Az emberi szem csodálatos képességei: kozmikus látás és láthatatlan sugarak. Látásélesség

10.08.2020

A látás az a csatorna, amelyen keresztül az ember az őt körülvevő világra vonatkozó összes adat mintegy 70%-át megkapja. És ez csak azért lehetséges, mert az emberi látás az egyik legbonyolultabb és legcsodálatosabb vizuális rendszer bolygónkon. Ha nem lenne látás, valószínűleg mindannyian csak a sötétben élnénk.

Az emberi szemnek tökéletes szerkezete van, és nem csak színben, hanem három dimenzióban és a legmagasabb élességgel is látást biztosít. Képes azonnal megváltoztatni a fókuszt különféle távolságokban, szabályozni a bejövő fény hangerejét, megkülönböztetni a rengeteg színt és még több árnyalatot, kijavítani a gömbi és kromatikus aberrációkat stb. A retina hat szintje kapcsolódik a szem agyához, amelyben még az információ agyba küldése előtt az adatok egy tömörítési szakaszon mennek keresztül.

De hogyan működik a látásunk? Hogyan alakíthatjuk át képpé a tárgyakról visszaverődő szín fokozásával? Ha komolyan belegondolunk, arra a következtetésre juthatunk, hogy az emberi látórendszer felépítését a legapróbb részletekig az azt létrehozó Természet „gondolta ki”. Ha inkább azt hiszed, hogy a Teremtő vagy valami Felsőbb Erő felelős az ember teremtéséért, akkor ezt az érdemet nekik tulajdoníthatod. De ne értsük, hanem beszéljünk tovább a látás eszközéről.

Hatalmas mennyiségű részlet

A szem szerkezete és fiziológiája valóban ideálisnak nevezhető. Gondoljon bele: mindkét szem a koponya csontos üregeiben található, ami megvédi őket mindenféle sérüléstől, de csak azért állnak ki belőlük, hogy a lehető legszélesebb vízszintes látást biztosítsák.

A szemek egymástól való távolsága biztosítja a térbeli mélységet. És maguk a szemgolyók, amint az bizonyos, gömb alakúak, aminek köszönhetően négy irányban foroghatnak: balra, jobbra, fel és le. De mindezt mindannyian természetesnek tekintjük – kevesen gondolnak arra, hogy milyen lenne, ha a szemünk négyzet vagy háromszög alakú lenne, vagy mozgásuk kaotikus lenne – ettől a látás korlátozottá, zavarttá és hatástalanná válna.

Tehát a szem szerkezete rendkívül nehéz, de pontosan ezt teszi. lehetséges munka körülbelül négytucatnyi különféle összetevője. És még ha nem is lenne ezek közül az elemek közül, a látás folyamata megszűnne úgy végrehajtani, ahogyan azt végre kell hajtani.

Ha látni szeretné, milyen összetett a szem, javasoljuk, hogy fordítsa figyelmét az alábbi képre.

Beszéljünk arról, hogy a vizuális észlelés folyamata hogyan valósul meg a gyakorlatban, a vizuális rendszer mely elemei vesznek részt ebben, és mindegyikük miért felelős.

Elhaladó fény

Ahogy a fény közeledik a szemhez, a fénysugarak összeütköznek a szaruhártyával (más néven szaruhártya). A szaruhártya átlátszósága lehetővé teszi, hogy a fény átjusson rajta a szem belső felületére. Az átláthatóság egyébként az lényeges jellemző szaruhártya, és átlátszó marad annak a ténynek köszönhetően, hogy egy speciális fehérje, amelyet tartalmaz, gátolja az erek fejlődését - ez a folyamat az emberi test szinte minden szövetében előfordul. Abban az esetben, ha a szaruhártya nem lenne átlátszó, a látórendszer többi összetevőjének nem lenne értéke.

Többek között a szaruhártya megakadályozza belső üregek szemét az alomra, porra és bármilyen kémiai elemre. A szaruhártya görbülete pedig lehetővé teszi, hogy megtörje a fényt, és segítse a lencsét a fénysugarakat a retinára fókuszálni.

Miután a fény áthaladt a szaruhártyán, áthalad egy kis lyukon, amely a szem íriszének közepén található. Az írisz viszont egy kör alakú membrán, amely a lencse előtt helyezkedik el, közvetlenül a szaruhártya mögött. Az írisz a szem színét adó elem is, a szín pedig az íriszben uralkodó pigmenttől függ. Az íriszben lévő központi lyuk mindannyiunk számára ismerős pupilla. Ennek a lyuknak a mérete változtatható a szembe jutó fény mennyiségének szabályozásához.

