Являются ли человеческие глаза лучшей камерой?

Я не физиолог, но то немногое, что я знаю о человеческом глазе, всегда заставляет меня задуматься своими подробностями оптических тонкостей. Всегда приходит на ум вопрос. Являются ли человеческие глаза лучшим из возможных оптических инструментов, появившихся в результате естественного отбора? Есть ли возможности для дальнейшего серьезного улучшения в соответствии с законами физики в принципе? Может ли быть создана камера, созданная людьми, которая превосходила бы человеческие глаза?

Совы? Ястребы и т.д.? Также ужасно обнаружение человеческим глазом инфракрасного, ультрафиолетового, терагерцового, гамма-излучения и т.п.
Не вопрос физики. Только туманный намек на физические ограничения в вопросе и вообще ничего в ответах. Как минимум, зрительный нерв прикрепляется неправильно. Глаза кальмара во многом похожи, но у них нет слепого пятна, потому что оптическое крепление лучше.
С наилучшей камерой вы сможете видеть и радиоволны, то есть музыку.
Хорошо, что вы признаете силу естественного отбора, но я чувствую человекоцентризм, эгоцентризм в вашем вопросе. Почему вы не придумали, что глаза других животных могут быть лучше?
Ответ в изображении: infoaddict.com/fileadmin/Images/Television/Star_Trek/…
@PeterMorgan: Э... разве тепло тела не сделает обнаружение внешнего инфракрасного света практически невозможным?

Ответы (6)

На этот вопрос сложно ответить объективно, потому что он очень сильно зависит от вашего определения «лучшего». Естественный отбор отдает предпочтение признакам, обеспечивающим репродуктивное преимущество; Ни больше ни меньше.

Могли бы наши глаза быть лучше по стандартам современной оптики, с точки зрения точности и характеристик? Конечно. Я мог бы легко сконструировать камеру с большей апертурой, лучшим разрешением, меньшей аберрацией, большей чувствительностью к длине волны и т. д. В природе даже есть некоторые прецеденты для этого. Некоторые животные могут видеть в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне; некоторые могут даже обнаружить поляризацию (я думаю, в основном это птицы?). Я полагаю, что есть рыбы, которые могут вращать глазами почти полный круг в любом направлении. Кошки и собаки обладают более высокой чувствительностью при слабом освещении благодаря отражающему слою позади их сетчатки, а у кальмаров глаза с поистине огромными отверстиями.

Стоит отметить, однако, что человеческий глаз, несмотря на то, что я сказал выше, все еще является довольно хорошей камерой. Он может довольно быстро перефокусироваться, к нему подключен фантастический компьютер для обработки изображений, который может выполнять невероятное количество операций распознавания образов, шумоподавления и стабилизации изображения. Хотя аберрация его волнового фронта не идеальна, для биологической системы она довольно хороша. Они имеют очень низкую хроматическую аберрацию и довольно компактны. Кроме того, наши глаза имеют искривленную фокальную плоскость (наша сетчатка), о которой мечтают дизайнеры линз — она устраняет проблему кривизны поля зрения, которая является присущей любой оптической системе аберрацией, устранить которую практически невозможно.

Спасибо за ваш ответ, который, на мой взгляд, является наиболее сбалансированным. +1 и принятие.
Глаза — ужасный оптический дизайн, но, как и большинство дерьмовых инженерных решений, вы просто решаете все это в программном обеспечении.
@Martin: Лол, это определенно правда. Процесс характеристики и калибровки человеческого глаза занимает годы. Намного дольше, чем даже самые сложные космические телескопы. :)
Кстати, насекомые — короли поляризации. Почти все они могут обнаруживать поляризацию в той или иной форме.
@Pearsonartphoto - креветки-богомолы имеют полосу линейного поляризатора на глазу, но могут вращать весь глаз, поэтому у них есть полный поляриметр.
@Martin Beckett Как бы вы улучшили человеческий глаз?
@joe, не строить его задом наперед было бы хорошим началом! Ваш глаз имеет чувствительный слой сзади, проводку спереди и кабель для передачи данных, выходящий из середины спереди!
@Martin Beckett Это физиологически возможно? Клетки сетчатки нуждаются как в питании, так и в нервах.
Я полагаю, что глаза кальмара справляются с этим, наши просто развились из чувствительных к свету ямок и как бы вывернулись наизнанку.

