные окончания определяют эти вещества. У других рептилий большую роль играет чувство обоняния, и та часть мозга, которая отвечает за эту функцию, развита очень хорошо. Органы вкуса обычно развиты меньше. Как и у змей, орган Якобсона, используется для обнаружения в воздухе (у некоторых видов - с помощью языка) частичек, несущих ощущение запаха.

Многие рептилии живут в очень сухих местах, так что сохранение воды в теле для них очень важно. Ящерицы и змеи сохраняют воду лучше всех, но вовсе не благодаря чешуйчатой коже. Через кожу они теряют почти столько же влаги, сколько птицы и млекопитающие.

В то время как у млекопитающих высокая частота дыхания приводит к большому испарению с поверхности легких, у рептилий частота дыхания намного меньше и, соответственно, через ткани легких потеря воды минимальная. Многие виды рептилий снабжены железами, способными очищать кровь и ткани тела от солей, выделяя их в форме кристаллов, снижая этим потребность отделения больших объемов мочи. Другие нежелательные соли в крови превращаются в мочевую кислоту, которая может удаляться из организма с минимальным количеством воды.

Яйца рептилий содержат все необходимое для развивающегося зародыша. Это запас пищи в виде крупного желтка, воды, которая содержится в белке, и многослойная защитная оболочка, которая не пропускает опасных бактерий, но пропускает воздух для дыхания.

Внутренняя оболочка (амнион), непосредственно окружающая эмбрион, аналогична такой же оболочке у птиц и млекопитающих. Аллантоисом называется более мощная мембрана, действующая как легкие и орган выделения. Она обеспечивает проникновение кислорода и выход отработанных веществ. Хорион - оболочка, окружающая все содержимое яйца. Наружная скорлупа у ящериц и змей кожистая, но у черепах и крокодилов она более твердая и кальцинированная, как яичная скорлупа у птиц.

4. Органы инфракрасного зрения змей

Инфракрасное зрение змей требует нелокальной обработки изображений

Органы, позволяющие змеям «видеть» тепловое излучение, дают крайне расплывчатое изображение. Тем не менее у змеи в мозгу формируется четкая тепловая картина окружающего мира. Немецкие исследователи выяснили, как такое может быть.

Некоторые виды змей обладают уникальной способностью улавливать тепловое излучение, позволяющей им разглядывать" окружающий мир в абсолютной темноте. Правда, они «видят» тепловое излучение не глазами, а специальными чувствительными к теплу органами.

Строение такого органа очень просто. Рядом с каждым глазом располагается отверстие диаметром около миллиметра, которое ведет в небольшую полость примерно такого же размера. На стенках полости расположена мембрана, содержащая матрицу из клеток-терморецепторов размером примерно 40 на 40 клеток. В отличие от палочек и колбочек сетчатки глаза, эти клетки реагируют не на «яркость света» тепловых лучей, а на локальную температуру мембраны.

Этот орган работает как камера-обскура, прототип фотоаппаратов. Мелкое теплокровное животное на холодном фоне испускает во все стороны «тепловые лучи» — далекое инфракрасное излучение с длиной волны примерно 10 микрон. Проходя через дырочку, эти лучи локально нагревают мембрану и создают «тепловое изображение». Благодаря высочайшей чувствительности клеток-рецепторов (детектируется разница температур в тысячные доли градуса Цельсия!) и неплохому угловому разрешению, змея может заметить мышь в абсолютной темноте с довольно большого расстояния.

С точки зрения физики как раз хорошее угловое разрешение и представляет собой загадку. Природа оптимизировала этот орган так, чтобы лучше «видеть» даже слабые источники тепла, то есть попросту увеличила размер входного отверстия — апертуры. Но чем больше апертура, тем более размытое получается изображение (речь идет, подчеркнем, про самое обычное отверстие, безо всяких линз). В ситуации со змеями, где апертура и глубина камеры примерно равны, изображение оказывается настолько размытым, что из него ничего, кроме «где-то поблизости есть теплокровное животное», извлечь нельзя. Тем не менее опыты со змеями показывают, что они могут определять направление на точечный источник тепла с точностью около 5 градусов! Как же змеям удается достичь столь высокого пространственного разрешения при таком ужасном качестве «инфракрасной оптики»?

Изучению именно этого вопроса была посвящена недавняя статья немецких физиков A. B. Sichert, P. Friedel, J. Leo van Hemmen, Physical Review Letters, 97, 068105 (9 August 2006).

Раз реальное «тепловое изображение», говорят авторы, сильно размыто, а «пространственная картина», возникающая у животного в мозгу, довольно четкая, значит существует некий промежуточный нейроаппарат на пути от рецепторов к мозгу, который как бы настраивает резкость изображения. Этот аппарат не должен быть слишком сложным, иначе змея очень долго «обдумывала» бы каждое полученное изображение и реагировала бы на стимулы с запаздыванием. Более того, по мнению авторов этот аппарат вряд ли использует многоступенчатые итеративные отображения, а является, скорее, каким-то быстрым одношаговым преобразователем, работающим по навсегда зашитой в нервную систему программе.

В своей работе исследователи доказали, что такая процедура возможна и вполне реальна. Они провели математическое моделирование того, как возникает «тепловое изображение», и разработали оптимальный алгоритм многократного улучшения его четкости, окрестив его «виртуальной линзой».

Несмотря на громкое название, использованный ими подход, конечно, не является чем-то принципиально новым, а всего лишь разновидность деконволюции — восстановления изображения, испорченного неидеальностью детектора. Это процедура, обратная смазыванию картинки, и она широко применяется при компьютерной обработке изображений.

В проведенном анализе, правда, был важный нюанс: закон деконволюции не требовалось угадывать, его можно было вычислить исходя из геометрии чувствительной полости. Иными словами, было заранее известно, какое конкретно изображение даст точечный источник света в любом направлении. Благодаря этому совершенно размытое изображение можно было восстановить с очень хорошей точностью (обычные графические редакторы со стандартным законом деконволюции с этой задачей бы и близко не справились). Авторы предложили также конкретную нейрофизиологическую реализацию этого преобразования.

