Зір у комах. Чому у комах очі круглі, як бачать комахи? З погляду комахи

Око комахи при великому збільшеннісхожий на дрібні ґрати.

Це тому, що око комахи складається з безлічі маленьких "вічок"-фасеток. Очі комах називають фасетковими. Крихітне вічко-фасетка називається омматидій. Омматидій має вигляд довгого вузького конуса, основа якого - лінза, що має вигляд шестигранника. Звідси і назва фасеткового ока: facetteу перекладі з французької означає "грань".

Пучок омматидіїв складає складне, кругле, око комахи.

Кожен омматидій має дуже обмежене поле зору: кут огляду омматідіїв у центральній частині ока – всього близько 1°, а по краях ока – до 3°. Омматидій «бачить» тільки той крихітний ділянку предмета, на який він "націлений", тобто куди спрямоване продовження його осі. Але так як омматидії тісно прилягають один до одного, а їх осі круглому оцірозходяться променеподібно, все складне око охоплює предмет в цілому. Причому зображення предмета виходить у ньому мозаїчним, тобто складеним із окремих шматочків.

Число омматидіїв в оці у різних комах по-різному. У робітника мурахи в оці всього близько 100 омматидіїв, у кімнатної мухи - близько 4000, у робочої бджоли– 5000, у метеликів – до 17 000, а у бабок – до 30 000! Таким чином, у мурашки зір дуже посередній, тоді як величезні очі бабки - дві райдужні півкулі - забезпечують максимальне поле зору.

Через те, що оптичні осі омматідії розходяться під кутами 1-6 °, чіткість зображення комах не дуже висока: дрібних деталей вони не розрізняють. Крім того, більшість комах короткозорі: бачать навколишні предмети на відстані лише кількох метрів. Зате фасеткові очіДобре вміють розрізняти миготіння (блимання) світла з частотою до 250-300 герц (для людини гранична частота близько 50 герц). Очі комах здатні визначати інтенсивність світлового потоку (яскравість), а крім того, вони мають унікальну здатність: вміють визначати площину поляризації світла. Ця здатність допомагає їм орієнтуватися, коли сонця не видно на небосхилі.

Комахи розрізняють кольори, але зовсім не так, як ми. Наприклад, бджоли «не знають» червоного кольору і не відрізняють його від чорного, зате сприймають невидимі для нас ультрафіолетові промені, які розташовані на протилежному кінці спектра. Ультрафіолет розрізняють також деякі метелики, мурахи та інші комахи. До речі, саме сліпістю комах-запилювачів нашої смуги до червоного кольору пояснюється цікавий факт, що серед нашої дикорослої флори немає рослин із червоними квітками.

Світло, що йде від сонця, не поляризоване, тобто його фотони мають довільну орієнтацію. Однак, проходячи через атмосферу, світло поляризується внаслідок розсіювання молекулами повітря, і при цьому площина його поляризації завжди спрямована на сонце

До речі...

Крім фасеткових очей у комах є ще три простих вічка діаметром 0,03-0,5 мм, які розташовуються у вигляді трикутника на лобово-тім'яній поверхні голови. Ці очі не пристосовані для розрізнення об'єктів і потрібні для зовсім іншої мети. Вони вимірюють усереднений рівень освітленості, який при обробці зорових сигналів використовується як точка відліку («нуль-сигналу»). Якщо заклеїти комаху ці очі, воно зберігає здатність до просторової орієнтації, але літати зможе лише за яскравішому світлі, ніж зазвичай. Причина цього в тому, що заклеєні очі приймають за « середній рівень» чорне поле і тим самим задають фасетковим очам більше широкий діапазоносвітленості, а це, відповідно, знижує їхню чутливість.

У багатьох комах складні фасеткові очі, що складаються з численних окремих очків – омматидій. Комахи бачать світ так, ніби він зібраний із мозаїки. Більшість комах є «близорукими». Окремі, як, наприклад, муха діопсиду, бачать з відривом 135 метрів. Метелик - а він має саме гострий зірсеред наших комах - не бачить далі за два метри, а бджола нічого не бачить вже на відстані одного метра. Комахи, очі яких складаються з великої кількостіомматидій, здатні помічати найменший рух довкола себе. Якщо об'єкт змінює своє становище у просторі, його відображення у складових очах також змінює місце розташування, переміщаючись на кілька омматидій, і комаха це помічає. Складні очі грають величезну роль життя хижих комах. Завдяки такій будові органів зору комаха може сфокусувати очі на потрібному об'єкті або спостерігати за ним лише частиною складного ока. Цікаво, що нічні метелики орієнтуються за допомогою зору та завжди летять до джерела світла. Азімут їх очей по відношенню до місячному світлузавжди менше 90 °.

