Текст книги "Девять цветов радуги"
Автор книги: Александр Штейнгауз
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 23 страниц)
ГЛАЗ И ЗРЕНИЕ
Изучение природы должно включать в себя также изучение чувств человека. Чтобы добиться точности в наших наблюдениях света и цвета, мы должны прежде всего ознакомиться с инструментом, которым нам постоянно приходится пользоваться, а именно – глазом.
М. Миннарт
Вместо вступления
Если вдуматься, каждый орган чувств высших животных, и особенно человека, представляет собой подлинное чудо. Способность слышать и анализировать звуки, ощущать и различать самые разнообразнейшие запахи и определять их значение – столь сложные и тонкие процессы, что, несмотря на огромный прогресс, наука и техника пока не в состоянии воссоздать их, воплотить в каких-либо искусственных приборах и аппаратах. Но ни слух, ни обоняние не могут сравниться со зрением. Оно – самое совершенное, самое богатое по своим возможностям средство познания мира. Недаром же пословица говорит, что «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать».
Возможности зрения зависят не только от свойств самого глаза – они во многом определяются мозгом, с которым глаз связан.
К сожалению, науке еще очень мало известно о зрительных процессах, происходящих в мозгу. В этой области человечество ожидают такие важные открытия, последствия которых невозможно сейчас предвидеть.
Уже с очень давних пор люди стремились усовершенствовать свое зрение, приспособить его для работы в новых и непрерывно усложняющихся условиях. За те века, как родилась и развивалась оптика, было создано очень много простых и сложных приборов, позволивших видеть и наблюдать в тех случаях, когда невооруженный глаз оказывается совершенно бессильным.
В наши дни человеческому взору открыты космос и ничтожные по величине вирусные частицы; он проникает через толщу металлов, ему не страшны расстояния и глубины. Теперь почти весь спектр электромагнитных колебаний, от гамма-излучений до самых длинных радиоволн, в той или иной степени обслуживает потребности человеческого зрения. Для этого созданы и непрерывно совершенствуются рентгеновские аппараты, разнообразнейшие микроскопы, бинокли и телескопы, преобразователи и усилители света, радиолокаторы, радиотелескопы и множество других интереснейших приборов.
Но все эти новые возможности зрения могли и могут быть открыты лишь на основе знаний о природе и законах света и о свойствах первоисточника зрения – нашего глаза. И чем глубже постигаем мы их, тем больше ранее недоступных для наблюдения областей раскрывается перед нами.
Наши глаза
Часто говорят, что природа самый лучший изобретатель. Это правда. Но стоит добавить, что она любит повторять самое себя и не стремится решать сходные задачи каждый раз по-новому. Зато решение всегда оказывается наилучшим, потому что оно неизменно подчиняется закону естественного отбора.
В самом деле, как ни разнообразны виды высших животных, населяющих сушу, глаза их имеют очень большое сходство между собой. В быту мы чаще всего различаем глаза людей по цвету: зеленые, серые, карие, голубые, черные. Но это лишь внешнее несходство: голубоглазый не видит мира в голубом свете, а черноглазый – в черном. Глаза всех людей независимо от расы, пола устроены совершенно одинаково и видят тоже одинаково. Более того, они имеют очень много общего с глазами других млекопитающих и даже птиц, ибо органы зрения построены из очень сходных между собой основных элементов.
Глаз человека, надежно укрытый в глазной впадине черепа, представляет собой близкое к шарообразному тело с диаметром примерно 24 миллиметра. Его твердая наружная оболочка – склера. Видимую часть ее, похожую на нежнейший глазурованный фарфор, расписанный тончайшими узорами кровеносных сосудов, мы называем глазным белком. В передней части глаза склера изменяется по форме, приобретая большую выпуклость, большую кривизну. Одновременно меняется и другое ее свойство: из белой, не проницаемой для света, она превращается в прозрачную роговицу; именно через нее лучи света проникают в глаз.
Внутреннюю поверхность склеры (за исключением роговицы) выстилает второй слой глазной оболочки – разветвленная сеть мельчайших кровеносных сосудов. В области роговицы этот слой переходит в радужную оболочку, в центре которой находится черное круглое отверстие – зрачок.
Разрез глаза человека.
Разглядите в зеркале радужную оболочку своих глаз, посмотрите в глаза своих друзей, и вы увидите, какими они бывают красивыми. Вы увидите в радужной оболочке нежнейшие переливы разнообразных оттенков. Недаром же эта часть глаза носит такое поэтическое название – «радужка».
