Насекомые в настоящее время являются самой процветающей группой животных на Земле.

Тело насекомых подразделяется на три отдела: голову, грудь и брюшко.

На голове насекомых находятся фасеточные глаза и четыре пары придатков. У некоторых видов кроме фасеточных глаз имеются простые глазки. Первая пара придатков представлена усиками (антеннами), являющимися органами обоняния. Остальные три пары образуют ротовой аппарат. Верхняя губа (лабрум), непарная складка, прикрывает верхние челюсти. Вторая пара ротовых придатков образует верхние челюсти (мандибулы), третья пара - нижние челюсти (максиллы), четвертая пара срастается и образует нижнюю губу (лабиум). На нижней челюсти и нижней губе могут находиться по паре щупиков. К ротовому аппарату относится язык (гипофаринкс) - хитиновое выпячивание дна ротовой полости (рис. 3). В связи со способом питания, ротовые аппараты могут быть различных типов. Различают грызущий, грызуще-лижущий, колюще-сосущий, сосущий и лижущий типы ротовых аппаратов. Первичным типом ротового аппарата следует считать грызущий (рис. 1).

рис. 1.
1 - верхняя губа, 2 - верхние челюсти, 3 - нижние челюсти, 4 - нижняя губа,
5 - основной членик нижней губы, 6 - "стволик" нижней губы, 7 - нижнечелюстной щупик,
8 - внутренняя жевательная лопасть нижней челюсти, 9 - наружная
жевательная лопасть нижней челюсти, 10 - подподбородок,
11 - ложный подбородок, 12 - нежнегубной щупик, 13 - язычок, 14 - придаточный язычок.

Грудь состоит из трех сегментов, которые называются соответственно переднегрудь, среднегрудь и заднегрудь. Каждый из сегментов груди несет пару конечностей, у летающих видов на средне- и заднегруди находятся по паре крыльев. Конечности членистые. Основной членик ноги называется тазик, за ним следуют вертлуг, бедро, голень и лапка (рис. 2). В связи с образом жизни конечности бывают ходильными, бегательными, прыгательными, плавательными, копательными и хватательными.

рис. 2. Схема строения
конечности насекомого:
1 - крыло, 2 - тазик, 3 - вертлуг,
4 - бедро, 5 - голень, 6 - лапка.

рис. 3.
1 - фасеточные глаза, 2 - простые глазки, 3 - мозг, 4 - слюнная
железа, 5 - зоб, 6 - перднее крыло, 7 - заднее крыло, 8 - яичник,
9 - сердце, 10 - задняя кишка, 11 - хвостовая щетинка (церка),
12 - антенна, 13 - верхняя губа, 14 - мандибулы (верхние
челюсти), 15 - максиллы (нижние челюсти), 16 - нижняя губа,
17 - подглоточный ганглий, 18 - брюшная нервная цепочка,
19 - средняя кишка, 20 - мальпигиевы сосуды.

Число сегментов брюшка варьирует от 11 до 4. На брюшке у низших насекомых имеются парные конечности, у высших насекомых они видоизменяются в яйцеклад или другие органы.

Покровы представлены хитиновой кутикулой, гиподермой и базальной мембраной, защищают насекомых от механических повреждений, потери воды, являются наружным скелетом. Насекомые имеют много желез гиподермального происхождения: слюнные, пахучие, ядовитые, паутинные, восковые и пр. Окраска покровов насекомых обуславливается пигментами, содержащимися в кутикуле или гиподерме.

рис. 4. Продольный разрез через
голову черного таракана:
1 - ротовое отверстие, 2 - глотка,
3 - пищевод, 4 - головной мозг
(надглоточный нервный узел),
5 - подглоточный нервный узел,
6 - аорта, 7 - проток слюнных
желез, 8 - гипофаринкс, или
подглоточник, 9 - предротовая
полость, 10 - передний отдел
предротовой полости, или
цибарий, 11 - задний отдел
предротовой полости,
или саливарий.

Мышцы насекомых по гистологическому строению относятся к поперечнополосатым, они отличаются способностью к очень высокой частоте сокращений (до 1000 раз в секунду).

