Wzrok u owadów. Dlaczego owady mają okrągłe oczy, tak jak widzą owady? Z punktu widzenia owada

Oko owada duże powiększenie wygląda jak mała siatka.

Dzieje się tak dlatego, że oko owada składa się z wielu małych fasetek. Nazywa się oczy owadów fasetowany. Nazywa się mały aspekt oka ommatidium. Ommatidium ma postać długiego wąskiego stożka, którego podstawą jest soczewka przypominająca sześciokąt. Stąd nazwa oka złożonego: faseta przetłumaczone ze środków francuskich "krawędź".

Pęczek ommatidii tworzy złożone, okrągłe oko owada.

Każde ommatidium ma bardzo ograniczone pole widzenia: kąt widzenia ommatidium w centralnej części oka wynosi zaledwie około 1°, a na brzegach oka do 3°. Ommatidium „widzi” tylko ten maleńki wycinek przedmiotu przed swoimi oczami, do którego jest „celowany”, czyli tam, gdzie skierowana jest kontynuacja jego osi. Ale ponieważ ommatidia są blisko siebie, a ich osie są w środku okrągłe oko rozchodzą się promieniście, wtedy całe oko złożone obejmuje obiekt jako całość. Co więcej, obraz przedmiotu uzyskuje się w nim jako mozaikę, czyli złożoną z oddzielnych elementów.

Liczba ommatidii w oku jest różna u różnych owadów. Mrówka robotnica ma w oku tylko około 100 ommatidiów, mucha domowa ma ich około 4000, a Pszczółka robotnica- 5000, motyle - do 17 000, a ważki - do 30 000! Tak więc widzenie mrówki jest bardzo przeciętne, podczas gdy ogromne oczy ważki - dwie opalizujące półkule - zapewniają maksymalne pole widzenia.

Ze względu na to, że osie optyczne ommatidii rozchodzą się pod kątem 1-6°, wyrazistość obrazu owadów nie jest zbyt wysoka: nie rozróżniają one drobnych szczegółów. Ponadto większość owadów jest krótkowzroczna: widzą otaczające je obiekty w odległości zaledwie kilku metrów. Ale Złożone oczy doskonale rozróżniają migotanie (miganie) światła o częstotliwości do 250-300 herców (dla osoby częstotliwość graniczna wynosi około 50 herców). Oczy owadów są w stanie określić natężenie strumienia świetlnego (jasność), a ponadto mają wyjątkową zdolność: potrafią określić płaszczyznę polaryzacji światła. Ta umiejętność pomaga im nawigować, gdy słońce nie jest widoczne na niebie.

Owady widzą kolory, ale nie w taki sam sposób jak my. Na przykład pszczoły „nie znają” koloru czerwonego i nie odróżniają go od czarnego, ale postrzegają go jako niewidoczny dla nas promienie ultrafioletowe, które znajdują się na przeciwległym końcu spektrum. Niektóre motyle, mrówki i inne owady również rozróżniają światło ultrafioletowe. Nawiasem mówiąc, to właśnie ślepota owadów zapylających naszego pasa na czerwony kolor wyjaśnia dziwny fakt, że wśród naszej dzikiej flory nie ma roślin o szkarłatnych kwiatach.

Światło pochodzące ze słońca nie jest spolaryzowane, to znaczy jego fotony mają dowolną orientację. Jednak przechodząc przez atmosferę światło ulega polaryzacji w wyniku rozpraszania przez cząsteczki powietrza iw tym przypadku płaszczyzna jego polaryzacji jest zawsze skierowana w stronę słońca.

Przy okazji...

Oprócz oczu złożonych owady mają jeszcze trzy proste oczka o średnicy 0,03-0,5 mm, które znajdują się w kształcie trójkąta na czołowo-ciemieniowej powierzchni głowy. Te oczy nie są przystosowane do rozróżniania przedmiotów i są potrzebne do zupełnie innego celu. Mierzą średni poziom oświetlenia, który jest używany jako punkt odniesienia („sygnał zerowy”) w przetwarzaniu sygnałów wizualnych. Jeśli te oczy są przyklejone do owada, zachowuje on zdolność orientacji przestrzennej, ale może latać tylko w jaśniejszym niż zwykle świetle. Powodem tego jest to, że zapieczętowane oczy są mylone z „ średni poziom» czarne pole i tym samym dać oczom złożonym więcej szeroki zasięg oświetlenie, a to odpowiednio zmniejsza ich czułość.

