Квантовая Гуманомика - 18: Потная Пчела Видит Кванты по Частям

http://golos-dobra.livejournal.com/1447358.html

### Квантовая Гуманомика - 18: Потная Пчела Видит Кванты по Частям

Духом почуял Гелен прорицатель, рожденный Приамом,
Это решенье, к какому пришли, посовещавшися, боги.
К Гектору он подошел и такое сказал ему слово:
"Гектор, рожденный Приамом, по разуму сходный с Зевесом!
Я тебе брат, – не исполнишь ли ты, что тебе предложу я?
...
Нынче тебе не судьба умереть и предела достигнуть:
Голос такой я богов, рожденных для вечности, слышал”.
Этот фрагмент эмпирической частью снова нарушает
четкий ход нашей Теории Тензорных Миров, но
поскольку в ближайшее время нас окружат напасти
и чрезвычайные происшествия неслыханной мощи,
вряд ли читателю будет “до математики”.
Однако эта эмпирика позволяет сдвинуть
мозги в правильном направлении интерпретации
реальности, возможно для кого-то таким путем
быстрее откроется вся мощь тензоров.
А уж потом, если на то будет воля
богов, мы доберемся и до эффекта Казимира с
еще более впечатляющими разрывами сознания
тренированного физтехами.
. . . Никто не предполагает, что интеллект любых двух животных
или любых двух людей можно точно измерить по кубическому содержимому их черепов.
Несомненно, возможна экстраординарная умственная деятельность с чрезвычайно
малой абсолютной массой нервной материи: таким образом, широко известны удивительно
разнообразные инстинкты, умственные способности и привязанности муравьев,
но их церебральные ганглии меньше четверти булавочной головки.
С этой точки зрения мозг муравья - один из самых удивительных атомов материи в мире,
возможно, даже больше, чем мозг человека.
-Чарльз Дарвин
Зрение ночных насекомых - отличный тому пример.
На уровнях освещенности, где люди практически слепы,
многие ночные насекомые демонстрируют особенности зрения,
которые нарушают законы физики.
Тропическая ночная потовая пчела Megalopta genalis,
обладающая одной из наиболее изученных зрительных систем среди всех ночных насекомых,
ночью выходит из своего гнезда и отправляется на поиски пищи через густой
и запутанный тропический лес, а затем безошибочно возвращается в свое гнездо
- неприметную выдолбленную тростинку,
подвешенную в подлеске.
В этой сложной среде тропического леса - даже в дневное время - белковый бипед,
спотыкающийся всего в нескольких метрах от проторенной тропы, серьезно рискует
потерять ориентацию и в конечном итоге потеряться.
Тем не менее, несмотря на маленькие глаза
и крошечный мозг, Megalopta совершает истинный подвиг в навигации по
тропическим лесам глубокой ночью, подвиг, который, как мы теперь знаем, достигается,
когда менее пяти фотонов поглощается каждым из ее фоторецепторов каждую секунду,
подавая исчезающе малый визуальный сигнал.
И что еще более впечатляет, недавно было обнаружено,
что скромный ночной таракан Periplaneta americana способен
обнаруживать мимолетные движения объектов в своей среде, когда каждый
из его фоторецепторов поглощает менее одного фотона каждые 10 с!
Подчеркнем еще раз, чтобы усилить посыл на фоне
всего творящегося у вас в нейронах хлама дней -
потная пчела летит во тьме и совершает сложные действия в
режиме реального времени полета получая менее пяти фотонов на рецептор
каждую секунду, а скромный ночной таракан движется уверенно в полной мгле
к цели на основе
ЗРЕНИЯ, подчеркну, именно ЗРЕНИЯ - это известно совершенно точно,
получая квант фотона каждые ДЕСЯТЬ СЕКУНД.
Исключительное зрение ночных насекомых
не может быть объяснено нынешним научным пониманием
строения их глаз и их оптических долей в мозгу.
Тем не менее мы рассмотрим сам эффект подробнее,
потому что читателю категорически не хватает криков
ЭВРИКА в силу их слабого касательства к обсуждаемым тут темам -
малое образование не видит барьеров, там где они реально есть,
и что кажется полным чудом или ахинеей человеку высшего образования
для профана просто повод пожать плечами и фыркнуть,
дескать, а что тут собственно
такого-то, подумаешь...
Поэтому, выкиньте пожалуйста из ближнего сознания
ваши анекдоты про Чапаева
и тараканов вместе с прочим хламом, и почитайте кое-какие
азы буквально.
