Орган чувств у прибора

Органы чувств как физические приборы

Мы проследили длинную цепь, которая привела нас от элементарных частиц и атомов к таким сложным существам, как человек.

Вы можете спросить, увело ли нас это развитие, из царства атомов или же атомные явления все еще непосредственно влияют на человеческий организм. На этот вопрос можно ответить, изучая функции наших органов чувств.

Если физик хочет измерить интенсивность светового луча, он часто использует фотоэлемент — прибор, который при освещении дает электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности света. Если свет слишком слаб, чтобы вызвать ток, измеряемый обычным фотоэлементом, то к нему подсоединяют примерно такой же усилитель, какой применяется в обычном радиоприемнике. Фотоэлемент с подключенным к нему усилителем может обнаруживать свет даже очень малой интенсивности. Мы получим даже лучший результат, если заменим фотоэлемент фотоумножителем или другой светочувствительной трубкой. При помощи этих устройств чувствительность может быть доведена до такой точки, когда можно обнаружить единичные фотоны.

Как мы заметили в начале второй главы, согласно корпускулярной теории свет состоит из потока фотонов. Наименьшее количество света, которое теоретически возможно обнаружить, это фотон, так как меньшего количества света просто не существует. Фотон невозможно обнаружить непосредственно. Его существование доказывается другими путями; например, различными способами можно зарегистрировать движение электрона, возникшее в результате столкновения его с фотоном. Фотоны рентгеновских лучей и гамма-излучения настолько богаты энергией, что электроны, с которыми они сталкиваются, приобретают высокие скорости, и их сравнительно легко обнаружить. С помощью самых чувствительных инструментов для измерения гамма-излучения. Мы можем получить сигнал почти о каждом фотоне, который достигает измерительный прибор. Поэтому можно непосредственно сосчитать число приходящих фотонов, и с этим достижением мы добились предела теоретически возможного. Но фотоны видимого света обладают гораздо более низкой энергией, и, следовательно, их способность выбивать электроны, которые затем могут быть обнаружены, уменьшилась. Используя лучшие инструменты, созданные до сих пор, мы можем обнаружить в среднем каждый пятый или десятый фотон.

Может ли человеческий глаз сравниться с каким-либо из этих высокочувствительных приборов? Чувствительность глаза сильно колеблется в зависимости от внешних условий. От яркого солнечного света чувствительность понижается, и она бывает максимальной, лишь когда у глаза было некоторое время, чтобы приспособиться к очень слабой освещенности. Степень чувствительности также сильно зависит от цвета, самая высокая чувствительность по отношению к желтому цвету, самая низкая — к красному и синему. Чтобы измерить чувствительность глаза в наиболее благоприятных условиях, мы измеряем чувствительность к желтому цвету после того, как глаз адаптировался в темноте. Такой способ исследования показал, что самый слабый световой сигнал, обнаруживаемый глазом, соответствует нескольким (пяти или десяти) фотонам, прошедшим сквозь зрачок и достигшим сетчатки. Таким образом, в наиболее благоприятных условиях глаз демонстрирует максимум чувствительности, которая только физически возможна.

Сетчатка глаза содержит светочувствительное вещество (зрительный пурпур), которое преобразовывается под действием света. Это преобразованное вещество вызывает нервное возбуждение, которое передается в мозг, где оно воспринимается как свет. Если сквозь зрачок проникает несколько фотонов, можно ожидать, что только один или два достигнут светочувствительного вещества, а каждый фотон изменяет не более одной молекулы зрительного пурпура. Так, наименьшее количество света, воспринимаемое глазом, соответствует изменению одной молекулы или, возможно, двух или трех.

В таком случае функция глаза целиком зависит от атомных явлений: в наиболее благоприятных условиях человеческий глаз регистрирует единичный квант света.

Чувствительность уха также является самой низкой из физически возможных. Если физик хочет измерить звук, он использует микрофон в комбинации с усилителем. Когда звуковые волны достигают мембраны микрофона, они вызывают колебания, которые производят электрические токи, которые, в свою очередь, могут быть усилены. Чем чувствительнее микрофон и усилитель, тем слабее может быть звук, обнаруживаемый с их помощью. Предел, который можно достигнуть, определяется тепловым движением молекул. Так как температура тела выше —273°С (абсолютный нуль), его молекулы находятся в постоянном движении. Мембрана микрофона приводится в движение молекулами воздуха. К тому же молекулы вещества самой мембраны также хаотично перемещаются и вызывают дополнительное беспорядочное движение. Колебания необыкновенно малы, но измерительные приборы настолько совершенны, что обнаруживают даже эту вибрацию. Если звук настолько слаб, что вызываемая им вибрация мембраны микрофона меньше, чем вибрация из-за теплового движения, то, конечно, существование его как физического факта установить невозможно. Мы не можем в таком случае верно определить колебание как «звук», пока оно не будет сильнее, чем тепловое движение молекул. Следовательно, при помощи чувствительного микрофона и усилителя можно обнаружить любой звук, характеристика которого в несколько раз больше, чем при тепловом движении.

