Najnovije Nauka

U fokusu – i blizu, i daleko

April 11, 2023April 12, 2023 Marija Petrović anatomija oka, evolucija, evolucija vida, mašinsko učenje, metalens, metasočivo, morfologija i anatomija, trilobiti

Avgusta 1784. godine Džordžu Vejtliju, engleskom advokatu, stiglo je pismo od prijatelja, čuvenog Bendžamina Frenklina. Frenklin – jedan od očeva osnivača SAD, koji je sa svojih 78 godina već patio od staračke dalekovidosti, pisao je kako je „srećan zbog svog izuma dvostrukih naočara, koje služe i za udaljene i za bliske objekte”.

Ispostaviće se da je veliki Frenklin kasnio u odnosu na prirodu – nekih tričavih 500 miliona godina.

U početku behu… trilobiti?

Trilobiti (classis Trilobita) izumrla su klasa u okviru zglavkara (phylum Arthropoda), čiji najstariji pronađeni fosili potiču iz ranog kambrijuma i starosti su oko 521 miliona godina. Poslednji primerci izumrli su na prelazu između perma i trijasa, pre oko 252 miliona godina. Tokom svog dugog postojanja na planeti Zemlji, uspeli su da evoluiraju u mnogim ekološkim nišama, te je među njima bilo predatora i lešinara, aktivnih plivača, ali i onih koji su se hranili filtraciono ili mileli po morskom dnu. Ipak, njihove oči, sačuvane kroz eone zahvaljujući visokoj sposobnosti fosilizacije, upravo su ono što ih izdvaja ne samo od rođaka u filumu zglavkara, već i od svih životinja uopšte.

Naime, oči trilobita bile su sposobne da se istovremeno fokusiraju i na objekte koji su blizu i na objekte koji su daleko, što im je omogućilo da dobijaju informacije o plenu u blizini, ali i o predatoru koji im se približava. Ovakve oči do sada nisu pronađene ni kod jedne druge grupe organizama.

Trilobiti poseduju najstarije, dosad pronađene, složene oči. Za razliku od sočiva kičmenjaka koja imaju sposobnost akomodacije, sočiva u očima trilobita bila su kalcifikovana i rigidna. Usled potrebe za fokusom na različitim razdaljinama razvila se struktura dubleta, koja se sastoji od sočiva i staklastog tela sa različitim refraktivnim indeksima. Ovako se postiže velika dubina polja (i udaljeni i bliski objekti su u relativno dobrom fokusu) i minimalna sferična aberacija (distorzija slike). Sočiva prisutna kod pojedinih vrsta neodoljivo podsećaju na sočiva za minimalnu aberaciju, koja su u 17. veku zasebno dizajnirali Holanđanin Kristijan Hajgens i Francuz Rene Dekart.

Hajgensovo i Dekartovo sočivo za minimalnu sferičnu aberaciju

Izvor: https://www.trilobites.info/lensdescartes.gif; https://www.trilobites.info/lenshuygens.gif

Prema građi, postoje tri tipa očiju trilobita. Holohroalne se sastoje od velikog broja gusto raspoređenih sočiva (i do 15000) među kojima nema sklere (beonjače) i koji su prepokriveni zajedničkom kornealnom membranom (rožnjačom). Šizohroalne su ređe, sastoje se od većih sočiva (do 700), koja su pokrivena zasebnim rožnjačama koje zalaze i u beonjače među njima. Abatohroalne oči su retke, sadrže svega sedamdesetak malih sočiva sa zasebnim rožnjačama razdvojenih beonjačom.

Holohroalne oči

Izvor: https://animalia-life.club/qa/pictures/trilobite-eyes

Šizohroalne oči

Izvor: https://www.science.org/content/article/looking-trilobite-eye

Od očiju… kamera?

Zbog svojih karakteristika, šizohroalne oči vrste Dalmatina socialis poslužile su kao model za pravljenje nanofotonične kamere. Za ovu kameru je korišćeno bifokalno „metasočivo”, spljošteno sočivo koje na sebi nosi milione sitnih stubova različitih dužina, dvesta puta užih od vlasi kose, gusto raspoređenih poput solitera na mapi grada. Na ovim stubićima se svetlost prelama u različitim pravcima, a zahvaljujući posebnom rasporedu, zraci se seku u dve različite žiže.

Oči Dalmatina socialis

Izvor: https://www.ed.ac.uk/files/styles/landscape_breakpoints_theme_uoe_tv_1x/public/imports/fileManager/trilobiteye.jpg?itok=5y9mkbkq%201x

Metasočivo

Izvor: https://www.techexplorist.com/wp-content/uploads/2020/08/metalense.jpg

Ovako, po uzoru na prirodu, konstruisano je sočivo koje daje jasnu sliku za bliske objekte (razdaljina oko 3 cm) i za veoma udaljene (nekoliko kilometara). Postignuta je zadovoljavajuća dubina polja, ali i velika prostorna rezolucija. Ipak, objekti koji se nalaze između, mutni su na slikama. Upotrebom algoritma za rekonstrukciju, koji se zasniva na deep-learning neuralnim mrežama, moguće je interpretirati i izoštriti čak i zamućeni „jaz”.

Dobijene slike

Izvor: https://media.springernature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1038%2Fs41467-022-29568-y/MediaObjects/41467_2022_29568_Fig6_HTML.png?as=webp

Zbog gotovo nemoguće fosilizacije nervnog tkiva, mi danas ne znamo koje su bile sposobnosti trilobita kada je u pitanju dešifrovanje slika koje su dobijali. Primera radi, ljudsko sočivo bilo bi gotovo bezvredno da nije mozga koji obrnute i umanjene slike interpretira na ispravan način. Shodno tome, bez kompleksnog nervnog sistema, bifokalne oči trilobitima ne bi bile od velike koristi. Ipak, nama, milionima godina kasnije, one predstavljaju uzor, a možda i prečicu, na putu ka jasnijim fotografijama, preciznijoj svetlosnoj mikroskopiji i mašinskom vidu poduprtom dubokim učenjem.

Izvori:

U početku behu… trilobiti?

Od očiju… kamera?

Preporučujemo