A pupilla mérete közvetlenül a szivárványhártya hatására változik, és ez egyedi szerkezetének köszönhető, mivel két különböző típusú izomszövetből áll (még itt is vannak izmok!). Az első izom körkörös szorítás - körkörösen az íriszben található. Ha erős a fény, összehúzódik, aminek következtében a pupilla összehúzódik, mintha az izom húzná befelé. A második izom tágul - radiálisan helyezkedik el, azaz. az írisz sugara mentén, ami egy kerék küllőihez hasonlítható. Sötét fényben ez a második izom összehúzódik, és az írisz kinyitja a pupillát.

Sokan még mindig nehézségekbe ütköznek, amikor megpróbálják elmagyarázni, hogyan alakulnak ki az emberi látórendszer fent említett elemei, elvégre bármilyen más köztes formában, pl. az evolúció bármely szakaszában egyszerűen nem működhettek, de az ember létezésének kezdetétől lát. Rejtély…

Összpontosítás

A fenti szakaszok megkerülésével a fény áthalad az írisz mögött található lencsén. A lencse egy domború, hosszúkás gömb alakú optikai elem. A lencse teljesen sima és átlátszó, nincsenek benne erek, maga pedig egy rugalmas tasakban található.

A lencsén áthaladva a fény megtörik, majd a retina fossa-ra fókuszál - a legérzékenyebb helyre, amely maximális számú fotoreceptort tartalmaz.

Fontos megjegyezni, hogy az egyedi szerkezet és összetétel a szaruhártya és a lencse nagy törőképességét biztosítja, garantálva a rövid gyújtótávolságot. És milyen csodálatos, hogy egy ilyen összetett rendszer egyetlen szemgolyóban is elfér (gondoljunk csak bele, hogyan nézne ki az ember, ha például egy méter kellene a tárgyakból érkező fénysugarak fókuszálásához!).

Nem kevésbé érdekes, hogy e két elem (szaruhártya és lencse) együttes törőereje kiváló korrelációban van a szemgolyóval, és ez nyugodtan nevezhető újabb bizonyítéknak arra, hogy a látórendszer egyszerűen felülmúlhatatlanul jön létre, mert a fókuszálás folyamata túl bonyolult ahhoz, hogy úgy beszéljünk róla, mint ami csak lépcsőzetes mutációk – evolúciós szakaszok – révén ment végbe.

Ha a szemhez közel elhelyezkedő tárgyakról beszélünk (általában a 6 méternél kisebb távolságot közelnek tekintjük), akkor még mindig érdekesebb, mert ebben a helyzetben a fénysugarak törése még erősebbnek bizonyul. . Ezt a lencse görbületének növekedése biztosítja. A lencse ciliáris szalagok segítségével kapcsolódik a ciliáris izomhoz, amely összehúzódásával lehetővé teszi, hogy a lencse domborúbb formát vegyen fel, ezáltal megnő a törőereje.

És itt is nem szabad megemlíteni a lencse legbonyolultabb felépítését: sok, egymáshoz kapcsolódó sejtekből álló szála épül fel belőle, vékony övek kötik össze a ciliáris testtel. A fókuszálás az agy irányítása alatt rendkívül gyorsan és teljesen „automatikusan” történik - lehetetlen, hogy egy személy tudatosan megvalósítsa ezt a folyamatot.

A "film" jelentése

A fókuszálás eredményeként a kép a retinára fókuszál, amely egy többrétegű, fényre érzékeny szövet, amely a hátat borítja. szemgolyó... A retina hozzávetőleg 137 000 000 fotoreceptort tartalmaz (összehasonlításképpen a modern digitális fényképezőgépek említhetők, amelyekben nem több, mint 10 000 000 ilyen érzékelőelem). A fotoreceptorok ilyen nagy száma annak a ténynek köszönhető, hogy rendkívül szorosan helyezkednek el - körülbelül 400 000 / 1 mm².

