Как модифицировать человеческий глаз, чтобы видеть в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах?

Это сложный ответ, потому что восприятие создается в нескольких точках оптической цепи, начиная с хрусталика (который слегка окрашен и, следовательно, активно фильтрует УФ и фиолетовые цвета) до зрительных нервов (которые чувствительны к трем основным пикам видимого спектра ЭМ). ) и, наконец, к мозгу, который воспринимает и переводит нервные импульсы во что-то, что мы распознаем как разумные существа, как цвета.

Таким образом, ответ на вопрос имеет столько же общего с биологией органов существа, сколько и с нейробиологией мозга. Если мы говорим только о человеческом глазе, нам придется внести изменения в биологию и реакции зрительного нерва.

Во-первых, у людей есть только три уникальных цветовых рецептора... Но у бабочек их больше.

Если вы хотите, чтобы человеческий глаз воспринимал длины волн ниже видимого электромагнитного спектра, вам нужно переназначить по крайней мере одну из колбочек для создания ответного стимула на этих длинах волн, и вам нужно будет определить, насколько широким вы хотите ответ быть. Затем, чтобы воспринимать ЭМ-излучение выше видимого спектра, вам нужно будет назначить другую колбочку, чувствительную к этому диапазону, и определить, насколько она чувствительна (чем меньше диапазон длин волн, который она обнаруживает, тем более она чувствительна, но тем меньше ее чувствительность). видит в целом).

Вот еще одно изображение, показывающее (ненормализованную чувствительность колбочек человека к длинам волн электромагнитного излучения):

Итак, вам, возможно, придется сдвинуть синие конусы в УФ, а красный и зеленый в ИК. Или вы можете поместить их все в УФ или ИК, и все же иметь возможность определить набор ложных цветов, генерируемых красно-зелено-синими (RGB) нервными рецепторами колбочек человеческого глаза, которые полностью живут в ИК или УФ. полосы ЭМ спектра. Результирующее изображение, записанное глазом, все равно будет выглядеть полноцветным, но поскольку диапазоны отклика будут сильно различаться, невозможно сказать, как будет выглядеть окончательное изображение.

Вполне возможно, что именно это увидел бы человеческий глаз, глядя на наше собственное солнце, если бы рецепторы колбочек были чувствительны к длинам волн в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах:

Вот одно солнце, использующее ТОЛЬКО УФ-чувствительность. Это, по-видимому, благоприятствует рецептору синей колбочки, преобладающему над видимой чувствительностью:

Но как насчет бабочек?

Итак, причина, по которой бабочки интересны для этой дискуссии, заключается в том, что их оптика позволяет видеть от семи до десяти уникальных цветовых полос, тогда как мы, старые люди, видим только три (даже если они перекрываются в точках). Если вы обсуждаете изменения в человеческом глазу, вы можете подумать о добавлении еще нескольких колбочковых рецепторов, чувствительных к разным длинам волн. Почему?...

Во-вторых, ИК- и УФ-диапазоны в ЭМ спектре очень велики...

Взгляните на это изображение, и вы увидите, насколько чувствительны человеческие глаза к очень узким диапазонам всего электромагнитного спектра. Полные УФ- и ИК-диапазоны вместе взятые примерно в 10 раз превышают размер узкой полосы видимого света.

Итак, чтобы видеть весь ИК-спектр или весь УФ-спектр и при этом иметь достаточную чувствительность к незначительным изменениям отклика на колебания длины волны, вам понадобятся глаза с большим количеством колбочек . Например pieris rapae:

Представьте себе все эти конусы, разбросанные по ИК-диапазону? Может понадобиться еще несколько.

Ничто между...

Ваши глаза не зарегистрируют реакцию и, следовательно, не запустят нерв, пока они не будут возбуждены той частотой ЭМ, на которую они настроены. Итак, если ваш гипотетический глаз чувствителен к инфракрасному и ультрафиолетовому излучению, но не к видимому свету между ними, то те области, которые излучают ТОЛЬКО видимый свет, будут казаться черными; они не будут возбуждать рецепторы в глазах и, следовательно, не будут посылать сигнал в мозг. Концепция похожа на наши глаза сейчас. Если мы закроем глаза или выключим свет, все станет черным. Теперь сделайте это в комнате с ИК-подсветкой (излучателем), эффект тот же. Ваши глаза seeничего не сделают, так как они не запрограммированы на то, чтобы вызывать реакцию при бомбардировке этой длиной волны. Да, ЭМ-излучение по-прежнему попадает в глаза, но рецепторы его не регистрируют, поэтому мозг не реагирует.

Здесь есть ряд проблем.