Пищеварительная система как у всех членистоногих подразделяется на три отдела, передний и задний отделы имеют эктодермальное происхождение, средний - энтодермальное (рис. 5). Пищеварительная система начинается ротовыми придатками и ротовой полостью, в которую открываются протоки 1-2 пар слюнных желез. Первая пара слюнных желез вырабатывает пищеварительные ферменты. Вторая пара слюнных желез может видоизменяться в паутинные или шелкоотделительные железы (гусеницы многих видов бабочек). Протоки каждой пары соединяются в непарный канал, который открывается у основания нижней губы под гипофаринксом. Передний отдел включает в себя глотку, пищевод и желудок. У некоторых видов насекомых пищевод имеет расширение - зоб. У видов, питающихся растительной пищей, в желудке находятся хитиновые складки, зубцы, способствующие перетиранию пищи. Средний отдел представлен средней кишкой, в которой происходит переваривание и всасывание пищи. В своей начальной части средняя кишка может иметь слепые выросты (пилорические придатки). Пилорические придатки функционируют как пищеварительные железы. У многих насекомых, питающихся древесиной, в кишечнике поселяются симбиотические простейшие и бактерии, выделяющие фермент целлюлазу и этим способствующие перевариванию клетчатки. Задний отдел представлен задней кишкой. На границе между средней и задней отделами в просвет кишечника открываются многочисленные слепо замкнутые мальпигиевы сосуды. Задняя кишка имеет ректальные железы, которые отсасывают из остатков пищевой массы воду.

рис. 5. Схема строения
пищеварительной системы
черного таракана:
1 - слюнные железы, 2 -
пищевод, 3 - зоб, 4 -
пилорические придатки,
5 - средняя кишка,
6 - мальпигиевы сосуды,
7 - задняя кишка,
8 - прямая кишка.

Органы дыхания насекомых - трахеи, по которым осуществляется транспорт газов. Трахеи начинаются отверстиями - дыхальцами (стигмами), которые находятся по бокам среднегруди и заднегруди и на каждом членике брюшка. Максимальное число дыхалец - 10 пар. Часто стигмы имеют особые замыкательные клапаны. Трахеи имеют вид тонких трубочек и пронизывают все тело насекомого (рис. 6). Концевые ветви трахей заканчиваются звездчатой трахейной клеткой, от которой отходят еще более тонкие трубочки - трахеолы. Иногда трахеи образуют небольшие расширения - воздушные мешки. Стенки трахей выстланы тонкой кутикулой, имеющие утолщения в форме колец и спиралей.

рис. 6. Схема
строения
дыхательной
системы черного
таракана

Кровеносная система насекомых - незамкнутого типа (рис. 7). Сердце находится в перикардиальном синусе на дорсальной стороне брюшного отдела тела. Сердце имеет вид трубки, слепо замкнутой на заднем конце. Сердце разделено на камеры, каждая камера имеет по бокам парные отверстия с клапанами - остии. Число камер - восемь и меньше. К каждой камере сердца подходят мышцы, обеспечивающие ее сокращение. Волна сокращений сердца от задней камеры кпередней обеспечивает одностороннее движение крови вперед.

Гемолимфа движется из сердца в единственный сосуд - в головную аорту и далее выливается в полость тела. Через многочисленные отверстия гемолимфа попадает в полость перикардиального синуса, затем через остии, при расширении сердечной камеры, засасывается в сердце. Гемолимфа не имеет дыхательных пигментов и представляет желтоватую жидкость, содержащую фагоциты. Основная ее функция - снабжение органов питательными веществами и перенос продуктов обмена корганам выделения. Дыхательная функция гемолимфы незначительна, лишь у некоторых водных личинок насекомых (личинки комаров-звонцов) гемолимфа имеет гемоглобин, окрашена в ярко-красный цвет и отвечает за транспорт газов.

Органами выделения насекомых являются мальпигиевы сосуды и жировое тело. Мальпигиевы сосуды (в количестве до 150) имеют эктодермальное происхождение, впадают в просвет кишечника на границе между средним и задним отделами кишечника. Продукт выделения - кристаллы мочевой кислоты. Жировое тело насекомых помимо основной функции - накопления запасов питательных веществ, служит еще и «почкой накопления». В жировом теле имеются особые экскреторные клетки, которые постепенно насыщаются труднорастворимой мочевой кислотой.

рис. 7. Схема строения
кровеносной системы
черного таракана:
1 - сердце, 2 - аорта.

