Органы зрения развиты у большинства насекомых. Наибольшего развития достигают сложные, или фасеточные, глаза . Число зрительных элементов - омматидиев, или фасеток, в глазу комнатной мухи достигает 4 тыс., а у стрекоз даже 28 тыс. Омматидий состоит из прозрачного хрусталика, или роговицы, в виде двояковыпуклой линзы и лежащего под ней прозрачного хрустального конуса. Вместе они составляют оптическую систему. Под конусом расположена сетчатка, воспринимающая световые лучи. Клетки сетчатки соединены нервными волокнами с зрительными долями мозга. Каждый омматидий окружают пигментные клетки.

В зависимости от восприятия света различной интенсивности различают аппозиционный и суперпозиционный типы глаз. Первая разновидность строения глаз характерна дневным насекомым, вторая – ночным.

В аппозиционном глазе каждый омматидий изолирован в своей верхней части при помощи пигмента от соседних омматидиев. Таким образом, каждая структурная единица глаза работает отдельно от всех остальных, воспринимая только «свою» часть внешнего пространства. Общая картинка складывается в мозге насекомого как бы из множества кусочков мозаики.

В суперпозиционном глазе омматидии лишь частично, хоть и по всей длине, защищены от боковых лучей: они полупроницаемы. С одной стороны, это мешает насекомым при интенсивном освещении, с другой – помогает им лучше видеть в сумерках.

Глазки́ (дорсальные простые глаза) – это мелкие органы зрения, которые имеются у некоторых имаго и располагаются обычно на верхней части головы. Обычно представлены в количестве трех, при этом, один лежит чуть впереди, а еще два – сзади и сбоку от переднего. В их составе нет омматидия, строение простых глазков значительно упрощено. Снаружи располагается роговица, состоящая из корнеагенных клеток, глубже находится световоспринимающий аппарат из ретинальных (чувствительных) клеток, еще ниже лежат пигментные клетки, которые переходят в волокна зрительного нерва.

Из всех разновидностей глаз насекомых простые глазки обладают наиболее слабой способностью к зрению. По некоторым данным, они вообще не выполняют зрительной функции, и лишь отвечают за улучшение функции сложных глаз. Это, в частности, доказывается тем, что у насекомых практически не бывает простых глазков в отсутствии сложных. Кроме того, при закрашивании фасеточных глаз насекомые перестают ориентироваться в пространстве, даже если у них имеются хорошо выраженные простые глазки.

Стеммы, или латеральные простые глаза – имеются у личинок насекомых с полным превращением. Во время стадии куколки они «превращаются» в сложные глаза. Выполняют зрительную функцию, но, в связи с упрощенной структурой, видят относительно слабо. Для улучшения зрения личиночные глазки нередко представлены у личинок в количестве нескольких штук. У личинок пилильщиков они сходны с дорсальными, а у гусениц бабочек напоминают омматидий сложного глаза. Гусеницы воспринимают форму предметов, различают мелкие детали на их поверхности.

Мозг мухи вряд ли больше, чем отверстие в швейной иголке. Но муха, обладая таким мозгом, умудряется обработать более ста статических изображений (кадров) в секунду. Как известно, у человека предел - примерно 25 кадров в секунду. А муха нашла более простой и эффективный способ обработки изображений. И это не могло не заинтересовать исследователей в области робототехники.

Обнаружено, что мухи обрабатывают 100 кадров в секунду. И это позволяет им во время полета обнаружить препятствие в течение нескольких миллисекунд (миллисекунда – это одна тысячная секунды). В частности, исследователи сфокусировали своё внимание на оптических потоках, которые они назвали "оптические полевые потоки ". Похоже на то, что это оптическое поле обрабатывается только первым слоем нейронов. Они обрабатывают “грубый” исходный сигнал от каждого мушиного “пикселя” . И пересылают обработанную информацию на следующий слой нейронов. И, как утверждают исследователи, этих вторичных нейронов всего лишь 60 штук в каждом полушарии мушиного мозга. Тем не менее, мушиному мозгу удаётся уменьшить или раздробить поле зрения на множество протекающих последовательно “векторов движения”, которые дают мухе вектор направления движения и “мгновенную” скорость. И что интересно, то, что муха это всё видит!

