Наука и техника: прошлое и настоящее

Зрение с позиций физики и биологии

Большую часть информации об окружающем мире человек получает через зрение. И его изучение очень поучительно, ибо позволяет школьникам показать взаимодействие физики и биологии.

Кванты света падают на сетчатку глаза. Их путь без труда может быть описан в терминах обычной школьной физики. А дальше человек анализирует пришедшую с этими квантами информацию и строит в своём сознании образ окружающего мира. Чтобы понять, как строится этот образ, школьной физики совершенно недостаточно. Как, впрочем, и школьной биологии. Но здесь-то и самое интересное в изучении зрения.

С первого взгляда всё кажется простым. На сетчатке находятся фоточувствительные клетки. Когда на них попадает свет, подходящее к фоточувствительным клеткам нервное окончание возбуждается, сигнал идёт в мозг и там подвергается обработке. Однако по дороге происходит много интересных событий.

Педагогический опыт показывает, что большая часть школьников не может просто и популярно объяснить, зачем в глазу нужна линза (хрусталик). А неумение просто объяснить что бы то ни было свидетельствует о непонимании. Давайте себе представим, что фоточувствительная пластинка (сетчатка) расположена прямо на поверхности кожи. Что мы с её помощью сможем рассмотреть? К сожалению, ничего.

Дело в том, что все точки на поверхности маленькой по сравнению с объектами окружающего мира сетчатки освещены практически одинаково. Поэтому с помощью такого устройства можно оценить общую освещённость, но нельзя определить расположение отдельных предметов.

Чтобы увидеть отдельные предметы, нужно, чтобы световые лучи, падающие на сетчатку под разными углами, падали в разные точки сетчатки. Такого результата можно достигнуть, если, например, поместить сетчатку на поверхность пузырька, впячивающегося внутрь тела.

С помощью такой конструкции можно в принципе различать отдельные предметы. Но у пузырька есть серьёзный недостаток. Чтобы изображение на поверхности пузырька не расплывалось, нужно, чтобы отверстие между внешней средой и пузырьком было как можно меньше. Тогда разброс площади, на которую падает луч, идущий под определённым углом, будет небольшим. Но для того, чтобы изображение было ярким, нужно, чтобы отверстие между внешней средой и пузырьком было как можно больше. Ведь энергия, проникающая внутрь глаза, пропорциональна площади отверстия.

Противоречие, однако!..

Биологическая эволюция, так же как и история техники, это история разрешения противоречий. Противоречие, связанное с размером отверстия, ведущего внутрь пузырька, было разрешено благодаря «изобретению» линзы. Линза – это устройство, которое может послать лучи, падающие на неё под разными углами, в разные точки поверхности, расположенной на некотором расстоянии. Соотношение между расстоянием от линзы до рассматриваемого предмета (L) и расстоянием от линзы до чёткого изображения (d) описывается изучаемой в школе «формулой линзы»: 1/F = 1/L + 1/d. F – это фокусное расстояние линзы. Чем более выпуклой является линза, тем меньше её фокусное расстояние.

Линза позволяет сделать отверстие, ведущее внутрь пузырька, достаточно большим без ущерба для чёткости изображения. А для того, чтобы рассматривать предметы, расположенные на разных расстояниях от глаза (изменять d), можно изменять либо F (сжимая или разжимая линзу), либо L, увеличивая или уменьшая расстояние от линзы до фоточувствительной поверхности (от хрусталика до сетчатки).

Человек решает эту проблему, сжимая и разжимая хрусталик с помощью мышцы. А некоторые рыбы и головоногие моллюски с помощью мышц сжимают и разжимают глазное яблоко (пузырь), изменяя расстояние от хрусталика до сетчатки.

Сжимая и разжимая отверстие, ведущее внутрь пузырька (зрачок), можно регулировать количество поступающего в глаз света. На ярком свету зрачок лучше сузить, а в темноте – расширить. Устройство, позволяющее это делать, есть и в фотоаппарате. Оно называется диафрагмой.

Как-то «Шерлок Холмс» средневекового Китая, судья Ди, расследовал дело о смерти настоятеля монастыря. В руках у мёртвого настоятеля нашли кисточку для туши, а рядом – рисунок, изображавший монастырского кота: покойный очень часто рисовал любимое животное с натуры. Взглянув на рисунок, судья сразу понял, что свидетельские показания о времени смерти настоятеля не заслуживают доверия. И разоблачил преступника. Что судья увидел на рисунке, читатели догадаются сами.

