Co widzą mrówki?

Inne odpowiedzi dotyczące efektu, że potrzebna jest duża optyka, aby zobaczyć drobne szczegóły, są rzeczywiście prawdziwe, ponieważ są prawdziwe dla konwencjonalnej optyki obrazującej, która wyczuwa elektromagnetyczne pole dalekie lub pole radiacyjne tj. takie, którego składową Fouriera przy częstotliwości $ \ omega $ można przedstawić jako liniową superpozycję fal płaskich z wektorami fal o wartościach rzeczywistych $ (k_x , \, k_y, \, k_z) $ z $ k_x ^ 2 + k_y ^ 2 + k_z ^ 2 = k ^ 2 = \ omega ^ 2 / c ^ 2 $. Jest to rodzaj pola, które granica dyfrakcji Abbego dotyczy i ogranicza „oczy”, takie jak nasze, obejmujące optykę obrazowania i siatkówki, a nawet oczy złożone, takie jak mrówka.

Jednak to nie jest całe pole elektromagnetyczne: bardzo blisko obiektów, które z nim oddziałują, pole elektromagnetyczne zawiera bliskie lub zanikające składniki pola . Są to uogólnione fale płaskie, dla których:

1. Składowa falownika w pewnym kierunku $ k_ \ parallel $ jest większa niż liczba falowa $ k $ i może zatem zakodować zmiany przestrzenne potencjalnie znacznie mniejsze niż długość fali;

2. Składowa wektora falowego $ k_ \ perp $ prostopadła do tego kierunku musi zatem być wyimaginowana , tak aby $ k_ \ parallel ^ 2 + k_ \ perp ^ 2 = k ^ 2 $ mogło zostać spełnione.

Tak więc takie pola zanikają wykładniczo wraz z odległością od zakłócenia do pola elektromagnetycznego, które je zrodziło, a zatem nie może normalnie przyczyniać się do obrazu utworzonego przez system obrazowania.

Jednakże, jeśli potrafisz zbliżyć czujniki obrazu wystarczająco blisko zakłócenia, nadal możesz zarejestrować szczegóły zakodowane w składowych zanikających drobniejszych niż długość fali. Na tym polega zasada działania Skaningowego Mikroskopu Optycznego Bliskiego Pola .

Czujnik mikroskopu optycznego pola bliskiego może być naprawdę bardzo mały, więc bakteria wielkość formy życia może rejestrować szczegóły poniżej długości fali w otaczającym ją świecie z receptorami zbudowanymi z kilku cząsteczek, o ile forma życia była wystarczająco blisko danego szczegółu. Zauważ, że gdy $ k_ \ parallel > k $, pola zanikają jak $ exp (- \ sqrt {k_ \ parallel ^ 2-k ^ 2} z) $ wraz ze wzrostem odległości $ z $ z ich źródeł. Jest więc kompromis między tym, o ile dokładniejsza niż długość fali możemy zobaczyć za pomocą takiego czujnika, a tym, jak blisko źródła musimy się znajdować, aby to zobaczyć. Jeśli chcemy zobaczyć cechy jednej dziesiątej długości fali widzialnego światła, to $ k \ ok 12 {\ rm \ mu m ^ {- 1}} $ i $ k_ \ parallel \ ok. 120 {\ rm \ mu m ^ { -1}} $, tak że amplituda pola bliskiego zanika o współczynnik $ e $ na każdą setną długości fali odległej od źródła, w którym znajduje się detektor. W ten sposób tracimy około 10 dB stosunku sygnału do szumu na każdą setną odległości długości fali, która dzieli detektor od źródła. Tak więc, aby wyczuć tak drobne szczegóły (struktury 50 nm) z odległości mikrona, potrzebne byłyby bardzo silne źródła światła, aby detektory miały bardzo czysty sygnał.

Oczywiście powyższy przykład jest skrajnym przykładem, ale jeśli jesteś „formą życia wielkości bakterii, która bezpośrednio wykrywa pole przy użyciu precyzyjnie rozmieszczonego zestawu czujników molekularnych, możesz być w stanie„ zobaczyć ”elementy świata w swoim bezpośrednim sąsiedztwie poniżej długości fali. Co więcej, możesz sobie wyobrazić maleńkie stworzenie „wyczuwające” swoje sąsiedztwo za pomocą molekularnych mikroskopów sił atomowych .

Więc tak, jeśli uwzględnisz całą fizykę i przestrzegasz warunku, że musisz zbliżyć się naprawdę blisko wykrywanych obiektów, forma życia wielkości bakterii mogłaby zobaczyć szczegóły poniżej długości fali w swoim bezpośrednim sąsiedztwo, może nawet pojedyncze atomy, jeśli uwzględnimy wykrywanie sił atomowych.

Oczywiście umieszczenie całego „mózgu” przetwarzającego sygnały w formie życia potrzebnej do zrozumienia tych informacji może być zupełnie inną sprawą.