Itt nem lesz felesleges idézni Alan L. Gillen mikrobiológus szavait, aki "The Body by Design" című könyvében a szem retinájáról, mint a mérnöki tervezés remekéről beszél. Úgy véli, hogy a retina a szem legcsodálatosabb eleme, összehasonlítható a fényképészeti filmekkel. A szemgolyó hátulján található fényérzékeny retina sokkal vékonyabb, mint a celofán (vastagsága nem haladja meg a 0,2 mm-t), és sokkal érzékenyebb, mint bármely ember által készített fotófilm. Ennek az egyedülálló rétegnek a sejtjei akár 10 milliárd fotont is képesek feldolgozni, míg a legérzékenyebb kamera csak néhány ezret. De még meglepőbb, hogy az emberi szem még sötétben is képes felvenni néhány fotont.

A retina összesen 10 fotoreceptor sejtrétegből áll, amelyek közül 6 fényérzékeny sejtréteg. A 2 típusú fotoreceptor speciális alakú, ezért nevezik őket kúpoknak és pálcikáknak. A rudak rendkívül érzékenyek a fényre, és fekete-fehér érzékelést és éjszakai látást biztosítanak a szemnek. A kúpok viszont nem annyira érzékenyek a fényre, de képesek megkülönböztetni a színeket - a kúpok optimális működését nappal figyelik meg.

A fotoreceptorok munkájának köszönhetően a fénysugarak elektromos impulzusok komplexumaivá alakulnak át, és hihetetlenül nagy sebességgel jutnak el az agyba, és ezek az impulzusok a másodperc töredéke alatt több mint egymillió idegrostot legyőznek.

A fotoreceptor sejtek kommunikációja a retinában nagyon összetett. A kúpok és rudak nem kapcsolódnak közvetlenül az agyhoz. Miután megkapták a jelet, átirányítják azt a bipoláris sejtekre, az általuk már feldolgozott jeleket pedig a ganglionsejtekre irányítják, amelyekből több mint egymillió axon (neurit, amelyen keresztül az idegimpulzusok átvitele történik) egyetlen egységet alkot. látóideg amelyen keresztül az adatok az agyba jutnak.

A közbenső neuronok két rétege, mielőtt vizuális adatokat küldenének az agyba, megkönnyíti ennek az információnak a párhuzamos feldolgozását a retinában található hat érzékelési szinten. Erre azért van szükség, hogy a képeket a lehető leggyorsabban felismerjük.

Az agy észlelése

Miután a feldolgozott vizuális információ az agyba kerül, elkezdi válogatni, feldolgozni, elemezni, és az egyes adatokból egy egész képet alkot. Természetesen még sok minden ismeretlen az emberi agy működésével kapcsolatban, de még az is elég, hogy a tudományos világ mit tud nyújtani ma a csodálkozáshoz.

Két szem segítségével két "kép" keletkezik az embert körülvevő világról - minden retinához egy. Mindkét "kép" átkerül az agyba, és a valóságban az ember két képet lát egyszerre. De hogyan?

De a lényeg a következő: az egyik szem retinájának pontja pontosan megegyezik a másik szem retinájának pontjával, és ez azt sugallja, hogy az agyba belépő mindkét kép egymásra helyezhető és kombinálható, hogy egyetlen képet kapjunk. . Az egyes szemek fotoreceptorai által kapott információ az agy látókérgében konvergál, ahol egyetlen kép jelenik meg.

Abból adódóan, hogy a két szemnek eltérő vetülete lehet, némi inkonzisztencia figyelhető meg, de az agy úgy hasonlítja össze és kapcsolja össze a képeket, hogy az ember ne érezzen következetlenséget. Ezenkívül ezek az eltérések felhasználhatók a térbeli mélység érzésére.

Tudniillik a fénytörés miatt az agyba belépő vizuális képek kezdetben nagyon kicsik és fordítottak, de "kimenetben" azt a képet kapjuk, amit látni szoktunk.

Ezenkívül a retinában a képet az agy két részre osztja függőlegesen - egy vonalon keresztül, amely áthalad a retina fossan. A két szemmel készített képek bal oldala, a jobb oldala pedig balra kerül átirányításra. Tehát a megfigyelő személy mindegyik féltekéje csak a látottak egy részéről kap adatokat. És ismét - "a kimeneten" szilárd képet kapunk a kapcsolat nyoma nélkül.

A képszétválasztás és a rendkívül összetett optikai pályák arra késztetik az agyat, hogy minden féltekét külön-külön láthasson az egyes szemekkel. Ez lehetővé teszi, hogy felgyorsítsa a bejövő információáramlás feldolgozását, és látást biztosít az egyik szemével, ha hirtelen valaki valamilyen okból nem lát a másikkal.

