Жизнь зародившаяся в воде была яркой, даже неоновой. Кораллы живут в симбиозе с водорослями. Часть спектра солнечного излучения нужно поглотить для фотосинтеза, но часть нужно отразить, слишком много света — стресс для живых существ. Так и родилось разнообразие цветов, когда еще не было глаз, способных его оценить.
Ориентироваться при помощи зрения в красочном антураже — решительное преимущество и 540 миллионов лет назад у общих предков всех позвоночных появляется тетрахроматическое зрение. Это способность различать четыре цвета — красный, зеленый, синий и ультрафиолет, а так же иметь еще один чувствительный орган для черно‑белого зрения в условиях плохой освещенности.
К несчастью, 200 миллионов лет назад динозавры стали доминирующим видом на суше и заставили всех млекопитающих прятаться в норах и листве, где плохое освещение. В результате, почти все наземные млекопитающие утратили восприятие целых двух цветов — красного и ультрафиолетового.
Вы никогда не задумывались, как ярко‑оранжевый тигр или леопард охотится, скрываясь в зеленой траве? Для антилоп иди другой добычи или самих тигров, которые видят только зеленый и синий цвета, полосатый оранжевый камуфляж становится зелено‑черным.
Около 35 — 40 миллионов лет назад обезьянообразные восстановили себе утраченный красный цвет. Это было очень полезно, ведь спелые фрукты часто красные, это сигнал для птиц и насекомых. Птицы не страдали от динозавров, они их гордые потомки, поэтому сохранили тетрахроматическое зрение. Сорвать фрукт когда он созрел, но раньше чем его склюют птицы — питательно и приятно. Кроме того, основным лакомством леопардов были приматы, из‑за чего игра «найди кота» была важнейшей задачей для выживания наших предков. Когда они замечали леопарда в траве, то радовались, ведь хищник не сможет напасть незаметно. Возможно, поэтому нам сейчас так нравится созерцать кошачьи образы.
Где‑то 12% современных женщин обладают мутацией, позволяющей иметь чувствительный орган для четвертого цвета. Но это не ультрафиолет, а второй красный, что не дает особых отличий от трихроматического зрения. Однако, эволюция подкидывает нам новые цвета и это хорошо.
Вернуть восприятие ультрафиолета мы не можем естественным путем, что нехорошо. Но физика и Алиэкспресс восстанавливают несправедливость двухсотмиллионолетней давности при помощи специальной камеры. Я решил выяснить, как бы мы смотрели на мир тетрахроматическим зрением наших реликтовых пращуров.
Навигация
Городской пейзаж в ультрафиолете выглядит почти так же как и в видимом спектре, но мрачнее. Ультрафиолет легче рассеивается атмосферой и частицами в ней, поэтому его не очень много в наших широтах. Еще меньше ультрафиолета на улице ночью. Фонари почти его не производят. Получается, городское ориентирование дополнительный цвет не улучшит.
Навигация дома
В помещениях источников ультрафиолета нет вообще. Свет из окон быстро затухает, а лампы не дают совсем ничего. Это позволило сделать парадоксальное фото: самый яркий объект в видимом спектре — самый темный в невидимом. Подсветить лампу пришлось внешним источником излучения, а ее корпус оказался из пластика непроницаемого для ультрафиолета.
Получается, для применения тетрахроматического зрения в быту современному человеку пришлось бы использовать специальное оборудование. Но, помогло бы это, разве что побелку класть ровнее.
Коты
Кошки это ниндзя, собирающие всю информацию о человеке, а данные о себе хранящие в секрете. Кот не любит закрытых дверей, ему обязательно нужно знать, что человек делает в туалете. У него есть скрытое оружие в мягких лапах, не выглядевший атлетично меховой шар может сальто крутануть на ровном месте, а еще бесшумно телепортироваться из другой комнаты прямо под ноги, когда открываешь холодильник. Был уверен, что у кота есть какая‑то тайна, раскрываемая ультрафиолетовой камерой.