Сказала ли эта работа какое-то новое слово в теории обработки изображений — вопрос спорный. Однако она, несомненно, привела к неожиданным выводам касательно нейрофизиологии «инфракрасного зрения» у змей. Действительно, локальный механизм «обычного» зрения (каждый зрительный нейрон снимает информацию со своей маленькой области на сетчатке) кажется столь естественным, что трудно представить что-то сильно иное. А ведь если змеи действительно используют описанную процедуру деконволюции, то каждый нейрон, дающий свой вклад в цельную картину окружающего мира в мозгу, получает данные вовсе не из точки, а из целого кольца рецепторов, проходящего по всей мембране. Можно только удивляться, как природа умудрилась сконструировать такое «нелокальное зрение», компенсирующее дефекты инфракрасной оптики нетривиальными математическими преобразованиями сигнала.

Инфракрасные детекторы, конечно, трудно отличить от терморецепторов, рассмотренных выше. Тепловой детектор клопов Triatoma мог бы быть рассмотрен и в этом разделе. Тем не менее, некоторые терморецепторы настолько специализировались в детектировании удаленных источников тепла и определении направления на них, что стоит рассмотреть их отдельно. Наиболее известны из них лицевые и губные ямки некоторых змей. Первые указания на то, что у семейства ложноногих змей Boidae (удавы, питоны и т.д.) и подсемейства ямкоголовых змеи Crotalinae (гремучие змеи, в т.ч. настоящие гремучники Crotalus и бушмейстер (или сурукуку) Lachesis) имеются инфракрасные сенсоры, были получены из анализа их поведения при поиске жертв и определении направления атаки. Инфракрасное детектирование используется также для обороны или бегства, которое вызывается появлением излучающего тепло хищника. Впоследствии электрофизиологическая исследования тройничного нерва, иннервирующего губные ямки ложноногих змей и лицевые ямки ямкоголовых змей (между глазами и ноздрями) , подтвердили, что эти углубления действительно содержат инфракрасные рецепторы. Инфракрасное излучение представляет собой адекватный стимул для этих рецепторов, хотя ответ может генерироваться и при омывании ямки теплой водой.

Гистологические исследования показали, что ямки содержат не специализированные рецепторные клетки, а немиелинизированные окончания тройничного нерва, образующие широкое не перекрывающееся ветвление.

В ямках и ложноногих, и ямкоголовых змей поверхность дна ямки реагирует на инфракрасное излучение, причем реакция зависит от расположения источника излучения по отношению к краю ямки.

Активация рецепторов и у ложноногих, и у ямкоголовых змей требует изменения потока инфракрасного излучения. Это может достигаться либо в результате движения излучающего тепло объекта в "поле зрения" относительно более холодного окружения, либо при сканирующем движении головы змеи.

Чувствительность достаточна для обнаружения потока излучения от руки человека, перемещающейся в "поле зрения" на расстоянии 40 - 50 см, из чего следует, что пороговый стимул составляет менее 8 х 10-5 Вт/см2. Исходя из этого, повышение температуры, детектируемое рецепторами, составляет порядка 0,005оС (т.е. примерно на порядок лучше, чем способность человека к детектированию изменений температуры).

5. "Тепловидящие" змеи

Проведенные в 30-х годах XX векаучеными эксперименты с гремучими и родственными им ямкоголовыми змеями (кроталидами) показали, что змеи действительно могут как бы видеть тепло, испускаемое пламенем. Рептилии оказались способными обнаруживать на большом расстоянии едва уловимое тепло, испускаемое нагретыми предметами, или, иначе говоря, они были способны чувствовать инфракрасное излучение, длинные волны которого невидимы для человека. Способность ямкоголовых змей чувствовать тепло настолько велика, что они могут на значительном расстоянии уловить тепло, излучаемое крысой. Датчики тепла находятся у змей в небольших ямках на морде, откуда и их название - ямкоголовые. В каждой небольшой, расположенное между глазами и ноздрями, направленной вперед ямке имеется крошечное, как булавочный укол, отверстие. На дне этих отверстий расположена мембрана, сходная строением с сетчаткой глаза, содержащая мельчайшие терморецепторы в количества 500-1500 на квадратный миллиметр. Терморецепторы 7000 нервных окончаний соединены с ветвью тройничного нерва, расположенной на голове и морде. Поскольку зоны чувствительности обеих ямок перекрываются, ямкоголовая змея может воспринимать тепло стереоскопически. Стереоскопическое восприятие тепла позволяет змее, улавливая инфракрасные волны, не только находить добычу, но и оценивать расстояние до нее. Фантастическая тепловая чувствительность сочетается у ямкоголовых змей с быстрой реакцией, позволяющей змеям моментально, менее чем за 35 миллисекунд, реагировать на тепловой сигнал. Не удивительно, что обладающие такой реакцией змеи очень опасны.

Способность улавливать инфракрасное излучение дает ямкоголовым змеям значительные возможности. Они могут охотиться ночью и преследовать основную свою добычу - грызунов в их подземных норах. Хотя у этих змей имеется высокоразвитое обоняние, которое они также используют для поиска добычи, их смертоносный бросок направляется теплочувствительными ямками и дополнительными терморецепторами, расположенными внутри пасти.

Хотя инфракрасное чутье у других групп змей изучено хуже, известно, что удавы и питоны также имеют термочувствительные органы. Вместо ямок эти змеи имеют более 13 пар терморецепторов, расположенных вокруг губ.

В глубинах океана царит мрак. Туда не доходит свет солнца, и там мерцает только свет, испускаемый глубоководными обитателями моря. Как светлячки на суше, эти создания снабжены органами, генерирующими свет.

Обладающий огромной пастью черный малакост (Маlасоsteus niger) живет в полной темноте на глубинах от 915 до 1830 м и является хищником. Как же он может охотиться в полной темноте?

