站内搜索 ·欢迎光临物理青蓝网!今天是 2022-08-18
您的位置:>> 首页 >> 科技杂谈 >> 科普知识 >>大自然中的“眼睛”
科普知识
大自然中的“眼睛”
上传时间:2014-06-06 10:25:21 点击次数:1233 次
  

红外、可见光、紫外等光电探测器是每一个国防创新实验室人员都耳熟能详的名字,我们经常自豪地将我们所制备的星载探测器称为卫星上的“眼睛”,也经常在各种资料中读到衡量我们“眼睛”的各种指标,看到我们的“眼睛”所看到的各种画面。与我们制备的“眼睛”相比,自然界中各种生物的眼睛又有哪些特点?我们又能从中学到什么呢?

  自然界中生物的眼睛大体上有两类,一类是相机型眼,另一类是复眼。人类的眼睛是典型的相机型眼,即通过一个单镜头(眼珠)将图像聚焦到光敏感的视网膜上,再将这些视觉形象转变成神经信号传送给大脑。相机型的眼睛通过不同方式来调节晶状体改变焦距,以看清不同距离的目标。

  人眼里面的视网膜相当于照像机的胶卷,但是却比胶卷精密得多。到目前为止,最好的人造胶卷的感光速度是千分之一秒,相比之下,人眼中的“胶卷”感光速度可达100亿分之一秒。胶卷用完之后必须更换,那么眼睛里的“胶卷”是怎么换的呢?原来视网膜上有大约100亿个细胞,这些细胞每七天就全部代谢一次,对“胶卷”进行自动更换。据估计,在眼睛将所看到的图像送到大脑之前,在视网膜里每秒钟要进行大约100亿次运算。如果用现有的技术来模拟视网膜做一个单硅片,硅片的重量会达100斤左右,而人的视网膜重不到1克;模拟视网膜体积会达一万立方英寸,而人的视网膜的体积不过为0.0003立方英寸;模拟视网膜要耗电300瓦,而人的视网膜的耗电量还不到0.0001瓦。而且人眼成像总是三维立体的,可以凝神贯注,可以环顾四方,也可以远近追踪,极其方便。所以从器件小型化方面来讲,人眼远远走在半导体探测器的前面。

  人眼虽然如此精密复杂,依然有其缺陷,就是所能看见的东西还是极其有限的。在整个光谱波段,人眼所能看见的光的波长只在一个很小范围之内,即380760纳米之间。也就是说只有当在这个波长范围内的光子照射或被反射到人眼时,人才能“看见”。而整个光谱从最小的波长到最大的波长之间的范围达1021次方。

  生物的另一类眼睛是复眼人的眼睛是球形的,苍蝇的眼睛却是半球形的。如果把它放在显微镜下,就会发现蝇眼是由许多小六角形的结构拼成的。每个小六角形都是一只小眼睛,在一只蝇眼里,有3000多只小眼,一只苍蝇就有6000多只小眼。这种由许多小眼构成的眼睛,就是复眼。世界上有差不多1/4的动物是用复眼看东西的,比如蜻蜓、蜜蜂、萤火虫、金龟子、蚊子、蛾子等昆虫,以及虾、蟹等甲壳动物。

  复眼的每只小眼都自成体系,有单独的成像系统及通向大脑的视神经。因此,每只小眼都单独看东西。如果把蝇眼的角膜剥离下来作镜头,放在显微镜下照相,一下子就可以照出几百个相同的像。而且复眼所覆盖的视场极广,如果人的头部不动,眼睛能看到的范围不会超过180度,身体背后的东西看不到。而苍蝇的眼睛能看到350度,差不多可以看一圈,只有脑后很窄的一小条区域看不见。

  一般说来,人眼要用0.05秒才能看清楚物体的轮廓,而蝇眼只要0.01秒就行了,这是因为复眼的各小眼能同时处理图像,使其快速发现目标,进行图像识别,这也就是为何苍蝇很难被打着。蝇眼还是一个天然测速仪,能随时测出自己的飞行速度,因此能够在快速飞行中追踪目标。

   人类眼睛中的世界五彩斑斓,过去认为动物看到的世界和人看到的一样生动、活泼,但事实上不同种类的动物,看到的世界不尽相同。每一种动物都有自己独持的处理视觉信息的方式,因此它们所看到的是一个完全不同的世界,比如在昆虫的眼中却只有黑和白的区别,只是深浅不同。蜜蜂和蝴蝶可以看到人眼所不能看见的紫外线,依赖蜜蜂和蝴蝶授粉的花能发出一种特殊的紫外线,引导蜜蜂前去采蜜。柔软的海绵看起来似乎没有眼睛,其实它的感光细胞高踞在每个触手的顶端。人类可以看到整个可见光光谱,欣赏满眼绿色的大自然,而牧羊犬和松鼠都是红绿色盲,它们仅能感受到蓝色、黄色和灰色的景色。海龟看起来笨头笨脑,眼里却有一种特殊的结构可以帮助它们在漆黑的海底看清东西。海龟眼球中的光探测器中含有一种红色油状小滴,这些小滴可以很好地阻挡波长较短的光,使海龟在深海中能轻易地看到红光、黄光、橙光,但不能感受到绿光、蓝光和紫光等。青蛙有一双凸起的大眼睛, 可别小看这对眼睛,它除了外形可爱外,还可以实现“四色探测”。因为蛙眼有4种感光细胞,4种探测器,分别负责辨认事物。看东西时先显示出4种不同的感光底片,接着让4张图像重叠在一起,最后得到透明的立体图像。青蛙在捕食前蹲着不动,一旦得到立体图像就会一跃而起,准确地捕捉到食物。

  猫科和犬科动物眼球的结构比较特殊。猫眼在黑暗中闪闪发光,狼眼在夜色中阴森可怖,其实它们的眼睛本身并不发光,但能反射进入眼睛的月光、星光和其他微弱的光线,并将这些光线汇集于眼睛的后表面上,才使它们的眼睛熠熠发光。这在夜行动物中是普遍存在的生理现象,比如狼、猫、老虎、豹子、猫头鹰等,它们的眼睛底部有许多特殊的晶点,这些晶点有很强的反射光线的能力,可以把周围微弱分散的光线收拢,聚合成束,集中地反射出来,因此具有这种眼睛的动物普遍具有很强的夜间活动能力,能够凭借微小的光亮辨别物体,而从外界看来仿佛是它们的眼睛在发光。

  以上只是列出了自然界中比较常见的眼睛的特点,实际上要比这复杂得多,种类也多得多,更不是这一篇小小的短文所能概括的。自然界中各种各样的眼睛给了我们无数的灵感来设计和制造我们的“眼睛”;然而相比这些天然的眼睛,我们制造的“眼睛”总是显得“简单”又“笨重”。我们在不断地努力前行,然而却又不断地发现大自然早已走在了我们的前面。或者,大自然要藉此告诉我们什么吗?

 

| 设为首页 | 加入收藏 | 联系我们 | 投稿信箱 |
中国·物理青蓝网 www.wlqlw.com
Copyright?2010-2014 All Rights Reserved.
渝ICP备14006783号-1