Оказывается, глаза кота содержат природные солнцезащитные линзы. Человека приходится очками дополнять с этой целью, а кот сразу вышел полноценным.
Косметология
У человека тоже есть свой секрет. Не самый приятный. Цвет кожи — это наложение света, отраженного разными слоями. Все слои полупрозрачные и, например, розовый цвет лицу придает красный цвет крови. И есть слой, видимый только в ультрафиолете. На нем находятся веснушки. Если они маленькие и милые, то с кожей все более менее нормально. Если большие и страшные, это может быть ранним признаком рака кожи. Различные виды рака кожи встречаются у 14% людей, так что диагностика подобных проблем может быть полезна.
Кроме того, становятся видны прозрачные крема, особенно крем от загара. Косметология — то для чего ультрафиолетовая камера и продается.
Фрукты и цветы
Наибольшую надежду увидеть нечто скрытое я возлагал на цветы и фрукты. Цветы предназначены для насекомых, а фрукты для птиц. И те и те владеют всеми четырьмя цветами. Биологи говорят, что у городских воробьев и голубей есть невидимый человеку окрас, а некоторые растения и насекомые даже флюоресцируют в ультрафиолете.
Впрочем, поймать голубя для фото пока не удалось, а цветы и фрукты выглядят вполне обычно. Думаю, дело в том, что на прилавки магазинов попадает флора, которая уже выглядит хорошо в видимом спектре. Нужно отправиться в леса и поля, чтобы найти цветы с невидимым рисунком. Однако, пока что погода не располагает к цветению.
Вопрос с поиском природной красоты, доступной только тетрахроматическому взору остается открытым. Буду выкладывать все любопытные фото в телеграмм‑канале.
Ложный ультрафиолет
Я рассказал о дополнительных цветах, а показал бесцветные фото. В интернете можно найти статьи по «ультрафиолетовой фотографии», где все снимки красочные, неоновые.
Дело в том, что многие материалы поглощают ультрафиолет, а излучают видимый свет. На таком принципе основаны специальные пометки для секретных документов и денег, а так же неоновый боди‑арт для вечеринок в стиле «Аватара».
Для фотографий в ближнем ультрафиолетовом диапазоне с длинной волны 300 — 400 нм нужна серьезная доработка фототехники — удаление защитной пленки с матрицы, UV‑Pass фильтры и измененная вспышка, а для среднего диапазона с длинной волны 200 — 300 нм подойдет только специальная камера. Для дальнего (122 — 200 нм) и экстремального (10 — 121 нм) ультрафиолетовых диапазонов атмосфера Земли вообще непрозрачна и разглядеть в них ничего не получится. Ну, а для обозначения четвертого невидимого цвета, можно выбрать любой цвет на снимке. Все красивые снимки комбинированные и серьезно обработаны в фотошопе. У наших же фото нефильтрованный научный интерес.
Резюме
Кажется, человечество не много потеряло, утратив тетрахроматическиое зрение. Однако, поиски волшебных цветов, жуков и воробьев только начались, кто может хотя бы представить что нас ждет?
Комментарии (49)
phenik
06.04.2023 13:59+1Кажется, человечество не много потеряло, утратив тетрахроматическиое зрение. Однако, поиски волшебных цветов, жуков и воробьев только начались, кто может хотя бы представить что нас ждет?
Радикально расширить восприятие можно используя технологию нейроинтерфейсов. Пока они в основном используются для нейропротезирования. Но со временем могут быть использованы и для восприятия физических воздействий миную традиционные органы чувств, см. небольшой обзор исследований и достижений на эту тему.
Physics-for-Humanities Автор
06.04.2023 13:59Не сомневаюсь, что это наше ближайшее будущее. Но и камеры в расширенных диапазонах тоже вполне пригодны, хоть и не так удобны
usego
06.04.2023 13:59+1Как раз хорошую документалку недавно смотрел на эту тему - Attenborough's Life in Colour , на кинозале можно найти.
pbw
06.04.2023 13:59-15Если из картинки удалить все цвета кроме синего и зеленого, то Зеленый Тигр будет выглядеть вот так:
Но настоящий Зеленый Тигр выглядит так
pbw
06.04.2023 13:59-2Вообще-то, минусов должно было быть 14 штук. Просыпайтесь!
