Чем больше информации об окружающей среде получает организм, тем выше его шансы на выживание. Все живое так или иначе реагирует на изменения вокруг себя. Улавливать эти изменения и сигнализировать о них центральной нервной системе – задача сенсоров клеточных мембран, чувствительных к той или иной форме энергии. На этом курсе вы узнаете об устройстве различных сенсорных систем на молекулярном уровне и познакомитесь с некоторыми деталями работы нервной системы. Мы выясним, как реагирует простейшая сенсорная система на уровне одноклеточных организмов, как они определяют погодные условия вокруг себя и какие глаза бывают у одноклеточных. Вместе с эволюцией организма происходит эволюция его сенсоров. Поэтому в ходе курса вам придется столкнуться с самыми разнообразными сенсорными системами многоклеточных животных: механо- и термочувствительной, хемо- и фоточувствительной, а также узнать о редких и недоступных людям способах ощущения мира – электро- и магниторецепции.
7.6. Мир в поляризованном свете
Loading...
Из курса от партнера Novosibirsk State University
Биосенсоры
31 оценки
Из урока
Редкие чувства
В этой части речь пойдет о самых редких, удивительных и даже невообразимых чувствах. Мы познакомимся с особенностями теменного глаза, который работает и как воспринимающая свет структура, и как эндокринная железа. Относительно простая и обычная термочувствительность тесно связана с инфракрасной чувствительностью, которой обладают насекомые и змеи.
Мы познакомимся с электрорецепцией, возможность появления которой обеспечила боковая линия рыб, и с магниторецепцией, четко проявляющейся у некоторых бактерий и вызывающей много вопросов применительно к птицам.
Кроме того, мы узнаем кто может видеть мир в поляризованном свете, какие особенности строения глаз дарят такую возможность, и какая от этого может быть польза.
Познакомьтесь с преподавателями
Анна ЮшковаКандидат биологических наук, доцент
Кафедра естественнонаучных дисциплин ВКИ НГУ
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Естественный
свет состоит из огромного числа электромагнитных волн,
колеблющихся с разной частотой, и с разной амплитудой, и с
разной ориентацией векторов напряженности электрического и магнитного полей.
Напряженность электрического поля более значима при взаимодействии с веществом,
поэтому ее называют световым вектором.
И распределение светового вектора по углам симметрично относительно направления
распространения волны, по крайней мере в естественном свете.
В частично поляризованном свете распределение вектора напряженности
несимметрично.
Но если при распространении электромагнитной волны колебания
светового вектора происходят только в одной плоскости,
то свет называется плоско-поляризованным или линейно-поляризованным.
Настоящего, полностью линейно-поляризованного света в
природе не существует — это абстракция.
Говоря о линейно-поляризованном свете, в действительности, конечно,
имеют в виду частично поляризованный свет, но с высокой степенью поляризации,
когда нелинейные составляющие очень малы.
Естественно, солнечный свет частично поляризован, и эта поляризация
возникает при рассеивании света пылевыми частицами в верхних слоях атмосферы.
Из-за рассеивания как раз купол неба и выглядит голубым,
поскольку короткие волны рассеиваются сильнее.
Когда мы смотрим на небо, та часть лучей, которая достигает глаза
параллельно направлению поступающего света — она не поляризована.
А вот лучи, идущие перпендикулярно этому направлению, поляризованы.
Вот на схеме показана полоса — область купола неба, где степень поляризации
максимальна, если мы, конечно, станем в центре и это северное полушарие.
А Солнце движется по небосводу,
и в течение дня область поляризации будет изменяться, передвигаться по куполу.
Ну и хотя большинство людей этого не замечает, но голубое небо неоднородно,
а многие животные способны использовать и эту особенность окружающей среды.
Впрочем, некоторые люди, а предположительно около 25 %,
могут заметить поляризованный свет, идущий от неба, правда,
большинство об этом не подозревает.
Вот посмотрите внимательно на голубое небо: если заметите в середине поля
слабую желтую полоску с закругленными концами, то вы чувствуете поляризацию.
Это полоска называется фигура Гайдингера,
она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний.
Если плоскость поляризации света поворачивается,
то поворачивается и желтая полоска.
По краям центра фигуры можно увидеть, хотя это еще труднее, голубоватые пятнышки.
Способность видеть эту фигуру можно развивать,
если хотя бы раз удастся ее заметить.
Фигуру Гайдингера можно увидеть гораздо яснее,
если смотреть через зеленый или синий светофильтр.
Но большинству людей все-таки это не удается.
В этом отношении насекомые, например, гораздо совершенней нас,
и особенности строения фоторецепторов помогают им в этом.
В сложном фасеточном глазу возникает чувствительность к поляризации
из-за точной организации мембран, содержащих фотопигмент родопсин.
Посмотрите на эту схему: молекулы родопсина расположены аккуратными рядами,
параллельно, в однотипно расположенных микроворсинках фоторецепторных клеток.
В сетчатке позвоночных животных ориентация родопсина достаточно хаотична,
а оптимальное улавливание света осуществляется,
именно если колебания его волны направлены вдоль длинной оси молекулы родопсина.
Поэтому только одна определенная плоскость поляризованного света будет наиболее
эффективно вызывать электрические сигналы в данной, конкретной рецепторной клетке.
Фигуру Гайдингера можно видеть потому, что часть нашей сетчатки покрыта тонкими,
идущими параллельно волокнами, которые частично поляризуют свет.