Малакост способен видеть так называемый дальний красный свет. Световые волны в красной части так называемого видимого спектра имеют наибольшую длину волны, около 0,73-0,8 микрометра. Хотя этот свет невидим для человеческого глаза, его видят некоторые рыбы, в том числе черный малакост.

По бокам глаз малакоста находится пара биолюминесцентных органов, испускающих сине-зеленый свет. Большинство других биолюминесцирующих созданий в этом царстве тьмы также испускают голубоватый свет и имеют глаза, чувствительные к волнам голубой области видимого спектра.

Вторая пара биолюминесцентных органов черного малакоста расположена ниже его глаз и дает дальний красный свет, который невидим остальным, живущим в глубинах океана. Эти органы дают черному малакосту преимущество перед соперниками, так как испускаемый им свет помогает ему увидеть добычу и позволяет поддерживать связь с другими особями своего вида, не выдавая своего присутствия.

Но каким же образом черный малакост видит дальний красный свет? Согласно поговорке "Ты есть то, что ты ешь", он действительно получает эту возможность, поедая крошечных веслоногих рачков - копепод, которые, в свою очередь, питаются бактериями, поглощающими дальний красный свет. В 1998 году группой ученых из Великобритании, в состав которой входили доктор Джулиан Партридж и доктор Рон Дуглас, было обнаружено, что сетчатка глаз черного малакоста содержит модифицированный вариант бактериального хлорофилла - фотопигмента, способного улавливать лучи дальнего красного света.

Благодаря дальнему красному свету некоторые рыбы могут видеть в воде, которая нам показалась бы черной. Кровожадная пиранья в мутных водах Амазонки, например, воспринимает воду как темно-красную, цвет более проницаемый, чем черный. Вода выглядит красной из-за частиц растительности красного цвета, которые поглощают лучи видимого спектра. Только лучи дальнего красного света проходят сквозь мутную воду, и их может видеть пиранья. Инфракрасные лучи позволяют ей видеть добычу, даже если она охотится в полной темноте.Так же как у пираньи, у карасей в их естественных местах обитания пресная вода часто бывает мутной, переполненной растительностью. И они адаптируются к этому, имея способность различать дальний красный свет. Действительно, их визуальный ряд (уровень) превышает таковой пираньи, так как они могут видеть не только в дальнем красном, но и в настоящем инфракрасном свете. Так что ваша любимая домашняя золотая рыбка может разглядеть гораздо больше, чем вы думаете, включая "невидимые" инфракрасные лучи, испускаемые обычными бытовыми электронными приспособлениями, такими, как телевизионный пульт и пучок лучей охранной сигнальной системы.

5. Змеи поражают добычу вслепую

Известно, что многие виды змей даже будучи лишенными зрения способны поражать свои жертвы со сверхъестественной точностью.

Рудиментарность их тепловых сенсоров не дает оснований утверждать, что одна только способность воспринимать тепловое излучение жертв может объяснить эти удивительные способности. Исследование ученых из Мюнхенского технического университета показывает, что, вероятно, все дело в наличии у змей уникальной «технологии» обработки визуальной информации, сообщает Newscientist.

Многие змеи обладают чувствительными детекторами инфракрасных лучей, что помогает им ориентироваться в пространстве. В лабораторных условиях змеям заклеивали глаза пластырем, и оказалось, что они способны поразить крысу мгновенным ударом ядовитых зубов в область шеи жертвы или за ушами. Такая точность не может объясняться только способностью змеи видеть тепловое пятно. Очевидно, все дело в способности змей каким-то образом обрабатывать инфракрасное изображение и «чистить» его от помех.

Ученые разработали модель, в которой учитываются и фильтруются как тепловые «шумы», исходящие от движущейся добычи, так и любые ошибки, связанные с функционированием самой мембраны-детектора. В модели сигнал от каждого из 2 тысяч тепловых рецепторов вызывает возбуждение своего нейрона, но интенсивность этого возбуждения зависит от входа на каждую из остальных нервных клеток. Интегрируя в модели сигналы от взаимодействующих рецепторов, ученым удалось получить очень четкие тепловые изображения даже при высоком уровне посторонних шумов. Но даже сравнительно малые погрешности, связанные с работой мембран-детекторов, могут полностью разрушить изображение. Для минимизации таких погрешностей толщина мембраны не должна превышать 15 микрометров. И оказалось, что мембраны ямкоголовых змей имеют именно такую толщину, рассказывает cnews.ru.

Таким образом, ученым удалось доказать удивительную способность змей обрабатывать даже изображения, весьма далекие от совершенства. Теперь дело за подтверждением модели исследованиями реальных змей.

Заключение

Известно, что многие виды змей (в частности из группы ямкоголовых), даже будучи лишенными зрения, способны поражать свои жертвы со сверхъестественной «точностью». Рудиментарность их тепловых сенсоров не дает оснований утверждать, что одна только способность воспринимать тепловое излучение жертв может объяснить эти удивительные способности. Исследование ученых из Мюнхенского технического университета показывает, что, возможно, все дело в наличии у змей уникальной «технологии» обработки визуальной информации, сообщает Newscientist.

Известно, что многие змеи обладают чувствительными детекторами инфракрасных лучей, которые помогают им ориентироваться в пространстве и обнаруживать добычу. В лабораторных условиях змей временно лишали зрения, заклеивая их глаза пластырем, и оказалось, что они способны поразить крысу мгновенным ударом ядовитых зубов, направленным в область шеи жертвы, за ушами - там, где крыса не способна дать отпор при помощи своих острых резцов. Такая точность не может объясняться лишь способностью змеи видеть расплывчатое тепловое пятно.

По бокам передней части головы у ямкоголовых змей имеются углубления (которые и дали название этой группе), в которых расположены чувствительные к теплу мембраны. Как же «фокусируется» тепловая мембрана? Предполагалось, что этот орган работает по принципу камеры-обскуры. Однако для реализации этого принципа диаметр отверстий слишком велик, и в результате можно получить только очень расплывчатое изображение, не способное обеспечить уникальную точность змеиного броска. Очевидно, все дело в способности змей каким-то образом обрабатывать инфракрасное изображение и «чистить» его от помех.