Минусаторы, а покажите-ка свою фотку, где после убирания красных и прочих каналов цвета тигр вдруг становится зеленым? Какая однако чудесная трансформация цвета вдруг происходит. Монохром обретает цвет? Олени так видят?
andreishe
06.04.2023 13:59+3Оранжевый - это смесь красного и зеленого. Если из него убрать красный, естественно он станет зеленым. Откуда у вас монохром-то взялся?
В сером присутствуют все три компоненты, что противоречит утверждению, что мы убираем красную компоненту.
pbw
06.04.2023 13:59-1Да, светодиод, состоящий из зеленого и красного, при понижении напряжения на красном становится зеленым.
Так это и не у меня монохром, а у jpg*редактора. Убрал все цвета, и получил серую пустоту.
rogoz
06.04.2023 13:59Do it wrong
vicsoftware
06.04.2023 13:59Еще можно в том же Гимпе в микшере каналов установить "красный в красном канале" на 0. Логично, что останутся только зелёно-голубые-синие цвета.
rapidstream
06.04.2023 13:59+3Вы ошибаетесь, не умеете пользоваться графическими редакторами, и попали под влияние эффекта Даннинга-Крюгера.
Вот картинка из статьи без красного цвета.
Physics-for-Humanities Автор
06.04.2023 13:59Нет, цвета не нужно удалять. Дихроматическое зрение млекопитающих, так же как и наше трихроматическое основано не на том что у каждого чувствительного элемента свой цвет и воспринимать можно только его. Такое зрение, например, у раков. У них 26 цветов и видеть они могут только их, без оттенков. А у нас и других животных, цвет - это сочетание информации от всех имеющихся чувствительных элементов. Цвет для которого нет чувствительного элемента не будет выглядеть как черное (или черно-белое) пятно, он будет воспринят другими элементами. В частности, красное излучение воспримет зеленый чувствительный элемент, он к красному ближе чем синий. Так же происходит у людей при дальтонизме.
SerjV
06.04.2023 13:59Если из картинки удалить все цвета кроме синего и зеленого, то Зеленый Тигр будет выглядеть вот так:
И даже тут у вас ошибка ( :) ) - у Тигра ходовая часть имени Книмпкампфа и выглядит совсем по-другому. А у вашего - ходовая от Т-26, только не советского, а американского, который "Першинг" (ну или М48, визуально разницы в ходовой с учётом условностей модели не будет).
buldo
06.04.2023 13:59+1Прикольно было бы замутить камеру, которая снимала бы от ближнего ИК до ближнего УФ, а потом ужимала бы диапазон до видимого.
Привычные цвета должны сильно поехать, но всё равно прикольно должно получиться
NeoCode
06.04.2023 13:59Еще прикольнее было бы сделать камеру, которая снимала бы в максимально широком диапазоне электромагнитных волн, скажем от миллиметровых до рентгена. И записывала бы это в многоканальные фото и видео, с которыми затем можно было бы программно делать что угодно - как сжимать диапазон, так и смотреть в каком-то выбранном поддиапазоне без сжатия. Только вот стоить такая камера будет как чугунный мост:)
lgorSL
06.04.2023 13:59+1Миллиметровый диапазон точно не получится - разрешающая способность камеры в радианах примерно равна отношению длины волны к диаметру объектива. Для такого целый радиотелескоп понадобится :)
Physics-for-Humanities Автор
06.04.2023 13:59Это не единственная проблема. Проблема радио-диапазона в том что каждый объект поглощает электромагнитное излучение по-разному. От вида антенны будет зависеть то что я поймаю в итоге. Но есть вариант который в разработке - набор петлевых антенн для восприяти магнитного поля вместе с камерой и скриптом, закрашивающим пиксели в зависимости от напряженности поля. Поиграть с этим вполне возможно, но научную ценность извлечь не получится, манипулируя параметрами тюнера и антенны можно получить какой-то сигнал абсолютно в любой точке пространства.
strvv
06.04.2023 13:59сильно разные диапазоны. даже средний и дальний ИК сложно ловить кмос-ам. сильно малая энергия.