Megállapítható, hogy az agy a vizuális információ feldolgozása során eltávolítja a „vakfoltokat”, a szem mikromozgásaiból, pislogásból, látószögből stb. adódó torzulásokat, megfelelő integrált képet kínálva tulajdonosának a megfigyeltről.

A vizuális rendszer másik fontos eleme az. Semmiképpen sem lehet lekicsinyelni ennek a kérdésnek a jelentőségét, hiszen ahhoz, hogy megfelelően tudjuk használni a látásunkat, tudnunk kell elfordítani a szemünket, felemelni, leengedni, egyszóval mozgatni a szemünket.

Összesen 6 külső izmot lehet megkülönböztetni, amelyek a szemgolyó külső felületéhez kapcsolódnak. Ezek az izmok 4 egyenes (alsó, felső, oldalsó és középső) és 2 ferde (alsó és felső) izomból állnak.

Abban a pillanatban, amikor valamelyik izom összehúzódik, a vele szemben lévő izom ellazul - ez biztosítja a szem egyenletes mozgását (különben minden szemmozgás rándítással történik).

Két szem elfordítása automatikusan megváltoztatja mind a 12 izom mozgását (szemenként 6 izom). És figyelemre méltó, hogy ez a folyamat folyamatos és nagyon jól koordinált.

A híres szemész, Peter Janey szerint a szervek és szövetek összekapcsolásának ellenőrzése és koordinálása a központi idegrendszer mind a 12 szemizom idegein keresztül (ezt beidegzésnek nevezik) az agyban végbemenő nagyon összetett folyamatok egyike. Ha ehhez hozzáadjuk a tekintet átirányításának pontosságát, a mozdulatok simaságát és egyenletességét, a szem forgási sebességét (és ez összeadódik másodpercenként 700°-kal), és mindezt összeadjuk, akkor tulajdonképpen egy fenomenális eredményt kapunk. teljesítmény szempontjából mozgatható szemrendszer. És az a tény, hogy az embernek két szeme van, még nehezebbé teszi - a szemek szinkron mozgásával ugyanaz az izom beidegzés szükséges.

A szemet forgató izmok különböznek a csontváz izmaitól. sokféle rostból állnak, és még nagyobb számú neuron irányítja őket, különben a mozgások pontossága lehetetlenné válna. Ezeket az izmokat azért is nevezhetjük egyedinek, mert képesek gyorsan összehúzódni és gyakorlatilag nem fáradnak el.

Tekintettel arra, hogy a szem az emberi test egyik legfontosabb szerve, folyamatos ápolást igényel. Pont erre szolgál a szemöldökből, szemhéjból, szempillából és könnymirigyekből álló „integrált tisztítórendszer”, ha lehet annak nevezni.

A könnymirigyek segítségével rendszeresen ragadós folyadék keletkezik, amely lassú sebességgel halad lefelé a szemgolyó külső felületén. Ez a folyadék lemossa a szaruhártyáról a különféle törmeléket (port stb.), majd bejut a belső könnycsatornába, majd az orrcsatornán lefolyik, kiürül a szervezetből.

A könnyek nagyon erős antibakteriális szert tartalmaznak, amely elpusztítja a vírusokat és baktériumokat. A szemhéjak ablaktörlőként funkcionálnak – 10-15 másodpercenkénti időközönként önkéntelen pislogással tisztítják és hidratálják a szemet. A szemhéjakkal együtt a szempillák is működnek, megakadályozva, hogy bármilyen törmelék, szennyeződés, mikroba stb. kerüljön a szembe.

Ha a szemhéjak nem töltik be funkciójukat, az ember szeme fokozatosan kiszáradna és hegekkel borulna. Ha nem lenne könnycsatorna, a szemek állandóan megtelnének könnyfolyadékkal. Ha az ember nem pislogna, törmelék hullana a szemébe, és akár meg is vakulhat. A teljes "tisztítórendszernek" kivétel nélkül minden elem munkáját magában kell foglalnia, különben egyszerűen megszűnne működni.

Szem, mint állapotjelző

Az emberi szem sok információt képes továbbítani a más emberekkel és az őt körülvevő világgal való interakció során. A szemek szeretetet sugározhatnak, éghetnek a haragtól, tükrözhetik az örömöt, a félelmet vagy a szorongást vagy a fáradtságot. A szemek azt mutatják, hogy az ember merre néz, érdekli-e valami, vagy sem.

