Érzékelés - észlelés - kölcsönhatás

Csak akkor észlelhetünk valamit, ha az kölcsönhatásba lép valami mással.

Nézzünk először néhány egyszerű példát az élővilágból.

Fényérzékelés

A szemünk (az emlősök, hüllők, madarak szeme) úgy érzékeli a fényt, hogy a fényérzékelő sejtekben lévő rodopszin nevű fehérje egy foton hatására "eldeformálódik" (megváltoztaja az alakját). Ekkor egy másik fehérje képes kapcsolódni hozzá és ez végül egy elektromos impulzus formájában eljut az agy látókérgébe.

Az ember (és a gerincesek) szemének "látóegysége"
1 - a rodopszinmolekulákat tartalmazó "fotonbefogó" rész
2 - a belső rész, (ezen beül 3 - a sejtmag, 4 - szinaptikus terminál)

Hőérzékelés
Ha a meleg kályha közelébe tartjuk a kezünket, akkor bőrben lévő hőérzékelő idegvégződésekben biokémiai változás történik a kályhából érkező infravörös sugarak hatására, ami elektromos impulzusok formájában jut el az agy megfelelő területére.
Az ábrán a bőr receptorai láthatók, közülük a pirossal jelölt idegvégződések a meleg, a kékkel jelöltek a hideg érzékelésére "sazkosodtak".

Szagérzékelés

Az élőlények (az ember is), képesek bionyos kémiai anyagokat érzékelni ezt (a fejlettebb élőlényeknél) az ízlelés és a szaglás "oldja meg".
Bár képesek vagyunk megkülönböztetni tízezerféle szagot, a szaglóhámunkon csak ezer különféle receptor sejt azonosítható, mindegyik egy adott szagra specializálódva.
A szagingert kiváltó, eltérő konfigurációjú molekulák egyszerre több receptor sejthez kötődnek, így a kombinációk határozzák meg a kiváltott szagérzés milyenségét. A szagingert ugyanis leginkábbb olyan illó anyagok molekulái keltik, melyek feloldódnak a szaglóhámot borító vékony váladékban. (Ez magyarázza, hogy például nátha esetén csökken a szaglási érzékenység.)

A szaglósejt felépítése. A nyálkarétegbe nyúló csillókon találhatók a receptorok.

A szaglóhámban elhelyezkedő szaglósejtek dendrit-szerű felületi nyúlványaikon (csillók) a megfelelő kémiai anyagok biokémiai változást idéznek elő (ingerületet keltenek).
Ezek a szagingerületek elektromos jelként más idegsejtekre átkapcsolódva az agy különböző területeire jutnak el.
A halaknak kevés, körülbelül száz körüli a receptor sejtjeik száma, a kutyák szaglása viszont körülbelül egymilliószor jobb, mint az emberé.
De azért mi sem szégyenkezhetünk, mert pl. a fokhagyma jellegzetes szagát adó metilmerkaptán nevű vegyületet tartalmazó levegő már 10^-6 mg/l koncentrációban szagérzetet kelt.

A szagokkal, illatokkal és érzékelésükkel részletesebben foglalkozom a Kémia rész Illatok, szagok kémiája címszavánál.

Nézzünk példákat a "műszaki világból".

Fény észlelés

Számtalan olyan műszaki megoldás létezik, amivel a fény (vagyis az elektromágneses hullámok látható tartománya) észlelhető.
A "kulcsszó" itt is a kölcsönhatás. Vagyis a fény valamilyen kölcsönhatása (fizikai vagy kémiai) alkalmazható az észlelésre.
- Az egyik ilyen vegyi kölcsönhatáson alapuló "fény észlelési" módszer a "hagyományos" fényképezés.
A filmen olyan vegyület, általában valamilyen ezüst-halogenid található, amely fény hatására elbomlik és a kiváló kolloid ezüstből álló fekete foltként jelenik meg.
A képen "pozitív fényképen" kolloid ezüst fekete foltjai láthatók a hívóban.
- A másik lehetőség fizikai kölcsönhatáson alapul. Ezt alkalmazzák a fénymérők és az elektronikus fényképezőgépek illetve a videokamerák félvezető alapú érzékelő lapkái. Itt valamilyen elektromos változás történik fény hatására az adott ponton.
Egy videokamera CCD képérzékelője.

A fényképezéssel több címszóban is foglalkozom. Az Érdekességek részben található A fotózás fizikai és kémiai alapelvei címszó összefoglalja ezt a témakört.