Ученые разработали модель, в которой учитываются и фильтруются как тепловые «шумы», исходящие от движущейся добычи, так и любые ошибки, связанные с функционированием самой мембраны-детектора. В модели сигнал от каждого из 2 тысяч тепловых рецепторов вызывает возбуждение своего нейрона, но интенсивность этого возбуждения зависит от входа на каждую из остальных нервных клеток. Интегрируя в модели сигналы от взаимодействующих рецепторов, ученым удалось получить очень четкие тепловые изображения даже при высоком уровне посторонних шумов. Но даже сравнительно малые погрешности, связанные с работой мембран-детекторов, могут полностью разрушить изображение. Для минимизации таких погрешностей толщина мембраны не должна превышать 15 микрометров. И оказалось, что мембраны ямкоголовых змей имеют именно такую толщину.

Таким образом, ученым удалось доказать удивительную способность змей обрабатывать даже изображения, весьма далекие от совершенства. Осталось только подтвердить модель исследованиями реальных, а не «виртуальных», змей.

Список литературы

1. Анфимова М.И. Змеи в природе. - М, 2005. - 355 с.

2. Васильев К.Ю. Зрение рептилий. - М, 2007. - 190 с.

3. Яцков П.П. Змеиная порода. - Спб, 2006. - 166 с.

Глаза рептилий свидетельствуют об их образе жизни. У разных видов мы наблюдаем своеобразное строение органов зрения. Чтобы защитить глаза, одни " плачут", другие - имеют веки, а третьи - " носят очки ".
Зрение рептилий , как и разнообразие видов, очень разное. От того, как расположены глаза на голове рептилии, в наибольшей степени зависит, сколько животное видит. Когда глаза посажены по обеим сторонам головы, поля зрения глаз не пересекаются. Такие животные хорошо видят все, что происходит по обе стороны от них, однако пространственное зрение у них сильно ограничен (они не могут видеть один и тот же предмет обоими глазами). Когда глаза рептилии посажены спереди головы, животное может видеть один и тот же предмет обоими глазами. Такое положение глаз помогает пресмыкающимся точнее определить местонахождение добычи и расстояние до нее. В сухопутных черепах и многих ящериц глаза посажены по обеим сторонам головы, поэтому они хорошо видят все, что их окружает. В Каймановы черепахи отличное пространственное зрение, поскольку ее глаза посажены спереди головы. Глаза хамелеонов, как пушки в защитных башнях, могут вращаться независимо на 180 ° в горизонтальной плоскости и на 90 ° по вертикали - они видят позади себя.

Как змеи проявляют источник тепла .
Важнейший орган чувств змеи - язык в сочетании с органом Якобсона. Однако пресмыкающиеся имеют и другие приспособления, необходимые для успешной охоты. Для того чтобы выявить добычу, змеям нужны не только глаза. Некоторые змеи могут воспринимать тепло, излучаемое телом животного.
Ямкоголовые змеи, к которым относится настоящие гримучника, получили свое название благодаря тому, что они имеют парный орган чувств, в виде лицевых ямок, расположенных между ноздрями и глазом. С помощью этого органа змеи могут почувствовать теплокровных животных по разнице температур его тела и внешней среды с точностью до 0,2 ° С. Размер этого органа - всего несколько миллиметров, однако он может улавливать инфракрасные лучи, излучаемые потенциальной добычей, и передавать полученную информацию через нервные окончания в мозг. Мозг воспринимает эту информацию, анализирует ее, поэтому змея имеет четкое представление о том, какая добыча встретилась ей на пути и где именно она находится. Различные виды рептилий очень по - разному видят и воспринимают окружающий мир. Поле зрения, его выразительность и способность различать цвета зависят от того, как у животного посаженные глаза, от формы зрачков, а также от количества и разновидности светочувствительных клеток. У пресмыкающихся зрение связан и с образом жизни.
Цветное зрение
Многие из ящериц могут прекрасно различать цвета, которые для них является важным средством общения. Некоторые из них на черном фоне распознают алых ядовитых насекомых. В сетчатке глаз дневных ящериц есть специальные элементы цветного зрения - колбы. Гигантские черепахи различают цвета, некоторые из них особенно хорошо реагируют на красный свет. Думают, что они даже способны видеть инфракрасный свет, которое человеческий глаз не различает. Крокодилы и змеи не различают цвета.
Американские ночные ящерицы реагируют не только на форму, но и на цвет. Однако их сетчатка содержит все же больше палочек, чем колбочек.
Зрение рептилии
К классу рептилий, или пресмыкающихся , относятся крокодилы , аллигаторы, черепахи , змеи, гекконы и ящерицы, такие, как гаттерия. Пресмыкающемуся необходимо получить точную информацию о том, каких размеров и какого цвета его потенциальная добыча. Кроме того, рептилия должна фиксировать и быстро реагировать, когда приближаются другие животные и определить, кто это - потенциальный партнер, молодое животное того же вида или враг, может на нее напасть. У пресмыкающихся, живущих под землей или в воде, глаза довольно небольшие. Те из них, которые живут на земле, в большей степени зависят от остроты зрения. Глаза у этих животных устроены так же, как и глаза человека. Самая их часть - глазное яблоко со зрительным нервом. Перед ним находится роговица, которая пропускает свет. По роговицей - радужная оболочка. В ее центре находится зрачок, который сужается или расширяется, пропуская на сетчатку определенное количество света. Под зрачком расположен хрусталик, через который лучи попадают на светочувствительную заднюю стенку глазного яблока - сетчатку. Сетчатка состоит из слоев чувствительных к свету и цвету клеток, соединенных зрительными нервами с мозгом, куда направляются все сигналы и где создается изображение объекта.
Защита глаз
У некоторых видов рептилий для защиты глаз, как и у млекопитающих, являются веки. Однако веки рептилий отличаются от век млекопитающих тем, что нижнее веко больше и подвижнее, чем верхнее.
Взгляд змеи кажется стеклянным, поскольку ее глаза прикрыты прозрачной пленкой, которую образуют сросшиеся верхние и нижние веки. Это защитное покрытие являются своеобразными "очками ". Во время линьки эта пленка сходит вместе с кожей. " Очки " носят и ящерицы, но только некоторые. У гекконов века отсутствуют. Для очищения глаз они пользуются языком, высовывая его изо рта и облизывая глазную оболочку. Другие рептилии имеют " теменной глаз ". Это светлое пятно на голове пресмыкающегося, оно, как и обычный глаз, может воспринимать определенные световые раздражители и передавать сигналы в мозг. Некоторые рептилии защищают глаза от загрязнения с помощью слезных желез. Когда в глаза таким пресмыкающимся попадает песок или другой мусор, слезные железы выделяют большое количество жидкости, которая очищает глаза животного, при этом кажется, будто рептилия " плачет". Таким способом пользуются суповые черепахи.
Строение зрачка