Однако (хотя, быть может, природа не упускала из виду и такой цели) назначение радужной оболочки состоит вовсе не в украшении глаз человеческих. Она играет очень важную роль, помогая глазу приспосабливаться к различным условиям освещения. Каждый знает (и это легко наблюдать, имея зеркало), что в темноте зрачок становится очень большим и любые глаза кажутся совсем черными, потому что радужная оболочка стягивается в узенькое, незаметное издали колечко. На ярком свету, наоборот, зрачок сильно уменьшается. Ученые измерили эти изменения зрачка: в темноте его диаметр достигает 8 миллиметров, а в яркий солнечный день уменьшается до 2 миллиметров.
Те, кто занимается фотографией, знают, что в объективах существует устройство, очень напоминающее радужную оболочку. Это диафрагма. Действительно, их назначение совершенно тождественно: и та и другая нужны для того, чтобы регулировать количество света, попадающего в глаз или на светочувствительный слой фотопленки. Но между ними есть и большая разница. В подавляющем большинстве фото– и киноаппаратов диафрагму регулируют вручную, руководствуясь либо оценкой «на глазок», либо показаниями специальных приборов – фотоэкспонометров. Размеры же зрачка меняются автоматически, с помощью специальной группы мышц, прикрепленных к радужной оболочке.
Регулированием отверстия зрачка управляет мозг, но происходит это подсознательно, благодаря особому рефлексу. Мы не замечаем и не чувствуем этого процесса, хотя совершается он непрерывно. Интересно отметить, что некоторое сокращение и расширение зрачка происходит даже тогда, когда человек долгое время остается в комнате, где есть только искусственный свет. В те часы, когда «на воле» день, зрачок обследуемого сокращается, а в ночные часы – расширяется, хотя условия освещения на протяжении всего опыта остаются неизменными.
За радужной оболочкой помещается хрусталик – упругое прозрачное двояковыпуклое тело, представляющее собой собирающую линзу. Он находится в особой прозрачной капсуле, которую со всех сторон охватывает кольцеобразная мышца, называемая реснитчатым телом. Если она расслаблена, поверхности хрусталика имеют наименьшую кривизну. Сокращение реснитчатого тела заставляет хрусталик изменять свою форму; при этом выпуклость поверхностей хрусталика увеличивается.
Пространство между роговицей и передней поверхностью хрусталика заполнено прозрачной жидкостью, так называемой камерной влагой. Предполагают, что она образуется в результате особо тонкой фильтрации крови.
Строение хрусталика довольно сложно. Он состоит из нескольких вложенных одна в другую чечевичек. Оптические свойства каждой из них неодинаковы: внутренние преломляют свет сильнее, чем внешние. Роговица и хрусталик совместно представляют собой оптическую систему глаза; они выполняют ту же роль, что и объектив фотоаппарата. Изображение в глазу, даваемое хрусталиком совместно с роговицей, перевернуто вверх ногами так же, как и в фотоаппарате. Этот «недостаток» глаза исправляет мозг. Отделы мозга, ведающие зрением, еще в раннем детстве перестраиваются таким образом, что видимый мир занимает правильное положение.
Чтобы получить хорошую фотографию, нужно обязательно навести на резкость, то есть добиться четкого, нерасплывчатого изображения на фотоэмульсии. Этого мы достигаем, перемещая объектив вдоль продольной оси. Если объект съемки находится очень далеко (практически дальше 50—250 метров), расстояние между объективом и эмульсией должно быть наименьшим. Если же ведется съемка очень близкого предмета, объектив следует дополнительно отодвинуть от пленки.
Так, если объектив имеет фокусное расстояние, равное 5 сантиметрам, то, для того чтобы получить четкий снимок предмета, отстоящего от камеры на 25 сантиметров, необходимо выдвигать объектив вперед. Если вначале он был установлен в положение, соответствующее наводке на бесконечность, его придется выдвинуть на 1,25 сантиметра, то есть ровно на 1/4 фокусного расстояния.
