У людей есть инфракрасное зрение
Фармаколог Кшиштоф Пальчевский (Krzysztof Palczewski) из Case Western Reserve University в Кливленде (США) провел интересный эксперимент, который доказывает, что глаза людей могут воспринимать свет, лежащий далеко за пределами видимого диапазона. Эффект проявляется, когда пара инфракрасных фотонов одновременно ударяет в одну и ту же молекулу пигментного белка в сетчатке глаза. Энергии двух фотонов достаточно, чтобы запустить химические изменения, которые наш мозг интерпретирует как видимое световое пятно.
Общепринятая точка зрения гласит, что глаза человека могут видеть свет с длиной волны между 400 нм (синий) и 720 нм (красный). Это касается обычного света, но с появлением лазеров в распоряжении людей оказался очень специфический источник света. Удивительно, но многие люди утверждают, что видят лазерный свет на длине волны выше 1000 нм, что, по идее, лежит выше границы чувствительности наших глаз.
Инфракрасное зрение в диапазоне около 1000 нм дает не так много информации об окружающей среде, но зато позволяет лучше видеть в темноте
Сам Кшиштоф Пальчевский, по его словам, видит свет низкоэнергетического лазера с длиной волны 1050 нм. Ученый заинтересовался этим явлением и решил провести эксперимент с восприятием ИК-света на 30 добровольцах. Как оказалось, люди действительно могут видеть инфракрасный свет с длиной волны около 1000 нм.
Пальчевский также проверил две гипотезы происхождения «ИК-зрения». Одна из них предполагает, что свет с большой длинной волны при столкновении с коллагеном в соединительной ткани глаза, порождает небольшое количество фотонов на половине длины волны (эффект генерации второй гармоники). Сетчатка обнаруживает эти фотоны, и нам кажется, что мы видим непосредственно луч света, поступивший из его источника.
Согласно второй гипотезе, инфракрасный свет является результатом явления, известного как двухфотонная изомеризация (процесс изомеризации при двухфотонном поглощении света). В данном случае фотоны попадают на молекулы фоторецепторов одновременно, в результате глаз «суммирует» сигнал и «считает», что это был свет видимого диапазона.
Для проверки первой гипотезы, команда ученых удалила коллаген с сетчатки мышей и измерила реакцию глаз грызунов на световые лучи с различными длинами волн. В итоге выяснилось, что сетчатка реагирует на лазерный свет с длиной волны 1000 нм точно так же, как и здоровая человеческая сетчатка с коллагеном. Кроме того, исследователи взяли кристаллы зрительного пигмента родопсина и обнаружили, что под воздействием 1000-нм лазера они меняют цвет с красного на желтый, но при этом не имеют характерной «подписи» генерации второй гармоники. Таким образом первая гипотеза «инфракрасного зрения» опровергнута.
Хоть ученые и не получили прямых доказательств второй гипотезы, но все косвенные факты свидетельства на нее. Проведенное компьютерное моделирование показывает, что два низкоэнергетических фотона могут перевести родопсин в возбужденное состояние, аналогичное тому, что наблюдается при поглощении одного фотона видимого света. Те же расчеты также показывают, что явление должно наблюдаться в диапазоне волн 1000-1100 нм — это как раз и подтверждают эксперименты. То, что люди лучше видят именно лазерный свет, объясняется очень просто: большей вероятностью одновременно «поймать» парные фотоны из когерентного лазерного пучка.
В настоящее время ученые из различных университетов хотят повторить эксперименты Кшиштофа Пальчевского, например химик Массимо Оливуччи (Massimo Olivucci) из университета Bowling Green State в Огайо хочет проверить расчеты в опытах на приматах и людях, а затем создать генно-модифицированных лабораторных животных, которые смогут видеть в инфракрасном диапазоне.
Возможно, раскрытие механизма чувствительности человеческого глаза к ИК-свету в диапазоне около 1000 нм поможет разработать новые типы приборов ночного видения или, в более отдаленном будущем, генную терапию, которая даст людям возможность видеть в темноте не хуже кошки.
Источник
Инфракрасное зрение
Тепловизоры, благодаря которым мы можем различать инфракрасное излучение, известны в первую очередь как приборы ночного видения, но они также помогают врачам следить за током крови в организме пациента, выявлять различные химические вещества в окружающей среде и обнаруживать другие скрытые от человеческого зрения объекты — например, наброски Пола Гогена под слоем краски.
В отличие от видимого излучения, которое большинство камер «ловит» с помощью одной-единственной матрицы, для того, чтобы «увидеть» различные диапазоны инфракрасной области спектра (ближний, средний и дальний), требуется комбинация технологий. При этом детекторы, работающие в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне, требуют постоянного охлаждения. В результате миниатюризация тепловизоров становится довольно непростой задачей.