Wiele owadów ma złożone oczy złożone, składające się z wielu pojedynczych oczu - ommatidia. Owady postrzegają świat tak, jakby był złożony z mozaiki. Większość owadów jest „krótkowzroczna”. Niektóre z nich, jak np. mucha diopsydowa, można zobaczyć z odległości 135 metrów. Motyl - a ona ma najwięcej ostre widzenie wśród naszych owadów - nie widzi dalej niż na dwa metry, a pszczoła nie widzi już nic na odległość jednego metra. Owady, z których składają się oczy duża liczba ommatidia, są w stanie zauważyć najmniejszy ruch wokół nich. Jeśli przedmiot zmienia swoje położenie w przestrzeni, to jego odbicie w oczach złożonych również zmienia swoje położenie, przesuwając pewną liczbę ommatidiów, co owad zauważa. Oczy złożone odgrywają ogromną rolę w życiu owadów drapieżnych. Dzięki takiej budowie narządów wzroku owad może skupić wzrok na pożądanym obiekcie lub obserwować go tylko częścią oka złożonego. Co ciekawe, ćmy nawigują za pomocą wzroku i zawsze lecą w kierunku źródła światła. Azymut ich oczu w stosunku do światło księżyca zawsze mniej niż 90°.

widzenie kolorów

Aby zobaczyć określony kolor, oko owada musi dostrzec fale elektromagnetyczne pewna długość. Owady dobrze postrzegają zarówno ultrakrótkie, jak i ultradługie fale świetlne oraz kolory widma widzialnego. ludzkie oko. Wiadomo, że człowiek widzi kolory od czerwonego do fioletowego, ale jego oko nie jest w stanie dostrzec promieniowanie ultrafioletowe- fale dłuższe niż czerwone i krótsze niż fioletowe. owady widzą światło ultrafioletowe, ale nie rozróżniają kolorów widma czerwieni (tylko motyle widzą czerwień). Na przykład kwiat maku jest postrzegany przez owady jako bezbarwny, ale na innych kolorach owady widzą wzory w ultrafiolecie, które nawet trudno sobie wyobrazić. Owady poruszają się po tych wzorach w poszukiwaniu nektaru. Skrzydła motyli mają również wzory w ultrafiolecie, które są niewidoczne dla ludzi. Pszczoły rozróżniają takie kolory: niebiesko-zielony, fioletowy, żółty, niebieski, pszczeli fiolet i ultrafiolet. Owady są również w stanie nawigować za pomocą światła spolaryzowanego. Podczas przechodzenia przez atmosferę ziemską wiązka światła ulega załamaniu i wskutek tego, że zachodzi polaryzacja światła, na różne obszary niebo, długości fal są różne. Dzięki temu nawet wtedy, gdy słońce nie jest widoczne z powodu chmur, owad dokładnie określa kierunek.

Interesujące fakty

Larwy niektórych chrząszczy wykształciły proste oczy, dzięki którym dobrze widzą i uciekają przed drapieżnikami. Dorosłe chrząszcze rozwijają oczy złożone, ale ich wzrok nie jest lepszy niż u larw. Złożone oczy złożone występują nie tylko u owadów, ale także u niektórych skorupiaków, takich jak kraby i homary. Zamiast soczewek w ommatidiach mają miniaturowe lusterka. Po raz pierwszy ludzie mogli spojrzeć na świat oczami owada w 1918 roku dzięki niemieckiemu naukowcowi Eksnerowi. Liczba małych oczu u owadów (w zależności od gatunku) waha się od 25 do 25 000. Oczy owadów, takich jak chrząszcze pływające po powierzchni wody, dzielą się na dwie części: Górna część służy do widzenia w powietrzu, a dolny - pod wodą. Złożone oczy owadów nie widzą tak dobrze jak oczy ptaków i ssaków, ponieważ nie są w stanie przekazać drobnych szczegółów (owady mogą mieć od 25 do 25 000 fasetek). Ale dobrze postrzegają obiekty, które się poruszają i rejestrują nawet te kolory, które są niedostępne dla ludzkiego oka.