Mrówki mają tylko oczy o niskiej rozdzielczości, poza trzema oczkami – prostymi oczami – które wykrywają tylko ogólny poziom światła i polaryzację, patrz

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

Ich zdolność widzenia szczegółów – małych obiektów i ich cech – jest znacznie gorsza niż u kręgowców takich jak my. Sugerowanie, że zwierzęta – zwłaszcza tak prymitywne jak mrówki – widzą bakterie, jest niedorzeczne.

Długość fali światła widzialnego wynosi około pół mikrona – co jest również wielkością wielu bakterii. Więc „nie widać niczego wewnątrz bakterii w świetle widzialnym, nawet przy użyciu najnowocześniejszej technologii. Aby zobaczyć bardziej szczegółowe obiekty, musisz przełączyć się na promieniowanie rentgenowskie lub elektrony i stworzyć lepsze mikroskopy.

Jeszcze bardziej nierealne jest proponowanie, aby jedna – lub nawet mrówka – mogła zobaczyć atom (który jest 10 000 razy mniejszy od bakterii) w świetle widzialnym.

Nie można po prostu skalować rzeczy w górę i Mówimy, że świat nie jest niezmienny przy transformacjach skali. Różne skale długości pokazują różne rodzaje zjawisk fizycznych i różne obiekty fizyczne. Atom danego rodzaju ma zawsze ten sam rozmiar i nie można go przeskalować. Co więcej, nawet nie wykonałeś poprawnie skalowania, ponieważ nie wyskalowałeś długości fali światła. Ponadto wizja ze szczegółową rozdzielczością wymaga pewnych „dostatecznie dużych obwodów” do przetwarzania informacji itp.

Nawiasem mówiąc, dotyczy to nawet akceleratorów. LHC to nasz najlepszy „mikroskop”, który może widzieć odległości mniejsze niż 10 ^ {- 19} $ metrów – ale aby to zrobić, wymaga tuneli z najlepszymi magnesami o długości 27 kilometrów. Obiekty tak małe, jak mrówki nie widzą przy tak dobrej rozdzielczości, a nawet gdyby mogły, nie poradziłyby sobie z ogromną ilością informacji, które dostarczałyby im ich oczy.

Wystarczająco duże zwierzęta – np ssaki – widzą świat podobnie jak my. Istnieją dobrze znane różnice między kolorami, na które wrażliwe są różne ssaki. Psy są na przykład częściowo ślepe na kolory w odniesieniu do tego, co możemy zrobić.

Komentarze

• Pytający wyraźnie stwierdził w pytaniu, że wizja mrówek była tylko metaforą, a jego pytanie dotyczyło natury światła. Proponowanie pytania nie jest ” niedorzeczne „, ponieważ czułeś potrzebę zadawania go więcej niż raz. To absurdalne krytykowanie nowoprzybyłych na tym forum za zadawanie pytań, ponieważ zrobiłeś mnie chwilę temu (link znajduje się poniżej), a temu pytającemu właśnie teraz.
• Drogi Olhovsky, Ty ' nie masz racji – albo co ' jest właściwym sposobem na powiedzenie, że ' mylisz się bez krytykowania cię. 😉 Pomysł, że można zobaczyć bakterie lub atomy, jest głównie absurdalny i dokładnie , ponieważ zaprzecza podstawowej naturze światła, a mianowicie, że składa się ono z fal. Można użyć dowolnych metafor, ale na samym końcu fizyka ma treść, która nie jest metaforą. W moim kraju, który nie jest w czołówce, o tym, że światło składa się z fal, uczy się w szkołach podstawowych, więc zastrzegam sobie prawo do stwierdzenia, że osobom niezaznajomionym z tą kwestią brakuje podstawowego wykształcenia.
• A jeśli problem dotyczy nowoprzybyłych, pozwólcie mi powiedzieć, że niedawna powódź pytań niskiej jakości rzeczywiście jest frustrująca. Celem tego serwera nie jest przyciąganie maksymalnej liczby losowych ” nowicjuszy „, którzy piszą dowolne sekwencje słów z co najmniej jednym pytaniem znak. Zaledwie kilka miesięcy temu przypuszczano – i prawie tak było w praktyce – autentyczny serwer do zadawania pytań dotyczących fizyki i odpowiadania na nie przez ludzi, którzy faktycznie znają się na fizyce. – A tak przy okazji, dzięki Robercie.
• @ Luboš, zgadzam się, że jakość pytań spadła, ale myślę, że ludzie, którzy faktycznie znają się na fizyce, nie zadają pytań z jakichkolwiek powodów. Kiedy przybysze przybywają, natychmiast znajdują przykłady pytań, które wydają im się głupie niż ich pytanie, więc dlaczego ich nie zadać? Trudne pytania są trudne do znalezienia i prawdopodobnie nie zostaną udzielone odpowiedzi. Gdyby była przewaga trudnych pytań, pytania niskiej jakości można by odłożyć.Czego nowicjusze nie ' nie widzą, więc ' ich nie zniechęcają, to Odpowiedzi, które wskazują na pytania niskiej jakości, są ' są głupie.
• Wow, nie ' nie zostałem nazwany głupim na tak wiele interesujących sposobów chwila. Przepraszam, jeśli pytanie było dla Ciebie wystarczająco ezoteryczne, ' spróbuję następnym razem zrobić to lepiej, ale chodziło o fizykę, nie było to ' t o programowaniu, na przykład, więc ' nie jestem pewien, jaki masz problem. Jeśli tak mało myślałeś o pytaniu, dlaczego nie zagłosować i nie odpowiedzieć? Nie ' t ” nie zaproponowałem „, aby można było zobaczyć atomy, zapytałem i to teoretyczne, niepraktyczne, ale zakładając doskonałą rozdzielczość i używając światła widzialnego, jak wyglądałby świat ” ” na taką skalę?