Графен может выступать в роли сенсора, работающего во всем инфракрасном диапазоне (а также видимом и ультрафиолетовом заодно). Однако чувствительность детекторов на основе графена весьма невысока — она колеблется в пределах десятков миллиампер на ватт (отношение величины производимого электрического сигнала к потоку излучения). Лист графена толщиной в один атом поглощает всего 2.3% излучения, падающего на его поверхность. Интеграция в светочувствительный слой квантовых точек способна повысить чувствительность графеновых сенсоров на несколько порядков — но, увы, за счет значительного сокращения диапазона рабочих частот.
Исследователи из Мичиганского университета придумали новый способ получения электрического сигнала, позволяющий создать высокочувствительный графеновый сенсор, работающий в широком диапазоне частот. Вместо того, чтобы напрямую пытаться «поймать» электроны, высвобождаемые световым потоком из слоя графена-сенсора, ученые усилили сигнал, регистрируя влияние зарядов, возникающих под действием излучения, на электрический ток в другом, близлежащем слое графена.
В созданной исследователями конструкции между двумя слоями графена располагается тонкий слой изолирующего материала — потенциальный барьер. Сквозь нижний слой графена течет электрический ток. Когда свет, падающий на верхний слой графена, высвобождает электроны, они туннелируют в нижний слой, оставляя на месте себя положительно заряженные дырки, которые создают электрическое поле, влияющее на ток в нижнем слое графена. Эти изменения можно зафиксировать и по ним вычислить параметры излучения, падающего на детектор.
Прототип устройства по размерам не больше ногтя, и его с легкостью можно сделать намного меньше. А затем встроить, например, в носимую электронику или даже «умные» контактные линзы, расширив диапазон человеческого зрения в инфракрасную область спектра. Подобные сенсоры наверняка найдут применение не только в потребительской электронике, но и в устройствах, предназначенных для нужд ученых и военных. А вы хотели бы видеть в инфракрасном диапазоне?
Источник
Инфракрасное зрение и ночное видение у животных, насекомых и птиц
Если проанализировать спектр звука, света, обоняния и других органов чувств, позволяющих нам воспринимать мир, то окажется, что человек видит через очень узкое «окошко», а в отличие от животных и насекомых.
Мы не видим инфракрасное излучение, не слышим ультразвук (в отличие от грызунов, и некоторых птиц), а наш нюх в сотни раз уступает по чувствительности собакам.
С другой стороны, возможности нашего разума, позволили разработать измерительные приборы, способные обойти указанные ограничения. Пример – тот же тепловизор, позволяющий выявлять места утечек тепла в домах и зданиях.
Сегодня речь пойдет об инфракрасных лучах. Да, мы их не можем увидеть, но кстати отлично чувствуем, ведь это обычное тепло.
Но ряд представителей животного мира обходятся без вспомогательных приспособлений, воспринимая недоступные нам диапазоны, напрямую, для целей безопасности и охоты.
И одно из основных условий – чтобы то или иное существо не относилось к теплокровным. Отличная аналогия, чтобы объяснить этот факт – это орбитальные телескопы, работающие в инфракрасном спектре, чтобы исследовать тепло от далеких галактик, в частности так называемое реликтовое излучение, сохранившееся еще со временем Большого взрыва, который, как считают ученые и породил нашу Вселенную. Так вот датчики телескопов, охлаждаются жидким азотом до рекордных значений порядка всего лишь 4-х градусов Кельвина.
Эволюция дала им тепловые рецепторы, которые позволяют видеть в темноте. Зачем ? Поиск добычи, например мышей, ящериц, лягушек. Гадюки, удавы, гремучие змеи благодаря специальным ямкам (это природные инфракрасные датчики – своеобразные живые тепловизоры) вдоль челюстей, могут находить теплые объекты в темноте.
Здесь поиск людей, которых можно укусить и попить кровь, ведется сразу по двум каналам.
- Улавливание ИК излучения.
- Поиск цели по выделяемому углекислому газу.
Так что от кровососущих не спрятаться даже в абсолютной темноте. Их не обманешь.
Зато уличные или комнатные, бытовые электрические уничтожители насекомых, позволяют избавиться от них, используя другое «слабое место» комаров, мух, мошек, бабочек – их неудержимое стремление лететь на свет. Как только они подлетают к ультрафиолетовой лампе, выступающей ловушкой — приманкой, то соприкасаются с металлической сеткой под высоким напряжением и мгновенно убиваются.
Так что насекомые охотятся на нас по теплу, а мы их привлекаем светом, чтобы уничтожить.