Najbardziej złożonymi narządami zmysłów u owadów są narządy wzroku. Te ostatnie są reprezentowane przez formacje kilku typów, z których najważniejsze to złożone fasetowane oczy o mniej więcej takiej samej budowie jak złożone oczy skorupiaków.

Oczy składają się z oddzielnych ommatidii (ryc. 337), których liczba zależy głównie od cech biologicznych owadów. Aktywne drapieżniki i dobre lotniki, ważki mają oczy o nawet 28 000 fasetkach każde. Jednocześnie mrówki (neg. Hymenoptera), zwłaszcza pracujące osobniki gatunków żyjących pod ziemią, mają oczy składające się z 8 - 9 ommatidiów.

Każde ommatidium reprezentuje doskonałą sensillę fotooptyczną (ryc. 338). Składa się z aparatu optycznego obejmującego rogówkę, przezroczystą część kutykuli powyżej ommatidium oraz tzw. stożek kryształowy. Razem działają jak soczewka. Aparat percepcyjny ommatidium jest reprezentowany przez kilka (4 - 12) komórek receptorowych; ich specjalizacja zaszła bardzo daleko, o czym świadczy całkowita utrata struktur wiciowych. Właściwie wrażliwe części komórek - rabdomery - to skupiska gęsto upakowanych mikrokosmków, znajdujących się w centrum ommatidium i ściśle przylegających do siebie. Razem tworzą element światłoczuły oczy są niewolnikami.

Osłonowe komórki pigmentowe leżą wzdłuż krawędzi ommatidium; te ostatnie różnią się dość znacząco u owadów dziennych i nocnych. W pierwszym przypadku pigment w komórce jest nieruchomy i stale oddziela sąsiednie ommatidia, nie pozwalając promieniom świetlnym przechodzić z jednego oka do drugiego. W drugim przypadku pigment może przemieszczać się w komórkach i gromadzić tylko w ich górnej części. W tym przypadku promienie światła padają na wrażliwe komórki nie jednej, ale kilku sąsiednich ommatidii, co zauważalnie (prawie o dwa rzędy wielkości) zwiększa ogólną wrażliwość oka. Naturalnie, ten rodzaj adaptacji powstał u owadów zmierzchowych i nocnych. Zakończenia nerwowe tworzące nerw wzrokowy odchodzą od wrażliwych komórek ommatidium.

Oprócz oczu złożonych wiele owadów ma również oczy proste (ryc. 339), których struktura nie odpowiada strukturze jednego ommatidium. Aparat refrakcyjny ma kształt soczewkowy, bezpośrednio pod nim znajduje się warstwa wrażliwych komórek. Całe oko jest pokryte osłonką komórek barwnikowych. Właściwości optyczne prostych oczu są takie, że nie mogą one postrzegać obrazów przedmiotów.

Larwy owadów w większości przypadków mają tylko proste oczka, które jednak różnią się budową od prostych oczek stadiów dorosłych. Nie ma ciągłości między oczami dorosłych i larw. Podczas metamorfozy oczy larw są całkowicie wchłonięte.

Zdolności wzrokowe owadów są doskonałe. Jednak cechy strukturalne oka złożonego determinują specjalny fizjologiczny mechanizm widzenia. Zwierzęta o oczach złożonych mają wzrok „mozaikowy”. Niewielki rozmiar ommatidii i ich izolacja od siebie powodują, że każda grupa wrażliwych komórek odbiera tylko niewielką i stosunkowo wąską wiązkę promieni. Promienie padające pod znacznym kątem są pochłaniane przez przesiewowe komórki barwnikowe i nie docierają do światłoczułych elementów ommatidii. Zatem schematycznie każda ommatidia otrzymuje obraz tylko jednego małego punktu obiektu znajdującego się w polu widzenia całego oka. W rezultacie obraz składa się z tylu punktów świetlnych odpowiadających różnym częściom obiektu, ile ścianek jest prostopadłych do promieni wychodzących z obiektu. Ogólny obraz składa się niejako z mnóstwa małych częściowych obrazów poprzez nakładanie ich jeden na drugi.