Наши звукочувствительные органы расположены в среднем ухе, и когда звук достигает барабанной перепонки, он затем передается в среднее ухо. Звукочувствительные органы начинают колебаться, что воспринимается нами как звук. Чувствительность уха изменяется с частотой звука. Наибольшая чувствительность наблюдается, когда частота звука равна нескольким сотням колебаний в секунду, что примерно соответствует октаве тенора. Минимальная сила, которой должен обладать звук оптимальной высоты, чтобы быть воспринятым ухом, соответствует такой величине, когда он вызывает колебания в среднем ухе в несколько раз больше, чем тепловые колебания молекул. Молекулы звукочувствительных органов среднего уха, как и всех остальных предметов, находятся в тепловом движении и поэтому постоянно колеблются. Если это «естественное» состояние нарушается достигшим уха звуком, то, для того чтобы вызвать реакцию звукочувствительных органов, частота колебания звуков должна быть лишь в несколько раз больше частоты теплового колебания. Таким образом, звук как таковой воспринимается в том случае, если; достигнув среднего уха, он отвечает определению «звука», изложенному выше. Совершенно справедливо, что внешнее ухо могло бы быть устроено так, чтобы

улавливать больше звуков, и проход, ведущий в среднее ухо, мог бы иметь более эффективное устройство. Большим преимуществом была бы также чувствительность уха как к высоким, так и к низким звуковым частотам. Но, несмотря на эти гипотетические замечания, звукочувствительные органы среднего уха, в общем, также чувствительны к тонам оптимального звукового интервала, как и любой физический прибор, созданный для этой цели. Ухо действует в пределах, установленных соответствующими атомными явлениями.

В отличие от чувствительности органов слуха и зрения чувствительность органов обоняния гораздо труднее оценить в терминах аналогичных атомных явлений. Теоретически наименьшее количество вещества — это молекула; но для того чтобы обнаружить запах, необходимо, чтобы большое число молекул достигло слизистой оболочки носа. На основании этого мы могли бы сделать вывод, что у всех людей — как у старого рыбака из традиционной шведской сказки — хорошее зрение, хороший слух, но ужасное обоняние. Однако такое утверждение, по-видимому, неверно, так как количество вещества, необходимое для того, чтобы нос почувствовал запах, часто гораздо меньше количества, необходимого химику для обнаружения вещества.

Прямую связь человеческого тела с миром атомов, проиллюстрированную функционированием глаза и уха, пожалуй, можно назвать ценным и хорошо налаженным наследством от наших древнейших предков, организмов, состоящих лишь из нескольких молекул и отличающихся от амеб, как амебы отличаются от нас.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Электрическое чутье, квантовый компас и углы поляризации: все о недоступных человеку способностях

Человек наделен пятью органами чувств: зрением, слухом, вкусом, обонянием и осязанием. Однако существуют и другие, недоступные человеку. Рассказываем, чем обделила нас природа.

Читайте «Хайтек» в

Органы чувств у человека

Информация, получаемая головным мозгом человека от органов чувств, формирует восприятие человеком окружающего мира и самого себя.

Человек получает информацию посредством основных органов чувств:

Информация о раздражителях, воздействующих на рецепторы органов чувств человека, передается в центральную нервную систему. Она анализирует поступающую информацию и идентифицирует ее (возникают ощущения). Затем вырабатывается ответный сигнал, который передается по нервам в соответствующие органы организма.

Видов внешних ощущений 6 (моторика не имеет отдельного органа чувств, но ощущения вызывает). Человек может испытывать 6 видов внешних ощущений: зрительные, слуховые, обонятельные, тактильные (осязательные), вкусовые и кинестетические ощущения [1] .

Проводящие пути от органов чувств у человека — вестибулярный, слуховой, зрительный, обонятельный, осязательный и вкусовой пути центральной нервной системы.

Электрический нюх

Электрорецепция относится к тому разряду органов чувств акул, которые находятся за пределами понимания человека — можно вычислить принцип их работы, но невозможно даже предположить, какие ощущения дает хищницам этот набор сенсоров.

Сеть акульих электрорецепторов открыл Стефано Лоренцини. В 1678 году он описал их как множественные поры, уходящие под кожу хищниц трубчатыми каналами с желеобразным наполнителем. Итальянский анатом не смог определить их назначения, предположив, что ампулы Лоренцини являются неким органом чувств акул.

Позже возможности электрического нюха акул хорошо показал американский ученый Адрианус Калмейн. Он провел интернесный эксперимент: взял морскую камбалу Pleuronectes platessa, кошачьих акул Scyliorhinus canicula и выпускал их вместе в гигантский резервуар с водой. Камбала закапывались в песок на дне, но хищник все равно находил жертву.

Акулы реагируют на фантастически слабые электрические поля — миллиардные доли одного вольта. Дальнейшие исследования показали, что акулы способны детектировать электрические поля с напряженностями вплоть до 5 нВ/см.