Мы, люди (и не все), знаем что такое вектор и мгновенная скорость. А муха об этих вещах, естественно, не имеет никакого понятия. И таким способностям мозга мухи обрабатывать огромное количество информации можно только позавидовать. А почему мы видим всего лишь примерно 50 кадров в секунду, а муха 100? Трудно сказать, но есть разумные предположения на этот счёт. Как взлетает муха? Почти “мгновенно”, с огромным ускорением. Мы такую перегрузку врадли бы выдержали. Но можно создать роботизированный мозг, который по скорости обработки информационных потоков не уступит мозгу мухи.

Чтобы попытаться понять, как крошечный мушиный мозг может обрабатывать такое огромный поток информации, исследователи в Мюнхене создали “симулятор полета” для мухи. Муха могла летать, но удерживалось на привязи. Электроды регистрировали реакцию клеток мозга мухи. А исследователи пытались понять, что же происходит в мозге мухи во время полёта.

Первые результаты очевидны. Мухи обрабатывают изображения от их неподвижных глаз совсем не так, как это делает человек. При перемещении мухи в пространстве, в ее мозге формируются “оптические полевые потоки” (optical flux fields), которые и дают мухе направление движения.

Как бы это видел человек? Например, при движении вперёд, окружающие объекты мгновенно бы разбегались по сторонам. А объекты в поле зрения казались бы большими, чем они есть на самом деле. И казалось бы, что ближайшие и удалённые объекты перемещаются по-разному.

Скорость и направление, с которыми объекты мелькают перед мушиными глазами, генерируют типичные шаблоны векторов движения – полевые потоки. Которые на втором этапе обработки изображения достигают так называемой "lobula plate" – центра зрения более высокого уровня. В каждом полушарии мозга мухи есть всего лишь 60 нервных клеток, ответственных за зрение. Каждая из этих нервных клеток реагирует только на сигнал с определенной интенсивностью.

Но для анализа оптических потоков важна информация, поступающая от двух глаз одновременно. Эту связь обеспечивают особые нейроны, называемые “VS cells”. Они и позволяют мухе точно оценить своё местоположение в пространстве и скорость полёта. Похоже на то, что “VS cells” ответственны за распознавание и реакцию на вращающий момент, действующий на муху во время её манёвров в полёте.

Исследователи в области робототехники работают над тем, чтобы разработать роботов, которые могут наблюдать окружающую среду при помощи цифровых камер, изучать то, что они видят и адекватно реагировать на изменение текущей ситуации. И эффективно и безопасно общаться и взаимодействовать с людьми.

Например, уже ведутся разработки маленького летающего робота, положение и скорость полёта которого будет контролироваться при помощи компьютерной системы, имитирующей зрение мухи.

Тремя путями воспринимают свет насекомые: всей поверхностью тела, простыми глазками и сложными, так называемыми фасеточными глазами.

Как показали опыты, всей поверхностью тела чувствуют свет гусеницы, личинки водяных жуков, тли, жуки (даже слепые пещерные), мучные черви, тараканы и, конечно, многие другие насекомые. Свет через кутикулу проникает к голове и вызывает соответствующие реакции в воспринимающих его клетках мозга.

Наиболее примитивные простые глазки, пожалуй, у личинок некоторых комаров. Это пигментные пятна с небольшим числом светочувствительных клеток (их нередко всего две или три). У личинок пилильщиков (отряд перепончатокрылых) и жуков глазки более сложные: пятьдесят и больше светочувствительных клеток, прикрытых сверху прозрачной линзой - утолщением кутикулы.

Красные глаза гусеницы. Фото: Jes

С каждой стороны головы личинки жука-скакуна шесть глазков, два из которых много больше других (в них 6 тысяч зрительных клеток). Хорошо ли они видят? Едва ли они способны передать в мозг впечатление о форме предмета. Однако приблизительные размеры увиденного два больших глазка засекают неплохо.