Центральная нервная система насекомых состоит из парных надглоточных ганглиев (головного мозга), подглоточных ганглиев и сегментарных ганглиев брюшной нервной цепочки. Головной мозг включает в себя три отдела: протоцеребрум, дейтоцеребрум и тритоцеребрум. Протоцеребрум иннервирует акрон и размещающиеся на нем глаза. На протоцеребруме развиваются грибовидные тела, к которым подходят нервы от органов зрения. Дейтоцеребрум иннервирует усики, тритоцеребрум - верхнюю губу.

В состав брюшной нервной цепочки входят 11-13 пар ганглиев: 3 грудных и 8-10 брюшных. У некоторых насекомых грудные и брюшные сегментарные ганглии сливаются в грудные и брюшные нервные узлы.

Периферическая нервная система представлена нервами, отходящими от центральной нервной системы, и органами чувств. Имеются нейросекреторные клетки, нейрогормоны которых регулируют деятельность эндокринных органов насекомых.

Чем сложнее поведение насекомых, тем сильнее развит у них головной мозг и грибовидные тела.

Органы чувств насекомых достигают высокой степени совершенства. Возможности их сенсорного аппарата часто превосходят таковые высших позвоночных животных и человека.

Органы зрения представлены простыми и сложными глазами (рис. 8). Сложные, или фасеточные глаза располагаются по бокам головы и состоят из омматидиев, число которых у различных видов насекомых варьирует от 8-9 (муравьи) до 28000 (стрекозы). У многих видов насекомых зрение цветное. Каждый омматидий воспринимает небольшую часть из поля зрения всего глаза, изображение складывается из множества мелких частичек изображения, такое зрение иногда называют «мозаичным». Роль простых глазков до конца не изучена, установлено, что они воспринимают поляризованный свет.

рис. 8.
А - фасеточный глаз (на разрезе видны омматидии), Б - схема
строения отдельного омматидия, В - схема строения простого
глазка: 1 - хрусталик, 2 - хрустальный конус, 3 - пигментные
клетки, 4 - зрительные (ретинальные) клетки,
5 - рабдом (зрительный стержень), 6 - фасетки (наружные
поверхности хрусталика), 7 - нервные волокна.

Многие насекомые способны издавать звуки и слышать их. Органы слуха и органы, издающие звуки, могут находиться на любом участке тела. Например, у кузнечиков, органы слуха (тимпанальные органы) располагаются на голенях передних ног, здесь имеются по две узкие продольные щели, ведущие к барабанной перепонке, связанной с рецепторными клетками. Органы, издающие звуки, находятся на передних крыльях, причем левое крыло соответствует «смычку», а правое - «скрипке».

Органы обоняния представлены совокупностью обонятельных сенсилл, расположенных, в основном, на антеннах. Антенны самцов развиты в большей степени, чем антенны самок. По запаху насекомые разыскивают пищу, места для откладки яиц, особей противоположного пола. Самки выделяют особые вещества - половые аттрактанты, привлекающие самцов. Самцы бабочек находят самок на расстоянии 3-9 км.

Вкусовые сенсиллы располагаются у жуков на челюстных и губных щупиках, у пчел, мух, бабочек - на ножках, у пчел, муравьев - на усиках.

Осязательные рецепторы, термо- и гигрорецепторы рассеяны по поверхности тела, но больше всего их на усиках и щупиках. Многие насекомые воспринимают магнитные поля и их изменение, где находятся органы, воспринимающие эти поля, пока неизвестно.

Насекомые - раздельнополые животные. У многих видов насекомых выражен половой диморфизм. В состав мужской половой системы входят: парные семенники и семяпроводы, непарный семяизвергательный канал, совокупительный орган и придаточные железы. В состав совокупительного органа входят кутикулярные элементы - гениталии. Придаточные железы выделяют секрет, разбавляющий сперму и формирующий оболочку сперматофора. В состав женской половой системы входят: парные яичник и яйцеводы, непарное влагалище, семяприемник, придаточные железы. Самки некоторых видов имеют яйцеклад. Гениталии самцов и самок имеют сложное строение и таксономическое значение.

Насекомые размножаются половым способом, для ряда видов известен партеногенез (тли).

Развитие насекомых делится на два периода - эмбриональное, включающее развитие зародыша в яйце, и постэмбриональное, которое начинается с момента выхода личинки из яйца и заканчивается смертью насекомого. Постэмбриональное развитие проходит с метаморфозом. По характеру метаморфоза эти членистоногие подразделяются на две группы: насекомые с неполным превращением (гемиметаболические) и насекомых с полным превращением (голометаболические).