Продевая нитку в игольное ушко, мы держим руки на расстоянии примерно 10–15 сантиметров от глаз. И тогда маленькое отверстие и конец нитки видны ясно и четко. Зато, когда мы любуемся луной или заходящим солнцем, объекты наблюдения находятся от нас на громадных расстояниях. Но воспринимаются они так же четко и ясно, как и игольное ушко. Это происходит потому, что глаз тоже осуществляет наводку на резкость. Только происходит это автоматически. Способность глаза наводиться на резкость различна у разных животных. Наиболее развита она у человека и человекообразных обезьян.
К слову сказать, техника до последних лет не знала, как осуществить автоматическую наводку на резкость в различных фото– и киноустройствах. Сейчас делаются самые первые шаги в этом направлении, и оказывается, что автоматическая наводка на резкость совсем не простая задача.
Способность глаза давать резкое изображение объектов, находящихся на разных расстояниях, называется аккомодацией. Аккомодация, или наводка на резкость, осуществляется с помощью хрусталика. Только происходит она не путем перемещения хрусталика в глазу вдоль оптической оси, а путем изменения кривизны его поверхностей или, иными словами, путем изменения фокусного расстояния оптической системы глаза. Когда мы смотрим вдаль, хрусталик делается наименее выпуклым, а фокусное расстояние наибольшим; когда разглядываем ближние предметы, хрусталик становится более выпуклым.
К сожалению, с возрастом аккомодация глаза ухудшается, так как хрусталик теряет свои упругие свойства. Уже к сорока годам аккомодация значительно падает, а к семидесяти пяти годам глаз почти полностью теряет способность одинаково резко видеть (без помощи очков) как близкие, так и далекие предметы.
Хрусталик послужил когда-то образцом для первых стеклянных линз. С тех пор прошло много веков, и искусство варки и обработки стекла достигло высокой степени совершенства. Оптические предприятия многих развитых стран изготавливают из оптического стекла линзы и зеркала самой различной формы и размеров. Одни можно разглядеть только в лупу, другие – огромных размеров. Например, для Крымской обсерватории было сделано стеклянное зеркало для телескопа-рефлектора весом 4 тонны и рабочим диаметром 2,6 метра. Его обработка велась при строго постоянной температуре и длилась 15 месяцев.
Изменение выпуклости хрусталика позволяет людям четко видеть предметы и людей, находящихся на различных расстояниях. При правильной аккомодации изображение фокусируется точно на сетчатке и воспринимается нами четко. У близорукого человека изображение фокусируется не на сетчатке, а ближе к хрусталику; у дальнозоркого, наоборот, четко сфокусированное изображение должно находиться за сетчаткой, вне пределов глаза. Чтобы видеть четко, близорукому или дальнозоркому человеку необходимо носить очки.
В самые последние годы ученые и инженеры сумели создать новые типы объективов, обладающих очень ценными свойствами. Это так называемые варифокальные объективы, фокусное расстояние которых может плавно изменяться в широких пределах по желанию оператора. Иногда такие объективы называют резиновыми. Они представляют собой весьма сложные оптико-механические системы, состоящие из нескольких стеклянных линз, каждая из которых сама по себе имеет неизменное фокусное расстояние.
Но одиночную линзу с переменным фокусным расстоянием пока еще изобрести никому не удалось. Создать линзу по типу хрусталика, используя неупругое стекло, невозможно. Для этого следует искать новые оптические материалы. Теперь, когда промышленность пластиков бурно развивается, можно надеяться, что будет найден и такой пластик, который окажется пригодным для создания искусственного хрусталика. А он очень нужен в медицине для лечения грозной болезни: катаракты – помутнения хрусталика. Но в нем нуждаются не только больные. Можно смело сказать, что изобретение линз с переменным фокусным расстоянием привело бы к революции в ряде областей оптической промышленности.
Сосудистая оболочка глаза, о которой уже говорилось, не является последней. За ней следует слой особых клеток, содержащих в себе фусцин – черный пигмент. Их назначение станет ясным несколько позже.
И, наконец, последняя, самая важная и наиболее интересная для нас оболочка – сетчатка, или ретина. Именно она делает наш глаз зрячим. Сетчатка имеет очень сложное строение, и сама состоит из многих слоев. Здесь не стоит говорить о каждом из них, тем более, что назначение некоторых слоев до сих пор неясно науке. Зато следует подробно рассказать о тех клетках, которые воспринимают свет и преобразуют в сигналы, идущие в мозг. Эти клетки изучены относительно подробно.
Оказывается, в сетчатке глаза есть два типа светочувствительных клеток. Это– палочки и колбочки, получившие такие названия благодаря своей форме.