Колірний зір

Для того, щоб бачити певний колір, око комахи має сприймати електромагнітні хвиліпевної довжини. Комахи добре сприймають як ультракороткі, так і ультрадовгі світлові хвилі та кольори спектра, видимого людським оком. Відомо, що людина бачить кольори від червоного до фіолетового, проте її око не здатне сприймати ультрафіолетове випромінювання- хвилі, які довші за червоні і коротші за фіолетові. Комахи бачать ультрафіолетове світлоале не розрізняють кольори червоного спектру (тільки метелики бачать червоний колір). Наприклад, квітка маку сприймається комахами як безбарвна, зате на інших кольорах очі комахи бачать такі ультрафіолетові візерунки, які людині навіть важко уявити. Комахи орієнтуються на цих візерунках у пошуках нектару. На крилах метеликів також є ультрафіолетові малюнки, які невидимі для людини. Бджоли розрізняють такі кольори: блакитно-зелений, фіолетовий, жовтий, синій, бджолиний пурпурний та ультрафіолетовий. Комахи також здатні орієнтуватися за допомогою поляризованого світла. При проходженні крізь атмосферу Землі промінь світла заломлюється, і внаслідок того, що виникає поляризація світла, різних ділянкахнебо довжина хвиль різна. Завдяки цьому, навіть коли сонця не видно з-за хмар, комаха точно визначає напрямок.

Цікаві факти

У личинок деяких жуків розвинені прості очі, завдяки яким вони добре бачать і рятуються від хижаків. У дорослих жуків розвиваються складні очі, проте зір у них не кращий, ніж у личинок. Складні фасеткові очі є не тільки у комах, а й у деяких ракоподібних, таких як краби та омари. Замість кришталиків в омматідіях у них розташовані мініатюрні дзеркальця. Вперше люди змогли подивитися на світ очима комахи у 1918 р. завдяки німецькому вченому Екснеру. Кількість дрібних очей у комах (залежно від виду) варіює від 25 до 25 000. Очі комах, наприклад, жуків, які плавають на поверхні води, розділені на дві частини: верхня частинаслужить у тому, щоб бачити повітря, а нижня - під водою. Фасеткові очі комах бачать негаразд, як очі птахів і ссавців, оскільки де вони здатні передавати дрібні деталі (у комах може бути від 25 до 25 000 фасеток). Зате вони добре сприймають об'єкти, що рухаються, і реєструють навіть ті кольори, які недоступні для людського ока.

Найбільш складними з органів чуття у комах є органи зору. Останні представлені утвореннями кількох типів, з яких найважливіші – складні фасетовані очі приблизно такої самої будови, як і складні очі ракоподібних.

Очі складаються з окремих оматидіїв (рис. 337), кількість яких визначається головним чином біологічними особливостями комах. Активні хижаки і гарні літуни, бабки мають очі, що налічують до 28 000 фасеток в кожному. У той самий час мурахи (отр. перетинчастокрилі), особливо робочі особини видів, що мешкають під землею, мають очі, що з 8 - 9 омматидіїв.

Кожен омматидій представляє досконалу фотооптичну сенсил (рис. 338). До його складу входять оптичний апарат, що включає рогівку, - прозору ділянку кутикули над омматідієм і так званий кришталевий конус. Спільно вони виконують роль лінзи. Сприймаючий апарат омматідія представлений кількома (4 - 12) рецепторними клітинами; спеціалізація їх зайшла дуже далеко, про що говорить повна втрата ними джгутикових структур. Власне чутливі частини клітин - рабдомери - являють собою скупчення щільно упакованих мікроворсинок, розташовуються в центрі омматідії і тісно прилягають одна до одної. У сукупності вони утворюють світлочутливий елементочі – рабдом.