Például amikor az emberek lesütik a szemüket, miközben valakivel beszélgetnek, ezt teljesen másképp lehet szemlélni, mint a szokásos felfelé pillantást. A gyermekek nagy szemei örömet és gyengédséget okoznak a körülöttük lévőknek. A pupillák állapota pedig azt a tudatállapotot tükrözi, amelyben az ember egy adott pillanatban van. A szem élet és halál jelzője, ha globális értelemben beszélünk. Valószínűleg ezért nevezik őket a lélek „tükrének”.

Konklúzió helyett

Ebben a leckében az emberi látórendszer felépítését vizsgáltuk. Természetesen sok részletet kihagytunk (ez a téma maga nagyon terjedelmes, és problémás egy óra keretébe illeszteni), de mégis igyekeztünk az anyagot úgy átadni, hogy világos elképzelése legyen arról, HOGYAN az ember látja.

Nem lehetett nem észrevenni, hogy mind a szem összetettsége, mind képességei lehetővé teszik, hogy ez a szerv a legtöbbször túlszárnyalja. modern technológiákés a tudományos fejlemények. A szem világosan demonstrálja a mérnöki tervezés összetettségét számos árnyalatban.

De a látókészülék ismerete természetesen jó és hasznos, de a legfontosabb tudnivaló, hogyan lehet helyreállítani a látást. Az a tény, hogy az ember életmódja és életkörülményei, valamint néhány egyéb tényező (stressz, genetika, rossz szokások, betegségek és még sok más) - mindez gyakran hozzájárul ahhoz, hogy a látás az évek során romoljon. , azaz .e. a vizuális rendszer hibásan kezd működni.

De a látás romlása a legtöbb esetben nem visszafordíthatatlan folyamat - bizonyos technikák ismeretében ez a folyamat visszafordítható, és a látás, ha nem ugyanaz, mint egy csecsemőnél (bár néha ez is lehetséges), akkor a lehető legjobban minden egyes ember számára. Ezért a látás fejlesztésével foglalkozó tanfolyamunk következő leckéjét a látás helyreállításának módszereivel foglalkozunk.

Nézd meg a gyökeret!

Tesztelje tudását

Ha szeretné próbára tenni tudását az óra témájában, akkor egy rövid, több kérdésből álló tesztet is kitölthet. Minden kérdésben csak 1 lehetőség lehet helyes. Miután kiválasztotta az egyik opciót, a rendszer automatikusan a következő kérdésre lép. A kapott pontokat a válaszok helyessége és az átadásra fordított idő befolyásolja. Felhívjuk figyelmét, hogy a kérdések minden alkalommal eltérőek, és a lehetőségek vegyesek.

Elméletileg egy fényfolt távoli pontforrásból amikor a retinára fókuszálunk, végtelenül kicsinek kell lennie. Mivel azonban a szem optikai rendszere tökéletlen, egy ilyen folt a retinán, még a normál szem optikai rendszerének maximális felbontása mellett is, általában körülbelül 11 µm teljes átmérőjű. A folt közepén a fényerő a legmagasabb, szélei felé pedig fokozatosan csökken.

A kúpok átlagos átmérője a foveában a retina (a retina központi része, ahol a látásélesség a legmagasabb) körülbelül 1,5 µm, ami a fényfolt átmérőjének 1/7-e. Mivel azonban a fényfoltnak világos központi pontja és árnyékolt szélei vannak, az ember általában két külön pontot tud megkülönböztetni, amelyeknek a távolsága a retinán körülbelül 2 μm, ami valamivel nagyobb, mint a fovea kúpok szélessége.

Normál látásélesség az emberi szem a pontszerű fényforrások megkülönböztetésére körülbelül 25 ívmásodperc. Ezért amikor két külön pontból érkező fénysugarak 25 másodperces szögben érik el a szemet, általában két pontként ismerik fel őket egy helyett. Ez azt jelenti, hogy egy normál látásélességű ember, aki 10 m távolságból néz két fényes pont fényforrást, csak akkor tudja ezeket a forrásokat külön tárgyként megkülönböztetni, ha 1,5-2 mm távolságra vannak egymástól.

