Hvad ser myrer?

De andre svar om, at man har brug for stor optik for at se fine detaljer, er sandt for, gælder for konventionel billedoptik, der fornemmer elektromagnetisk farfield eller strålingsfelt dvs. at hvis Fourier-komponent ved frekvensen $ \ omega $ kan repræsenteres som en lineær superposition af planbølger med reelle værdiansatte bølgevektorer $ (k_x , \, k_y, \, k_z) $ med $ k_x ^ 2 + k_y ^ 2 + k_z ^ 2 = k ^ 2 = \ omega ^ 2 / c ^ 2 $. Dette er den slags felt, som Abbe-diffraktionsgrænse gælder for og begrænser “øjne” som vores egen, der omfatter billedoptik og nethinder eller endda sammensatte øjne som dem af en maur.

Dette er dog ikke hele det elektromagnetiske felt: meget tæt på objekterne, der interagerer med det, inkluderer det elektromagnetiske felt nærfelt eller evanenescerende feltkomponenter . Disse er generaliserede planbølger, for hvilke:

1. Komponenten i bølgevektoren i en eller anden retning $ k_ \ parallel $ er større end bølgenummeret $ k $ og kan således kode for rumlige variationer, der potentielt er meget mindre end en bølgelængde;

2. Komponenten i bølgevektoren $ k_ \ perp $ ortogonal i denne retning skal derfor være imaginær , så $ k_ \ parallel ^ 2 + k_ \ perp ^ 2 = k ^ 2 $ kan opfyldes.

Så sådanne felter henfalder eksponentielt med afstand fra forstyrrelsen til det elektromagnetiske felt, der fødte dem, og kan derfor normalt ikke bidrage til et billede dannet af et billeddannelsessystem.

Men hvis du kan bringe dine billedsensorer tæt på forstyrrelsen, kan du stadig registrere detaljerne, der er kodet i de finere end bølgelængde svigende komponenter. Dette er princippet i Scanning af nærfeltoptisk mikroskop .

Den nærfeltoptiske mikroskopsensor kan faktisk være ekstremt lille, så en bakterie størrelse livsform kunne registrere detaljer under bølgelængden i verden omkring det med receptorer bygget af et par molekyler, så længe livsformen var tæt nok på den pågældende detalje. Bemærk, at når $ k_ \ parallel > k $, at felterne henfalder som $ exp (- \ sqrt {k_ \ parallel ^ 2-k ^ 2} z) $ med stigende afstand $ z $ fra deres kilder. Så der er en afvejning mellem hvor meget finere end en bølgelængde, vi kan se med en sådan sensor, og hvor tæt på kilden vi skal være for at se den. Hvis vi vil se funktioner en tiendedel af bølgelængden af det synlige lys, så er $ k \ approx 12 {\ rm \ mu m ^ {- 1}} $ og $ k_ \ parallel \ approx 120 {\ rm \ mu m ^ { -1}} $, så nærfeltets amplitude henfalder med en faktor $ e $ for hver hundrededel af en bølgelængde, der er fjernt fra kilden, detektoren er. Således mister vi omkring 10 dB signal / støj-forhold for hver hundrededel af en bølgelængde, der adskiller detektoren og kilden. Så for at fornemme sådanne fine detaljer (50 nm strukturer) fra en mikron væk ville der være brug for ekstremt stærke lyskilder, så detektorerne ville have et meget rent signal.

Selvfølgelig er ovenstående et ekstremt eksempel, men hvis du “er en livsform med en bakteriestørrelse, der direkte registrerer marken ved hjælp af et fint anbragt spektrum af molekylære sensorer, kan du muligvis være i stand til at” se “underbølgelængde i verden i dit nærmeste nabolag. Desuden er det muligt at forestille en lille skabning, der “føler” sit kvarter ved hjælp af molekylære atomkraftmikroskoper .

Så ja, hvis du inkluderer al fysik og tager hensyn til det forbehold, at du skal komme op virkelig tæt på de registrerede genstande, ville det være muligt for en bakteriestørrelse livsform at se detaljer under bølgelængden i dens umiddelbare kvarter, måske endda individuelle atomer, hvis vi inkluderer atomkraftregistrering.

Selvfølgelig kan det være en anden sag at pakke al signalbehandlings “hjerne” ind i den livsform, der er nødvendig for at forstå disse oplysninger.