Личинка сидит в вертикальной норке, вырытой в песке. С расстояния в 3-6 сантиметров она замечает жертву или врага. Если проползающее близко насекомое не больше 3-4 миллиметров, личинка хватает его челюстями. Когда больше, прячется в норку.
Пять-шестъ простых глазков на каждой стороне головы гусениц содержат каждый всего по одной «ритинальной палочке» - зрительному элементу - и прикрыты сверху линзой, способной концентрировать свет.

Каждый глаз в отдельности не дает представления о форме наблюдаемого предмета. Однако в опытах гусеница проявляла поразительные способности. Вертикальные предметы она видит лучше, чем горизонтальные. Из двух столбов или деревьев выбирает более высокое и ползет к нему, даже если заклеить черной краской все ее простейшие глазки, оставив лишь один. В каждый данный момент он видит лишь точку света, но гусеница вертит головой, рассматривая единственным своим глазом поочередно разные пункты предмета, и этого достаточно, чтобы в ее мозгу сложилась приблизительная картина увиденного. Конечно, неясная, нечеткая, но все-таки показанный ей объект гусеница замечает.

Простые глазки типичны для личинок насекомых, есть они, впрочем, и у многих взрослых. У последних главное - так называемые сложные, или фасеточные, глаза: по бокам головы. Сложены они из множества удлиненных простых глазков - омматидиев. В каждом омматидии - соединенная нервом с мозгом воспринимающая свет клетка. Поверх нее - удлиненный хрусталик. Оба, светочувствительная клетка и хрусталик, окружены непроницаемым для света чехлом из пигментных клеток. Лишь сверху оставлено отверстие, но там хрусталик прикрыт прозрачной кутикулярной роговицей. Она общая для всех омматидиев, плотно прилегающих друг к другу и соединенных в один фасеточный глаз. В нем может быть всего 300 омматидиев (самка светлячка), 4000 (комнатная муха), 9000 (жук-плавунец), 17 000 (бабочки) и 10 000-28 000 у разных стрекоз.

Фасеточные глаза у бабочки Монарх. Фото: Monica R.

Каждый омматидий передает в мозг только одну точку из всей сложной окружающей насекомое картины мира. Из множества отдельных точек, увиденных каждым из омматидиев, складывается в мозгу насекомого мозаичное «панно» предметов ландшафта.
У ночных насекомых (светлячков, других жуков, у мотыльков) эта мозаичная картина оптического видения, так сказать, более смазанная. Ночью пигментные клетки, отделяющие омматидии сложного глаза друг от друга, сокращаясь, стягиваются кверху, к роговице. Лучи света, попадающие в каждую фасетку, воспринимаются не только ее светочувствительной клеткой, но и клетками, расположенными в соседних омматидиях. Ведь теперь они не закрыты темными пигментными «шторками». Этим достигается более полное улавливание света, которого не так уж много в ночном мраке.

Днем же пигментные клетки заполняют все промежутки между омматидиями, и каждый из них воспринимает только те лучи, которые концентрирует его собственный хрусталик. Иными словами, «суперпозиционный», так его называют, глаз ночных насекомых, днем функционирует как «аппозиционный» глаз насекомых дневных.

Не менее важна, чем число фасеток, другая их особенность - угол зрения каждого омматидия. Чем он меньше, тем выше разрешающая способность глаза и тем более мелкие детали наблюдаемого объекта он может увидеть. У омматидия уховертки угол зрения - 8 градусов, у пчелы - 1 градус. Подсчитано, что на каждую точку в мозаичной картине увиденного уховерткой у пчелы приходится 64 точки. Следовательно, мелкие детали наблюдаемого предмета глаз пчелы улавливает в десятки раз лучше.
Но в глаз с меньшим углом зрения проникает и меньше света. Поэтому величина фасеток в сложных глазах насекомых неодинакова. В тех направлениях, где нужна более яркая видимость и не так уж необходимо точное рассматривание деталей, располагаются более крупные фасетки. У слепня, например, в верхней половине глаза фасетки заметно крупнее, чем в нижней.
Подобные же четко разделенные арены с разновеликими омматидиями есть и у некоторых мух. У пчелы иное устройство фасеток: их угол зрения в направлении горизонтальной оси тела в два-три раза больше, чем по вертикали.