По краях омматідія залягають пігментні клітини, що екранують; останні досить суттєво відрізняються у денних та нічних комах. У першому випадку пігмент у клітині нерухомий і постійно поділяє сусідні омматидії, не пропускаючи світлові промені з одного вічка до іншого. У другому випадку пігмент здатний переміщатися в клітинах і накопичуватися тільки у верхній частині. При цьому промені світла потрапляють на чутливі клітини не одного, а кількох сусідніх омматидіїв, що помітно (майже на два порядки) підвищує загальну чутливість ока. Природно, що подібна адаптація виникла у сутінкових і нічних комах. Від чутливих клітин омматидія відходять нервові закінчення, що утворюють зоровий нерв.

Крім складних очей багато комах мають ще й прості очі (рис. 339), будова яких не відповідає будові одного омматідія. Світлозаломлюючий апарат лінзоподібної форми, відразу ж під ним розташований шар чутливих клітин. Все вічко одягнене чохлом із пігментних клітин. Оптичні властивості простих вічок такі, що сприймати зображення предметів вони можуть.

Личинки комах у більшості випадків мають тільки прості вічка, що відрізняються, однак, за будовою від простих очей дорослих стадій. Жодної спадкоємності між вічками дорослих особин та личинок не існує. Під час метаморфозу очі личинок повністю резорбуються.

Зорові можливості комах досконалі. Проте структурні особливості складного ока визначають особливий фізіологічний механізм зору. Тварини, що мають складні очі, мають "мозаїчний" зір. Малі розміри омматидіїв та його відособленість друг від друга призводять до того, кожна група чутливих клітин сприймає лише невеликий і порівняно вузький пучок променів. Промені, що падають під значним кутом, поглинаються пігментними клітинами, що екранують, і не досягають світлочутливих елементів омматидіїв. Таким чином, схематично кожен омматидії отримує зображення лише однієї невеликої точки об'єкта, що знаходиться в полі зору ока. Внаслідок цього зображення складається з стільки світлових точок, що відповідають різним частинам об'єкта, на скільки фасеток падають перпендикулярно промені від об'єкта. Загальна картина комбінується з безлічі дрібних часткових зображень шляхом докладання їх одного до іншого.

Сприйняття кольору комахами також відрізняється своєрідністю. Представники вищих груп Insecta мають колірний зір, заснований на сприйнятті трьох основних кольорів, змішання яких і дає все барвисте різноманіття навколишнього світу. Однак у комах порівняно з людиною спостерігається сильний зсув у короткохвильову частину спектра: вони сприймають зелено-жовті, сині та ультрафіолетові промені. Останні нам невидимі. Отже, колірне сприйняття світу комахами різко відрізняється від нашого.

Функції простих очей дорослих комах вимагають серйозного вивчення. Мабуть, вони певною мірою "доповнюють" складні очі, впливаючи на активність поведінки комах у різних умовах освітленості. Крім того, було показано, що прості очі поруч із складними очима здатні сприймати поляризоване світло.

Комахи, як і інші багатоклітинні організмимають безліч різних рецепторів, або сенсил, чутливих до певних подразників. Рецептори комах дуже різноманітні. У комах є механорецептори ( слухові рецептори, пропріоцептори), фоторецептори, терморецептори, хеморецептори З їх допомогою комахи вловлюють енергію випромінювань у вигляді тепла та світла, механічні вібрації, включаючи широкий діапазон звуків, механічний тиск, силу тяжіння, концентрацію в повітрі водяної пари та летких речовин, а також безліч інших факторів. Комахи мають розвинене почуття нюху та смаку. Механорецепторами є трихоїдні сенсили, які сприймають тактильні стимули. Деякі сенсили можуть вловлювати найменші коливання повітря навколо комахи, а інші - сигналізують про положення частин тіла щодо один одного. Повітряні рецептори сприймають швидкість і напрямок потоків повітря поблизу комахи і регулюють швидкість польоту.

Зір

Зір грає велику роль життя більшості комах. У них зустрічаються три типи органів зору - фасеткові очі, латеральні (стеми) та дорсальні (оцеллії) вічка. У денних і літаючих форм зазвичай є 2 складні очіі 3 оцелілі. Стемма є у личинок комах з повним перетворенням. Вони розташовуються з боків голови у кількості 1-30 з кожного боку. Дорсальні очі (оцеллії) зустрічаються разом з фасетковими очима і функціонують як додаткові органи зору. Оцеллії відзначені у імаго більшості комах (відсутні у багатьох метеликів і двокрилих, у робітників мурах і сліпих форм) і в деяких личинок (веснянки, деньки, бабки). Як правило, вони є тільки у комах, що добре літають. Зазвичай є 3 дорсальних вічка, розташованих у вигляді трикутника в лобово-тім'яній ділянці голови. Їхня основна функція, ймовірно, полягає в оцінці освітленості та її змін. Передбачається, що вони також беруть участь у зоровій орієнтації комах та реакціях фототаксису.