Hőmérséklet észlelés

A "szokásos" hőmérő úgy működik, hogy a környező melegebb közeg, vagy az infravörös sugárzás hatására a benne lévő folyadékban megnő az atomok (molekulák) hőmozgása és ezáltal nagyobb lesz a térfogata, ami a vékony csőben a folyadékoszlop hosszváltozását okozza. A példán látható, hogy 40°C-on gyorsabban mozognak a részecskék, mint 20°C-on, és nagyobb térfogatot töltenek ki. (A képre kattintva válthat a két érték között.)

Vannak persze egészen más elven működő hőmérők is.

A lakásfűtés szobatermosztátja pl. az egyszerűbb kivitelű eszközökben egy bimetál kapcsoló. Két eltérő hőtágulássú fémből összeforrasztott fémlemezke, amely hőváltozásra meghajlik és ezáltal ki-bekapcsolhat egy áramkört. (Ugyanilyen van a hőfokszabályzós vasalókban is.) Lényegében ez is hőtágulás alapján működik.

Melegedéskor a bimetál érintkező lefelé hajlik és megszakítja az áramkört.

A bonyolultabb eszközökben valamilyen olyan érzékelőt alkalmaznak, aminek pl. a kapacitása, vagy az elektromos ellenállása változik meg a hőmérséklet változás hatására és ez működteti a fűtést valamilyen elektronikus vezérlő áramkörön keresztül.

Magasabb hőmérsékletek esetén (pl. a vaskohászatban) távhőmérőket alkalmaznak, ezek az elektromágneses sugárzás hullámhosszából állapítják meg a hőmérsékletet, mivel a magasabb hőmérsékletű test rövidebb hullámhosszúságú sugarakat bocsát ki.

A fehéren izzó fém hűlés közben előbb sárga, majd vörös színű lesz, tovább hűlve már csak infravörösben sugároz.

Vannak folyadékkristályos hőmérők is.
Bizonyos szerves anyagok kristályai a hőmérséklet változás hatására megváltoztatják az "elrendeződésüket", ezáltal más hullámhosszt vernek vissza a látható fényből, vagyis megváltoztatják a színüket.
Tehát minden egyes hőmérséklet észlelő eszköz, valamilyen fizikai változás, kölcsönhatás alapján működik.

Az adott hőmérséklet elérésekor a megfelelő számértéket jelző folyadékkristály színeződik el a hőmérőn.

Fentebb láthattuk "hogyan oldja meg" az élővilág és a technika az atomok (molekulák) hőmozgásának észlelését.

Az ember által kifejlesztett technika sok esetben túlszárnyalja a biológia sok milliárd éves "fejlesztéseit" és olyan dolgok észlelését, mérését is megoldotta, amire az élővilág nem képes.
Az elektromágneses hullámok óriási tartományának csak igen kis részét "használja" az élővilág. A technika azonban a teljes spektrum észlelésére képes, különböző eszközökkel.
Más-más eszközök állnak rendelkezésre például a gammasugárzás, az UV sugarak vagy a rádióhullámok észlelésére.

Rádióhullámok észlelése

A TV antenna úgy "érzékeli" az adást (elektromágneses hullámokat), hogy a megfelelően méretezett "fémszálakban" feszültség indukálódik, ami hordozza a vivőhullámra modulált információt. Ezt alakítja vissza megfelelő módon képpé és hanggá a vevőkészülék.

A két piros ponton jelenik meg az antennafeszültség, ami a TV-készülék antenna bemenetére vezethető.

A "közös" az összes említett jelenségben, hogy mindíg valamilyen fizikai (aztán biokémiai, stb.) kölcsönhatás történt, valami olyan átalakulás, aminek az eredménye számunkra is felfogható.

Vegyi anyagok észlelése
Fentebb láthattuk, hogy az élőlények rendelkeznek "beépített vegyianyag érzékelőkkel" vagyis érzik az ízeket és a szagokat.
A "vegyi érzékelők technikai megfelelői" részben sokkal jobbak, részben sokkal rosszabbak, mint az "élővilág által kifejlesztett eszközök".
Számtalan ilyen eszköz létezik ezek némelyike rendkívül érzékeny, elképesztően kis mennyiségű anyagot képesek vagyunk érzékelni. Ebben tehát "tulszárnyaltuk" a természetet. Viszont általában jókora méretű berendezésekről van szó és messze nem olyan "univerzálisak", mint pl. az orrunk.