У жуков-вертячек и самцов-поденок по существу два глаза с каждой стороны: один с крупными, другой с мелкими фасетками.
Помните, как гусеница, рассматривая предмет всего одним глазом (другие были замазаны краской), могла, однако, составить известное, правда очень грубое, представление о его форме. Она, вертя головой, весь объект разглядывала по частям, а запоминающий аппарат мозга складывал в единое впечатление все увиденные в каждый данный момент точки. Так же поступают и насекомые с фасеточными глазами: рассматривая что-либо, вертят головой. Сходный эффект достигается и без поворота головы, когда наблюдаемый объект движется или когда летит само насекомое. На лету фасеточные глаза видят лучше, чем в покое.
Пчела, например, способна постоянно держать в поле зрения предмет, который мелькает 300 раз в секунду. А наш глаз даже и вшестеро более медленного мелькания не заметит.

Близкие предметы насекомые видят лучше, чем дальние. Они очень близоруки. Четкость увиденного у них намного хуже, чем у нас.
Интересный вопрос: какие цвета различают насекомые? Опыты показали, что пчелы и падальные мухи видят самые коротковолновые лучи спектра (297 миллимикрон), которые только есть в солнечном свете. Ультрафиолет - к нему наш глаз совершенно слеп - различают также муравьи, ночные бабочки и, очевидно, многие другие насекомые.

Глаза насекомого. Фото: USGS Bee Inventory and Monitoring Laboratory

Чувствительность к противоположному концу спектра у насекомых разная. Пчела слепа к красному свету: он для нее все равно, что черный. Самые длинные волны, которые она еще воспринимает, - 650 миллимикрон (где-то на границе между красным и оранжевым). Осы, натренированные прилетать за кормом на черные столики, путают их с красными. Красное не видят и некоторые бабочки, сатиры например. Но другие (крапивница, капустница) красный цвет различают. Рекорд, однако, принадлежит светлячку: он видит темно-красный цвет с длиной волны в 690 миллимикрон. Ни одно из исследованных насекомых на такое не было способно.
Для человеческого глаза самая яркая часть спектра - желтая. Опыты с насекомыми показали, что у одних зеленая часть спектра воспринимается глазом как самая яркая, у пчелы - ультрафиолетовая, у падальной мухи наибольшая яркость отмечалась в красной, сине-зеленой и ультрафиолетовой полосах спектра.

Несомненно, бабочки, шмели, некоторые мухи, пчелы и другие насекомые, посещающие цветы, различают цвета. Но в какой мере и какие именно, мы еще мало знаем. Необходимы дополнительные исследования.
С пчелами в этом отношении были проведены наиболее многочисленные опыты. Пчела видит окружающий мир, окрашенный в четыре основных цвета: красно-желто-зеленый (не каждый из названных в отдельности, а вместе, слитно, как единый неведомый нам цвет), затем - сине-зеленый, сине- фиолетовый и ультрафиолетовый. Тогда как объяснить, что пчелы прилетают и на красные цветы, на маки, например? Они, а также многие белые и желтые цветы отражают много ультрафиолетовых лучей, поэтому пчела их видит. В какой цвет окрашены они для ее глаз, нам неизвестно.

У бабочек, очевидно, цветовое зрение более близкое к нашему, чем у пчелы. Мы уже знаем, что некоторые бабочки (крапивница и капустница) различают красный цвет. Ультрафиолет они видят, но он не играет для них такой большой роли, как в зрительных восприятиях пчелы. Наиболее привлекают этих бабочек два цвета - сине-фиолетовый и желто-красный.
Разными методами было доказано, что и многие другие насекомые различают цвета, и лучшим образом цвета растений, на которых кормятся либо размножаются. Некоторые бражники, жуки- листоеды, тли, шведские мушки, клопы сухопутные и водяной клоп гладыш - вот далеко не полный перечень таких насекомых. Интересно, что у гладыша только верхняя и задняя часть глаза обладает цветовым зрением, нижняя и передняя - нет. Почему так, непонятно.