Разрешение

Итак, предположим, вы создали новый вид конуса, чувствительный к ультрафиолетовому излучению . Куда ты собираешься его положить? Сетчатка уже битком набита колбочками, поэтому вам нужно удалить другие колбочки, чтобы установить новые колбочки. Таким образом, ваши ребята могут видеть УФ, но их чувствительность к одному или нескольким другим цветовым каналам ухудшается.

Теперь, если это кибернетика или что-то подобное, вы потенциально можете миниатюризировать новые конусы и старые конусы и решить эту проблему. Может быть, даже дать вашим ребятам лучшее разрешение, чем обычно.

Другая проблема заключается в том, что ИК -диапазоны физически не способны отображать изображения с высоким разрешением по сравнению с видимым светом. Чем глубже в ИК, тем хуже становится изображение. С другой стороны, УФ в некоторой степени дает лучшее разрешение.

Полезный свет

Солнечный свет генерирует много ближнего ИК-излучения, но оно падает экспоненциально, поэтому в диапазоне 1500 нм вы падаете до 12% (приблизительно).

Вы можете использовать более длинные волны, но вам нужно сделать колбочки очень чувствительными в этом диапазоне. Возможно, вы могли бы сосредоточить чувствительность конуса в глубоком ИК-диапазоне с экспоненциальным спадом от пика. Экспоненциальное усиление солнечного света в направлении ближнего ИК-диапазона будет компенсировано экспоненциальным падением чувствительности колбочек, что может дать вам хорошее зрение в условиях низкой освещенности в широком спектре.

Если вы перейдете в дальний ИК-диапазон (8-15 мкм, от 8000 до 15000 нм), вы сможете видеть объекты при комнатной температуре , хотя это включает в себя ваше собственное глазное яблоко, что может стать неудобным. Вам, вероятно, понадобится какая-то специальная система охлаждения, чтобы объектив, сетчатка и т. д. были холоднее, чем все, на что вы пытаетесь смотреть. Не уверен, насколько жизнеспособна такая система охлаждения с точки зрения биологии, хотя вполне правдоподобна с точки зрения кибернетики.

С другой стороны, обратите внимание, что дальний ультрафиолет поглощается атмосферой и повреждает на молекулярном уровне, поэтому существует физическое ограничение на то, насколько глубоко вы можете проникнуть в ультрафиолет (200-300 нм).

Цветовое пространство

Есть несколько способов сделать это. Во-первых, вы можете заменить существующие красные/синие конусы новыми конусами с более широкой кривой отклика. Итак, теперь объект, отражающий ИК-излучение, становится красным или более красным, чем раньше. То же самое относится и к УФ-объектам, которые выглядят синими или фиолетовыми (в зависимости от того, какие конусы вы изменяете для УФ-отклика). Вы могли бы потенциально заменить только один конус (скажем, зеленый) с действительно широким откликом на обоих концах, но я не уверен, что это будет выгодно.

Во-вторых, вы можете добавлять новые конусы в новые диапазоны. Это дает вам гораздо лучший контроль над тем, какой спектр вы можете покрыть, и, вероятно, дает вам лучшее поглощение света (большинство материалов плохо поглощают огромный диапазон длин волн для фотоэлектрических эффектов , хотя здесь могут помочь многопереходные ячейки ).

Здесь есть два подварианта. Самый простой способ — прикрепить эти новые колбочки к существующим нервным окончаниям. Таким образом, вы увидите ИК-красным, УФ-синим, как и раньше. (Или ИК-синий, а УФ-зеленый или что-то еще, что плавает в вашей лодке. Опять же, не уверен, что для этого есть какая-то особая причина, но вы можете обнаружить, что это помогает ночному видению или что-то в этом роде.)

Другой вариант — генерировать новые нервные сигналы. Это также требует перенастройки мозга, чтобы принимать эти новые сигналы. Очевидно, это возможно, но я понятия не имею, насколько это будет сложно, и можно ли это сделать на взрослом человеке.

Если бы это сработало, у человека было бы значительно увеличенное цветовое пространство. Разница между красным и ИК-излучением будет очевидна для этих людей, как и разница между синим/фиолетовым и УФ-излучением. Для них также была бы разница между зеленым и зеленым с ИК, или зеленым с УФ, или зеленым с ИК и УФ.

Будет 1 нулевой цвет («настоящий» черный), 5 основных цветов (по одному на каждую колбочку), 10 вторичных цветов (каждая комбинация двух колбочек), 10 третичных цветов (каждая комбинация трех колбочек, которая также является комбинацией отсутствие колбочек), 5 четвертичных цветов (каждая комбинация четырех колбочек или отсутствие 1 колбочки) и 1 сплошной цвет («настоящий» белый). Плюс все триллионы промежуточных цветов. Я взял на себя смелость назвать их и придумать предварительное произношение. Это не стандартные соглашения об именах ANSI или что-то в этом роде.