  1. Это распространенное заблуждение — эволюция не остановилась миллион лет назад, оставив всех существ в «наилучшем возможном состоянии»; это постоянное стремление адаптироваться к текущим условиям окружающей среды с единственной целью - репродуктивный успех. Более того, большая часть популяции остается в еще более неоптимальных условиях из-за случайных мутаций (преимущество этого заключается в более быстрой адаптации).

  2. Да; даже огромный, см. ответ Георга. Кальмары имеют глаза без слепого пятна и без риска отслоения сетчатки. Пчелы видят поляризацию света и немного УФ. Кошачий глаз имеет зеркало, которое удваивает силу сигнала. И т. д. и т. д.

  3. Человеческий глаз имеет разрешение около 2 мегапикселей — камера моего телефона лучше. Конечно, это некорректное сравнение, так как большая часть юзабилити прицела остается в мозгу, но если говорить о самом глазе...

@mbq: Спасибо за ответ. Я не утверждал, что эволюция остановилась. Я просто спросил, можно ли в принципе придумать какое-либо серьезное изменение. И да, ваш ответ ценен. Так что +1.
Кальмары (или, по крайней мере, некоторые из них, такие как осьминоги и каракатицы) тоже могут видеть поляризацию света). +1 за указание на эволюцию неправильного представления
@mbq: Всего одна придирка: я был бы очень осторожен, назначая «цель» всему, что связано с эволюцией, даже с кавычками. Я знаю, что это не биология. SE, но я думаю, что мы должны сделать одолжение нашим коллегам-ученым и не сбивать общественность с толку темой, которая уже утонула в дезинформации. Ничто в эволюции не имеет цели или предназначения. Мутации происходят просто как следствие мира, в котором мы живем, и естественный отбор позволяет распространяться полезным мутациям. Нет ни цели, ни гарантии оптимальности.
@Colin, вот почему кавычки ... но я их изменю.
@mbq: Да, я подумал, что мы уже на одной странице. Как я уже сказал, это была просто придирка. В целом очень хороший ответ.
Насчет естественного отбора, это похоже на нашу экономику, мы можем сделать лучше, но ресурсы ограничены, и наоборот: улучшения делаются по той же причине дефицита, например, мы строим электромобили не потому, что нам нравится зеленый цвет, это потому что нефть заканчивается, поэтому дефицит определяет направление естественного отбора, без дефицита все мутации сосуществовали бы.
IIRC наши сетчатки перевернуты, нервные соединения идут не с той стороны и мешают, оставляя слепые пятна. Почти наверняка какая-то случайность ранней эволюции, которая основывалась на структуре, которую она имела, а не на той структуре, которую вы хотели бы иметь.
Откуда эта цифра в 2 мегапикселя?
@Nick Я слышал это от нейробиолога несколько лет назад; это грубое приближение, вероятно #клетки конуса (6 миллионов)/<несколько клеток, по которым нейроны сетчатки усредняют in situ>. Эта #колбочки также довольно грубая и включает в себя колбочки, которые используются для периферийного зрения, поэтому истинный результат еще меньше. Однако, как я уже сказал, эффективное разрешение намного выше из-за того, что мозг перемещает глаза и собирает данные.
Здесь сказано, что у глаза 576 мегапикселей: clarkvision.com/articles/eye-resolution.html
@ Андрей Это основано на неправильном предположении, что разрешение одинаково для всего глаза - у нас есть пятна . Что ж, неправильно как неправильно — это всего лишь приближение к эффективному человеческому разрешению (с мозгом); для соображений фотографии это действительно.
@mbq, у вас есть образ для нас, чтобы представить «у кальмаров есть глаза без слепого пятна» ?