Nézzünk néhány példát.

Az utóbbi időben különös hangsúlyt kaptak a füst és szén-monoxid érzékelők.
Ezekben a készülékekben többféle mérési elvet alkalmaznak, pl.:
- a félvezetős érzékelők a felületükön megkötődő szén-monoxid vezetőképességet növelő hatását használják ki
- az elektrokémiai-cellás érzékelő 2 egymástól különböző elektródából és elektrolitból áll. A belsejébe diffundáló szén-monoxid hatására, a katód és az anód között a koncentráció nagyságával arányos elektromos feszültség jön létre.

Az analitika számtalan módszert, eszközt alkalmaz a különböző vegyianyagok észlelésére, kimutatására.

Mindegyik valamilyen fizikai vagy kémiai kölcsönhatáson alapul ugyanúgy, mint az előbb látott szén-monoxid érzékelők.

A tömgespektrométer pl. az elpárologtatott anyagminta ionjait gyorsítja fel egy elektromágneses térben. A különböző ionok a tömegükkel arányosan térülnek el és így - megfelelő számítógépes háttérrel - a minta anyagának összetétele meghatározható.

Vannak persze sokkal egyszerűbb eszközök is, pl. bizonyos reagensekkel átitatott papírcsíkok, amelyekkel egy bizonyos anyag, mondjuk a vércukor meghatározható.
Az alkoholszonda is egy ilyen eszköz. A szervezetben, a vérben jelenlévő alkohol a kilélegzett levegőben is megjelenik. Ennek fizikai vagy kémiai jellemzői felhasználhatók kimutatására megfelelő eszközökben.

Ezen kívül még számtalan különböző, egyszerű és bonyolult, vegyi és elektronikus módszer és eszköz áll rendelkezésre a legkülönfélébb anyagok jelenlétének illetve mennyiségének meghatározására, de mindegyik módszer valamilyen fizikai vagy kémiai kölcsönhatás alapján működik.

Ha nincs kölcsönhatás
Ha valami nem lép kölcsönhatásba, akkor az a valami számunkra nem is létezik.
Az elektromágneses hullámok zöme (egy nagyon keskeny tartományt kivéve) számunkra érzékelhetetlen, mert nem okoz bennünk megfelelő kölcsönhatásokat.
A radioaktív sugárzásoknak is legfeljebb csak a közvetett hatásait érzékeljük.
A neutrínónak nevezett (magreakciók során keletkező) részecskék pl. annyira nem lépnek kölcsönhatásba, hogy gyakorlatilag bármin áthatolnak fénysebességgel, anélkül, hogy bármilyen változást okoznának. (Testünkön is másodpercenként ötvenezer-milliárd neutrínó hatol át anélkül, hogy észlelnénk vagy okozna valamit! Ha a Föld és a Hold közötti 380.000 km-es távolságot ólommal töltenénk ki (ami köztudottan jól elnyel mindenféle sugárzást) azon is "röhögve" átmennének!)

Mégis képesek vagyunk olyan érzékeny eszközöket szerkeszteni, amivel ezeket a részecskéket is észlelhetjük. Ha egy a föld alatt jó mélyen elhelyezett több százezer literes folyékonygáz-tartály falába érzékeny fényérzékelőket helyezünk el (a képen egy ilyen neutrínódetektor látható), akkor a nagyon-nagyon ritkán mégis kölcsönhatásba lépő neutrínók okozta felvillanások alapján észlelhetők. Ebben az óriási mennyiségű anyagban naponta néhány atommal lép kölcsönhatásba!

Olyan érzékeny eszközöket készítünk, hogy pl. a Pioneer űrszondák által több milliárd kilométerről küldött rádióhullámokat is fogni tudtuk. Ezek olyan gyengék voltak, hogy sok milliárd évig gyűjtve lehetett volna 1 másodpercre felvillantani velük egy zseblámpaizzót!

Az areciboi óriásteleszkóp (300 m átmérőjű), amivel a pl. Pioneer űrszondák jeleit fogták.

A fentiek ismeretében érdemes elgondolkozni azon, hogy milyen kölcsönhatásba léphet egy kézben tartott görbe drót a "vízérrel" mondjuk egy nagy ház 10. emeleti lakásában? (Persze egyesek "jópénzért" bármit képesek érzékelni.)

Felhasznált irodalom