Wie kann man das menschliche Auge modifizieren, um in die ultravioletten und infraroten Bänder zu sehen?

Dies ist eine komplizierte Antwort, da die Wahrnehmung an mehreren Punkten in der optischen Kette erzeugt wird, beginnend mit der Linse (die leicht gefärbt ist und daher UV und Purpur aktiv herausfiltert) bis zu den Sehnerven (die für drei Hauptspitzen des sichtbaren EM-Spektrums empfindlich sind). ) und schließlich zum Gehirn, das die Nervenimpulse wahrnimmt und in etwas übersetzt, das wir als fühlende Wesen als Farben erkennen.

Die Antwort auf die Frage hat also ebenso viel mit der Biologie der Organe des Wesens zu tun wie mit der Neurowissenschaft des Gehirns. Wenn wir nur über das menschliche Auge sprechen, müssten wir Änderungen an der Biologie und den Reaktionen des Sehnervs vornehmen.

Erstens besitzen Menschen nur drei einzigartige Farbrezeptoren ... Aber Schmetterlinge haben mehr

Wenn Sie möchten, dass das menschliche Auge die Wellenlängen unterhalb des sichtbaren EM-Spektrums wahrnimmt, müssen Sie mindestens einen der Kegel neu zuweisen, um einen Reaktionsreiz bei diesen Wellenlängen zu erzeugen, und Sie müssen definieren, wie breit Sie dies wünschen Antwort zu sein. Um dann EM-Strahlung oberhalb des sichtbaren Spektrums wahrzunehmen, müssen Sie einen anderen Kegel zuweisen, der für diesen Bereich empfindlich ist, und definieren, wie empfindlich er ist (je kleiner der Wellenlängenbereich, den er erkennt, desto empfindlicher ist er, aber desto weniger). insgesamt sieht).

Hier ist ein weiteres Bild, das die (nicht normalisierte Empfindlichkeit des menschlichen Zapfens gegenüber EM-Strahlungswellenlängen) zeigt:

Sie müssen also möglicherweise die blauen Kegel auf UV und die roten und grünen auf IR schieben. Oder Sie könnten alle in UV oder IR stellen und trotzdem in der Lage sein, eine Reihe von Falschfarben zu definieren, die von den Rot-Grün-Blau (RGB)-Zapfenrezeptorennerven des menschlichen Auges erzeugt werden, die vollständig im IR oder UV leben Bänder des EM-Spektrums. Das resultierende Bild, das vom Auge aufgenommen wird, würde immer noch vollfarbig aussehen, aber da die Reaktionsbereiche sehr unterschiedlich sein werden, lässt sich nicht sagen, wie das endgültige Bild aussehen würde.

Es ist durchaus möglich, dass das menschliche Auge beim Blick auf unsere eigene Sonne dies sehen würde, wenn die Zapfenrezeptoren für Wellenlängen im UV- und Röntgenbereich empfindlich wären:

Hier ist eine Sonne, die NUR UV-Empfindlichkeit verwendet. Dies scheint den Blaukegelrezeptor zu begünstigen, der die sichtbare Empfindlichkeit dominiert:

Aber was ist mit Schmetterlingen?

Der Grund, warum Schmetterlinge für diese Diskussion interessant sind, ist, dass ihre Optik es unterstützt, sieben bis zehn einzigartige Farbbänder zu sehen, während wir alten Menschen nur drei sehen (obwohl sie sich an einigen Stellen überlappen). Wenn Sie über Änderungen am menschlichen Auge sprechen, sollten Sie erwägen, ein paar weitere Zapfenrezeptoren hinzuzufügen, die bei unterschiedlichen Wellenlängen empfindlich sind. Warum?...

Zweitens sind die IR- und UV-Bereiche im EM-Spektrum sehr groß ...