В сложном глазу насекомых молекулы родопсина в
четырех разных фоторецепторах одного омматидия ориентированы так,
что образуют углы строго 90° по отношению к друг другу.
Один рецептор не способен различить разницу в поляризации,
а правильно ориентированная группа вполне способна.
И очень сходные по строению образования найдены и в глазах ракообразных.
А зачем им всем это надо?
Вообще-то, насекомые используют возможность чувствовать поляризованный
свет для ориентации на местности.
Например, муравьи воспринимают фоторецепторами поляризованный свет в
верхней передней области глаза, и это является основное условие для их
ориентации, чему есть даже экспериментальные доказательства.
Омматидии, воспринимающие поляризованный свет, расположены в глазу муравья так,
что их нервные элементы формируют своеобразную нейронную карту в
соответствии с распределением поляризованного света на небе.
И степень соответствия между картой и поляризацией может быть использована
муравьем для определения направления движения.
Но не только муравьи, но и пчелы,
и навозные жуки ориентируются с помощью поляризованного света.
Поляризация важна не только в атмосфере, но и в гидросфере.
Свет, входя в воду, изменяет свое направление, и если углы падения больше,
чем 48°,
то он уже не может пройти через границу раздела воздух-вода и будет отражаться.
Поэтому для водных организмов все воздушная полусфера сокращается до
небольшого конуса.
И параллельно поверхности воды, конечно, животные видят,
но с очень большими искажениями яркости и расстояний.
Поляризация подводного света частично возникает из-за ограничения
проникновения света в воду, но основная поляризация обусловлена самой водой —
суспендированные в воде микрочастицы обеспечивают ее.
Причем, опять-таки в основном поляризуется длинноволновая часть спектра.
Чувствительность к поляризованному свету — это очень распространенное явление среди
обитателей подводного царства: и ракообразные, и головоногие моллюски,
и некоторые позвоночные.
Вот глаза десятиногих раков обладают единообразной и удивительной структурой.
Мы помним, что у членистоногих вообще микроворсинки светочувствительных клеток
объединяются в рабдом, значит, в каждом омматидии.
И вот у десятиногих раков эти микроворсинки еще и строго перпендикулярны
к продольной оси клетки,
да еще и у соседних клеток микроворсинки направлены под прямым углом друг к другу.
И вот два поперечных среза на оси показывают, как образуют рабдом помеченные
клетки и как они укладываются — изображена четвертинка рабдома.
Но один из самых сложных и удивительных вариантов глаз — это у раков-богомолов.
Мы с вами уже упоминали его сложный глаз, и вот в нем есть полоска
крупных омматидиев, отвечающих за сканирование пространства, он
воспринимает очень широкий спектр света, у него много разнообразных рецепторов,
но самое уникальное все-таки, наверное, заключается в том, что они способны не
просто различать поляризованный свет — это многие могут, — они могут видеть в
круговом поляризованном свете, что вообще не под силу другим животным.
В некоторых омматидиях светочувствительные клетки способны преобразовать вот этот
циркулярно-поляризованный свет в обычную форму видимого излучения,
а уже его воспринимают другие светочувствительные клетки,
расположенные ниже, то есть, по сути, глаз рака-богомола оснащен поляризатором.
Предполагается, что такая необычная способность может играть важную роль в
брачных ритуалах, поскольку некоторые участки покрова тела самцов
отражают именно круговой поляризованный свет.
А может быть, это своеобразный способ коммуникации, не видимый больше никому.
Среди подводных обитаталей лучше всех разбираются в поляризованном
свете головоногие, в частности осьминоги, кальмары, каракатицы.
У них глаз камерный, не фасеточный,
но есть та же самая похожая особенность строения в фоторецепторных клетках.
Микроворсинки фоторецепторов расположены так, что плоскости восприятия света
в соседних фоторецепторах строго перпендикулярны друг другу.
Чувствительность к поляризации очень высокая, они могут заметить поворот
плоскости поляризации не только на 90 или 180°, но и на 45, и даже на 20°.
Способность воспринимать поляризованный свет вряд ли нужна этим
животным для ориентации, скорее, они ее используют для охоты, потому что многие
планктонные организмы практически невидимы при дневном свете в воде.
Но когда вот подводный поляризованный свет проходит сквозь прозрачное тело животного,
его поляризация изменяется, и он уже становится заметен — глаза,
мускулатура, усики, антенны рачков пусть не очень хорошо, но видны.
И осьминоги, кальмары, каракатицы этим пользуются, захватывают добычу.
Кстати, кальмары предпочитают охотиться в сумерках, в то время,
когда степень поляризованности подводного света достигает максимума и охота
существенно облегчается.
А еще эту свою особенность головоногие используют для общения с себе подобными.
Особые клетки кожи, иридофоры, осуществляют отражение и преломление света
относительно поверхности кожи и в зависимости от мышечного тонуса.
И если каракатица медленно плывет над дном или лежит на дне, внимательно осматриваясь
вокруг, вот тогда определенные участки кожи ярко светятся в поляризованном свете.
Каракатицы прекрасно общаются между собой языком поз и окрасок,
но этот канал связи доступен, в общем-то, каждому наблюдателю, в том числе и
хищнику, а вот поляризованный канал информации — только тому,
кто умеет видеть в поляризованном свете.
А для акулы, тюленя, дельфина и человека — это секрет.
[БЕЗ_ЗВУКА]
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.
© Coursera Inc., 2018 Все права защищены.