Myrer har kun øjne med lav opløsning, bortset fra tre ocelli – enkle øjne – der kun registrerer et generelt lysniveau og polarisering, se

http://en.wikipedia.org/wiki/Ant#Morphology

Deres evne til at se detaljer – små genstande og deres træk – er meget værre end for hvirveldyr som os. At antyde, at dyr – især lige så primitive dyr som myrer – kunne se bakterier er forfærdeligt.

Bølgelængden af synligt lys er ca. en halv mikron – hvilket også er størrelsen af mange bakterier. Så du kan ikke se noget inden i bakterier med det synlige lys, ikke engang med banebrydende teknologi. For at se mere detaljerede objekter skal du skifte til røntgenstråler eller elektroner og skabe bedre mikroskoper.

Det er endnu mere urealistisk at foreslå, at en – eller endda en myre – kunne se et atom (som er 10.000 gange mindre end en bakterie) gennem synligt lys.

Du kan ikke bare skalere ting op og Verden er ikke uforanderlig under skala-transformationer, siger vi. Forskellige længdeskalaer ser forskellige slags fysiske fænomener og forskellige fysiske objekter. Atomet af en given art har altid den samme størrelse, og du kan ikke skalere det op. Desuden udførte du ikke engang skaleringen ordentligt, fordi du ikke skalerede lysets bølgelængde. Også vision med detaljeret opløsning kræver nogle “store nok kredsløb” til at håndtere informationen osv.

Forresten gælder dette selv for acceleratorer. LHC er vores bedste “mikroskop”, der kan se afstande kortere end $ 10 ^ {- 19} $ meter – men for at gøre det kræver det tunneler med de bedste magneter, der er 27 kilometer lange. Objekter så små som myrer kan ikke se med denne gode opløsning, og selvom de kunne, kunne de ikke håndtere den enorme mængde information, som deres øjne ville give dem.

Stor nok dyr – for eksempel pattedyr – se verden meget som vi gør. Der er velkendte forskelle mellem de farver, som forskellige pattedyr er følsomme over for. Hunde er for eksempel delvist farveblinde i forhold til hvad vi kan gøre.

Kommentarer

• Spørgsmålet specifikt i spørgsmålet om, at myresyn var bare en metafor, og hans spørgsmål handlede om lysets natur. Det er ikke ” latterligt ” at foreslå spørgsmålet, da du følte behovet for at angive mere end én gang. Det er latterligt at skænke nykommere i dette forum for at stille spørgsmål, som du gjorde mod mig for et øjeblik siden (link følger), og til denne spørger lige nu.
• Kære Olhovsky, du ‘ har ikke ret – eller hvad ‘ er den rigtige måde at sige at du ‘ er forkert uden at skade dig. 😉 Tanken om, at man kan se bakterier eller atomer, er latterlig hovedsagelig og nøjagtigt fordi den modsiger lysets grundlæggende natur, nemlig at den er lavet af bølger. Man kan bruge enhver metafor, men i slutningen har fysik et indhold, der er ikke en metafor. I mit land, der ikke er i forkant, undervises det faktum, at lyset er lavet af bølger på grundskoler, så jeg forbeholder mig ret til at sige, at folk, der ikke er fortrolige med dette punkt, mangler en grundlæggende uddannelse.
• Og hvis problemet handler om nybegyndere, så lad mig sige, at jeg finder den nylige strøm af spørgsmål af lav kvalitet faktisk frustrerende. Formålet med denne server er ikke at tiltrække et maksimalt antal tilfældige ” nykommere ” der skriver vilkårlige ordsekvenser med mindst et spørgsmål mærke. For blot et par måneder siden skulle dette – og var næsten i praksis – være en ægte server til at stille og besvare spørgsmål om fysik af folk, der faktisk kender fysik. – Og tak, Robert, forresten.
• @ Luboš, jeg er enig i, at kvaliteten af spørgsmål er faldet, men jeg tror, at folk, der faktisk kender en eller anden fysik, ikke stiller spørgsmål, uanset årsager. Når nyankomne ankommer, finder de straks eksempler på spørgsmål, der synes mere dumme end deres spørgsmål, så hvorfor ikke stille det? De hårde spørgsmål er svære at finde og vil sandsynligvis ikke blive besvaret. Hvis der var en overvægt af hårde spørgsmål, kunne spørgsmål af lav kvalitet blive afskrækket.Hvad nyankomne ikke ser ‘, så de ‘ ikke bliver afskrækket af dem, er svarene, der fortæller de spørgsmål af lav kvalitet, som de ‘ er dumme.
• Wow, jeg har ikke ‘ ikke blevet kaldt dum på så mange interessante måder på ganske et stykke tid. Jeg undskylder, hvis spørgsmålet var esoterisk nok for dig, jeg ‘ vil prøve at gøre det bedre næste gang, men det handlede om fysik, det var ikke ‘ t om programmering, for eksempel, så jeg ‘ er ikke sikker på, hvad dit greb er. Hvis du tænkte så lidt på spørgsmålet, hvorfor ikke stemme det ned og ikke besvare det? Også ‘ t ” foreslog ” at man kunne se atomer, spurgte jeg , og det er teoretisk, ikke praktisk, men forudsætter perfekt opløsning, og ved hjælp af synligt lys, hvordan ville verden ” se ” ud på den skala?