Палочка (слева) и колбочка.
Глядя на их изображение, вы сможете убедиться, что сходство со своими прообразами у них крайне отдаленное. Это лишний пример того, как тщательно следует выбирать научные термины и как осторожно приходится толковать даже самые простые слова, если они одновременно употребляются языком науки.
Внутреннее пространство глаза между хрусталиком и сетчаткой заполнено особым прозрачным веществом, называемым стекловидным телом.
Размеры светочувствительных клеток очень малы. Диаметр палочки примерно равен 0,002 миллиметра (2 микронам), ее длина около 0,06 миллиметра (60 микронов). Диаметр колбочки несколько больше, в среднем 0,005 миллиметра (5 микронов), а длина – 0,07 миллиметра (70 микронов).
В процессе эволюционного развития глаза, который впервые зародился у живых существ, населявших океан, первыми светочувствительными клетками были палочки. Они давали возможность морским животным видеть в глубинах вод, где есть лишь рассеянный солнечный свет, проникающий сквозь толщу воды. Колбочки появились гораздо позже, лишь после того, как живые существа стали приспосабливаться к жизни на суше.
В палочках содержится особое вещество розового цвета – зрительный пурпур, или родопсин. Под воздействием света зрительный пурпур разлагается, выцветает. Этот процесс идет тем быстрее, чем больше света попадает в палочку. Когда же свет прекращает действие, родопсин снова восстанавливает свои первоначальные свойства. Разложение родопсина представляет собой сложную фотохимическую реакцию, суть которой пока не очень ясна ученым. Для нас это несущественно. Важно лишь то, что эта реакция сопровождается возникновением электрохимических потенциалов в палочке или колбочке, которые по зрительному нерву передаются в мозг. Именно эти электрические сигналы переносят в мозг информацию о свете, цвете и форме предметов. В мозгу они расшифровываются особыми органами и воспринимаются как изображение окружающего.
Совсем недавно (всего лишь в 1940 году) в колбочках было открыто светочувствительное вещество фиолетового цвета, названное иодопсином. Его назначение то же, что и у зрительного пурпура. Однако роль колбочек отличается от роли палочек.
Палочки гораздо чувствительнее колбочек. Палочки позволяют нам видеть в сумерках, при слабом освещении, но зато не дают возможности ощущать и различать цвета. Пословица недаром говорит, что «ночью все кошки серы». Это не шутка. В темноте мы действительно не различаем цветов, а можем лишь определить разницу в освещенностях: дорога светлее растущих по ее обочинам кустов, дальний лес темнее неба, однако ни зелени листьев, ни синевы небес, ни цвета дорожной пыли мы не различаем. Но стоит лишь наступить дню, как все вокруг меняется, весь мир становится ярким и красочным; вместо смутных расплывчатых контуров мы видим окружающее во всем его великолепном разнообразии. Этим мы обязаны колбочкам, именно они обеспечивают цветное зрение.
Палочек в глазу человека очень много – около 130 миллионов, приблизительно в полтора раза меньше, чем населения в СССР; колбочек значительно меньше – 7 миллионов, примерно столько же, сколько жителей в Москве. Палочки располагаются по всей поверхности сетчатки, а колбочки группируются в ее центральной части, особенно в «столице» сетчатки, в так называемом желтом пятне.
Конечно, это сравнение не стоит понимать буквально. Колбочки имеются и в других частях сетчатки, а палочки содержатся и в желтом пятне. Но если в желтом пятне преобладают колбочки, то вне его господствуют палочки. Тем не менее желтое пятно не зря сравнивалось со столицей. Оно действительно чрезвычайно важный участок ретины. Потому что только те объекты, которые проектируются на желтое пятно, видны в деталях; особенно же четко мы видим те предметы, изображение которых попадает на центральный участок желтого пятна, где расположена центральная ямка. На поверхности центральной ямки имеются только колбочки (от 30 тысяч до 50 тысяч). Что же касается участков изображения, попадающих на остальную часть сетчатки – вне желтого пятна и, особенно, центральной ямки, – то они видны значительно менее четко.