Основная задача каждого глаза - разрешить пространственные детали,
существующие в визуальной сцене, и когда мы говорим о «пространственных деталях»,
мы неизменно имеем в виду детали контраста, будь то контрасты яркости,
цветовые или поляризационные контрасты.
Такие контрасты устанавливают границы объектов,
выявляя их расположение
в визуальном пространстве и раскрывая,
неподвижны они или движутся.
Когда такая сцена отображается на сетчатке,
основная матрица фоторецепторов отвечает за выборку контрастных деталей
с максимальной точностью. Подобно пикселям сенсора цифровой камеры,
каждый фоторецептор делает выборку одного «пикселя» изображения и, следовательно,
одного «пикселя» внешнего мира. И так же, как и в цифровой камере, чем больше
фоторецепторов и чем плотнее они упакованы, тем точнее может быть дискретизирована
визуальная сцена (и ее сложные контрастные детали). Но у этого есть предел
- по мере того, как пиксель визуального мира, измеряемый каждым фоторецептором,
становится меньше, количество содержащегося в нем света также уменьшается.
В конце концов, пиксель будет содержать слишком мало света,
чтобы фоторецептор мог надежно измерить его интенсивность.
Этот неоспоримый факт подчеркивает самый фундаментальный компромисс
между разрешением и чувствительностью.
В глазу, адаптированном к яркому дневному свету,
когда каждый визуальный пиксель в сцене содержит большое количество света,
плотность упаковки фоторецепторов может быть высокой - дневные животные,
не нуждающиеся в высокой чувствительности, могут (и обычно имеют) иметь глаза
с высоким пространственным разрешением и способностью различать мелкие контрастные детали.
Но ночью, когда уровень освещенности низкий, пиксели, видимые каждым фоторецептором,
должны быть намного больше - только тогда они будут содержать достаточно света,
чтобы их можно было надежно различить. Как следствие, плотность упаковки фоторецепторов
должна быть намного ниже, ограничивая зрение только более грубыми контрастными деталями.
В погоне за большей чувствительностью приносится в жертву пространственное разрешение.
Таким образом, слабое улавливание фотонов в тусклом свете ограничивает
способность фоторецепторной матрицы надежно различать контрасты пространственных деталей.
Во многом причина этого заключается в стохастической природе самого стимула.
В течение постоянных интервалов времени количество фотонов,
попадающих на фоторецептор, неодинаково - иногда за этот интервал приходит меньше
среднего, иногда больше. Другими словами, измерение фоторецептором средней скорости
прихода фотонов связано с некоторой степенью неопределенности, которая называется
«дробовым шумом фотонов». Поскольку приход фотонов является случайным процессом,
подчиняющимся статистике Пуассона,
этот шум определяется стандартным отклонением от пойманного в среднем
числа фотонов N, и это просто квадратный корень из N -
таким образом, фото-рецептор поглотит N плюс-минус корень из N фотонов
за единицу времени.
Если теперь определить визуальный сигнал как N, а шум как корень из N,
то визуальное SNR (отношение сигнал/шум) просто N / корень из N
или просто корень из N.
Другими словами,
SNR - мера надежности зрения - увеличивается пропорционально
квадратному корню из числа захваченных фотонов,
то есть квадратному корню из интенсивности света.
Эта известная взаимосвязь известна как «закон Роуза – де Фриза»
или «закон квадратного корня» визуального различения.
Пространственное разрешение и уровень освещенности.
Матрица из 400 фоторецепторов (маленькие кружки) отображает
черный диск (большой кружок в центре) на четырех разных уровнях света,
интенсивность которых различается в 10 раз. Фоторецепторы, возбуждаемые светом,
показаны белым цветом, неактивные фоторецепторы показаны черным.
Трудно узреть черную кошку в темной комнате,
правильно, Шарапов?
Подождите, это только цветочки.
В отсутствие всех других источников шума фотонный дробовой шум
- внешний или «экзогенный» источник шума - был бы единственным типом шума,
ограничивающим различение визуальных контрастов в тусклом свете,
устанавливая верхний предел для отношения сигнал / шум. В действительности,
однако, два дополнительных источника шума - каждый внутренний или «эндогенный»
самим фоторецепторам - еще больше ограничивают различение контрастов.
Замечательным свойством всех фоторецепторов является их способность
обнаруживать одиночные фотоны света. В литературе, посвященной насекомым,
они называются «шишками» - то есть ответом фоторецепторов на одиночные фотоны,
впервые зарегистрировано после войны 60 лет назад
в фоторецепторах подковообразного краба.
Более того, несколько лет спустя был найден очень важный принцип,
управляющий этими откликами: соотношение 1: 1 между прошедшими фотонами и шишками.