У гемиметаболических насекомых личинка похожа на взрослое животное. Отличается от него недоразвитыми крыльями - гонадами, отсутствием вторичных половых признаков, меньшими размерами. Такие имагоподобные личинки называются нимфами. Личинка растет, линяет, после каждой линьки зачатки крыльев увеличиваются. После нескольких линек из нимфы старшего возраста выходит имаго.

У голометаболических насекомых личинка не похожа на имаго не только по строению, но и экологически, например, личинка майского жука живет в почве, имаго - на деревьях. Личинки после нескольких линек превращаются в куколок. Во время стадии куколки происходит разрушение личиночных органов и формирование организма взрослого насекомого.

рис. 9.
А - открытая (наездник), Б -
покрытая (бабочка),
В - скрытая (муха).

Личинки голометаболических насекомых не имеют сложных глаз и зачатков крыльев. Их ротовой аппарат грызущего типа, усики и конечности - короткие. По степени развития конечностей выделяют четыре типа личинок: протоподные, олигоподные, полиподные, аподные. У протоподных личинок имеются лишь зачатки грудных ног (пчелы). У олигоподных личинок - три пары нормальных ходильных ног (жуки, сетчатокрылые). Полиподные личинки кроме трех пар грудных ног имеют еще несколько пар ложных ножек на брюшке (бабочки, пилильщики). Брюшные ножки представляют собой выступы стенки тела, несут на подошве шипики и крючочки. Аподные личинки конечностей не имеют (двукрылые).

По способам движения личинки голометаболических насекомых подразделяются на камподеовидных, эруковидных, проволочниковых и червеобразных.

Камподеовидные личинки имеют длинное гибкое тело, бегательные ноги и чувствующие церки (жужелицы). Эруковидные личинки - мясистое слабоизогнутое телос конечностями или без (майские жуки, бронзовки, навозники). Проволочниковые - с жестким телом, круглым в поперечнике, с опорными церками (жуки-щелкуны, чернотелки). Червеобразные - по внешнему виду похожи на червей, безногие (двукрылые и многие другие).

Куколки бывают трех типов: свободные, покрытые, скрытые (рис. 9). У свободных куколок зачатки крыльев и конечностей хорошо видны, свободно отделены от тела, покровы - тонкие и мягкие (жуки). У покрытых куколок зачатки плотно прирастают к телу, покровы - сильно склеротизированные (бабочки). Скрытые куколки - свободные куколки, находящиеся внутри ложного кокона - пупария (мухи). Пупарий представляет собой несброшенную затвердевшую личиночную шкурку.

Глаз насекомого при большом увеличении похож на мелкую решетку.

Это потому, что глаз насекомого состоит из множества маленьких "глазков"-фасеток. Глаза насекомых называют фасеточными . Крошечный глазок-фасетка называется омматидий . Омматидий имеет вид длинного узкого конуса, основание которого - линза, имеющая вид шестигранника. Отсюда и название фасеточного глаза: facette в переводе с французского означает "грань" .

Пучок омматидиев составляет сложный, круглый, глаз насекомого.

Каждый омматидий имеет очень ограниченное поле зрения: угол обзора омматидиев в центральной части глаза - всего около 1°, а по краям глаза - до 3°. Омматидий «видит» только тот крошечный участок находящегося перед глазами предмета, на который он "нацелен", то есть куда направлено продолжение его оси. Но так как омматидии тесно прилегают друг к другу, а их оси в круглом глазу расходятся лучеобразно, то весь сложный глаз охватывает предмет в целом. Причём изображение предмета получается в нем мозаичным, то есть составленным из отдельных кусочков.

Число омматидиев в глазу у разных насекомых различно. У рабочего муравья в глазу всего около 100 омматидиев, у комнатной мухи - около 4000, у рабочей пчелы - 5000, у бабочек - до 17 000, а у стрекоз - до 30 000! Таким образом, у муравья зрение весьма посредственное, тогда как огромные глаза стрекозы - два радужных полушария - обеспечивают максимальное поле зрения.