Myrverdenen ordnes langt mere ved kemisk modtagelse og feromoner end ved syn . Myrer producerer en række sådanne kemikalier, der fungerer som signaler. De fornemmer også andre kemikalier i deres miljø, og som det, der kan kaldes en “superorganisme”, har de et eller andet kollektivt kort, et kemisk kort, over det terræn, de bebor. er ret små. For det meste er deres formål at mærke pludselige ændringer i lysniveauer. En myre, der opfatter sådan, får derefter et signal om, at et eller andet rovdyr kan være til stede, og at komme ud derfra er i orden.

Nogle arter af baceteria har opsinmolekyler, der er fotoaktive. Så modtagelse af fotoner kan resultere i ændringer i molekylær vejaktivitet. Rhodopsin-molekylet i vores øjne eller nethinden har to konforme tilstande til modtagelse og ikke-modtagelse af en foton. Fotonens energi ændrer formen på molekylet, og dette virker derefter til at initiere en GTP-molekylær vej, der i sidste ende amplificeres til et neuralt handlingspotentiale. Rhodopsin er en form for opsin-molekyler, som i deres generelle klassifikation også overlapper med fotosyntetiske molekyler i nogle bakterier. Imidlertid danner bacillerne ikke nogen form for billede af noget.

For at en bacillus kan “se” et atom, skal de registrere gammastråler. Gammastråler ligger stort set uden for EM-spektret, der er tilgængeligt for biologiske systemer. Faktisk er de dødelige.

Kommentarer

• Jeg ser, at du blev degraderet igen :).
• I ‘ har flettet de to forekomster af din konto (r). Du kan markere for moderatorens opmærksomhed, når det sker.

For så vidt som lysets funktion går: Ja, du kan skalere ned (til et punkt). Jeg har arbejdet på et ASIC (Application Specific Integrated Circuit), der brugte en 8 mikron proces (Cro-magnon efter dagens standarder). Jeg kunne ikke se detaljerne i disse kredsløb i det færdige produkt (alt for lille) MEN de var lavet grundlæggende (jeg forenkler meget) med sine bitre fotografiske billeder produceret af lys (uden for området for synligt lys). For at sige det på en anden måde: Den opløselige detalje, der er tilgængelig fra lys, er langt, langt finere end det ikke-støttede menneskelige øje kan se.

Biologer hævder, at ørne kan se omkring 10 gange skarpere detaljer end et menneske (og et ørneøje er markant mindre end et menneskeligt øje).

Hvad jeg ikke gør ” Det ved ikke, hvor den fysiske størrelse af øjet begrænser detaljerne. Jeg ser ingen grund til, at det ikke kunne skaleres ned … NED. Men jeg er ikke en biolog og (heldigvis) ikke en myre. Det ville være interessant at finde ud af, hvor de mindste øjenkugler ender, og hvor andre seende apparater overtager.

Så dit eksempel på at komme ned til, hvor du kunne se bakterier, udgør et interessant brudpunkt: Der er teoretisk ingen problem med at se en bakterie (størrelse ca. 1000 nm) ved den nedre ende af UV (øvre ende af menneskeligt synligt) lys, bølgelængde ca. 400 nm. Men detaljer ville naturligvis være lidt uklar. Bakterien ville fremstå som en sløret klat, og ingen briller ville hjælpe. Den teoretiske grænse for moderne optiske mikroskoper til at løse detaljer er 200 nm (ved hjælp af 550 nm “grønt” lys).