Postrzeganie koloru przez owady wyróżnia się również pewną osobliwością. Przedstawiciele wyższe grupy Owady mają widzenie kolorów oparte na postrzeganiu trzech kolorów podstawowych, których mieszanie daje całą barwną różnorodność otaczającego nas świata. Jednak u owadów, w porównaniu z ludźmi, następuje silne przesunięcie do krótkofalowej części widma: postrzegają one promienie zielono-żółte, niebieskie i ultrafioletowe. Te ostatnie są dla nas niewidoczne. W związku z tym postrzeganie kolorów świata przez owady znacznie różni się od naszego.

Funkcje prostych oczu dorosłych owadów nadal wymagają poważnych badań. Najwyraźniej w pewnym stopniu „uzupełniają” one oczy złożone, wpływając na aktywność zachowania się owadów w różnych warunkach oświetleniowych. Ponadto wykazano, że proste ocelli, wraz ze złożonymi oczami, są w stanie postrzegać światło spolaryzowane.

owady jak inne wielokomórkowe organizmy, mają wiele różnych receptorów lub sensilli, które są wrażliwe na określone bodźce. Receptory owadów są bardzo zróżnicowane. Owady mają mechanoreceptory ( receptory słuchowe, proprioreceptory), fotoreceptory, termoreceptory, chemoreceptory. Z ich pomocą owady wychwytują energię promieniowania w postaci ciepła i światła, drgań mechanicznych, w tym szerokiej gamy dźwięków, ciśnienie mechaniczne, grawitacja, stężenie pary wodnej w powietrzu i substancje lotne, a także wiele innych czynników. Owady mają bardzo dobrze rozwinięty zmysł węchu i smaku. Mechanoreceptory to trichoidalne zmysły, które odbierają bodźce dotykowe. Niektóre sensilla potrafią wykryć najmniejsze wahania powietrza wokół owada, podczas gdy inne sygnalizują położenie części ciała względem siebie. Receptory powietrza wyczuwają prędkość i kierunek prądów powietrza w pobliżu owada i regulują prędkość lotu.

Wizja

Wzrok odgrywa dużą rolę w życiu większości owadów. Mają trzy rodzaje narządów wzroku - oczy złożone, oczy boczne (łodygi) i oczy grzbietowe (ocelli). Formy dzienne i latające mają zwykle 2 Złożone oczy i 3 oczka. Łodygi znajdują się w larwach owadów z całkowitą metamorfozą. Znajdują się po bokach głowy w ilości 1-30 z każdej strony. Ocelli grzbietowe (ocelli) występują razem z oczami złożonymi i działają jako dodatkowe narządy wzroku. Ocellia występuje u większości owadów dorosłych (nieobecne u wielu motyli i muchówek, u mrówek robotnic i form ślepych) oraz u niektórych larw (szytek, jętek, ważek). Z reguły występują tylko u dobrze latających owadów. Zwykle w okolicy czołowo-ciemieniowej głowy znajdują się 3 oczka grzbietowe ułożone w kształcie trójkąta. Ich główną funkcją jest prawdopodobnie ocena oświetlenia i jego zmian. Przypuszcza się, że biorą również udział w orientacji wzrokowej owadów i reakcjach fototaksji.

Wynikają cechy widzenia owadów fasetowana struktura oczy, które składają się z dużej liczby ommatidii. Największa liczba ommatidia stwierdzono u motyli (12-17 tys.) i ważek (10-28 tys.). Światłoczułą jednostką ommatidium jest komórka siatkówki (wzrokowa). Fotorecepcja owadów opiera się na przemianie barwnika wzrokowego rodopsyny pod wpływem kwantu światła w izomer metarodopsyny. Umożliwia to jego odwrotna regeneracja wielokrotne powtórzenie elementarne akty wizualne. Zwykle w fotoreceptorach znajdują się 2-3 pigmenty wizualne, różniące się czułością widmową. Zestaw danych wizualnych pigmentów określa również cechy widzenie kolorów owady. Obrazy wizualne w oczach złożonych powstają z wielu obrazów punktowych tworzonych przez poszczególne ommatidia. Oczy złożone nie mają zdolności akomodacji i nie mogą przystosować się do widzenia na różne odległości. Dlatego owady można nazwać „wyjątkowo krótkowzrocznymi”. Owady charakteryzują się odwrotnie proporcjonalną zależnością między odległością do badanego obiektu a liczbą detali dostrzegalnych przez ich oko: im bliżej znajduje się obiekt, tym więcej szczegółów dostrzegają. Owady są w stanie ocenić kształt przedmiotów, ale w niewielkiej odległości od nich wymaga to, aby kontury obiektów mieściły się w polu widzenia oka złożonego.