[Обновлено, чтобы исправить пару ошибок, указанных в комментариях. Спасибо!]

В моем возрасте ясно, что есть место по крайней мере для одного серьезного улучшения: больше жилья. Аккомодация в данном контексте означает способность глаза фокусироваться на разных расстояниях. Это достигается за счет изменения формы и, следовательно, фокусного расстояния линзы. Материал линз со временем становится жестче, поэтому большинство людей с возрастом теряют способность фокусироваться на близлежащих объектах. Кроме того, конечно, у многих людей, в том числе и у меня, отсутствует способность фокусироваться на дальних объектах.

Если бы я отвечал за естественный отбор, я бы сделал эти мышцы достаточно сильными, чтобы я мог фокусироваться на близлежащих объектах. Предположительно, еще в саванне уменьшающаяся способность людей среднего возраста (или, как тогда их называли, очень старых!) фокусироваться на объектах, находящихся менее чем в метре, мало повлияла на число потомков, произведенных этими людьми. .

Еще одним естественным показателем качества, который можно использовать для оценки любой оптической системы, является то, насколько она близка к дифракционному пределу, то есть насколько близка она к достижению наилучшего возможного разрешения для системы такого размера. Я не эксперт, похоже, что глаз находится в пределах нескольких крат дифракционного предела ( пример ), так что есть немного места для улучшения, но не так много.

Еще одна вещь, на которую следует обратить внимание, — это квантовая эффективность, фактически доля всех падающих фотонов, которые использует оптическая система. Опять же, многое зависит от условий, но в целом зрение в этом отношении очень хорошее, достигая уровня около 10% . (Возможно, это звучит не очень хорошо, но я думаю, что трудно представить себе способы значительного улучшения.)

Еще один способ улучшить зрение — увеличить диапазон частот, которые он может видеть. Переход в ультрафиолет, вероятно, не принесет особой пользы, но если вы добавите несколько инфракрасных рецепторов на сетчатку, ваше ночное зрение станет намного лучше.

Я могу ошибаться, но полагаю, что потеря аккомодации в среднем возрасте происходит в основном из-за уплотнения ткани хрусталика, а не из-за потери мышечной силы. Я не уверен в этом, и в любом случае это незначительная деталь. Хороший ответ.
Это звучит очень правдоподобно для меня, и различные запросы Google, кажется, поддерживают вас. Тогда я исказил это много раз за эти годы! Спасибо, что дали мне знать.
«Уменьшение способности людей среднего возраста (или, как их тогда называли, очень старых!) сосредотачиваться на объектах, находящихся на расстоянии менее метра, мало повлияло на число потомков, произведенных этими людьми». Хм. Есть также преимущество для племени менее продуктивных ртов, когда медведь или лев получают старшего из-за его / ее плохого зрения.
Я не согласен с пределом в 10 раз хуже дифракционного предела. Вы можете провести эксперимент самостоятельно: начертите на бумаге две близко расположенные линии и посмотрите, как далеко вы сможете уйти, прежде чем перестанете различать, что это две линии. Я получил (в очках) ответ, весьма близкий к дифракционному пределу. Черт, даже ссылка, которую вы даете, утверждает, что для людей с хорошим зрением это в пределах 2, а не 10 раз.
Я думаю ты прав. Я имел в виду именно это утверждение: «Таким образом, 20/20 примерно в 12 раз превышает критерий Рэлея». Но на самом деле, теперь, когда я думаю об этом, это не совсем корректное сравнение. Тест на зрение требует, чтобы вы «разрешили» букву в смысле отличить ее от других букв, что является более сильным критерием, чем просто отличить две строки от одной строки (в чем, как вы говорите, и состоит критерий Рэлея). ). Я отредактирую свой ответ соответственно. Спасибо!
Что касается эффективности 10%, я думаю, что я думаю, что некая лягушка способна обнаруживать даже отдельные фотоны, но не находит никаких ресурсов в