У насекомых в процессе эволюции возникла совершено иная конструкция глаза. Как мы помним, проблема заключается в том, что лучи, падающие под разными углами, должны попадать в разные точки фоточувствительной поверхности. Глаз насекомого – это большое число ячеек с чёрными боковыми стенками, направленными в разные стороны. А фоточувствительная поверхность расположена на дне ячейки. Чёрные стенки поглощают свет, идущий сбоку, и до фоточувствительной поверхности доходят только лучи, падающие перпендикулярно. Такой глаз называют фасеточным.

Достоинство фасеточного глаза заключается в том, что его не нужно «наводить на резкость», недостаток же его в том, что боковые стенки поглощают слишком большую долю падающего света.

С помощью линзы в принципе невозможно увидеть предмет, расположенный на расстоянии меньше фокусного. А фасеточный глаз такого ограничения не имеет. Он хорош для того, чтобы рассматривать предметы, расположенные на близком и очень близком расстоянии. Для большинства насекомых этого вполне достаточно.

В глазу человека есть две относительно независимые системы: система чёрно-белого и система цветового зрения. Независимость этих двух систем становится очевидной в сумерках, когда цветовое зрение отключается, и все кошки становятся серыми. Чтобы понять главный парадокс чёрно-белого зрения, нужно задать себе наивный вопрос: «Что мы видим, когда не видим ничего?» Ответ будет неожиданым. Когда никакие световые лучи на наш глаз не падают, мы видим… яркий чёрный цвет!

Свет на сетчатку не падает, а сигнал всё равно есть! Где же рождается этот сигнал? Ответ очевиден – в мозге. А сигналы, приходящие в мозг от сетчатки, отключают внутренний сигнал чёрного света. В нервной системе наряду с возбуждением существует ещё и торможение. Сигнал, пришедший по одной нервной клетке, может вызвать сигнал в другой нервной клетке. А может, наоборот, заблокировать проведение сигнала. В физиологии этот процесс называют торможением. Сигналы, идущие с сетчатки, не только информируют мозг о каких-то зрительных ощущениях, они ещё и тормозят фоновые сигналы чёрного цвета. Это уже чисто биологический процесс, обусловленный устройством мозга. В природе чёрного цвета нет.

Узнавание предметов, которые видишь, вообще говоря, не такой простой процесс. Дело в том, что одни и те же предметы с разных сторон выглядят по-разному. Поэтому их приходится домысливать.

Есть основания считать, что новорождённый ребёнок неспособен распознавать предметы. Он учится этому искусству постепенно, когда с увлечением вертит погремушки и разные другие вещи. Ведь это так интересно, когда один и тот же предмет вдруг начинает выглядеть по-другому, оставаясь при этом самим собой. Получается, что человек, по-большому счёту, видит не предметы, а цветовые пятна. А предметы он домысливает, исходя из своего прошлого опыта.

Помимо чёрно-белого зрения у человека есть ещё и зрение цветовое. В природе нет отдельных, качественно отличающихся друг от друга цветов. А есть электромагнитное излучение разных длин волн. Качественные различия между цветами возникают в мозге, причём у нас нет способа определить, одинаковыми ли разные люди видят разные цвета. Но в любом случае электромагнитные лучи разных длин волн формируют разные ощущения.

Дифференциация электромагнитного излучения разной длины волны оказывается возможной благодаря тому, что клетки сетчатки реагируют на излучение «своей» длины волны. «Технически» это можно реализовать двумя способами. Способ первый: в разных клетках находятся разные пигменты, поглощающие в разных областях спектра. Способ второй: перед разными клетками стоят разные светофильтры, пропускающие в клетки излучение разной длины волны. А пигмент, поглощающий свет, во всех клетках одинаков и имеет широкую полосу поглощения.

Цветовое зрение млекопитающих реализуется с помощью первого механизма, цветовое зрение некоторых птиц – с помощью второго. В сетчатке глаза человека есть три пигмента, обеспечивающие восприятие разных цветов. Один имеет максимум поглощения в красной области, другой – в зелёной, третий – в синей. Как известно, смесь всех цветов представляет собой белый цвет. Это означает, что цветовое зрение отключается. Отключается потому, что сигналы от клеток, воспринимающих излучение в разных областях спектра, тормозят и гасят друг друга. Этот факт свидетельствует о важной роли торможения в восприятии цветов.

Всё богатство воспринимаемых нами цветов определяется сложной игрой возбуждения-торможения в нашей нервной системе.

Разговор о зрении на уроках физики очень поучителен. Прежде всего тем, что он позволяет отделить чисто физические явления, от явлений, связанных с процессами, происходящими в нашем мозге. Нет в неживой природе чёрного цвета, и смесь излучений в разных областях спектра белого цвета не даёт. Наш мозг превращает объективную реальность в субъективную. И тем не менее эта искажённая субъективная реальность позволяет нам успешно ориентироваться в окружающем мире и по мере развития науки понять реальность объективную.