Помимо восприятия ультрафиолетовых лучей другое свойство глаза насекомых, которого лишены наши глаза, - это чувствительность к поляризованному свету и способность ориентироваться по нему. Не только фасеточные глаза, но и простые глазки, как показали опыты с гусеницами и личинками перепончатокрылых, способны воспринимать поляризованный свет. Рассмотрели под электронным микроскопом глаз некоторых, и нашли в ретинальной светочувствительной палочке молекулярные структуры, действующие, очевидно, как поляроид.

Некоторые наблюдения последних лет убеждают: ночные насекомые обладают органами, улавливающими инфракрасные лучи.

Насекомые. Мы с детства любовались красотой бабочки, ловили «божьих коровок», страдали от укусов комаров. И даже став взрослыми, боимся ос и пауков. Этот класс животных на латыни он звучит очень красиво «insecta» - самый многочисленный. Если рассматривать только описанные виды, то их около миллиона. На самом деле их намного больше. Сейчас ученые склоняются к мнению, что всего на нашей планете насчитывается около восьми миллионов видов насекомых. Мириады крошечных созданий ползают, летают, жужжат, стрекочут и смотрят на мир своими глазами.

Как же видят эти миниатюрные создания? Глаза насекомых, очень важный орган. У взрослых особей многих видов глаза занимают большую часть головы. Если их рассматривать с большим увеличением, то они покажутся похожими на мелкую решетку или сеточку. Это потому, что каждый глаз состоит из множества маленьких глазков. Их называют – фасеточными. Такой крошечный глазок-фасетка, называется омматидий. Длинные узкие конусы, на окончании которых расположены линзы в виде шестигранника, плотно прилегают друг к другу. Оси их, благодаря тому, что глаз круглый, расходятся лучеобразно. И не смотря на то, что у одного омматидия возможность обзора всего от одного до шести градусов, все вместе, а их у разных видов от 100 до 30 000, дают возможность глазу, охватывает предмет в целом. Изображение получается составленным из разных кусочков, как мозаика.

Мелких деталей насекомые не различают. Четкость изображения нарушается из за того, что оптические оси омматидий расходятся под углами 1 – 6 градусов. Видят насекомые не далеко. Всего на расстояние нескольких метров. Зато, когда солнца на небосклоне уже не видно, благодаря способности определять плоскость поляризации света, они хорошо ориентируются. Да и мелькания или мигания света они различают с частотой 250 - 300 герц. Для сравнения мы, люди, способны это делать с частотой около 50 герц.

Если говорить о том, различают ли эти крохи цвета, то это да. Конечно же, тоже не так как люди. Больше всего в этом плане были исследованы пчелы. Так из многочисленных опытов ученые узнали, что пчелы видят мир, окрашенный в четыре цвета. Красно–желто-зеленый. Да, да. Именно так. Не каждый отдельно, а неведомый нам цвет, слитый воедино. Еще сине-зеленый, сине-фиолетовый и ультрафиолетовый. Ультрафиолет различают и другие насекомые. Среди них некоторые бабочки, муравьи. Досконально этот вопрос не изучен. Многое только предстоит узнать.

Это еще не все. На лобно-теменной части головы насекомых в виде треугольника расположены еще три глазка. У некоторых два. Диаметр их от 0,03 до 0,5 миллиметра. Они намного проще фасеточных. Но играют не менее важную роль. Эти глазки увеличивают общую светочувствительность, то есть помогают насекомому ориентироваться по отношению к источнику света. Если глазки заклеить, то насекомое будет менее чувствительно к свету.

Изучая строение, привычки и повадки этих удивительных маленьких существ, все больше убеждаемся в том, как неповторим и уникален окружающий нас мир. И как бережно к нему надо относиться, чтобы не нарушить тот баланс, которым окружил нас Создатель.

Удивительными, необычными глазами обладает обыкновенная муха!
Впервые люди смогли посмотреть на мир глазами насекомого в 1918 г. благодаря немецкому ученому Екснеру. Экснер доказал наличие необычного мозаичного зрения у насекомых. Он сфотографировал окно сквозь фасеточный глаз светляка, помещенный на предметное стекло микроскопа. На фотографии было видно изображение оконного переплета, а за ним расплывчатые очертания собора.