На этот вопрос нельзя ответить точно правильно. Глаза, которые мы, люди, эволюционировали, чтобы быть «примерно» лучшими из доступных нам, гоминидам. Есть и другие виды живых существ, глаза которых лучше приспособлены к их эконишам. Глаза орлов и ястребов способны видеть гораздо лучше на больших расстояниях. Они могут парить над землей на высоте 500 метров и обнаруживать небольшое животное в качестве добычи, после чего ныряют с этой высоты, чтобы схватить ее. Наши глаза далеко не такие острые. С другой стороны, их глаза могут быть не приспособлены для точного разрешения очень близкого зрения.

Человеческие глаза имеют некоторые забавные аспекты, которые иллюстрируют, как эволюция выбирает адаптивные функции, построенные из ранее существовавших структур. Например, оптический нейрон иннервирует глаз спереди, что совершенно противоположно тому, что можно было бы ожидать. Это было бы так, как если бы кто-то построил ПЗС с соединениями пикселей, соединенными оптическим путем.

Лучший ответ, который можно дать, — нет, но глаз эволюционировал, чтобы работать в пределах того, что биологически адаптируется.

Человеческий глаз — безразличная камера. По сравнению с ястребом это смехотворно. Ястреб может сидеть на вершине Эмпайр Стейт Билдинг и разглядывать монетку на тротуаре.

Что вообще делает человеческий глаз хорошим, так это программное обеспечение, стоящее за ним: то, что обеспечивает наш мозг. Вы понимаете, что то, что действительно фокусируется на нашей сетчатке, — это перевернутое, туннельное изображение, которое наш мозг сортирует в образы, которые, как мы думаем , мы видим, верно? И что в экспериментах люди, которых заставляли носить очки, в которых все выглядело перевернутым, за несколько дней адаптировались так, что перевернутое выглядело правильно?

Мы распознаем узоры, цвета, формы там, где камеры фиксируют только различия в цвете и тоне. Примечателен не глаз. Это мозг.

Я думаю, что глаз "ястреба" - это тоже вопрос обработки данных.
@Georg: В какой-то степени, конечно. Но вся обработка данных в мире не может улучшить базовое разрешение каждой комбинации линзы и сетчатки. Оптика ястреба просто лучше приспособлена для того, чтобы видеть мелкие предметы на расстоянии. Точно так же глаза кошки видят лучше в условиях слабого освещения из-за физических, а не нервных особенностей. Мы можем доказать это, принимая во внимание различные формы человеческого дальтонизма . Если бы проблема заключалась в программном обеспечении, мозг компенсировал бы это. Но это не так, потому что причина физическая.
@Robusto, это революционно: «И что в экспериментах люди, которых заставляли носить очки, в которых все выглядело перевернутым, за несколько дней адаптировались так, чтобы перевернутое выглядело правильно» . Нужна цитата .

несколько разных ответов:

  • нет, небольшие улучшения легко представить: более регулярные линзы, более широкий спектр чувствительности, более трех цветовых сенсоров...

  • не только не лучший из возможных, но и есть несколько случайных неудачных вариантов, наиболее комментируемой является ориентация сетчатки, которая позволяет легко отделить ее с большим ударом. очень похожий, но независимо развившийся глаз кальмара имеет сетчатку в обратном направлении, что делает его намного более устойчивым. к сожалению, кажется, что эволюция не может перевернуть его без множества слепых поколений между ними. явно не лучший путь эволюции...

  • лучший для чего? для создания изображений, которые будут видны кому? IOW: если конечным наблюдателем является пара человеческих глаз, то всегда будет лучше наблюдать напрямую, чем использовать посредника, независимо от того, насколько высоки качество/разрешение/контраст/и т. д. такого промежуточного воспроизведения. (если вы не хотите видеть вещи, невидимые невооруженным глазом)

Являются ли человеческие глаза лучшей камерой?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v