Сомы, миноги и многие другие рыбы приспособили к электрорецепции боковую линию, в норме отвечающую за восприятие движения и вибрации окружающей их воды.

Однако воспринимают разряды тока не только рыбы, но и утконосы: они во время охоты закрывают глаза, уши и ноздри, но все равно способны поймать себе пропитание даже в мутных водах. На клюве у утконоса есть 40 тыс. электорецепторов, работающих в спарке с механорецепторами, реагирующими на перепады давления в воде.

Квантовый компас или магниторецепция

Магниторецепция — это чувство, которое дает организму возможность ощущать магнитное поле. Это нужно, чтобы определять направление движения, высоту или местоположение на местности.

Так можно объяснить бионавигации у беспозвоночных и насекомых, а также как средство развития у животных ориентирования в региональных экосистемах. При применении магниторецепции как средства и способа навигации, организм имеет дело с обнаружением магнитного поля Земли и его направления.

Магниторецепцию наблюдали у бактерий, у таких беспозвоночных, как плодовые мухи, лобстеры и медоносные пчелы. Это ощущение присутствует и у некоторых позвоночных, в частности — птиц, черепах, акул и некоторых скатов. Утверждение о присутствии магниторецепции у человека является спорным.

Есть свидетельства, что птицы и насекомые обладают магнитным чувством и используют его для навигации в пространстве, но пока неясно, за счет чего у них возникает магниторецепция. Сейчас считается, что за это отвечают специфические белки, такие как криптохромы, основная функция которых — это фоторецепция с фокусом на синий и ультрафиолетовый свет, а магнитное чувство здесь идет как полезное и приятное дополнение.

Механизм действия магниторецепции у животных остается неясным, однако существуют две главные гипотезы, способные объяснить это явление.

Поляризация или способность видеть прозрачное

Не все подводные обитатели имеют электрорецепторы, поэтому они опираются на другие органы чувств, чтобы добыть себе еду. В частности они опираются на свет, который доходит до их глубин и обращают внимание на поляризацию — это характер колебания электрического (или магнитного) поля в бегущей электромагнитной волне света.

Разная поляризация может изменить световую картину, сделать ее более выпуклой и понятной.

Именно так и поступают осьминоги и другие головоногие моллюски, не обладающие цветовым зрением, но все равно способные охотиться даже на прозрачных подводных обитателей: их тело всегда меняет поляризацию проходящего через них света.

Известно, что головоногие моллюски способны различать изменение угла поляризации света, то есть обладают поляризационной чувствительностью. Поляризационная чувствительность является неотъемлемой частью всех визуальных функций головоногих моллюсков. Поляризационная чувствительность определяется как способность различать свет с разной степенью и/или углами поляризации независимо от его относительной яркости и цвета.

Кроме них такое продвинутое зрение доступно еще многим ракообразным, паукообразным и насекомым.

Расширение привычных человеческих способностей

Не все живые существа могут похвастаться необычными органами чувств, но могут расширить уже известные пределы наших способностей.

Эхолокация — это способность некоторых животных ориентироваться в пространстве, улавливая ушами отраженные от объектов звуковые волны. Особенно сильно от этой способности зависит жизнь летучих мышей — они издают неслышимый для людей писк, который отражается от твердых объектов и помогает мышам понять, куда им нужно двигаться.

Животные используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг, в основном при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов, также ее используют землеройки, тюлени и некоторые виды птиц.

Происхождение эхолокации у животных остаётся неясным; вероятно, она возникла как замена зрению у тех, кто обитает в темноте пещер или глубин океана. Вместо световой волны для локации стала использоваться звуковая. Этот способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.

Органы восприятия человека и других высших приматов не приспособлены под инфракрасное излучение, иначе говоря человеческий глаз его не видит.

Однако, некоторые биологические виды способны воспринимать органами зрения инфракрасное излучение. Так, например, зрение некоторых змей позволяет им видеть в инфракрасном диапазоне и охотиться на теплокровную добычу ночью. Чувствительности инфракрасных детекторов ямкологовых змей Crotalinae вполне достаточно для того, чтобы засечь руку человека на расстоянии 40—50 см и чувствовать перепады температуры вплоть до сотых градусов Цельсия, что и позволяет этим рептилиям молниеносно фокусироваться на своих жертвах.

Более того, у обыкновенных удавов эта способность имеется одновременно с нормальным зрением, в результате чего они способны видеть окружающее одновременно в двух диапазонах: нормальном видимом, как и большинство животных, и инфракрасном.

Среди рыб способностью видеть под водой в инфракрасном диапазоне отличаются такие рыбы, как пиранья, охотящаяся на зашедших в воду теплокровных животных, и золотая рыбка.

Среди насекомых инфракрасным зрением обладают комары, что позволяет им с большой точностью ориентироваться на наиболее насыщенные кровеносными сосудами участки тела добычи.

Нобелевский лауреат 1973 года Карл фон Фриш доказал, что пчелы хорошо видят в ультрафиолете. Они научились неплохо использовать цветы, размещающие на своих лепестках целые посадочные полосы, невидимые для человека.

Источник