Сложные глаза мухи называются фасеточными, состоят они из многих тысяч крохотных, отдельных шестиугольных глазков-фасеток, называемых омматидиями. Каждый омматидий состоит из линзочки и примыкающего к ней длинного прозрачного кристаллического конуса.

У насекомых фасеточный глаз может иметь от 5000 до 25 000 фасеток. Глаз комнатной мухи состоит из 4000 фасеток. Острота зрения у мухи низкая, видит она в 100 раз хуже человека. Интересно, что у насекомых острота зрения зависит от числа фасеток в глазу!
Каждая фасетка воспринимает лишь часть изображения. Части складываются в одну картину, и муха видит "мозаичную картину" окружающего мира.

Благодаря этому муха имеет почти круговое поле зрения на 360 градусов. Она видит не только то, что находится впереди нее, но и то, что творится вокруг и сзади, т.е. крупные фасеточные глаза позволяют мухе одновременно смотреть в разные стороны.

В глазах мухи отражение и преломление света происходит таким образом, что максимальная его часть попадает внутрь глаза под прямым углом, вне зависимости от угла падения.

Фасеточный глаз - это растровая оптическая система, в которой в отличие от глаза человека нет единой сетчатки.
Каждый омматидий имеет свой диоптрический аппарат. Кстати, понятия аккомодации, близорукости или дальнозоркости для мухи не существует.

Муха, как и человек, видит все цвета видимого спектра. Кроме того муха способна различать ультрафиолет и поляризованный свет.

Понятия аккомодации, близорукости или дальнозоркости мухе не знакомы.
Глаза мухи очень чувствительны к изменению яркости света.

Изучение фасеточных глаз мухи показало инженерам, что муха способна очень точно определять скорость объектов, движущихся на огромной скорости. Инженеры скопировали принцип мушиных глаз для создания быстродействующих детекторов, определяющих скорость летящих самолетов. Такой прибор получил название "глаз мухи"

Панорамная камера «глаз мухи»

Ученые Федеральной политехнической школы Лозанны изобрели камеру с обзором на 360 градусов, позволяющую трансформировать изображение в формат 3D, не искажая его. Они предложили совершенно новую конструкцию, источником вдохновения послужило устройство глаза мухи.
По форме камера напоминает маленькую полусферу размером с апельсин, по поверхности расположены 104 мини-камеры, наподобие тех, что встроены в мобильные телефоны.

Эта панорамная камера дает трехмерное изображение на 360 градусов. Однако каждую из составных камер можно использовать и отдельно, перенося внимание зрителя на определенные участки пространства.
Этим изобретением ученые разрешили две основные проблемы традиционных кинокамер: неограниченного в пространстве ракурса и глубины резкости.

ГИБКАЯ КАМЕРА НА 180 ГРАДУСОВ

Группа исследователей из университета Иллинойса под руководством профессора Джона Роджерса создали фасетчатую камеру, работающую принципу глаза насекомого.
Новое устройство внешне, и по своиму внутреннему строению напоминает глаз насекомого.

Камера состоит из 180 крошечных линз, у каждой из которых есть свой собственный фотодатчик. Это позволяет каждой из 180 микрокамер действовать автономно, в отличие от обычных камер. Если проводить аналогию с миром животных, то 1 микролинза - это 1 фасетка глаза мухи. Далее данные в низком разрешении, полученные микрокамерами, поступают в процессор, где эти 180 маленьких картинок собираются в панораму, ширина которой соответствует углу обзора в 180 градусов.

Камера не требует фокусировки, т.е. объекты, находящиеся близко, видно так же хорошо, как и объекты, находящиеся вдали. Форма камеры может быть не только полусферической. Ей можно придать практически любую форму. . Все оптические элементы выполнены из эластичного полимера, который используют при изготовлении контактных линз.
Новое изобретение может найти широкое применение не только в системах охраны и наблюдения, но и в компьютерах нового поколения.