昆虫视觉世界.doc

课程论文 题 目: 昆虫的视觉世界及其对人类的启示 姓 名: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 指导教师: 2012年 6 月 25 日 昆虫的视觉世界及其对人类的启示 摘要：大部分的昆虫的视觉系统与人类相比，显得复杂一些。昆虫的视觉系统大致可以分为单眼、复眼和视叶等。其中以复眼为主要的感光器官，单眼是视觉的辅助器官。昆虫的复眼和单眼往往都不止一个，复眼往往是由成千上万个小眼组成的。而视叶的功能主要是用来连接前脑的神经纤维。由于昆虫的视觉系统的复杂多样性，加上近年来随着科学尤其是分子科学和仿生学的不断进步，在细胞和分子水平对视觉系统的研究取得了不错的进展。本文主要介绍昆虫的普遍视觉系统的结构和功能，并针对近年来利用昆虫视觉系统取得的科学进展做出进一步总结与说明。 关键字：昆虫；视觉系统；仿生学 人类的视觉系统总体说来可以用规律、高度进化、简明等词语来描述。人类感知外界明暗色彩主要依靠感光细胞。受光的刺激，人眼视网膜中感光细胞经过一系列的物理、生化变化，把光的刺激转换为神经冲动，传递到大脑后产生视觉。而在人类的视觉系统中，感光细胞主要分为两种：感受强光的视锥细胞和支撑弱光的视杆细胞。这两类细胞都采用一种名为发色团的特殊化学基因：11-顺式黄醛。当光子收到刺激时，发色团会转化为低能态结构并向大脑发出信号。此发色团在吸收另一个光子前便“复位”，此循环称为一个视觉循环。 1. 昆虫视觉系统结构及功能 而昆虫的视觉系统的生理结构和机能与人类不同。昆虫视觉系统的中心配件便是单眼和复眼。其中，单眼是用以提高昆虫复眼所感知的视觉刺激的兴奋水平部位，复眼是最主要的视觉器官。此外，视叶是视觉神经系统的中心。下面来单独介绍。 1.1 昆虫的单眼 复眼是昆虫主要的视觉器官，长期以来，人们对复眼的研究也比较多, 但大多数昆虫都具有的另一类视觉器官，即单眼，却往往被忽视。昆虫的单眼可以分为两类，即背单眼和侧单眼。背单眼是视觉的辅助器官，对它的研究工作前人已进行过许多。19 世纪中期，开始了对侧单眼的内部解剖方面的描述，Graber 用实验证明了毛虫侧单眼在所有的光谱区包括紫外光区都有绝对的趋光反应，因此可以认为它有视觉功能。 背单眼为成虫和不完全变态类昆虫的若虫或稚虫所具有的单眼一般位于头部2个复眼之间，类型多种多样：有的昆虫具有1 个背单眼，位于额的前中部，如一种皮蠹; 有的具有2个，位于额的两侧，如一种隐翅甲；有的具有3 个，在额的上部呈倒三角形的排列，相互之间大致呈60°，双翅目、膜翅目大多是这种类型；而另一些昆虫则没有背单眼，如蜚蠊目、半翅目的红蝽、大部分盲蝽等。背单眼的基本结构包括1 个角膜晶体、1层角膜生成细胞（覆盖在角膜晶体上）、视网膜（由大约1 000个感光细胞构成，视类群而不同）等。 背单眼有大量的网膜细胞，紧密排布在一起, 蝗虫就有800~1000个之多。每个网膜细胞大都有一个轴突，穿过单眼的基膜，终止于单眼后面的突触丛处，与脑的次级神经元形成突触，后者的细胞体位于脑的间脑部内，蝗虫成虫中就是这种情况。背单眼严格地来说是不能聚焦的，进入其视野的物体只是在光感受器层使光线强度发生变化而不能形成物像。 背单眼是一种激发器官，它可以提高昆虫复眼所感知的视觉刺激的兴奋水平。电生理学的研究发现蝗虫背单眼和复眼可以对相同的波长产生反应，但背单眼对光的敏感性比复眼要高好几倍。因此来自于背单眼的信息可以用于调整复眼对于刺激的反应。将背单眼遮起来往往会使昆虫行动缓慢，在强光中更是如此。背单眼还与飞翔有关，在无翅昆虫中很少发现背单眼的存在。 侧单眼为全变态类昆虫的幼虫所具有的感觉器官，位于头的两侧，相当于成虫复眼的位置处。在全变态昆虫的各个目中侧单眼的数目变化较大，即使在相同的目其侧单眼也不尽相同。侧单眼分为屈光器和光感受器。屈光器是侧单眼的光学结构，由透镜、晶状体和其他反光组织组成。透镜，是一个增厚的半透明的表皮，它是由许多层折射率不同的区域组成的，最外面的区域反射能力最强。这与脊椎动物和节肢动物的球形透镜相比较差，因为球形透镜的折射率是呈梯级分布的，这样就会让更多的光学表面可以接受成像信息，但这种透镜在侧单眼中不存在，因此侧单眼是不能精确成像的。 侧单眼能够感知颜色、形状、距离、运动和偏振光等，因此具有侧单眼的昆虫就获得了相应的能力。侧单眼也能够成像，但因透镜下光感受器数目太少，每个光感受器间接受区的空间范围有50% 不重叠，其视野不能完全覆盖周围的环境，因此只能形成一个粗糙的镶嵌性图像。具侧单眼的幼虫能感知周围环境的反差，这可以通过它们具有的一些趋性反应得到验证。侧单眼具有一系列不同的感光色素系统，因此昆虫能感知短、中、长波光，具有辨别波长的能力。侧单眼对