Из-за того, что оптические оси омматидиев расходятся под углами 1-6°, четкость изображения насекомых не очень высока: мелких деталей они не различают. Кроме того, большинство насекомых близоруки: видят окружающие предметы на расстоянии лишь нескольких метров. Зато фасеточные глаза отлично умеют различать мелькания (мигания) света с частотой до 250–300 герц (для человека предельная частота около 50 герц). Глаза насекомых способны определять интенсивность светового потока (яркость), а кроме того, они обладают уникальной способностью: умеют определять плоскость поляризации света. Эта способность помогает им ориентироваться, когда солнца не видно на небосклоне .

Насекомые различают цвета, но совсем не так, как мы. Например, пчелы «не знают» красного цвета и не отличают его от чёрного, но зато воспринимают невидимые для нас ультрафиолетовые лучи, которые расположены на противоположном конце спектра . Ультрафиолет различают также некоторые бабочки, муравьи и другие насекомые. Кстати, именно слепостью насекомых-опылителей нашей полосы к красному цвету объясняется любопытный факт, что среди нашей дикорастущей флоры нет растений с алыми цветками.

Свет, идущий от солнца, не поляризован, то есть его фотоны имеют произвольную ориентацию. Однако, проходя через атмосферу, свет поляризуется в результате рассеивания молекулами воздуха, и при этом плоскость его поляризации всегда направлена на солнце

Кстати...

Кроме фасеточных глаз у насекомых есть еще три простых глазка диаметром 0,03-0,5 мм, которые располагаются в виде треугольника на лобно-теменной поверхности головы. Эти глазки не приспособлены для различения объектов и нужны для совсем другой цели. Они измеряют усредненный уровень освещенности, который при обработке зрительных сигналов используется в качестве точки отсчета («ноль-сигнала»). Если заклеить насекомому эти глазки, оно сохраняет способность к пространственной ориентации, но летать сможет только при более ярком свете, чем обычно. Причина этого в том, что заклеенные глазки принимают за «средний уровень» черное поле и тем самым задают фасеточным глазам более широкий диапазон освещенности, а это, соответственно, снижает их чувствительность.

Наиболее сложными из органов чувств у насекомых являются органы зрения. Последние представлены образованиями нескольких типов, из которых важнейшие - сложные фасетированные глаза примерно такого же строения, как и сложные глаза ракообразных .

Глаза состоят из отдельных омматидиев ( рис. 337), количество которых определяется главным образом биологическими особенностями насекомых. Активные хищники и хорошие летуны, стрекозы обладают глазами, насчитывающими до 28 000 фасеток в каждом. В то же время муравьи (отр. Перепончатокрылые), особенно рабочие особи видов, обитающих под землей, имеют глаза, состоящие из 8 - 9 омматидиев.

Каждый омматидий представляет совершенную фотооптическую сенсиллу ( рис. 338). В его состав входят оптический аппарат, включающий роговицу, - прозрачный участок кутикулы над омматидием и так называемый хрустальный конус. В совокупности они выполняют роль линзы. Воспринимающий аппарат омматидия представлен несколькими (4 - 12) рецепторными клетками; специализация их зашла очень далеко, о чем говорит полная утрата ими жгутиковых структур. Собственно чувствительные части клеток - рабдомеры - представляют скопления плотно упакованных микроворсинок, располагаются в центре омматидия и тесно прилегают друг к другу. В совокупности они образуют светочувствительный элемент глаза - рабдом.

По краям омматидия залегают экранирующие пигментные клетки; последние довольно существенно отличаются у дневных и ночных насекомых. В первом случае пигмент в клетке неподвижен и постоянно разделяет соседние омматидии, не пропуская световые лучи из одного глазка в другой. Во втором случае пигмент способен перемещаться в клетках и скапливаться только в их верхней части. При этом лучи света попадают на чувствительные клетки не одного, а нескольких соседних омматидиев, что заметно (почти на два порядка) повышает общую чувствительность глаза. Естественно, что подобного рода адаптация возникла у сумеречных и ночных насекомых. От чувствительных клеток омматидия отходят нервные окончания образующие зрительный нерв.

Кроме сложных глаз многие насекомые имеют еще и простые глазки ( рис. 339), строение которых не соответствует строению одного омматидия. Светопреломляющий аппарат линзообразной формы, сразу же под ним расположен слой чувствительных клеток. Весь глазок одет чехлом из пигментных клеток. Оптические свойства простых глазков таковы, что воспринимать изображения предметов они не могут.

Личинки насекомых в большинстве случаев обладают только простыми глазками, отличающимися, однако, по строению от простых глазков взрослых стадий. Никакой преемственности между глазками взрослых особей и личинок не существует. Во время метаморфоза глаза личинок полностью резорбируются.