Специфика того, какие объекты реального мира преобразуются в какие пентахроматические цвета, во многом зависит от того, какие именно кривые отклика вы используете. Кроме того, можно переместить существующие конусы, чтобы «красный» цвет ваших парней не соответствовал обычному красному цвету.

Например, вы можете приравнять ИК к дальнему ИК, красный приравнять к ближнему ИК, зеленый приравнять к красному/зеленому, синий приравнять к зеленому/синему, а УФ приравнять к УФ. Это дает вам действительно широкий спектральный диапазон, но вы теряете большую часть человеческого цветового отклика. Нормальным людям вы покажетесь красно-зеленым дальтоником.

Чтобы расширить ответ JDlugosz о восприятии цветового круга - с ОЧЕНЬ важным предположением, что эти модифицированные люди рождаются с улучшенным зрением - я думаю, что ваши модифицированные люди потеряют способность воспринимать розовый цвет .

Розовый цвет — это то, что ваш разум называет соединением обоих концов видимого спектра. Вот почему розовый находится между красным и фиолетовым на цветовом круге. Если бы вы взяли прямоугольный спектр в очень хорошем ответе Эндрю и обернули его от конца к концу, розовый цвет был бы на этом соединении.

Если бы вы взяли расширенный спектр и обернули его от начала до конца, вы бы получили новый цвет в точке, где встречаются инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны.

Я называю этот цвет трансрозовым .

Что происходит со старым розовым? Я не знаю точно, но я думаю, что это будет похоже на цвет, который вы видите, когда смешиваете два оттенка цвета вместе. Возможно, розовый становится зеленым в интересной форме дальтонизма.

Глядя вверх

Глядя на радугу, ваши люди будут видеть дополнительные цвета выше и ниже красного и фиолетового. Это будут инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Полуденное небо, если я достаточно хорошо помню свое рэлеевское рассеяние , будет фиолетового оттенка. И закаты будут иметь ужасное количество инфракрасного излучения.

Люди с солнцезащитным кремом

Для человека с улучшенным зрением солнцезащитный крем — это краска для лица . Я не уверен, как точно работает солнцезащитный крем - он либо поглощает ультрафиолет, либо отражает его. В любом случае, это изменит «цвет» лиц людей, поскольку лицо без солнцезащитного крема будет отражать часть УФ-спектра. Солнцезащитный крем изменит это.

Уже есть люди, которые могут видеть часть УФ-спектра. Эти длины волн обычно исключаются хрусталиком, а не из-за недостаточной чувствительности колбочек. Если хрусталик отсутствует (и заменен искусственным хрусталиком), УФ-свет становится видимым.

Вот довольно подробное описание человека, который перенес операцию по удалению катаракты и теперь может видеть более широкий спектр света, чем обычно.

Особенно актуальными для вопроса являются картинки, которые должны имитировать то, как некоторые вещи теперь выглядят для этого парня.

Давайте рассмотрим идею модификации пигмента в колбочках глаза. Это имеет некоторые основания для сегодняшних технологий. С помощью генной терапии им удалось обратить вспять дальтонизм у обезьян ( статья в National Geographic ).

Итак, измените пигмент в ячейках колбочек, чтобы синий видел в ближнем УФ, а красный — в ближнем ИК. Возможно, эти гены УФ-пигмента можно найти у колибри. ИК сложнее, потому что длина волны больше, а энергия ниже. Выяснилось, что золотые рыбки могут видеть УФ-излучение и немного лучше нас воспринимают красный цвет . ИК вреден для глаз, потому что свет имеет большую длину волны и меньшую энергию.

Если вы посмотрите на старую рекламу панхроматической пленки , для красных цветов труднее сделать чувствительную пленку. По этой же причине ИК-пленка тяжелее. Давайте пойдем с "мы можем преодолеть это".

Поскольку я упомянул фильм, это поднимает важный вопрос. И это не так легко преодолеть.

Видение всего , кроме зеленого, будет размытым. Или, наоборот, все, кроме одной части спектра зрения, будет размытым.

С пленкой вы должны настроить фокус для ИК-подсветки.

Эта красная точка — место, где фокусируется ИК-излучение. Красная линия — это место, где фокусируется видимый свет. Если вы смотрите на что-то, что находится на расстоянии 7 метров, то что-то, что находится на расстоянии 10 метров, будет размыто в ИК-диапазоне. Это происходит из-за хроматической аберрации , которую вы получаете с простым объективом (например, в наших глазах).

Пример этого:

Верхний сфокусирован правильно, нижний синий не в фокусе. Все будет выглядеть так.