для дальнего ик есть микроболометры, там ставят фильтр на всё выше дальнего красного (чтобы не пожечь элементы) и эти элементы большие. в итоге большая часть снимаемого с микроболометрического сенсора картинки обычно укладывается в VGA(640x480) и меньше (QCIF).
да и эти фильтры не идеальные - сильно просадить сенсор или совсем спалить - сфотографируйте в полдень солнце(за это хозяин тепловизора по башке надаёт. это очень дорогое относительно обычного оборудование)
begin_end
06.04.2023 13:59+2Я для этой цели попытался сделать такую игрушку.Чтобы прямо отдельные видеопотоки были, а потом захватить, смешать с псевдораскрашиванием. Но есть ряд проблем — выравнивание уровней яркости, неизбежный параллакс. Диапазоны: 1000±50 нм, 800±100 нм, видимый (со срезом по ИК и без такового по УФ), 370±30 нм.
По-хорошему, сделать бы специальный шаблон Байера на матрицу камеры, с правильными фильтрами. Однако, по технологичности это не проще, чем самому делать микросхемы. И будет проблема с линзовой фокусировкой столь широкого спектра (расфокус на краях диапазона).buldo
06.04.2023 13:59А там камеры одинаковые или разные? Можно же замутить револьверный объектив с фильтрами и оптикой. Понятно что больше для статики подойдёт...
begin_end
06.04.2023 13:59Камеры «аналоговые», более-менее одинаковые, как и их объективы. Только добавлены светофильтры.
Про револьверный объектив думал, но хотелось именно одновременно получать видеопотоки и накладывать друг на друга в реалтайме. Плюс, такой объектив потребует хороших навыков механики в изготовлении, чтобы идеально переключать. Хотя, если сделать и еще автоматически вращать его, синхронизировав с частотой кадров… (сами камеры и их конвертер я уже синхронизировал — от единого тактового тактируются, для одного эксперимента).
Tarakanator
06.04.2023 13:59неизбежный параллакс
Теоретически, камеры можно запихнуть в барабан и делать фото каждой камерой в одном положении при повороте барабана.
Правда тогда будет смещение снимков во времени.Уже увидел что предложили уже.
aamonster
06.04.2023 13:59По параллаксу – вроде довольно неплохо можно софтово править, тем более с четырёх камер (корреляция по камерам даёт оценку глубины, а зная глубину – приводим картинки "к общему знаменателю").
Physics-for-Humanities Автор
06.04.2023 13:59У меня будет три камеры: средний ультрафиолет, видимый и инфракрасный теплового спектра (тоже средний), могу объединить фото при помощи редактора. Но есть несколько проблем. У всех камер разное фокусное расстояние, геометрия объектов на них отличается, особенно вблизи. Как задать светлые участки невидимых диапазонов? Можно придумать алгоритм меняющий насыщенность света в зависимости от наложения яркости. Там где есть и ультрафиолет и тепловое излучение будут самые яркие цвета, там где только видимый свет - самые блеклые. Придется серьезно заморочиться с обработкой.
begin_end
06.04.2023 13:59+1Итак, ради большого интереса сегодня попробовал смешать.
Что взял: 1000nm картинку, картинку в видимом спектре, 370nm картинку.
Помучался премного с "разное фокусное расстояние, геометрия объектов на них отличается", руками выправляя в фотошопе более-менее к единому виду.
Выровнял яркости, чтобы спектрально-нейтральный предмет (оштукатуренная стена дома) выглядел на серой картинке одинаково ярко.