Schauen Sie sich dieses Bild an, Sie werden sehen, wie empfindlich das menschliche Auge für sehr enge Bereiche des gesamten elektromagnetischen Spektrums ist. Die gesamten UV- und IR-Bänder sind zusammen etwa 10-mal so groß wie das schmale sichtbare Lichtband.

Um also das gesamte IR-Spektrum oder das gesamte UV-Spektrum zu sehen und dennoch genügend Empfindlichkeit für geringfügige Änderungen in der Reaktion auf Wellenlängenschwankungen zu haben, benötigen Sie Augen mit mehr Zapfen. Wie das pieris rapae:

Stellen Sie sich all diese Kegel vor, die über den IR-Bereich verteilt sind? Brauche vielleicht noch ein paar.

Das Nichts dazwischen...

Ihre Augen werden keine Reaktion registrieren und daher keinen Nerv auslösen, bis sie von der Frequenz der EM, auf die sie eingestellt sind, erregt werden. Wenn also Ihr hypothetisches Auge für IR und UV empfindlich ist, aber nicht für das sichtbare Licht dazwischen, dann erscheinen die Bereiche, die NUR sichtbares Licht emittieren, schwarz; sie haben die Rezeptoren in den Augen nicht erregt und daher wird kein Signal an das Gehirn gesendet. Das Konzept ähnelt jetzt unseren Augen. Wenn wir unsere Augen schließen oder das Licht ausschalten, erscheint alles schwarz. Tun Sie dies jetzt in einem Raum mit einem IR-Licht (Emitter), es ist immer noch der gleiche Effekt. Ihre Augen werden seenichts, da sie nicht darauf programmiert sind, eine Reaktion hervorzurufen, wenn sie von dieser Wellenlänge bombardiert werden. Ja, die EM-Strahlung trifft immer noch auf Ihre Augen, aber die Rezeptoren registrieren sie nicht, also tut Ihr Gehirn dies nicht.

Hier gibt es eine Reihe von Problemen.

Auflösung

Ok, nehmen wir an, Sie erstellen eine neue Art von Kegel, der UV -empfindlich ist . Wo wirst Du es hinlegen? Die Netzhaut ist bereits vollgestopft mit Zapfen, also müssen Sie andere Zapfen entfernen, um die neuen Zapfen einzupassen. Ihre Leute können also UV sehen, aber ihre Empfindlichkeit gegenüber einem oder mehreren anderen Farbkanälen wird schlechter.

Wenn es sich um Kybernetik oder ähnliches handelt, könnten Sie möglicherweise die neuen und alten Kegel miniaturisieren und dieses Problem lösen. Vielleicht geben Sie Ihren Jungs sogar eine bessere Auflösung als normal.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass IR -Bänder physikalisch nicht in der Lage sind, hochauflösende Bilder relativ zu sichtbarem Licht abzubilden. Je tiefer in IR, desto schlechter wird das Bild. Auf der anderen Seite wird UV bis zu einem gewissen Grad besser aufgelöst.

Brauchbares Licht

Sonnenlicht erzeugt viel nahes IR, aber es fällt exponentiell ab, sodass Sie im 1500-nm-Bereich auf 12% (ish) gesunken sind.

Sie können längere Wellenlängen verwenden, aber Sie müssten die Zapfen in diesem Band sehr empfindlich machen. Vielleicht könnten Sie die Empfindlichkeit des Kegels im tiefen IR mit exponentiellem Abfall vom Peak weg zentrieren. Die exponentielle Zunahme des Sonnenlichts in Richtung nahes IR würde durch einen exponentiellen Abfall der Kegelempfindlichkeit ausgeglichen, wodurch Sie möglicherweise über ein breites Spektrum eine gute Sicht bei schlechten Lichtverhältnissen erhalten.