Зрачки рептилий свидетельствуют об их образе жизни. Некоторые из них, например, крокодилы, питоны, гекконы, гаттерия, змеи, ведут ночной или сумеречный образ жизни, а днем принимают солнечные ванны. У них есть вертикальные зрачк, расширяются в темноте и сужаются при свете. У гекконов на суженных зрачках видны точечные отверстия, каждый из которых фокусирует самостоятельное изображение на сетчатку. Вместе они создают необходимую резкость, и животное видит четкое изображение.

Интересно про пингвины можно прочитать насайте kvn201.com.ua.

Органы, позволяющие змеям «видеть» тепловое излучение, дают крайне расплывчатое изображение. Тем не менее у змеи в мозгу формируется четкая тепловая картина окружающего мира. Немецкие исследователи выяснили, как такое может быть.

Некоторые виды змей обладают уникальной способностью улавливать тепловое излучение, позволяющей им «разглядывать» окружающий мир в абсолютной темноте. Правда, они «видят» тепловое излучение не глазами, а специальными чувствительными к теплу органами (см. рисунок).

Строение такого органа очень просто. Рядом с каждым глазом располагается отверстие диаметром около миллиметра, которое ведет в небольшую полость примерно такого же размера. На стенках полости расположена мембрана, содержащая матрицу из клеток-терморецепторов размером примерно 40 на 40 клеток. В отличие от палочек и колбочек сетчатки глаза, эти клетки реагируют не на «яркость света» тепловых лучей, а на локальную температуру мембраны.

Этот орган работает как камера-обскура, прототип фотоаппаратов. Мелкое теплокровное животное на холодном фоне испускает во все стороны «тепловые лучи» — далекое инфракрасное излучение с длиной волны примерно 10 микрон. Проходя через дырочку, эти лучи локально нагревают мембрану и создают «тепловое изображение». Благодаря высочайшей чувствительности клеток-рецепторов (детектируется разница температур в тысячные доли градуса Цельсия!) и неплохому угловому разрешению, змея может заметить мышь в абсолютной темноте с довольно большого расстояния.

С точки зрения физики как раз хорошее угловое разрешение и представляет собой загадку. Природа оптимизировала этот орган так, чтобы лучше «видеть» даже слабые источники тепла, то есть попросту увеличила размер входного отверстия — апертуры. Но чем больше апертура, тем более размытое получается изображение (речь идет, подчеркнем, про самое обычное отверстие, безо всяких линз). В ситуации со змеями, где апертура и глубина камеры примерно равны, изображение оказывается настолько размытым, что из него ничего, кроме «где-то поблизости есть теплокровное животное», извлечь нельзя. Тем не менее опыты со змеями показывают, что они могут определять направление на точечный источник тепла с точностью около 5 градусов! Как же змеям удается достичь столь высокого пространственного разрешения при таком ужасном качестве «инфракрасной оптики»?

Раз реальное «тепловое изображение», говорят авторы, сильно размыто, а «пространственная картина», возникающая у животного в мозгу, довольно четкая, значит существует некий промежуточный нейроаппарат на пути от рецепторов к мозгу, который как бы настраивает резкость изображения. Этот аппарат не должен быть слишком сложным, иначе змея очень долго «обдумывала» бы каждое полученное изображение и реагировала бы на стимулы с запаздыванием. Более того, по мнению авторов этот аппарат вряд ли использует многоступенчатые итеративные отображения, а является, скорее, каким-то быстрым одношаговым преобразователем, работающим по навсегда зашитой в нервную систему программе.

В своей работе исследователи доказали, что такая процедура возможна и вполне реальна. Они провели математическое моделирование того, как возникает «тепловое изображение», и разработали оптимальный алгоритм многократного улучшения его четкости, окрестив его «виртуальной линзой».

Несмотря на громкое название, использованный ими подход, конечно, не является чем-то принципиально новым, а всего лишь разновидность деконволюции — восстановления изображения, испорченного неидеальностью детектора. Это процедура, обратная смазыванию картинки, и она широко применяется при компьютерной обработке изображений.

В проведенном анализе, правда, был важный нюанс: закон деконволюции не требовалось угадывать, его можно было вычислить исходя из геометрии чувствительной полости. Иными словами, было заранее известно, какое конкретно изображение даст точечный источник света в любом направлении. Благодаря этому совершенно размытое изображение можно было восстановить с очень хорошей точностью (обычные графические редакторы со стандартным законом деконволюции с этой задачей бы и близко не справились). Авторы предложили также конкретную нейрофизиологическую реализацию этого преобразования.

Сказала ли эта работа какое-то новое слово в теории обработки изображений — вопрос спорный. Однако она, несомненно, привела к неожиданным выводам касательно нейрофизиологии «инфракрасного зрения» у змей. Действительно, локальный механизм «обычного» зрения (каждый зрительный нейрон снимает информацию со своей маленькой области на сетчатке) кажется столь естественным, что трудно представить что-то сильно иное. А ведь если змеи действительно используют описанную процедуру деконволюции, то каждый нейрон, дающий свой вклад в цельную картину окружающего мира в мозгу, получает данные вовсе не из точки, а из целого кольца рецепторов, проходящего по всей мембране. Можно только удивляться, как природа умудрилась сконструировать такое «нелокальное зрение», компенсирующее дефекты инфракрасной оптики нетривиальными математическими преобразованиями сигнала.