Проще говоря, одиночная шишка-выпуклость возникает в результате поглощения
и трансдукции не более чем одного фотона, а одиночный пойманный фотон
приводит не более чем к единственной шишке.
Стало также совершенно очевидно,
что, несмотря на то, что они были реакцией на инвариантный стимул
- одиночные фотоны, - шишки сильно варьировались. Их амплитуды,
задержки и ход времени не были постоянными.
Эта неспособность фоторецепторов производить идентичный электрический
отклик на каждый поглощенный фотон приводит к появлению физического шума,
известного как «шум преобразователя». Этот источник шума,
возникающий в биохимических процессах, ведущих к усилению сигнала,
может снизить надежность зрения. Однако недавняя работа с плодовой мушкой Drosophila
показывает, что во время стимуляции натуралистическими световыми стимулами
эти стохастические изменения формы волны выпуклости - которые, как оказывается,
зависят от состояния адаптации и, следовательно, от истории стимуляции -
могут фактически увеличивать зрительное SNR и улучшать зрительное восприятие
передачи информации. Весьма вероятно, что ночные насекомые также
выиграют от подобной стратегии адаптивного стохастического сэмплирования
для улучшения визуальной надежности при тусклом свете, что делает
негативное влияние шума преобразователя не так значимым, как считалось ранее.
Второй тип физиологического шума - известный как «темный шум»
- еще больше снижает визуальную надежность.
Темный шум возникает из-за того,
что биохимические пути, ответственные за трансдукцию, иногда активируются
даже в полной темноте. В записях фоторецепторов были идентифицированы
две компоненты темного шума:
(i) непрерывное низкоамплитудное колебание измеряемой электрической активности
(иногда называемое шумом мембраны или шумом канала) и
(ii) дискретные «темные события», электрические отклики,
которые неотличимы от тех, которые производятся настоящими фотонами.
Непрерывный компонент возникает в результате спонтанной термической
активации молекул родопсина или промежуточных компонентов в цепи фототрансдукции
(таких как фосфодиэстераза).
Амплитуда этого мембранного шума незначительна у насекомых,
но может быть весьма значительной у фоторецепторов позвоночных,
особенно у колбочек.
«Темные события» также возникают
из-за спонтанной термической активации молекул родопсина.
У тех животных, у которых были измерены темные явления,
они редки (например, насекомые, ракообразные, жабы и приматы).
Чаще всего они происходят примерно раз в минуту при 20 ° C,
хотя у большинства видов они встречаются намного реже.
Поскольку темный шум является результатом термической активации
молекулярных процессов передачи, он также более выражен
при более высоких температурах сетчатки. При очень низком уровне освещенности
обе компоненты темного шума могут значительно испортить зрительные сигналы
и даже установить предел зрительной чувствительности (как у ночной жабы Bufo bufo).
Так, мы тут по ходу дошли до Жабы, а это
верный признак прекратить дозволенные речи,
как говорится почувствуй себя Буратино,
без Золотого Ключа или даже с ним, но все еще
не понимая что куда и где тыкать.
Иль вот попробуйте, боги, – чтоб всем вам самим убедиться, –
Цепь золотую спустите с высокого неба на землю,
Все до последнего бога и все до последней богини
За цепь схватитесь, – и все же не стащите с неба на землю
Вы устроителя Зевса всевышнего, как ни старайтесь!
Если же я, не на шутку решившись, повлечь пожелаю, –
С морем самим и с самою землей эту цепь повлеку я;
После вокруг олимпийской вершины ее обмотаю, –
И средь воздушных просторов весь мир на цепи той повиснет.
Вот я насколько сильнее и смертных, сильней и бессмертных!
Ориентация ночью на достопримечательности у Мегалопты
(A) Типичный полет для ориентации в ночное время, если смотреть снизу.
Пчела покидает свое гнездо и быстро возвращается к входу в гнездо.
Летая короткими дугами, она исследует вход в гнездо и соседний ориентир,
чтобы узнать их пространственное расположение,
прежде чем отправиться на поиски пищи.
Каждый «мяч и клюшка» представляет положение головы
(мяча) и тела (клюшки) с интервалом в 40 мс.
(B и C) Ориентир обучения. Пчелы, отправляющиеся на поиски пищи,
узнают положение своего гнезда относительно других (B) или узнают
наличие белой квадратной карты, прикрепленной к их гнезду (C).
По возвращении пчелы входят в гнездо, отмеченное знакомыми ориентирами,
а не в их настоящие гнезда (отмеченные звездочками).
Также показаны время и сила света при отправлении и возвращении.