Это связано с тем, что разные длины волн фокусируются на разных расстояниях:

Если вы посмотрите на спектральную чувствительность человека, то увидите, что мы пытаемся объяснить это:

Красный и зеленый цвета близки по длине волны и чувствительности, и мы фокусируем на них взгляд. Как отмечается в гиперфизике , есть несколько забавных вещей, которые наш мозг и глаза делают с синим светом:

«Синие» колбочки идентифицируются по пику их кривой светового отклика около 445 нм. Они уникальны среди колбочек тем, что составляют лишь около 2% от общего числа и находятся за пределами центральной ямки, где сосредоточены зеленые и красные колбочки. Хотя они намного более чувствительны к свету, чем зеленые и красные колбочки, этого недостаточно, чтобы преодолеть их численный недостаток. Однако чувствительность нашего конечного зрительного восприятия к синему сравнима с чувствительностью красного и зеленого, что позволяет предположить, что где-то в процессе обработки изображений в мозгу присутствует несколько избирательный «синий усилитель».

Зрительное восприятие интенсивно синих предметов менее отчетливо, чем восприятие красных и зеленых предметов. Это снижение остроты зрения связано с двумя эффектами. Во-первых, синие колбочки находятся за пределами центральной ямки, где плотно упакованные колбочки дают наибольшее разрешение. Все наше наиболее отчетливое зрение исходит из фокусировки света на центральной ямке. Во-вторых, показатель преломления синего света настолько отличается от красного и зеленого, что, когда они находятся в фокусе, синий немного не в фокусе (хроматическая аберрация). Для «нестандартного» примера эффекта расфокусировки синего света попробуйте рассмотреть голограмму с помощью ртутной лампы. Вы получите три изображения с доминирующими зелеными, оранжевыми и синими линиями ртути, но синее изображение выглядит менее сфокусированным, чем два других.

И поэтому, хотя вы можете видеть в этих других частях спектра, он вообще не будет сфокусирован, и его может быть трудно использовать за пределами размытия вокруг зеленых объектов (которые остаются в пределах традиционно видимого спектра света). ).

Конкретная форма кривой отклика каждого типа колбочек и характер обработки, выполняемой ниже по потоку, приводят к восприятию разных цветов и тому, какие цвета смешиваются друг с другом. У нас есть цветовой круг с фиолетовым, завершающим круг: с другими датчиками это может быть не так. Может быть не "кольцо", а четкие концы, или два разных кольца!

В зависимости от обработки вы можете воспринимать два одновременных цвета, а не их аккорд как отдельный цвет.

Добавляя (например) ощущение ультрафиолета, не испортив существующий механизм глаза, вы можете видеть ультрафиолет как отдельное и отдельное наложение, в то время как фиолетовый по-прежнему работает так же, а ультрафиолет не смешивается, образуя аккорды с другими цветами. Поскольку мы обсуждаем модификацию человеческого зрения (в отличие от инопланетного зрения), это может иметь место.

Разрешены ли вам нелинейные оптические контактные линзы? (Или очки на заре этой технологии?)

Они будут преобразовывать оптические длины волн с повышением или понижением частоты в зависимости от приложенного напряжения и, возможно, частоты «гетеродина» (от УФ или ИК-светодиода), точно так же, как преобразователи диапазона частот в любительском радио, и выключаться, когда вы хотите увидеть естественную спектр.

Это известная технология в физической лаборатории, и хотя это не доказывает, что мы можем упаковать ее (даже в громоздких очках) сегодня, делает ее гипотетической возможностью.

Я бы начал с солнцезащитных очков с покрытием из ниобата калия , чтобы покрыть ближний инфракрасный диапазон, смешивая проходящее изображение с внутренним ИК-светодиодом для получения синего изображения ... вы получите УФ-покрытие в следующем поколении.

Есть один способ, о котором я могу думать:

Существует форма красно-зеленой дальтонизма, которая возникает из-за более высокого воспринимаемого спектрального перекрытия между красным и зеленым. В этом случае оба имеют тенденцию кровоточить вместе. Гипотетически, если бы вы могли исправить это, красный и зеленый выглядели бы как разные цвета, поскольку между двумя спектрами было бы больше разрыва.

Предполагая, что это работает, давайте предположим, что вы можете исправить эту проблему и заставить людей частично видеть в инфракрасном диапазоне, как некоторые животные. Это будет учитывать инфракрасное излучение.

http://enchroma.com/technology/

Что касается ультрафиолета, вы можете изменить колбочки в глазу так, чтобы вместо того, чтобы воспринимать весь синий диапазон, они улавливали около половины синего диапазона и небольшую часть ультрафиолета. Это было бы крайне ошибочным решением, но это была бы сравнительно простая модификация.