Świat mrówek jest uporządkowany o wiele bardziej przez odbiór chemiczny i feromony niż przez wzrok . Mrówki wytwarzają szereg takich substancji chemicznych, które działają jak sygnały. Wyczuwają również inne chemikalia w swoim środowisku i jako coś, co można nazwać „super organizmem”, mają jakąś zbiorczą mapę, mapę chemiczną terenu, na którym zamieszkują.

Mrówki mają złożone oczy i są dość małe. W większości służą one do wykrywania nagłych zmian poziomu światła. Mrówka, która to dostrzega, otrzymuje sygnał, że może tam być jakiś drapieżnik, więc wydostanie się stamtąd jest w porządku.

Niektóre gatunki Baceteria mają cząsteczki opsyny, które są fotoaktywne. Zatem odbiór fotonów może powodować zmiany w aktywności szlaków molekularnych. Cząsteczka rodopsyny w naszych oczach lub siatkówce ma dwa stany konformalne do odbioru i braku odbioru fotonu. Energia fotonu zmienia kształt cząsteczki, a następnie inicjuje molekularną ścieżkę GTP, która ostatecznie zostaje wzmocniona do neuronowego potencjału czynnościowego. Rodopsyna jest jedną z form cząsteczek opsyny, które w swojej ogólnej klasyfikacji pokrywają się z cząsteczkami fotosyntetyzującymi również w niektórych bakteriach. Jednak pałeczki nie tworzą żadnego obrazu niczego.

Aby Bacillus mógł „zobaczyć” atom, musiałby wykryć promienie gamma. Promienie gamma znajdują się w dużej mierze poza widmem EM dostępnym dla systemów biologicznych. W rzeczywistości są śmiertelne.

Komentarze

• Widzę, że po raz kolejny zostałeś zdegradowany :).
• I ' połączyliśmy dwie instancje twojego konta. W takiej sytuacji możesz zgłosić uwagę moderatora.

Jeśli chodzi o funkcję światła: Tak, możesz zmniejszyć skalę (do pewnego stopnia). Pracowałem nad układem ASIC (układ scalony specyficzny dla aplikacji), który wykorzystywał proces 8 mikronów (Cro-magnon według dzisiejszych standardów). Nie mogłem zobaczyć szczegółów tych obwodów w gotowym produkcie (o wiele za małe), ALE były wykonane w zasadzie (bardzo upraszczam) z jego biczowymi fotograficznymi obrazami wytwarzanymi przez światło (poza zasięgiem światła widzialnego). Mówiąc inaczej: rozróżnialny szczegół dostępny ze światła jest daleko, DUŻO drobniejszy niż ludzkie oko nie wspomagane widzą.

Biolodzy twierdzą, że orły widzą około 10 razy ostrzejsze szczegóły niż człowiek (a oko orła jest znacznie mniejsze niż ludzkie oko).

Wiem, jest to miejsce, w którym fizyczny rozmiar oka ogranicza szczegółowość. Nie widzę powodu, dla którego nie mógłby zmniejszyć skali … DUŻO w dół. Ale nie jestem biologiem i (na szczęście) nie mrówką. Byłoby interesujące dowiedzieć się, gdzie kończą się najmniejsze gałki oczne, a gdzie inne widzące aparaty przejmują kontrolę.

Twój przykład przejścia do miejsca, w którym można było zobaczyć bakterie, przedstawia interesujący punkt zwrotny: teoretycznie nie ma problem z widzeniem bakterii (rozmiar około 1000 nm) na dolnym końcu światła UV (górny koniec światła widzialnego dla człowieka), długość fali około 400 nm. Ale szczegóły byłyby oczywiście trochę niejasne. Bakteria wyglądałaby jak rozmyta plamka i żadne okulary nie pomagały. Teoretyczna granica rozdzielczości szczegółów dla nowoczesnych mikroskopów optycznych wynosi 200 nm (przy użyciu „zielonego” światła 550 nm).