O que as formigas veem?

As outras respostas para o efeito de que é necessária uma grande ótica para ver os detalhes finos são realmente verdadeiras para a ótica de imagem convencional que detecta o eletromagnético campo distante ou campo radiativo ie aquele cujo componente de Fourier na frequência $ \ omega $ pode ser representado como uma superposição linear de ondas planas com vetores de onda de valor real $ (k_x , \, k_y, \, k_z) $ com $ k_x ^ 2 + k_y ^ 2 + k_z ^ 2 = k ^ 2 = \ omega ^ 2 / c ^ 2 $. Este é o tipo de campo ao qual o limite de difração de Abbe se aplica e limita os “olhos” como os nossos próprios ópticos de imagem e retinas, ou mesmo olhos compostos como os de uma formiga.

No entanto, este não é todo o campo eletromagnético: muito perto dos objetos que interagem com ele, o campo eletromagnético inclui o campo próximo ou componentes do campo evanenescente . Estas são ondas planas generalizadas para as quais:

1. O componente do vetor de onda em alguma direção $ k_ \ parallel $ é maior que o número de onda $ k $ e pode, portanto, codificar variações espaciais potencialmente muito menores do que um comprimento de onda;

2. O componente do vetor de onda $ k_ \ perp $ ortogonal a esta direção deve, portanto, ser imaginário , de modo que $ k_ \ parallel ^ 2 + k_ \ perp ^ 2 = k ^ 2 $ pode ser cumprido.

Assim, tais campos decaem exponencialmente com a distância da perturbação ao campo eletromagnético que os gerou e, portanto, não podem contribuir normalmente para uma imagem formada por um sistema de imagem.

No entanto, se você pode trazer seus sensores de imagem perto o suficiente para a perturbação, você ainda pode registrar os detalhes codificados nos componentes evanescentes mais finos que o comprimento de onda. Este é o princípio do Microscópio óptico de varredura de campo próximo .

O sensor do microscópio óptico de campo próximo pode ser extremamente pequeno, de modo que uma bactéria forma de vida dimensionada poderia registrar detalhes abaixo do comprimento de onda no mundo ao seu redor com receptores construídos de algumas moléculas, desde que a forma de vida estivesse perto o suficiente do detalhe em questão. Observe que, quando $ k_ \ parallel > k $, os campos decaem como $ exp (- \ sqrt {k_ \ parallel ^ 2-k ^ 2} z) $ $ com distância crescente $ z $ de suas fontes. Portanto, há uma compensação entre o quão mais fino do que um comprimento de onda podemos ver com esse sensor e o quão perto da fonte precisamos estar para vê-lo. Se quisermos ver as características de um décimo do comprimento de onda da luz visível, então $ k \ approx 12 {\ rm \ mu m ^ {- 1}} $ e $ k_ \ parallel \ approx 120 {\ rm \ mu m ^ { -1}} $, de modo que a amplitude do campo próximo decai por um fator de $ e $ para cada centésimo de comprimento de onda distante da fonte em que o detector está. Assim, perdemos cerca de 10dB na relação sinal / ruído para cada centésimo de distância de comprimento de onda que separa o detector e a fonte. Portanto, para detectar esses detalhes finos (estruturas de 50 nm) de um mícron de distância, seriam necessárias fontes de luz extremamente fortes, de modo que os detectores tivessem um sinal muito limpo.

Claro, o acima é um exemplo extremo, mas se você for uma forma de vida do tamanho de uma bactéria detectando diretamente o campo usando uma matriz finamente espaçada de sensores moleculares, pode muito bem ser capaz de “ver” as características do mundo em sua vizinhança imediata abaixo do comprimento de onda. uma minúscula criatura “sentindo” sua vizinhança usando microscópios de força atômica moleculares.

Então, sim, se você incluir toda a física e prestar atenção à ressalva de que deve chegar muito perto dos objetos detectados, seria possível para uma forma de vida do tamanho de uma bactéria ver detalhes abaixo do comprimento de onda em seu imediato vizinhança, talvez até átomos individuais se incluirmos a detecção de força atômica.

Claro, agrupar todo o “cérebro” de processamento de sinais na forma de vida necessária para compreender esta informação pode ser outra questão.