Особливості зору комах обумовлені фасетковою будовоюочей, які складаються з великої кількості омматидіїв. Найбільша кількістьомматидіїв виявлено у метеликів (12-17 тисяч) та бабок (10-28 тисяч). Світлочутливою одиницею омматидія є ретинальна (зорова) клітина. В основі фоторецепції комах лежить перетворення зорового пігменту родопсин під впливом кванта світла в ізомер метародопсин. Зворотне відновлення дає можливість багаторазового повторенняелементарних зорових актів Зазвичай у фоторецепторах виявляються 2-3 зорових пігменти, що розрізняються за спектральною чутливістю. Набір даних зорових пігментів визначає також особливості колірного зорукомах. Зорові образи у фасеткових очах формуються з множини точкових зображень, створюваних окремими омматідіями. Фасеткові очі позбавлені здатності до акомодації і не можуть пристосовуватися до зору на різних відстанях. Тому комах можна назвати «вкрай короткозорими». Комахи характеризуються обернено пропорційним зв'язком між відстанню до об'єкта, що розглядається, і кількістю помітних їх оком деталей: чим ближче знаходиться об'єкт, тим більше деталей вони бачать. Комахи здатні оцінювати форму предметів, але на невеликих відстанях від них для цього потрібно, щоб обриси об'єктів вміщувалися в поле зору ока фасетки.

Колірний зір комах може бути дихроматичним (мурахи, жуки-бронзування) або трихроматичним (бджолині та деякі метелики). Як мінімум один вид метеликів має тетрахроматичний зір. Існують комахи, які здатні розрізняти кольори лише однією (верхньою або нижньою) половинкою фасеткового ока (чотириплямова бабка). Для деяких комах видима частина спектру зсунута в короткохвильову сторону. Наприклад, бджоли та мурахи не бачать червоного кольору (650-700 нм), але розрізняють частину ультрафіолетового спектру (300-400 нм). Бджоли та інші комахи-запилювачі можуть побачити на квітках ультрафіолетові малюнки, приховані від зору людини. Аналогічно метелики здатні розрізняти елементи фарбування крил, видимі лише в ультрафіолетовому випромінюванні.

Сприйняття звуків, що передаються через твердий субстрат, здійснюється у комах віброрецепторами, що знаходяться в гомілках ніг поблизу їх зчленування зі стегном. Багато комах мають високою чутливістюдо струсу субстрату, на якому вони знаходяться. Сприйняття звуків через повітря чи воду здійснюється фонорецепторами. Двокрилі сприймають звуки за допомогою джонстонових органів. Найбільш складними слуховими органами комах є тимпанальні органи. Кількість сенсил, що входять до складу одного тимпанального органу, варіює від 3 (деякі метелики) до 70 (саранчові) і навіть до 1500 (у співочих цикад). У коників, цвіркунів і капустян тимпанальні органи знаходяться в гомілках передніх ніг, у саранчових - з боків першого черевного сегмента. Слухові органиспівочих цикад розташовуються біля основи черевця поблизу звукопроизводящего апарату. Слухові органи нічних метеликів знаходяться в останньому грудному сегменті або в одному з двох передніх сегментів черевця і можуть сприймати ультразвуки, що видаються кажанами. Медоносні бджоли видають звуки, змушуючи вібрувати частину торакс шляхом частих м'язових скорочень. Звук посилюється криловими пластинами. На відміну від багатьох комах бджоли здатні видавати звуки різної висоти та тембрів, що дозволяє їм передавати інформацію за допомогою різних характеристикзвуку.

Зір

Комахи мають розвинений нюховий апарат. Сприйняття запахів здійснюється завдяки хеморецепторам - нюховим сенсилам, розташованим на вусиках, інколи ж і на навколоротових придатках. На рівні хеморецепторів відбувається первинний поділ нюхових подразників завдяки наявності двох типів рецепторних нейронів. Нейрони-генералісти розпізнають дуже широкий набір хімічних сполук, але при цьому мають низьку чутливість до запахів. Нейрони-фахівці реагують лише одне чи кілька споріднених хімічних сполук. Вони забезпечують сприйняття пахучих речовин, що запускають певні поведінкові реакції (статеві феромони, харчові атрактанти та репеленти, вуглекислий газ). У самців тутового шовкопряда нюхові сенсили досягають теоретично можливої ​​межі чутливості: для збудження нейрона-фахівця достатньо лише однієї молекули феромону самки. У своїх дослідах Ж. А. Фабр визначив, що самці грушевої павичоклазки можуть виявляти самок за феромонами на відстані до 10 км.