Палочки и колбочки соединяются с волокнами зрительных нервов. По ним в мозг передаются сигналы, вырабатываемые палочками и колбочками. Светочувствительных клеток в глазу 137 миллионов, волокон же в зрительном нерве всего миллион. Поэтому можно предположить, что каждое из нервных окончаний «подключено» не к одной, а к нескольким клеткам. Это – правильное предположение. В периферических частях сетчатки одно нервное волокно соединяется со многими (от 100 до 400) палочками и с несколькими находящимися в этом же месте колбочками. Зато в центральной ямке каждая колбочка соединена с отдельным нервным волокном.
Все нервные волокна сходятся в глазу к одному месту и здесь образуют миллионожильный «кабель» – ствол зрительного нерва, который «подключается» к мозгу. То место сетчатки, где нервные волокна собираются в единый пучок и откуда выходит ствол зрительного нерва, не содержит светочувствительных клеток. Здесь находится слепое пятно сетчатки. Человек не воспринимает изображений, попадающих на него. Слепое пятно довольно велико, практически не меньше желтого пятна. На его поверхности могло бы разместиться изображение 11 полных лун или пятиэтажного дома, находящегося на расстоянии в несколько сотен метров.
Интересно отметить, что мы почти никогда не ощущаем наличия в глазу такой большой слепой зоны. Только иногда, глядя в небо, мы вдруг замечаем быстро перемещающуюся черную точку. Это не самолет, не птица и вообще не какой-либо отдаленный предмет, потому что, как бы мы ни старались вглядеться в эту точку, она тотчас ускользает, что не свойственно ни одному из внешних объектов.
В наличии слепого пятна читатели могут убедиться, посмотрев на рисунок крестика и черного кружка. Надо закрыть левый глаз, а правым, не отрывая взгляда, смотреть на крестик. Затем книгу с рисунком плавно отодвигают на расстояние 20–30 сантиметров. В какой-то момент вы перестанете видеть кружок, потому что изображение его в это время попадет в область слепого пятна.
Зажмурьте левый глаз и, глядя на крестик, придвигайте и отодвигайте книгу до тех пор, пока изображение кружка не исчезнет. Это будет означать, что изображение кружка попало на слепое пятно.
Для того чтобы добиться результата, необходимы воля и некоторая тренировка.
Почему трудно провести этот опыт и почему мы не замечаем мешающего действия слепого пятна, узнаем несколько позже.
Нередко приходится слышать утверждение, что многие животные (например, собаки, коровы) не различают цветов, что мир-де представляется им бесцветным, как нам в обычном кино. Это неправильно. Колбочки не являются привилегией только человека. Все животные, в глазах которых содержатся колбочки, различают цвета.
Более того, у животных, ведущих дневной образ жизни, в сетчатке содержатся почти одни колбочки. Таковы многие птицы, в том числе куры и голуби. В сетчатке птиц желтых пятен не одно, а больше: два или даже три. Недавно ученые провели опыты и выяснили, что голубь различает цвета даже лучше, чем человек.
Этот голубь был приучен реагировать на свет только строго определенного цвета. Когда в круглом окошечке (вверху) вспыхивал световой сигнал заданного цвета, в кормушке появлялся корм. При сигналах другого цвета кормушка оставалась пустой. Голубь научился разбираться в оттенках, и оказалось, что он разбирается в них даже лучше, чем человек.
Как известно, куры устраиваются на ночлег очень рано. Если же их разбудить ночью, их поведение крайне суматошно и глупо. Часто во время ночных пожаров они даже кидаются в огонь. Теперь мы можем легко объяснить и их ранний сон, и даже противоестественную тягу к ночному огню. Это происходит потому, что глаза их содержат почти одни колбочки и поэтому слепнут с наступлением сумерек. Если же ночью испуганную курицу снять с нашеста, она будет совершенно слепа, и единственно, что она будет видеть, это огонь и наиболее ярко освещенные места. Вполне понятно, что она будет стремиться туда, где отступит ее слепота и где она не будет чувствовать себя столь беззащитной, где самый главный орган чувства, спасавший ее ранее от всех опасностей, окажется работоспособным.
Зато глаза сов, летучих мышей, которым нужно хорошо видеть в темноте, почти не содержат колбочек – все они действительно плохо различают цвета.
Правда, летучая мышь вообще мало полагается на свои глаза, и поэтому уши ей часто заменяют глаза. Во время полета летучая мышь издает очень громкий, отрывистый писк. Мы его не услышим, потому что это чрезвычайно тонкий, ультразвуковой писк, но сама мышь слышит его эхо, отражающееся от всякого рода препятствий (даже протянутой проволоки), и отлично ориентируется при полете.