Также инфракрасные лучи могут видеть ряд разновидностей рыб – лосось, пиранья и цихлида. Причина понятна – под водой, особенно на глубине в десятки метров, очень темно, а в сочетании с мутной водой, инфракрасное ориентирование служит хорошим подспорьем.
В качестве сенсоров выступают особые ферменты, которые активируются при необходимости в режиме охоты.
Более того, золотые рыбки (не из сказки, а самые настоящие – такие существуют) относятся к уникальным и пожалуй единственным существам, которые могут видеть помимо инфракрасного излучения, еще и ультрафиолетовый свет.
Они не только квакают, но некоторые из них (лягушки — быки) могут видеть, как Терминатор в одноименном фильме, в инфракрасном спектре. Этот режим, как и у рыб активизируется при помощи особого белкового фермента.
Если обратиться к области охоты, а именно прицелам, и другим оптическим приспособлениям, то они укрупненно разделяются на 2 большие группы: инфракрасные, и ночного видения. Последние «видят» в обычным для нас спектре, но улавливают буквально кванты света, т.е. являются сверхчувствительными приборами.
Подобные «инструменты» в виде больших глаз имеют и животные. Причина та же – охота.
- во-первых, расширяются зрачки, чтобы собрать как можно больший поток скудных световых лучей в ночи;
- во-вторых, увеличенное количество рецепторов – светочувствительных клеток.
Более того, ряд ночных животных, могут даже не видеть при дневном свете и не различать цвета. Их стихия — это ночь.
Одна из разновидностей головоногих — каракатицы, имеют развитые органы зрения, что помогает им охотиться ночью на рыб и крабов. У них даже присутствуют веки, как у людей, которые открываются или закрываются в зависимости от мощности окружающего светового потока.
Еще один классический пример – совы, использующие свои огромные глаза для охоты на мелких грызунов и крупных насекомых (сверчков, кузнечиков). Интересно, что несмотря на то, что совы редко охотятся на птиц (разве что спящих), их искусственные образы в виде пластмассовых подвесок используются в качестве искусственных устройств для отпугивания птиц от садов и огородов.
У сов бинокулярное зрение, что позволяет им формировать трехмерное изображение, принимать быстрое решение в заданный момент и делать рывок к добыче, сорвавшись вниз с ветки дерева.
Также увеличенные глаза помогают при поиске еды ночным обезьянам, енотам и опоссумам. А у долгопятов глаза столько велики, что превышают по размеру мозг, что позволяет им хватать мелких животных практически в полной темноте.
Источник
Ученые объяснили, как глаз человека может видеть инфракрасный свет
В обычных условиях человек не может видеть инфракрасный свет, так как волны в этом диапазоне длиннее тех, что способен воспринимать человеческий глаз. Видимая часть спектра охватывает длины электромагнитных волн от 400 до 720 нанометров. До сих пор в научной литературе встречались лишь отрывочные сведения о том, что человек способен видеть излучение с длиной волны более 900 нанометров, а возможных механизмов этого явления предлагалось несколько.
Владимир Кефалов из университета Вашингтона в Сент-Луисе и его коллеги при работе с инфракрасными лазерами заметили, что иногда видят бледно-зеленые вспышки. Это наблюдение заставило их исследовать вопрос, может ли человек видеть инфракрасное излучение. Они провели эксперименты на клетках сетчатки мыши и человека и обнаружили, что при коротких вспышках инфракрасного лазера сетчатка иногда обрабатывает ИК-излучение как видимый свет.
Зрение работает благодаря активации светочувствительных пигментов в фоторецепторах сетчатки глаза светом видимого диапазона. Когда фотон попадает на сетчатку, он взаимодействует в ней со светочувствительным пигментом, что запускает процесс обработки светового сигнала. В глазу есть четыре разных типа пигментов, но каждый из них всегда поглощает один фотон, причем энергия фотона должна быть не больше и не меньше определенного значения. Владимир Кефалов и его коллеги пришли к выводу, что в случае с ИК-диапазоном один пигмент иногда поглощает одновременно два фотона с большой длиной волны и энергией, которая ниже порога активации пигмента. Пигмент активируется за счет сложения энергии двух фотонов. Этот эффект, называемый бифотонным поглощением, используют современные флуоресцентные микроскопы для активации красителей инфракрасным излучением.
В инфракрасном диапазоне волны слишком длинные, человек не мог их видеть, однако при определенных условиях это все-таки возможно © Sara Dickherber
.«Мы используем результаты этих экспериментов для того, чтобы попробовать разработать новый инструмент, который позволит врачам не только обследовать глаз, но и стимулировать определенные части сетчатки, чтобы определить, правильно ли она функционирует», — сказал Кефалов, чьи слова приводятся в пресс-релизе университета Вашингтона.
Источник