Wenn Sie ins ferne IR (8-15 µm, 8000 bis 15000 nm) gehen, können Sie Objekte bei Raumtemperatur sehen , obwohl dies Ihren eigenen Augapfel einschließt, was unangenehm werden könnte. Sie benötigen wahrscheinlich ein spezielles Kühlsystem, um die Linse, die Netzhaut usw. kühler zu halten als das, was Sie sich ansehen möchten. Ich bin mir nicht sicher, wie praktikabel ein solches Kühlsystem mit der Biologie ist, obwohl es mit der Kybernetik durchaus plausibel ist.

Beachten Sie auf der anderen Seite, dass fernes UV von der Atmosphäre absorbiert wird und auf molekularer Ebene schädlich ist, sodass es eine physikalische Begrenzung gibt, wie tief Sie in UV eindringen können (200-300 nm).

Farbraum

Es gibt ein paar Möglichkeiten, dies zu tun. Erstens können Sie die vorhandenen roten/blauen Kegel durch neue Kegel ersetzen, die eine breitere Antwortkurve haben. Jetzt wird also ein Objekt, das IR reflektiert, rot oder roter als zuvor. Das Gleiche gilt für blau oder violett aussehende UV-Objekte (je nachdem, welche Kegel Sie für die UV-Reaktion ändern). Sie könnten möglicherweise nur einen Kegel (z. B. grün) durch eine wirklich breite Reaktion an beiden Enden ersetzen, aber ich bin mir nicht sicher, ob dies von Vorteil wäre.

Zweitens können Sie neue Kegel in den neuen Bereichen hinzufügen. Dies gibt Ihnen eine viel bessere Kontrolle darüber, welches Spektrum Sie abdecken können, und gibt Ihnen wahrscheinlich eine bessere Lichtabsorption (die meisten Materialien absorbieren einen großen Wellenlängenbereich für photoelektrische Effekte nicht , obwohl Mehrfachzellen hier helfen könnten).

Hier gibt es nun zwei Unteroptionen. Der einfachste Weg besteht darin, diese neuen Zapfen an bestehenden Nervenausgängen anzubringen. Sie würden also wie zuvor IR als rot und UV als blau sehen. (Oder IR als Blau und UV als Grün oder was auch immer Ihr Boot schwimmt. Auch hier bin ich mir nicht sicher, ob es einen bestimmten Grund dafür gibt, aber Sie könnten feststellen, dass es der Nachtsicht oder so etwas hilft.)

Die andere Möglichkeit besteht darin, neue Nervensignale zu erzeugen. Dies erfordert auch eine Neuverkabelung des Gehirns, um diese neuen Signale zu akzeptieren. Offensichtlich ist es möglich, aber ich habe keine Ahnung, wie schwer es wäre oder ob es vernünftigerweise bei einem Erwachsenen durchgeführt werden könnte.

Wenn es jedoch funktionieren würde, hätte die Person einen stark vergrößerten Farbraum. Der Unterschied zwischen Rot und IR wäre für diese Menschen offensichtlich, zusammen mit dem Unterschied zwischen Blau/Violett und UV. Es gäbe auch einen Unterschied zwischen grün und grün mit IR oder grün mit UV oder grün mit IR und UV.

Es gäbe 1 Nullfarbe ("echtes" Schwarz), 5 Primärfarben (eine für jeden Kegel), 10 Sekundärfarben (jede Kombination von zwei Kegeln), 10 Tertiärfarben (jede Kombination von drei Kegeln, was auch die Kombination von ist Fehlen von Zapfen), 5 quaternäre Farben (jede Kombination von vier Zapfen oder Fehlen von 1 Zapfen) und 1 alles Farbe ("echtes" Weiß). Plus all die Billionen Zwischenfarben. Ich habe mir die Freiheit genommen, sie zu benennen und mir vorläufige Aussprachen auszudenken. Das sind keine ANSI-Standard-Namenskonventionen oder so etwas.