Kolorowe widzenie owadów może być dwuchromatyczne (mrówki, brązowe chrząszcze) lub trójchromatyczne (pszczoły i niektóre motyle). Przynajmniej jeden gatunek motyla ma widzenie tetrachromatyczne. Istnieją owady, które są w stanie odróżnić kolory tylko jedną (górną lub dolną) połową oka złożonego (ważka czterokropka). W przypadku niektórych owadów widoczna część widma jest przesunięta w stronę fal krótkich. Na przykład pszczoły i mrówki nie widzą czerwieni (650-700 nm), ale rozróżniają część widma ultrafioletowego (300-400 nm). Pszczoły i inne owady zapylające widzą wzory w ultrafiolecie na kwiatach, które są ukryte przed ludzkim wzrokiem. Podobnie motyle są w stanie odróżnić elementy koloru skrzydeł, widoczne tylko w promieniowaniu ultrafioletowym.

Percepcja dźwięków przenoszonych przez stałe podłoże odbywa się u owadów za pomocą wibroreceptorów znajdujących się w goleniach nóg w pobliżu ich połączenia z udem. Wiele owadów ma wysoka czułość na wstrząsy podłoża, na którym się znajdują. Percepcja dźwięków przez powietrze lub wodę odbywa się za pomocą fonoreceptorów. Muchówki odbierają dźwięki za pomocą organów Johnstona. Najbardziej złożonymi narządami słuchowymi owadów są narządy bębenkowe. Liczba sensilli w jednym narządzie bębenkowym waha się od 3 (niektóre motyle) do 70 (szarańcza), a nawet do 1500 (u cykad śpiewających). U koników polnych, świerszczy i świerszczy kretowych narządy bębenkowe znajdują się w goleniach przednich kończyn, u akridoidów, po bokach pierwszego segmentu odwłoka. narządy słuchu cykady śpiewające znajdują się u podstawy odwłoka w pobliżu aparatu wydającego dźwięk. Narządy słuchowe motyli znajdują się w ostatnim odcinku piersiowym lub w jednym z dwóch przednich odcinków odwłoka i mogą odbierać ultradźwięki emitowane przez nietoperze. Pszczoły miodne wydają dźwięki, wprawiając część klatki piersiowej w wibracje podczas częstych skurczów mięśni. Dźwięk jest wzmacniany przez płyty skrzydeł. W przeciwieństwie do wielu owadów, pszczoły potrafią wydawać dźwięki o różnych wysokościach i barwach, co pozwala im przekazywać informacje za pomocą różne cechy dźwięk.

Wizja

Owady mają wysoko rozwinięty aparat węchowy. Percepcja zapachów odbywa się dzięki chemoreceptorom - zmysłom węchowym zlokalizowanym na antenach, a czasem na przydatkach okołowargowych. Na poziomie chemoreceptorów następuje pierwotna separacja bodźców węchowych dzięki obecności dwóch typów neuronów receptorowych. Neurony ogólne rozpoznają bardzo szeroki zestaw związki chemiczne, ale jednocześnie mają niską wrażliwość na zapachy. Specjalistyczne neurony reagują tylko na jeden lub kilka powiązanych związków chemicznych. Zapewniają percepcję substancje zapachowe wyzwalanie określonych reakcji behawioralnych (feromony płciowe, atraktanty i repelenty pokarmowe, dwutlenek węgla). U samców jedwabników zmysł węchowy osiąga teoretycznie możliwą granicę czułości: tylko jedna cząsteczka żeńskiego feromonu wystarcza do wzbudzenia wyspecjalizowanego neuronu. W swoich eksperymentach J. A. Fabre ustalił, że samce gruszki potrafią wykryć samice za pomocą feromonów z odległości do 10 km.

Forma chemoreceptorów kontaktowych oddział peryferyjny analizator smaku owadów i pozwalają ocenić przydatność podłoża do pokarmu lub składania jaj. Receptory te znajdują się na aparacie gębowym, końcach nóg, czułkach i pokładełku. Większość owadów jest w stanie rozpoznać roztwory soli, glukozy, sacharozy i innych węglowodanów, a także wodę. Chemoreceptory owadów rzadko reagują na sztuczne substancje, które naśladują słodki lub gorzki smak, w przeciwieństwie do chemoreceptorów kręgowców. Na przykład sacharyna nie jest postrzegana przez owady jako słodka substancja.

