Отражатели для животных
Отражатели или зеркала животных важны для выживания многих видов животных, и в некоторых случаях их копируют инженеры, разрабатывающие фотонные кристаллы . Примерами могут служить чешуя серебристых рыб и тапетум люцидум , вызывающий блеск глаз у собак и кошек. Все эти отражатели работают за счет интерференции света в многослойных структурах с размерами меньше длины волны, поэтому их можно отнести к фотонным кристаллам. Фотонные кристаллы других животных эволюционировали, чтобы отражать узкие спектры, создавая окраску животных .
Функции отражателей для животных
[ редактировать ]Камуфляж
[ редактировать ]Чешуя серебристых рыб, отражая свет с бока, затрудняет обнаружение хищником, поскольку отраженный свет аналогичен падающему свету в отсутствие жертвы (рис. 1).
Фокусирующий свет
[ редактировать ]Глаза некоторых двустворчатых моллюсков, таких как гребешок (Pecten), используют вогнутое зеркало argentea в задней части глаза для создания изображения на сетчатке. У глубоководного остракода Gigantocypris глаза с параболическими отражателями. Сложные глаза длиннотелых десятиногих ракообразных, таких как креветки и омары, используют зеркала в квадратных коробках. [1]
Повышение чувствительности сетчатки
[ редактировать ]имеется отражающий тапетум У большинства ночных позвоночных за сетчаткой , который обеспечивает « сияние глаз », наблюдаемое у кошек и собак. Поступающие фотоны, которые не поглощаются фоторецепторами, отражаются обратно, увеличивая вероятность их поглощения и генерации нервных сигналов.
Механизмы отражения
[ редактировать ]
Шульце в 1872 г. безоговорочно заявил, что отражение от многослойной структуры тапеты Carnivora происходит интерференцией. [4] Рэлей (1887) упоминает, что отражатель, состоящий из стопки тонких прозрачных слоев, будет отражать сильнее, чем один слой. [5] но только в 1917 году он опубликовал математический анализ. [6] Многослойные отражатели были сконструированы инженерами в 1950-х годах (см. Диэлектрическое зеркало ), а в 1966 году М.Ф. Лэнд опубликовал полный анализ отражателя для животных, который включал электронную микроскопию, оптические измерения и четкое объяснение теории. [7]
Отражатели с одномерной многослойной структурой
[ редактировать ]Многослойные отражатели животных работают так же, как искусственное диэлектрическое зеркало (или зеркало Брэгга), состоящее из чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления, причем толщина каждого слоя составляет 1/4 длины волны наиболее сильного отражения. [8] Чтобы отражать широкий диапазон длин волн, расстояние должно меняться в зависимости от толщины стопки. [9] Рефлекторы, состоящие из чередующихся слоев плоских кристаллов гуанина (показатель преломления n = 1,83) и цитоплазмы (n ≈ 1,33), независимо развились в чешуе рыб и в тапетах глаз пластиножаберных (Гур, 2017). Тапетум кустарника Galago crassicaudatus имеет сходное строение, но с кристаллами рибофлавина (n = 1,73).
Отражатели с двумерной структурой
[ редактировать ]Тапетум кошек, собак, львов и т . ( хищных животных д.) содержит удивительно регулярные ряды палочек и отражает свет от плоскостей решетки по закону Брэгга (рис. 2А). Каждый домен палочек имеет разное расстояние и отражает цвет, отличный от основной плоскости (показанной горизонтально на рис. 2B), поэтому при почти параллельном освещении видны пятна разных цветов (рис. 1C). Поскольку решетчатые плоскости расположены под разными углами, тапетум в целом отражает диффузно и почти не переливается.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лэнд, MF (2000) Глаза с зеркальной оптикой. Журнал оптики А - Чистая и прикладная оптика 2 (6) R44-R50.
- ^ Педлер, К. (1963). Тонкая структура тапетума клетчатки. Expl Eye Res. 2,189-19
- ^ Коулз, Дж. А. (1971) Некоторые отражательные свойства тапетума люцидума кошачьего глаза. J. Physiol. (Лондон), 212, 393–409.
- ^ Шульце, М. (1872). О тапетуме хориод глаза хищных животных. Отчеты о заседаниях Общества естественных и медицинских наук Нижнего Рейна, 29, 215–216.
- ^ Рэлей, третий барон (1887) XVII. О поддержании колебаний силами удвоенной частоты и о распространении волн в среде, наделенной периодической структурой. Фил. Маг. Серия 5, т.24 №147, 145-159, дои : 10.1080/14786448708628074 .
- ^ Рэлей, третий барон (1917). Об отражении света от регулярно стратифицированной среды. Учеб. Р. Сок. А, 93. 565-577.
- ^ Лэнд, М.Ф. (1966) Многослойный интерференционный отражатель в глазу гребешка. Дж. Эксп. Биол. 45, 433–447.
- ^ Хаксли, А. Ф. (1968) Теоретическая трактовка отражения света многослойными структурами. Дж. Эксп. Биол. 48 (2) 227-245.
- ^ Лэнд, М.Ф. (1972) Физика и биология отражателей животных. Прог. Биофиз. Мол. Биол. 24, 75–106.