Затем в фотошопе же сделал слои, каждому оставив свой цветовой канал, где 1000nm стал красным, видимый свет стал зеленым и 370nm стал синим.Результат — широкоспектральная IWU (IR-White-UV) картинка:
Обычная RGB картинка, снятая там в то же время:
Выводы: результат смотрибелен, картинка будет интереснее на природе при лучшем освещении, в солнечный день; для накладывания картинок нужно применить более продвинутый метод, так как вручную смещать лево-право/верх-низ недостаточно — есть искажения перспективы от светофильтров; стоит попробовать лучше юстировать камеры и повысить разрешение захвата; зеленый канал снять с зеленым светофильтром, а не как белый.
AlexanderS
06.04.2023 13:59+2Мысленно пытаешься соединить УФ в одну картинку с видимым спектром и… не совсем понятно какие преимущества давала тетрахроматия млекопетающим того времени. То есть, вроде бы понятно, что больше информации должно способствовать лучшему выживанию. Но неужели это давало прямо так уж больше, что эти гены становили доминирующими? Наверное это должно приводить к увеличению цветового охвата и лучшему различию цветовых полутонов, которые обычные трихроматики просто чисто физически не видят. Тогда позавидовать даже можно — они могут видеть мир красивее, чем тот, который вижу я.
Radisto
06.04.2023 13:59+3У птиц, которые видят ультрафиолет (попугаи и всякие ещё), есть "зеркальца" на крыльях, яркие в уф по сравнению с листвой. Они хорошо друг друга различают на фоне листвы и всего остального. Млекопитающие хищники их видят так себе.
Physics-for-Humanities Автор
06.04.2023 13:59В океане, где появилась тетрохроматия ультрафиолетового излучения было гораздо больше. Вообще, красок в коралловых рифах много разных и красивых. По сравнению со средой наших пращуров, мы живем в довольно тусклом мире. В отпуске во время дайвинга тетрохроматия была бы топ мутацией.
AlexanderS
06.04.2023 13:59Вода сильнее рассеивает ультрафиолет, чем видимую часть спектра. Глубже 10 метров его и нет уже толком. Наверное всё актуально для мелководья.
hedger
06.04.2023 13:59+2Вообще, люминесцентные лампы на фото изначально светят самым что ни на есть ультрафиолетом, из спектра паров ртути. А в условно-белый свет он превращается слоем люминофора на стенках лампы.
Покрытие люминофором неидеально и к тому же, вероятно, стареет, поэтому для защиты живности в помещении от УФ логично сделать рассеиватель лампы из УФ-непрозрачного пластика.
begin_end
06.04.2023 13:59+2Интересно, какой светофильтр использовался автором для такой съемки (обычно берут стекло типа УФС / увиолевое «Вуда»)?
Но с ним есть проблема: оно не пропускает именно видимый спектр, а вот ИК пропускает даже лучше, чем УФ. Поэтому приходится искать доп. стекло для отсечки ИК, чтобы прям хорошо убирало, но не трогало УФ. Ориентироваться можно по лампочке накаливания, в недонакале до ~1000°С.
Для достижения нужного эффекта мне пришлось делать бутерброд аж из 3 фильтров (встроенного в камеры ИК фильтра обычно недостаточно — чувствительность матрицы к УФ столь низка, что паразитное пограничное ИК, недофильтровываемое встроенным ИК фильтром по яркости сопоставимо с основным УФ). А смешение ИК и УФ при съемке улицы дает эффект размытой картинки — фокусные расстояния ИК и УФ заметно разные (при съемке с УФ фонариком, разумеется, проблем не будет).4 спектральных серых снимка черно-белого кота...
Снимки пока кое-как получены с 4-х видеокамерной установки через старую карту видеозахвата (все собираюсь переделать на 4-канальный регистратор, чтобы сразу потоки видео параллельно писать в хорошем качестве).Physics-for-Humanities Автор
06.04.2023 13:59Моей первой идеей была - взять UV-Pass фильтр, снять защитную пленку с матрицы фотоаппарата и переделать вспышку на ультрафиолетовую лампу. Но, ни один UV-pass фильтр в СПб я купить не смог, они просто не продаются. Единственный вариант - Алиэкспресс. Но там же на за сравнимые деньги продается специальная камера для съемки среднего диапазона ультрафиолета. Ни один фотоаппарат в средний диапазон не залезет из-за чувствительности матрицы. Пафосные съемки специальной камерой затруднены. А вот научные весьма удобны. Объектив специальной камеры закрыт материалом, зеркальным в видимом спектре. Таких фильтров для фотоаппаратов, мне кажется, нет.
begin_end
06.04.2023 13:59Хм, увиолевый фильтр на ali найти конечно не сложно, вот как этот (только он пропускает еще и ИК). А вот чтобы прямо специальные камеры для научных исследований существовали там — впервые слышу. Есть пример, как она называется?