Зрительные способности насекомых совершенны. Однако структурные особенности сложного глаза предопределяют особый физиологический механизм зрения. Животные, имеющие сложные глаза, обладают "мозаичным" зрением. Малые размеры омматидиев и их обособленность друг от друга приводят к тому, что каждая группа чувствительных клеток воспринимает лишь небольшой и сравнительно узкий пучок лучей. Лучи, падающие под значительным углом, поглощаются экранирующими пигментными клетками и не достигают светочувствительных элементов омматидиев. Таким образом, схематично каждый омматидии получает изображение только одной небольшой точки объекта, находящегося в поле зрения всего глаза. Вследствие этого изображение складывается из стольких световых точек, отвечающих различным частям объекта, на сколько фасеток падают перпендикулярно лучи от объекта. Общая картина комбинируется как бы из множества мелких частичных изображений путем приложения их одного к другому.

Восприятие цвета насекомыми также отличается известным своеобразием. Представители высших групп Insecta имеют цветовое зрение, основанное на восприятии трех основных цветов, смешение которых и дает все красочное многообразие окружающего нас мира. Однако у насекомых по сравнению с человеком наблюдается сильный сдвиг в коротковолновую часть спектра: они воспринимают зелено - желтые, синие и ультрафиолетовые лучи. Последние для нас невидимы. Следовательно, цветовое восприятие мира насекомыми резко отличается от нашего.

Функции простых глазков взрослых насекомых требуют еще серьезного изучения. По - видимому, они в какой - то мере "дополняют" сложные глаза, влияя на активность поведения насекомых в разных условиях освещенности. Кроме того, было показано, что простые глазки наряду со сложными глазами способны воспринимать поляризованный свет.

Правообладатель иллюстрации Science Photo Library

Попробуйте прихлопнуть муху и вы сразу поймете, что она быстрее вас. Намного быстрее. Как же этим крошечным существам с их микроскопическими мозгами удается так легко обвести нас вокруг пальца?

Вероятно, вы задумывались над этим, безуспешно гоняясь с мухобойкой по комнате за назойливой тварью. Как они так ловко уворачиваются? Неужели они умеют читать наши мысли?

• Ученые разгадали, почему мухи неуловимы

Ответ заключается в том, что, по сравнению с человеком, мухи видят происходящее в замедленном темпе.

Взгляните на часы с секундной стрелкой. Они тикают с определенной скоростью. Но черепахе будет казаться, что стрелка тикает в четыре раза быстрее. А для большинства видов мух, наоборот, отсчет секунд будет тянуться примерно в четыре раза медленнее. По сути, у каждого биологического вида свое восприятие течения времени.

Это происходит потому, что все живые существа, наделенные зрением, воспринимают окружающий мир как непрерывное видео, но изображение, передающееся из глаз в мозг, они сводят в отдельные кадры с разной заданной частотой.

У человека заданная частота составляет в среднем 60 кадров в секунду, у черепах - 15, а у мух - 250.

Время относительно

Скорость, с которой эти изображения обрабатываются мозгом, называется "частотой слияния мельканий". Как правило, чем меньше биологический вид, тем выше скорость подачи световых импульсов, и поэтому мухи постоянно оставляют человека с носом.

Профессор Роджер Харди из Кембриджского университета демонстрирует, как работает глаз мухи.

"Частота слияния мельканий - это просто скорость, с которой свет должен включаться и выключаться, прежде чем его можно будет увидеть или воспринять как непрерывное изображение", - говорит профессор Харди.

Он вживляет насекомым крошечные электроды в живые светочувствительные клетки глаз - фоторецепторы - и включает мигающие светодиодные индикаторы, постепенно увеличивая частоту вспышек.

Фоторецепторы реагируют на каждую вспышку светодиода электрическими импульсами, которые отображаются на экране компьютера.

Тесты показывают, что у некоторых мушиных особей рецепторы отчетливо реагируют на мигание до 400 раз в секунду, более чем в шесть раз быстрее, чем человеческий глаз.

Рекордсменом считается муха-убийца - обитающее в Европе крошечное хищное насекомое, которое охотится на других мух. И ловит оно жертв прямо в полете.