As formigas têm apenas olhos de baixa resolução, além de três ocelos – olhos simples – que detectam apenas um nível geral de luz e polarização, consulte

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

Sua capacidade de ver detalhes – pequenos objetos e suas características – é muito pior do que para vertebrados como nós. Sugerir que animais – especialmente animais primitivos como formigas – pudessem ver bactérias é absurdo.

O comprimento de onda da luz visível é cerca de meio mícron – que também é o tamanho de muitas bactérias. Portanto, você não consegue ver nada dentro das bactérias com a luz visível, nem mesmo com tecnologia de ponta. Para ver objetos mais detalhados, você precisa mudar para raios X ou elétrons e criar microscópios melhores.

É ainda mais irrealista propor que um – ou mesmo uma formiga – possa ver um átomo (que é 10.000 vezes menor que uma bactéria) através da luz visível.

Você não pode simplesmente aumentar as coisas e para baixo. O mundo não é invariante sob transformações de escala, dizemos. Escalas de comprimento diferentes vêem diferentes tipos de fenômenos físicos e objetos físicos diferentes. O átomo de um determinado tipo tem sempre o mesmo tamanho e você não pode aumentá-lo. Além disso, você nem mesmo fez a escala corretamente porque não escalou o comprimento de onda da luz. Além disso, a visão com resolução detalhada requer alguns “circuitos grandes o suficiente” para lidar com as informações etc.

A propósito, isso vale até mesmo para aceleradores. O LHC é nosso melhor “microscópio” que pode ver distâncias menores que $ 10 ^ {- 19} $ metros – mas, para fazer isso, ele requer túneis com os melhores ímãs de 27 quilômetros de comprimento. Objetos tão pequenos quanto formigas não conseguem ver com esta boa resolução e, mesmo se pudessem, não conseguiriam lidar com a enorme quantidade de informações que seus olhos estariam dando a eles.

Animais grandes o suficiente – por exemplo mamíferos – veja o mundo da mesma forma que nós. Existem diferenças bem conhecidas entre as cores às quais os diferentes mamíferos são sensíveis. Os cães são, por exemplo, parcialmente daltônicos, em relação ao que podemos fazer.

Comentários

• O autor da pergunta afirmou especificamente na pergunta que o visão de formigas era apenas uma metáfora, e sua pergunta era sobre a natureza da luz. Não é ” ridículo ” propor a pergunta, pois você sentiu a necessidade de declarar mais de uma vez. É ridículo repreender os recém-chegados a este fórum por fazerem perguntas, como você fez comigo um momento atrás (link a seguir), e com este questionador agora.
• Caro Olhovsky, você ‘ não está certo – ou o que ‘ é a maneira certa de dizer que ‘ estou errado sem repreender você. 😉 A ideia de que se podem ver bactérias ou átomos é ridícula principalmente e exatamente porque contradiz a natureza básica da luz, ou seja, que ela é feita de ondas. Pode-se usar qualquer metáfora, mas no final, a física tem um conteúdo que não é uma metáfora. No meu país, que não está na vanguarda, o fato de a luz ser feita de ondas está sendo ensinado nas escolas básicas, então me reservo o direito de dizer que as pessoas que não estão familiarizadas com este ponto carecem de alguma educação básica.
• E se o problema for sobre recém-chegados, deixe-me dizer que acho a recente enxurrada de perguntas de baixa qualidade frustrante, de fato. O objetivo deste servidor não é atrair um número máximo de ” recém-chegados ” aleatórios que escrevem sequências arbitrárias de palavras com pelo menos uma pergunta marca. Há apenas alguns meses, este era suposto – e quase era na prática – um servidor genuíno para fazer e responder perguntas sobre física por pessoas que realmente conhecem alguma física. – E obrigado, Robert, a propósito.
• @ Luboš, concordo que a qualidade das perguntas diminuiu, mas acho que as pessoas que realmente conhecem um pouco de física não estão fazendo perguntas, seja por que razão for. Quando os recém-chegados chegam, eles imediatamente encontram exemplos de perguntas que lhes parecem mais estúpidos do que suas perguntas, então por que não perguntar? As perguntas difíceis são difíceis de encontrar e muito provavelmente não serão respondidas. Se houvesse uma preponderância de perguntas difíceis, as perguntas de baixa qualidade poderiam ser adiadas.O que os recém-chegados ‘ não veem, então ‘ não são desanimados por eles, são as Respostas que contam as perguntas de baixa qualidade que eles ‘ são estúpidos.
• Uau, eu não ‘ não fui chamado de estúpido de muitas maneiras interessantes. Um tempo. Peço desculpas se a pergunta foi esotérica o suficiente para você, ‘ vou tentar fazer melhor da próxima vez, mas era sobre física, não era ‘ t sobre programação, por exemplo, então eu ‘ não tenho certeza de qual é o seu problema. Se você pensou tão pouco na pergunta, por que não votar e não responder? Além disso, eu não ‘ t ” propus ” que se pudesse ver os átomos, perguntei , e é teórico, não prático, mas assumindo resolução perfeita, então, e usando luz visível, como seria o mundo ” ” nessa escala?