W procesie ewolucji widzenia niektóre zwierzęta opracowują dość złożone urządzenia optyczne. Należą do nich oczywiście oczy złożone. Powstawały u owadów i skorupiaków, niektórych stawonogów i bezkręgowców. Jaka jest różnica między okiem złożonym a prostym, jakie są jego główne funkcje? Porozmawiamy o tym w naszym dzisiejszym materiale.

Fasetowane oczy

Ten system optyczny, raster, w którym nie ma pojedynczej siatkówki. A wszystkie receptory łączą się w małe retinule (grupy), tworząc wypukłą warstwę, która nie zawiera więcej zakończenia nerwowe. Tak więc oko składa się z wielu oddzielnych jednostek - ommatidii, połączonych w wspólny system wizja.

Oczy są złożone, nieodłączne i różnią się od obuocznych (nieodłącznych również u ludzi) słabym rozpoznawaniem drobnych szczegółów. Ale są w stanie rozróżnić lekkie wibracje (do 300 Hz), podczas gdy dla osoby ograniczeniami są 50 Hz. A błona tego typu oka ma strukturę rurową. W związku z tym oczy złożone nie mają takich cech refrakcyjnych jak dalekowzroczność czy krótkowzroczność, pojęcie akomodacji nie ma do nich zastosowania.

Niektóre cechy struktury i wizji

U wielu owadów zajmują większość głowy i są praktycznie nieruchome. Na przykład fasetowane oczy ważki składają się z 30 000 tworzących się cząstek złożona struktura. Motyle mają 17 000 ommatidiów, mucha 4000, a pszczoła 5. Najmniejsza liczba cząstek u mrówki robotnicy wynosi 100 sztuk.

Lornetka czy fasetka?

Pierwszy rodzaj widzenia pozwala dostrzec objętość obiektów, ich drobne szczegóły, oszacować odległości do obiektów i ich położenie względem siebie. Jednak osoba jest ograniczona do kąta 45 stopni. Jeśli potrzebny jest pełniejszy przegląd, gałka oczna wykonuje ruch na poziomie odruchu (lub obracamy głową wokół osi). Oczy złożone w formie półkul z ommatidiami pozwalają widzieć otaczającą rzeczywistość ze wszystkich stron bez obracania narządu wzroku czy głowy. Co więcej, obraz przesyłany przez oko w tym przypadku jest bardzo podobny do mozaiki: jeden jednostka strukturalna oczy postrzegają osobny element, a razem odpowiadają za odtworzenie pełnego obrazu.

Odmiany

Ommatidia mają cechy anatomiczne, w wyniku czego ich właściwości optyczne różnią się (na przykład u różnych owadów). Naukowcy definiują trzy rodzaje aspektów:

Nawiasem mówiąc, niektóre rodzaje owadów mają typ mieszany fasetowane narządy wzroku, a wiele, oprócz rozważanych przez nas, ma również proste oczy. Na przykład u muchy po bokach głowy są dość sparowane narządy fasetkowe duże rozmiary. A na koronie są trzy proste oczy które pełnią funkcje pomocnicze. Pszczoła ma taką samą organizację narządów wzroku - to znaczy tylko pięć oczu!

U niektórych skorupiaków oczy złożone niejako siedzą na ruchomych wyrostkach-łodygach.

Niektóre płazy i ryby mają również dodatkowe oko (ciemieniowe), które rozróżnia światło, ale ma widzenie obiektów. Jego siatkówka składa się wyłącznie z komórek i receptorów.

Współczesne osiągnięcia naukowe

W Ostatnio oczy złożone są przedmiotem badań i zachwytu naukowców. W końcu takie narządy wzroku, ze względu na swoją pierwotną budowę, dają początek naukowym wynalazkom i badaniom w świecie współczesnej optyki. Główne zalety to szerokie spojrzenie na przestrzeń, opracowanie sztucznych faset, stosowane głównie w miniaturowych, zwartych, tajnych systemach inwigilacyjnych.