Показать комментарии (30)

Свернуть комментарии (30)

Почему-то мне кажется, что обратное преобразование размытой картинки, при условии, что есть лишь двумерный массив пикселей, математически невозможно. Насколько я понимаю, компьютерные алгоритмы повышения резкости просто создают субъективную иллюзию более резкого изображения, но они не могут раскрыть того, что замыто на изображении.

Разве не так?

Кроме того, непонятна логика, из которой следует, что сложный алгоритм заставлял бы змею задумываться. Насколько мне известно, мозг -- это параллельный компьютер. Сложный алгоритм в нём не обязательно приводит к увеличеню временнЫх затрат.

Мне кажется, что процесс точнения должен быть иным. Как была установлена точность работы инфракрасных глаз? Наверняка, по какому-либо действию змеи. Но любое действие продолжительно и допускает коррекцию в своём процессе. На мой взгляд, змея может "инфравидеть" с той точностью, которая и ожидается и начинать движение, исходя из этой информации. Но потом, в процессе движения, постоянно её уточнять и приходить к финалу так, словно общая точность была выше.

Ответить

• Отвечаю по пунктам.

  1. Обратное преобразование -- это резкой получение картинки (какую создавал бы объект с линзой типа глаза), исходя из имеющейся размытой. При этом обе картинки -- двумерные, проблем с этим никаких нет. Если нет никаких необратимых искажений при размытии (типа совершенно непрозрачный заслон или насыщение сигнала в каком-то пикселе), то размытие можно представить себе как обратимый оператор, действующий в пространстве двумерных картинок.

  Там есть технические трудности с учетом шумов, так что оператор деконволюции выглядит чуть сложнее, чем описано выше, но тем не менее выводится однозначно.

  2. Компьютерные алгоритмы улучшают резкость, предполагая что размытие было по гауссиане. Они ведь не знают детально тех аберраций и т.п., котрые были у снимавшей камеры. Специальные программы, правда, способны на большее. Например если при анализе снимков звездного неба
  в кадр попадает звезда, то с ее помощью можно восстановить резкость лучше, чем стандатрными методами.

  3. Сложный алгоритм обработки -- это имелось в виду многоэтапный. В принципе, обрабатывать изображения можно итеративно, пуская по одной и той же простой цепочке изображение снова и снова. Асимптотически оно тогда может стретиться к какому-то "идеальному" изображению. Так вот, авторы показывают, что такая обработка, по меньшей мере, не является необходимой.

  4. Деталей экспериментов со змеями я не знаю, надо будет почитать.

  Ответить

  • 1. Я этого не знал. Мне казалось, что размытие (недостаточная резкозть) -- это необратимое преобразование. Допустим, на изображении объективно присутствует некое размытое облако. Как система узнает, что это облако не надо делать резким и что это его истинное состояние?

    3. На мой взгляд, итеративное преобразование можно реализовать сделав просто несколько последовательно подключённых слоёв нейронов и тогда преобразование будет проходить за один шаг, но быть итеративным. Сколько нужно итераций, столько и сделать слоёв.

    Ответить

    • Вот простой пример размытия. Дан набор значений (x1,x2,x3,x4).
      Глаз видит не этот набор, а набор (y1,y2,y3,y4), получающийся таким образом:
      y1 = x1 + x2
      y2 = x1 + x2 + x3
      y3 = x2 + x3 + x4
      y4 = x3 + x4

      Очевидно, если вы заранее знаете закон размытия, т.е. линейный оператор (матрицу) перехода от иксов к игрекам, то вы можете сосчитать обратную матрицу перехода (закон деконволюции) и по заданным игрекам восстановить иксы. Если, конечно, матрица обратима, т.е. нет необратимых искажений.

      Про несколько слоев -- конечно, отмести такой вариант нельзя, но это кажется так неэкономно и так легко нарушимо, что вряд ли стоит ожидать, что эволюция выберет этот путь.

      Ответить

      "Очевидно, если вы заранее знаете закон размытия, т.е. линейный оператор (матрицу) перехода от иксов к игрекам, то вы можете сосчитать обратную матрицу перехода (закон деконволюции) и по заданным игрекам восстановить иксы. Если, конечно, матрица обратима, т.е. нет необратимых искажений." Не путайте математику с измерениями. Маскировка младшего заряда погрешностями достаточно не линейна, чтоб испортить результат обратной операции.

      Ответить

"3. На мой взгляд, итеративное преобразование можно реализовать сделав просто несколько последовательно подключённых слоёв нейронов и тогда преобразование будет проходить за один шаг, но быть итеративным. Сколько нужно итераций, столько и сделать слоёв." Нет. Следующий слой начинает обработку ПОСЛЕ предыдущего. Конвейер не позволяет ускорить обработку конкретной порции информации, кроме случаев, когда применяется ради того, чтоб каждую операцию поручить специализированному исполнителю. Он позволяет начинать обработку СЛЕДУЮЩЕГО КАДРА до того, как обработан предыдущий.

Ответить

"1. Обратное преобразование -- это резкой получение картинки (какую создавал бы объект с линзой типа глаза), исходя из имеющейся размытой. При этом обе картинки -- двумерные, проблем с этим никаких нет. Если нет никаких необратимых искажений при размытии (типа совершенно непрозрачный заслон или насыщение сигнала в каком-то пикселе), то размытие можно представить себе как обратимый оператор, действующий в пространстве двумерных картинок." Нет. Размытие - это уменьшение количества информации, создать её заново невозможно. Можно увеличить контраст, но если это не сводится к настройке гаммы, то только ценой шума. При размытии любой пиксел усредняется по соседним. СО ВСЕХ СТОРОН. После этого не известно, откуда именно в его яркость что то добавилось. То ли слева, то ли справа, то ли сверху, то ли снизу, то ли по диагонали. Да, направление градиента говорит о том, откуда шла основная добавка. Ни инфы в этом ровно столько же, как в самой размытой картинке. То есть разрешение низкое. А мелочи только ещё лучше маскируются шумом.