O mundo das formigas é ordenado muito mais pela recepção química e feromônios do que pela visão . As formigas produzem uma série de substâncias químicas que atuam como sinais. Eles também sentem outras substâncias químicas em seu ambiente e, como o que pode ser chamado de “superorganismo”, têm algum mapa coletivo, um mapa químico, do terreno em que habitam.

As formigas têm olhos compostos e são muito pequenos. Em geral, seu objetivo é sentir mudanças repentinas nos níveis de luz. Uma formiga que percebe isso então recebe um sinal de que algum predador pode estar presente e, portanto, é necessário sair de lá.

Algumas espécies de bacetaria têm moléculas de opsina que são fotoativas. Portanto, a recepção de fótons pode resultar em mudanças na atividade da via molecular. A molécula de rodopsina em nossos olhos ou retina tem dois estados conformados para recepção e não recepção de um fóton. A energia do fóton muda a forma da molécula e esta então atua para iniciar uma via molecular GTP que é amplificada em um potencial de ação neural. A rodopsina é uma forma de moléculas de opsina, que em sua classificação geral se sobrepõem às moléculas fotossintéticas também em algumas bactérias. No entanto, os bacilos não formam nenhum tipo de imagem de nada.

Para que um bacilo “veja” um átomo, ele precisa detectar os raios gama. Os raios gama estão amplamente fora do espectro EM disponível para sistemas biológicos. Na verdade, eles são letais.

Comentários

• Vejo que você foi rebaixado mais uma vez :).
• I ‘ você mesclou as duas instâncias de sua (s) conta (s). Você pode sinalizar para a atenção do moderador quando isso acontecer.

No que diz respeito à função da luz: Sim, você pode reduzir (até um ponto). Eu trabalhei em um ASIC (Circuito Integrado Específico de Aplicação) que usava um processo de 8 mícrons (Cro-magnon pelos padrões de hoje). Eu não pude ver os detalhes desses circuitos no produto acabado (muito pequeno) MAS eles eram feito basicamente (estou simplificando muito) com suas imagens fotográficas minúsculas produzidas pela luz (além do alcance da luz visível). Em outras palavras: o detalhe resolvível disponível a partir da luz é muito, MUITO mais fino do que o olho humano não auxiliado pode ver.

Os biólogos afirmam que as águias podem ver detalhes cerca de 10 vezes mais nítidos do que um humano (e o olho de uma águia é notavelmente menor do que o olho humano).

O que eu visto ” Sei, é onde o tamanho físico do olho limita os detalhes. Não vejo razão para que ele não pudesse diminuir … BAIXO. Mas não sou biólogo e (felizmente) não sou uma formiga. Seria interessante descobrir onde terminam os menores globos oculares e onde outros aparatos videntes assumem o controle.

Então, seu exemplo de descer até onde você pode ver bactérias apresenta um ponto de ruptura interessante: teoricamente, não problema em ver uma bactéria (tamanho de cerca de 1000 nm) na extremidade inferior da luz UV (extremidade superior do visível humano), comprimento de onda de cerca de 400 nm. Mas os detalhes seriam obviamente um pouco nebulosos. A bactéria apareceria como uma bolha borrada e nenhum óculos ajudaria. O limite teórico para microscópios ópticos modernos para resolver detalhes é 200 nm (usando 550 nm de luz “verde”).