В своей "мушиной лаборатории" в Кембриджском университете доктор Палома Гонсалес-Беллидо демонстрирует сверхбыструю реакцию охотника, запустив обычных комнатных мух в специальную камеру к самке мухи-убийцы.

С помощью скоростной видеокамеры Палома записывает поведение охотника и жертвы с частотой 1000 кадров в секунду. Компьютер постоянно сохраняет последние 12 секунд видеозаписи.

Вот в камере что-то происходит, и Палома нажимает кнопку, чтобы остановить запись.

"Время нашей реакции настолько медленное, что, если мы хотим остановить запись в момент события, выясняется, что это событие уже произошло", - говорит доктор.

Получается, мы даже не можем нажать кнопку вовремя.

Муха против мухи

На видеозаписи видно, что сначала муха-убийца сидит неподвижно. Но как только комнатная муха пролетает примерно в семи сантиметрах над ней, охотница совершает молниеносный бросок, а затем обе оказываются на дне камеры.

Лишь после просмотра замедленной съемки на компьютере становится ясно, что произошло: муха-убийца взлетела, трижды облетела жертву, несколько раз пытаясь ее схватить, прежде чем ей удалось это сделать передними лапами, сбить на пол и впиться в добычу.

Весь эпизод от взлета до посадки занял одну секунду. В наших глазах это мгновение. И наоборот - в глазах мухи человеческая рука движется со скоростью улитки.

Столь невероятную скорость поведения мухе-убийце обеспечивают митохондрии - биологические клетки, которых у этого хищника в глазах гораздо больше, чем у других видов мух.

Эти клетки вырабатывают энергию, необходимую световым рецепторам глаза. Быстрое зрение потребляет больше энергии, чем медленное, и плотоядная диета мухи-убийцы обеспечивает питание энергоемких клеток.

Но даже если бы человек имел такое же количество митохондрий в глазах, у нас не было бы столь высокой скорости зрения, потому что светочувствительные клетки мух по конструкции сильно отличаются от человеческих.

К этим структурным различиям привел процесс эволюции. Развитие глаз у членистоногих и позвоночных пошло совершенно разными путями около 700-750 миллионов лет назад.

Струнная теория

Как говорит профессор Роджер Харди, глаза мух работают по принципу механической передачи импульсов - они реагируют на свет с помощью горизонтально расположенных крошечных волокон, которые передают сигнал, как струны.

Зрение позвоночных устроено по-другому: в глазу у них имеются длинные трубчатые клетки, обращенные к источнику света, с химическими веществами, которые реагируют на сигнал.

"С точки зрения возможности сформировать сильную реакцию на небольшое количество света механизм членистоногих более чувствителен, к тому же и скорость его реакции выше, чем у стержней и конусов в глазу у позвоночных", - объясняет он.

Есть несколько причин более высокой чувствительности механической системы передачи данных.

Прежде всего "струны" позволяют ускорить нейронные сигналы. Кроме того, у нейронных импульсов существует предел скорости, и благодаря меньшей протяженности нерва от глаза до мозга у членистоногих по сравнению с более крупными позвоночными процесс передачи данных протекает быстрее.

Впрочем, и некоторые позвоночные имеют гораздо более быстрое зрение, чем человек. Похоже, что с быстрым зрением взаимосвязана способность летать. Вероятно, летающим существам небольших размеров необходима быстрая реакция во время полета, чтобы не врезаться в препятствие.

Всё относительно

Среди позвоночных самое быстрое зрение встречается у животных и птиц, которые ловят насекомых в воздухе.

Шведские ученые из Уппсальского университета обнаружили, что птичка мухоловка способна распознавать свет, который вспыхивает и выключается 146 раз в секунду.

Этот показатель примерно вдвое больше, чем у человека, хотя и не столь высокий, как у средней мухи.

Способность "замедлять время" развилась у мухоловок в процессе эволюции. Особи, способные перехитрить добычу, стали питаться сытнее, приносить больше потомства и передавать ему по наследству быстрое зрение родителей.

Но эволюционная "гонка вооружений" никогда не заканчивается. Мухи, за которыми гоняются птицы с быстрым зрением, тоже развивают скорость реакции, и так далее.

В общем, в другой раз после неудачной попытки пристукнуть муху не унывайте. В том, что ваши движения столь медленны и неуклюжи, виноваты сотни миллионов лет естественного отбора, научившего мух неспешно наблюдать за вами.

Время между вами и мухой очень относительно.

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.