Ответить

Мне кажется, что авторы эксперимента просто "наплодили лишние сущности". Разве в реальной среде обитания змей бывает абсолютная темнота? - насколько мне известно, нет. А если абсолютной темноты нет, то даже самой размытой "инфракрасной картинки" более чем достаточно, вся ее "функция" - дать команду начать охоту "приблизительно в таком-то направлении", а дальше в дело вступает самое обычное зрение. Авторы эксперимента ссылаются на слишком большую точность выбора направления - 5 градусов. Но разве это действительно большая точность? По-моему, ни в каких условиях - ни в реальной среде, ни в лабораторных - с такой "точностью" охота не увенчается успехом (если змея будет ориентироваться только так). Если же говорить о невозможности даже такой "точности" из-за слишком примитивного устройства обработки инфракрасного излучения, то и тут, по-видимому, можно не согласиться с немцами: у змеи два таких "устройства", а это дает ей возможность "с ходу" определить "право", "лево" и "прямо" с дальнейшей постоянной коррекцией направления вплоть до момента "визуального контакта". Но даже если у змеи только одно такое "устройство", то и в этом случае она с легкостью будет определять направление - по разности температуры на разных участках "мембраны" (не даром ведь она улавливает изменения в тысячные доли градуса по Цельсию, для чего-то это нужно!) Очевидно, находящийся "прямо" объект будет "отображаться" картинкой более или менее равной интенсивности, находящийся "слева" - картинкой с большей интенсивностью правой "части", находящийся "справа" - картинкой с большей интенсивностью левой части. Только и всего. И не нужно никаких сложных немецких нововведений в выработавшуюся за миллионы лет змеиную природу:)

Ответить

"Мне кажется, что процесс точнения должен быть иным. Как была установлена точность работы инфракрасных глаз? Наверняка, по какому-либо действию змеи. Но любое действие продолжительно и допускает коррекцию в своём процессе. На мой взгляд, змея может "инфравидеть" с той точностью, которая и ожидается и начинать движение, исходя из этой информации. Но потом, в процессе движения, постоянно её уточнять и приходить к финалу так, словно общая точность была выше." Вот только помесь балометра со светорегистрирующей матрицей и так то очень инерционна, а от тепла мыши откровенно тормозит. А бросок змеи на столько стремителен, что и зрение на колбочках с палочками не успевает. Ну может и не по вине непосредственно колбочек, там и аккомодация хрусталика тормозит, и обработка. Но даже вся система работает быстрей и всё равно не успевает. Единственное возможное решение при таких датчиках - все решения принять заранее, используя тот факт, что до броска времени достаточно.

Ответить

"Кроме того, непонятна логика, из которой следует, что сложный алгоритм заставлял бы змею задумываться. Насколько мне известно, мозг -- это параллельный компьютер. Сложный алгоритм в нём не обязательно приводит к увеличеню временнЫх затрат." Для распараллелизации сложного алгоритма нужно много узлов, они имеют приличные размеры и тормозят уже из-за медленного прохождения сигналов. Да, это не повод отказываться от параллелизма, но если требования совсем уж жёсткие, то единственный способ уложиться по времени при параллельной обработке больших массивов - юзать на столько простые узлы, что обмениваться промежуточными результатами между собой они не могут. А это требует захардить весь алгоритм, так как принимать решения они уже не смогут. И последовательно тоже получится обработать много информации в единственном случае - если единственный процессор работает быстро. А это тоже требует хардить алгоритм. Уровень реализации хардовый так и так.

Ответить

>Немецкие исследователи выяснили, как такое может быть.

но воз, кажется, и ныне там.
Можно сходу предложить пару алгоритмов, которые, возможно, будут решать вопрос. Но будут ли они иметь отношение к реальности?

Ответить

• > Хотелось бы хотя бы косвенных подтверждений, что оно именно так, а не иначе.

  Конечно, авторы осторожны в высказываниях и не говорят, что они доказали, что именно так и функционирует инфразрение у змей. Они лишь доказали, что для разрешения "парадокса инфразрения" не требуется слишком больших вычислительных ресурсов. Они лишь надеются, что похожим образом работает орган змей. Так это или нет на самом деле, должны доказать физиологи.

  Ответить

  > Есть т.н. байндинг проблема, которая заключается в том каким образом человек и животное понимают, что ощущения в различных модальностях (зрение, слух, тепло и пр.) относятся к одному и тому же источнику.

  На мой взгляд, в мозгу существует целостная модель реального мира, а не отдельные осколки-модальности. Например, в мозгу совы существует объект "мышь", в котором есть как бы соответствующие поля, в которых хранится информация о том, как мышь выглядит, как она слышна, как пахнет и так далее. Во время восприятия происходит конвертация стимулов в термины этой модели, то есть, создаётся объект "мышь", его поля заполняются писком и обликом.

  То есть, вопрос ставится не так, как сова понимает, что и писк и запах относятся к одному источнику, а как сова ПРАВИЛЬНО понимает отдельные сигналы?

  Методом узнавания. Даже сигналы одной и той же модальности не так-то легко отнести к одному объекту. Например, мышиный хвост и мышиные уши вполне могли бы быть отдельными предметами. Но сова видит их не отдельно, а как части целой мыши. Всё дело в том, что у неё в голове есть прообраз мыши, с которым она сопоставляет части. Если части "ложатся" на прообраз, то они составляют целое, если не ложатся, то не составляют.

  Это легко понять на собственном примере. Рассмотрим слово "УЗНАВАНИЕ". Посмотрим на него внимательно. Фактически, это просто совокупность букв. Даже просто совокупность пикселей. Но мы не можем этого увидеть. Слово нам знакомо и потому сочетание букв неизбежно вызывает у нас в мозгу цельный образ, от которого прямо-таки невозможно отделаться.