Контактні хеморецептори утворюють периферичний відділсмакового аналізатора комах та дозволяють їм оцінюють придатність субстрату для харчування або яйцекладки. Ці рецептори розташовуються на ротових частинах, кінчиках лапок, антени та яйцеклади. Більшість комах здатна розпізнавати розчини солей, глюкози, сахарози та інших вуглеводів, а також воду. Хеморецептори комах рідко реагують на штучні речовини, що імітують солодкий чи гіркий смак, на відміну хеморецепторів хребетних. Наприклад, сахарин не сприймається комахами як солодка речовина.

У процесі еволюції зору деякі тварини виникають досить складні оптичні прилади. До таких, безумовно, можна віднести очі фасеткові. Вони сформувалися у комах та ракоподібних, деяких членистоногих та безхребетних. Чим відрізняється фасеткове око від простого, якими є його основні функції? Про це поговоримо у нашому сьогоднішньому матеріалі.

Очі фасеткові

Це оптична система, растрова, де відсутня єдина сітківка А всі рецептори об'єднані в невеликі ретинули (групи), утворюючи опуклий шар, що не містить жодних нервових закінчень. Таким чином, око складається з безлічі окремих одиниць - омматидій, що об'єднуються в загальну системузору.

Очі фасеткові, властиві, відрізняються від бінокулярних (властивих у тому числі і людині) поганим визначенням дрібних деталей. Зате вони можуть розрізняти коливання світла (до 300 Гц), тоді як для людини граничні можливості - 50 Гц. А ще мембрана такого типу очей має трубчасту структуру. З огляду на це очі фасеткові немає таких особливостей рефракції, як далекозорість чи короткозорість, їм застосовується поняття акомодації.

Деякі особливості будови та зору

У багатьох комах займають більшу частину голови і практично нерухомі. Наприклад, очі фасеткові у бабки складаються з 30 000 частинок, утворюючи складну структуру. У метеликів – 17 000 омматидіїв, у мухи – 4 тисячі, у бджоли – 5. Найменша кількість частинок у мурахи робітника – 100 штук.

Бінокулярне чи фасеткове?

Перший тип зору дозволяє сприймати обсяг предметів, їх дрібні деталі, оцінювати відстані до об'єктів та їх розташування один до одного. Проте людину обмежується кутом 45 градусів. Якщо огляд необхідний повніший, очне яблукоздійснює рух на рефлекторному рівні (чи повернемо голову навколо осі). Фасеткові очі у вигляді напівсфер з омматідіями дозволяють бачити навколишню дійсність з усіх боків, не повертаючи органів зору чи голови. Причому зображення, яке при цьому передає око, дуже схоже на мозаїку: однієї структурною одиницеюочі сприймається окремий елемент, а вони відповідають за відтворення повної картини.

Різновиди

Омматидії мають анатомічні особливості, у результаті розрізняються їх оптичні якості (наприклад, в різних комах). Вчені визначають три види фасету:

До речі, деякі види комах мають змішаний типфасеткових органів зору, а в багатьох, крім нами, є ще й прості очі. Так, у мухи, наприклад, з боків голови розташовані парні фасеткові органи досить великих розмірів. А на темряві є три простих окавиконують допоміжні функції. Така ж організація органів зору і в бджоли - тобто лише п'ять очей!

У деяких ракоподібних фасеткові очі як би сидять на рухливих виростах-стеблинках.

А в деяких амфібій і риб є ще й додаткове (тем'яне) око, яке розрізняє світло, але має предметний зір. Сітківка його складається лише з клітин та рецепторів.

Сучасні наукові розробки

У Останнім часомочі фасеткові - предмет вивчення та захоплення вчених. Адже такі органи зору, зважаючи на свою оригінальну будову, дають ґрунт для наукових винаходів та пошуків у світі сучасної оптики. Основні переваги – широкий огляд простору, розробка штучних фасеток, що використовуються переважно у мініатюрних, компактних, секретних системах спостереження.