Die Einzelheiten dessen, was reale Objekte in welche pentachromatischen Farben übersetzen, hängt stark davon ab, welche Antwortkurven Sie genau verwenden. Außerdem ist es möglich, die vorhandenen Kegel zu verschieben, sodass das „Rot“ Ihrer Jungs nicht dem normalen Rot entspricht.

Zum Beispiel könnten Sie IR gleich fernem IR, Rot gleich nahem IR, Grün gleich Rot/Grün, Blau gleich Grün/Blau und UV gleich UV haben. Dies gibt Ihnen einen wirklich breiten Spektralbereich, aber Sie verlieren viel menschliche Farbreaktion. Normalen Menschen würden Sie wie eine Rot-Grün-Blindheit vorkommen.

Um die Antwort von JDlugosz zur Wahrnehmung des Farbrads zu erweitern - mit der SEHR wichtigen Annahme, dass diese modifizierten Menschen mit verbessertem Sehvermögen geboren werden -, denke ich, dass Ihre modifizierten Menschen die Fähigkeit verlieren werden, die Farbe Rosa wahrzunehmen .

Die Farbe Rosa nennt Ihr Verstand die Verbindung beider Enden des sichtbaren Spektrums. Deshalb liegt Pink auf dem Farbkreis zwischen Rot und Violett. Wenn Sie in Andrews sehr guter Antwort ein rechteckiges Spektrum nehmen und es von Ende zu Ende wickeln würden, wäre Pink an dieser Verbindung.

Wenn Sie das erweiterte Spektrum nehmen und es Ende an Ende wickeln würden, würden Sie an dem Punkt, an dem sich Infrarot und Ultraviolett treffen, eine neue Farbe erhalten.

Ich nenne diese Farbe transpink .

Was passiert mit dem alten Rosa? Ich weiß es nicht genau, aber ich stelle mir vor, es wäre wie die Farbe, die Sie sehen, wenn Sie zwei Farbtöne miteinander mischen. Vielleicht wird aus Rosa Grün, in einer interessanten Form von Farbenblindheit.

Hoch schauen

Wenn Sie einen Regenbogen betrachten, sehen Ihre Leute zusätzliche Farben über und unter Rot und Violett. Diese werden Infrarot und Ultraviolett sein. Der Mittagshimmel wird - wenn ich mich gut genug an meine Rayleigh-Streuung erinnere - einen violetten Farbton haben. Und Sonnenuntergänge werden wahnsinnig viel Infrarot enthalten.

Leute, die Sonnencreme tragen

Für jemanden mit verbesserter Sehkraft ist Sonnencreme Schminke . Ich bin mir nicht sicher, wie Sonnencreme genau funktioniert - sie absorbiert entweder UV-Strahlung oder reflektiert sie. In jedem Fall wird es die „Farbe“ der Gesichter der Menschen verändern, da ein Gesicht ohne Sonnencreme einen Teil des UV-Spektrums reflektiert. Sonnencreme wird das ändern.

Es gibt bereits Menschen, die einen Teil des UV-Spektrums sehen können. Diese Wellenlängen werden normalerweise von der Linse ausgeschlossen, nicht wegen mangelnder Empfindlichkeit der Kegel. Fehlt die Linse (und wird durch eine Kunstlinse ersetzt), wird UV-Licht sichtbar.

Hier ist eine ziemlich detaillierte Beschreibung von jemandem, der sich einer Kataraktoperation unterzogen hat und nun in der Lage ist, ein breiteres Lichtspektrum als gewöhnlich zu sehen.

Besonders relevant für die Frage sind die Bilder, die simulieren sollen, wie bestimmte Dinge jetzt für diesen Typen aussehen.

Lassen Sie uns mit der Idee fortfahren, das Pigment in den Zapfenzellen im Auge zu modifizieren. Dies hat einige Grundlagen in der heutigen Technologie. Mit etwas Gentherapie konnten sie die Farbenblindheit bei Affen rückgängig machen ( Artikel in National Geographic ).