  Так же и сова. Она видит хвостик, видит ушки, примерно в некотором направлении. Видит характерные движения. Слышит шуршание и писк примерно из этого же направления. Чувствует особый запах с той стороны. И это знакомое сочетание стимулов, точно так же как для нас знакомое сочетание букв, вызывает у неё в мозгу образ мыши. Образ цельный, расположенный в цельном образе окружающего пространства. Образ существует независимо и, по мере совиных наблюдений, может очень сильно уточняться.

  Думаю, тоже самое происходит и со змеёй. И как в такой ситуации можно вычислить точность одного только зрительного или инфразрительного анализатора, мне непонятно.

  Ответить

  • Как мне кажется, узнавание образа -- это уже иной процесс. Речь идет не про реакцию змеи на образ мышки, а о превращении пятен в инфраглазу в образ мышки. Теоретически, можно представить ситуацию, что змея вообще не инфравидит мышку, а сразу кидается в определенном направлении, если ее инфраглаз увидит кольцевые круги определенной формы. Но это кажется маловероятным. Ведь ОБЫЧНЫМИ-то глазами земя видит именно профиль мышки!

    Ответить

    • Мне кажется, что может происходить следующее. Возникает плохое изображение на инфрасетчатке. Оно преобразуется в расплывчатый образ мышки, достаточный для того, чтобы змея мышку опознала. Но в этом образе нет ничего "чудесного", он адекватен способностям инфраглаза. Змея начинает приблизительный бросок. В процессе броска её голова движется, инфраглаз смещается относительно цели и в общем приближается к ней. Образ в голове постоянно дополняется и его пространственное положение уточняется. А движение постоянно корректируется. В итоге финал броска выглядит так, словно бросок был основан на невероятно точной информации о положении цели.

      Это мне напоминает наблюдение за собой, когда я иногда могу поймать упавший стакан прям как нидзя:) А секрет в том, что так поймать я могу только тот стакан, который я сам и уронил. То есть, я точно знаю, что стакан надо будет ловить и начинаю движение заранее, корректируя его в самом процессе.

      Я читал также, что аналогичные выводы были сделаны из наблюдений за человеком в невесомости. Когда человек нажимает кнопку в невесомости, он должен промахнуться вверх, так как привычные для весящей руки усилия некорректны для невесомости. Но человек не промахивается (если он внимателен), именно из-за того, что в наши движения постоянное втроена возможность коррекции "на лету".

      Ответить

"Есть т.н. байндинг проблема, которая заключается в том каким образом человек и животное понимают, что ощущения в различных модальностях (зрение, слух, тепло и пр.) относятся к одному и тому же источнику.
Есть множество гипотез http://www.dartmouth.edu/~adinar/publications/binding.pdf
но воз, кажется, и ныне там.
Можно сходу предложить пару алгоритмов, которые, возможно, будут решать вопрос. Но будут ли они иметь отношение к реальности?" А вот это похоже. Не реагировать на холодные листья, как бы они ни двигались и ни выглядели, но при наличии тёплой мыши где то там атаковать то, что и в оптике похоже на мышь и при этом попадает в область. Или же нужна какая то очень уж дикая обработка. Не в смысле длинного последовательного алгоритма, а в смысле умения нарисовать узоры на ногтях дворницкой метлой. Некоторые азиаты даже это умеют хардить так, что успевают миллиарды транзисторов делать. И тот ещё датчик.

Ответить

>в мозгу существует целостная модель реального мира, а не отдельные осколки-модальности.
Вот и еще одна гипотеза.
Ну как же без модели? Без модели никак.Конечно, возможно и простое узнавание в знакомой ситуации. Но, например, впервые попав в цех, где работают тысячи станков человек способен выделить звук одного конкретного станка.
Неприятность может заключаться в том, что разные люди используют разные алгоритмы. И даже один человек может пользоваться разными алгоритмами в разных ситуациях. Со змеями, кстати, такое тоже не исключено. Правда, эта крамольная мысль может стать надгробным камнем статистическим медодам исследования. Чего психология не перенесет.

По моему, такие умозрительные статьи имеют право на существование, но нужно хотябы довести до схемы эксперимента по проверке гипотезы. Например, исходя из модели расчитать возможные траектории движения змеи. А физиологи пусть сравнивают их с реальными. Если поймут о чем речь.
Иначе, как с байндинг проблемой. Когда я читаю очередную ничем не подкрепленную гипотезу, это вызывает только улыбку.

Ответить

• > Вот и еще одна гипотеза.
  Странно, не думал, что эта гипотеза нова.

  В слюбом случае, она имеет подтверждения. Например, люди с ампутированными конечностями, часто утверждают, что продолжают их чувствовать. Ещё например, хорошие автомобилисты утверждают, что "чувствуют" края своей машины, расположение колёс и т.д.

  Это наводит на мысль, что никакой разницы между двумя случаями нет. В первом случае есть врождённая модель своего тела, а ощущения лишь наполняют её содержанием. Когда конечность удаляют, модель конечности ещё некоторое время существует и вызывает ощущения. Во втором случае есть приобретённая модель автомобиля. От автомобиля непосредственно сигналов в организм не поступает, а поступают косвенные сигналы. Но итог тот же: модель существует, наполняется содержанием и ощущается.

  Вот, кстати, хороший пример. Попросим автомобилиста наехать на камешек. Он наедет очень точно и даже скажет, наехал, или нет. Это значит, что он по вибрациям чувствует колесо. Следует ли из этого, что существует какой-то алгоритм "виртуальной вибролинзы", которая по вибрациям восстанавливает изображение колеса?

  Ответить

Довольно любопытно, что если источник света 1, и довольно сильный, то направление на него несложно определить даже с закрытыми глазами - надо поворачивать голову, пока свет не начнёт светить одинаково в оба глаза, и тогда свет спереди. Тут не надо придумывать некакие супер-пупер нейронные сети во восстановлению изображения - всё просто до ужаса, и вы можете это проверить сами.

Ответить

Написать комментарий