Впрочем, у ali в последнее время конкретная проблема с поиском, не ищутся даже наименования, которые 100% есть, если это не популярное и бытовое…
Germanjon
06.04.2023 13:59+3Приложу фотографию милого котика из противоположного края невидимого спектра - в тепловизор.
ПС. Когда этот шерстяной мешок открывал пасть дабы мяукнуть, картинка становилась ещё сюрреалистичнее.
Javian
06.04.2023 13:59+1На морском пляже надо фотографировать в УФ — и море и пляж и отдыхающие будут ярко светиться.
Physics-for-Humanities Автор
06.04.2023 13:59А крем на них будет черным. Думаю, скоро такие снимки появятся)
matacob
06.04.2023 13:59Мне просто любопытно, если эти цветы выглядят для вас в ультрафиолете обычно, то что вы вообще ожидаете увидеть необычного? Распределение яркостей в УФ не такое же, как и в видимом диапазоне, а значит, тетрахроматы их видят совсем по-другому. И для них цветы намного более красочные, чем мы их воспринимаем.
Physics-for-Humanities Автор
06.04.2023 13:59Я хочу найти цветок, который имеет рисунок, видимый только в ультрафиолетовом спектре. Другим фотографам подобные снимки удаются. Где-то взлетно-посадочные полосы для пчел видны, где-то пыльца светится.
dyadyaSerezha
Интересно, если атом поглотил ультафиолетовый фотон, а излучил видимый, то разница энергии между ними должна быть точно равна энергии перехода электрона на более высокую орбиту? Или электрон опять перескакивает на старую, изучая еще какой-то фотон?
Radisto
Если не ошибаюсь, то поглощая квант ультрафиолета, электрон переходит на верхний уровень безызлучательно, и если этой энергией молекулу не разрушит, то он перейдет на более низкие, излучив квант с меньшей энергией (и вот этот квант и есть флуоресценция). Часть энергии теряется на безызлучательные процессы, когда энергия электрона передается соседним атомам, а не фотонам и просто греет их. А отъем части энергии от кванта при переводе электрона на верхние уровни - это комптон-эффект, для ультрафиолета нехарактерный - энергия мала
dyadyaSerezha
ИМХО, это невозможно. Электрон не может терять энергию, не перейдя на более низкий энергетический уровень/орбиту.
Physics-for-Humanities Автор
Электрон может терять энергию, излучая фотон вплоть до первой обитали. Потерять энергию еще и спать на ядро он не может.
COKPOWEHEU
Может на старую, может на промежуточную. Разница энергии как обычно уходит в тепло.
Physics-for-Humanities Автор
Или в химические связи при фотосинтезе.
COKPOWEHEU
Там скорее выбивание электрона, и на образование связи идет уже он.
А вообще да, есть фотоэффект, где энергия фотона уходит в отрыв электрона от атома. Есть фотохимические реакции, где она уходит на разрыв связи. Но вопрос был все же про менее энергетичные фотоны.
real1ty
У видимого меньше энергия, то есть после поглощения фотона ультрафиолета энергия частично передастся в систему, от электрона в атомное ядро, например. После, электрон может потерять остаток энергии через излучение в видимом диапазоне. В может как-то иначе эту энергию потерять без переизлучения
Physics-for-Humanities Автор
Примерно так и поглощают энергию симбионты коралловых полипов, превращая разницу в энергии между ультрафиолетовым и видимым фотоном в энергию химических связей, то есть водоросли в кораллах проводят более эффективный фотосинтез за счет этой разницы.