Ändern Sie also das Pigment in den Zapfenzellen, damit Blau in das nahe UV und Rot in das nahe IR sieht. Könnte möglicherweise diese Gene in Kolibris für das UV-Pigment finden. IR ist härter, weil die Wellenlänge länger und die Energie niedriger ist. Es stellt sich heraus, dass Goldfische UV sehen können und in Rot etwas besser abschneiden als wir . IR ist für die Augen schwierig, da das Licht eine so lange Wellenlänge und eine geringere Energie hat.

Wenn Sie sich eine alte panchromatische Filmwerbung ansehen, ist es für rote Farben nur schwieriger, einen empfindlichen Film herzustellen. Deshalb ist IR-Film auch härter. Los geht's mit dem "das können wir überwinden".

Da ich den Film angesprochen habe, spricht dies einen wichtigen Punkt an. Und dieser ist nicht so leicht zu überwinden.

Die Sicht auf alles andere als Grün wird verschwommen sein. Oder alternativ wird alles andere als ein Teil des Sichtspektrums verschwommen sein.

Bei Film müssen Sie den Fokus für IR-Licht anpassen.

Dieser rote Punkt ist dort, wo das IR fokussiert ist. Die rote Linie ist dort, wo sichtbares Licht fokussiert wird. Wenn Sie auf etwas blicken, das 7 Meter entfernt ist, wird etwas, das 10 Meter entfernt ist, im IR verschwommen sein. Dies liegt an der chromatischen Aberration , die Sie mit einer einfachen Linse (wie der in unseren Augen) erhalten.

Ein Beispiel dazu:

Das obere ist richtig fokussiert, das untere, das Blau ist unscharf. Alles wird so aussehen.

Dies liegt daran, dass unterschiedliche Wellenlängen auf unterschiedliche Entfernungen fokussieren:

Wenn Sie sich die menschliche Spektralempfindlichkeit ansehen, werden Sie sehen, dass wir versuchen, dies zu berücksichtigen:

Rot und Grün liegen in Wellenlänge und Empfindlichkeit nahe beieinander, und wir fokussieren unsere Augen darauf. Wie in der Hyperphysik erwähnt , gibt es einige lustige Dinge, die unser Gehirn und unsere Augen mit blauem Licht machen:

Die "blauen" Zapfen sind durch die Spitze ihrer Lichtreaktionskurve bei etwa 445 nm identifiziert. Sie sind einzigartig unter den Zapfen, da sie nur etwa 2% der Gesamtzahl ausmachen und außerhalb der Fovea centralis zu finden sind, wo sich die grünen und roten Zapfen konzentrieren. Obwohl sie viel lichtempfindlicher sind als die Grün- und Rotzapfen, reicht es nicht aus, um ihren zahlenmäßigen Nachteil auszugleichen. Die Blauempfindlichkeit unserer endgültigen visuellen Wahrnehmung ist jedoch mit der von Rot und Grün vergleichbar, was darauf hindeutet, dass es irgendwo in der visuellen Verarbeitung im Gehirn einen etwas selektiven „Blauverstärker“ gibt.

Die visuelle Wahrnehmung von intensiv blauen Objekten ist weniger ausgeprägt als die Wahrnehmung von roten und grünen Objekten. Diese verringerte Sehschärfe wird auf zwei Effekte zurückgeführt. Erstens befinden sich die blauen Zapfen außerhalb der Fovea, wo die dicht gepackten Zapfen die größte Auflösung liefern. All unser ausgeprägtestes Sehen kommt von der Fokussierung des Lichts auf die Fovea. Zweitens unterscheidet sich der Brechungsindex für blaues Licht so stark von rotem und grünem Licht, dass das Blau leicht unscharf ist, wenn sie fokussiert sind (chromatische Aberration). Versuchen Sie für ein "off-the-wall"-Beispiel für diesen defokussierenden Effekt auf blaues Licht, ein Hologramm mit einer Quecksilberdampflampe zu betrachten. Sie erhalten drei Bilder mit den dominanten grünen, orangen und blauen Quecksilberlinien, aber das blaue Bild sieht weniger scharf aus als die anderen beiden.

Obwohl Sie möglicherweise in diesen anderen Teilen des Spektrums sehen können, wird es überhaupt nicht fokussiert und kann außerhalb einer Unschärfe um die grünen Objekte (die im traditionell sichtbaren Lichtspektrum bleiben) schwer zu verwenden sein ).

Die spezifische Antwortkurvenform jedes Kegeltyps und die Art der nachgeschalteten Verarbeitung führen zur Wahrnehmung unterschiedlicher Farben und dazu, welche Farben ineinander übergehen. Wir haben ein Farbrad, bei dem Lila den Kreis vervollständigt: Bei unterschiedlichen Sensoren ist dies möglicherweise nicht der Fall. Es kann keinen "Ring" geben, aber klare Enden oder zwei verschiedene Ringe!

Abhängig von der Verarbeitung können Sie zwei gleichzeitige Farben und nicht ihren Akkord als unterschiedliche Farbe wahrnehmen.

Wenn Sie (zum Beispiel) einen UV-Sinn hinzufügen, ohne den vorhandenen Augenmechanismus durcheinander zu bringen, sehen Sie UV möglicherweise als eine eigene und separate Überlagerung, während Lila immer noch gleich funktioniert und UV sich nicht vermischt, um Akkorde mit anderen Farben zu bilden. Da wir über die Modifikation des menschlichen Sehens (im Gegensatz zum außerirdischen Sehen) diskutieren, könnte dies der Fall sein.

Sind nichtlineare optische Kontaktlinsen erlaubt? (Oder Brillen, in den frühen Tagen dieser Technologie?)

Sie würden optische Wellenlängen entsprechend der angelegten Spannung und möglicherweise einer "lokalen Oszillator" -Frequenz (von einer UV- oder IR-LED) aufwärts oder abwärts konvertieren, genau wie Frequenzbandkonverter im Amateurfunk, und sich ausschalten, wenn Sie das Natürliche sehen wollten Spektrum.

Es ist eine bekannte Technologie im Physiklabor, und obwohl das nicht beweist, dass wir es heute (selbst in sperrigen Gläsern) verpacken könnten, macht es es zu einer hypothetischen Möglichkeit.

Ich würde mit einer mit Kaliumniobat beschichteten Sonnenbrille beginnen, um das nahe Infrarotband abzudecken, und das übertragene Bild mit einer internen IR-LED mischen, um ein blaues Bild zu erzeugen ... Sie werden UV-Abdeckung in der nächsten Generation erhalten.

Es gibt eine Möglichkeit, die mir einfällt:

Es gibt eine Form von Rot-Grün-Farbenblindheit, die aufgrund einer stärker wahrgenommenen spektralen Überlappung zwischen Rot und Grün auftritt. In diesem Fall neigen die beiden dazu, zusammen zu bluten. Wenn Sie dies korrigieren könnten, würden Rot und Grün hypothetisch als unterschiedliche Farben erscheinen, da zwischen den beiden Spektren mehr Lücken bestehen würden.

Angenommen, das funktioniert, nehmen wir an, Sie könnten dieses Problem überkorrigieren und dazu führen, dass Menschen teilweise ins Infrarot sehen, wie es einige Tiere können. Dies würde Infrarot berücksichtigen.

http://enchroma.com/technology/

Für Ultraviolett könnten Sie die Zapfen im Auge so verändern, dass sie, anstatt den gesamten blauen Bereich wahrzunehmen, etwa die Hälfte des blauen Bereichs und einen kleinen Teil des ultravioletten Bereichs aufnehmen würden. Dies wäre eine extrem fehlerhafte Lösung, aber es wäre eine vergleichsweise einfache Modifikation.