A mélyedés átmérőjével 500 mikronnál kevesebb a látómező 2°-nál kisebb része a retina maximális látásélességű régiójába esik. A központi üreg régióján kívül a látásélesség fokozatosan gyengül, több mint 10-szeresére csökken, amikor eléri a perifériát. Ennek az az oka, hogy a retina perifériás részein a központi üregtől való távolság növekedésével egyre több rúd és kúp kötődik a látóideg minden rostjához.

A látásélesség meghatározásának klinikai módszere... A szemvizsgálati kártya általában különböző méretű betűkből áll, amelyeket a vizsgált személytől körülbelül 6 m-re (20 láb) helyeznek el. Ha valaki ebből a távolságból jól látja azokat a betűket, amiket normális esetben látnia kellene, akkor azt mondják, hogy a látásélessége 1,0 (20/20), pl. a látás normális. Ha egy személy ebből a távolságból csak azokat a betűket látja, amelyeknek normál esetben 60 m-ről (200 lábról) láthatónak kell lenniük, akkor azt mondják, hogy 0,1 (20/200) látása van. Más szavakkal, klinikai módszer a látásélesség értékelése egy matematikai törtet használ, amely két távolság arányát, vagy egy adott személy látásélességének a normál látásélességhez viszonyított arányát tükrözi.

Három fő módja van, amelynek segítségével az ember általában meghatározza a tárgy távolságát: (1) a retinán lévő ismert tárgyak képeinek méretét; (2) a parallaxis mozgás jelensége; (3) a sztereopszis jelensége. A távolság meghatározásának képességét mélységérzékelésnek nevezzük.

Távolság meghatározása méret szerint a retinán lévő ismert tárgyak képei. Ha ismert, hogy a látott személy magassága 180 cm, akkor egyszerűen a retinán lévő képének méretéből meghatározhatja, hogy milyen messze van Öntől. Ez nem azt jelenti, hogy mindannyian tudatosan gondolkodunk a retinán lévő méretről, de az agy megtanulja automatikusan kiszámítani a tárgyak távolságát a képek méretéből, ha az adatok ismertek.

A parallaxis mozgási távolság meghatározása... A szem és a tárgy közötti távolság meghatározásának másik fontos módja a mozgás parallaxisában bekövetkezett változás mértéke. Ha az ember teljesen mozdulatlanul néz a távolba, nincs parallaxis. Ha azonban a fejet egyik vagy másik oldalra elmozdítják, a közeli tárgyak képei gyorsan mozognak a retinán, míg a távoli tárgyak képei szinte mozdulatlanok maradnak. Például, ha a fejet 2,54 cm-rel oldalra toljuk, a szemtől ilyen távolságra lévő tárgy képe szinte a teljes retinán áthalad, míg egy 60 m távolságra lévő tárgy képének elmozdulása a szemből nem érezhető. Így a változó parallaxis mechanizmus segítségével akár egy szemmel is meg lehet határozni a különböző objektumok relatív távolságát.

Távolság meghatározása sztereopszis segítségével... Binokuláris látás. A parallaxis érzésének másik oka a binokuláris látás. Mivel a szemek egymáshoz képest valamivel több mint 5 cm-rel el vannak tolva, a szem retináján lévő képek eltérnek egymástól. Például egy tárgy az orr előtt 2,54 cm távolságra képet alkot a bal szem retinájának bal oldalán és a jobb oldal a jobb szem retináját, míg az orr előtt és attól 6 m-re elhelyezkedő kis tárgy képei mindkét retina középpontjában szorosan megfelelő pontokon keletkeznek. A vörös folt és a sárga négyzet képei a két retina ellentétes területére vetülnek, mivel a tárgyak különböző távolságra vannak a szem előtt.

Ez a típus parallaxis mindig ez történik, ha két szemmel látunk. Szinte teljes egészében a binokuláris parallaxis (vagy sztereopszis) a felelős azért, hogy egy kétszemű személy sokkal jobban meg tudja becsülni a tárgyak közeli távolságát, mint egy szemű ember esetében. A sztereopszis azonban gyakorlatilag használhatatlan a 15-60 méteren túli mélységérzékeléshez.

A Föld felszíne meggörbül és 5 kilométeres távolságban eltűnik a látómezőből. De a látásélességünk lehetővé teszi, hogy messze a horizonton túlra lássunk. Ha a Föld lapos lenne, vagy ha egy hegy tetején állna, és a bolygónak a szokásosnál sokkal nagyobb területére nézne, akkor több száz kilométeres távolságban ragyogó fényeket láthatna. Sötét éjszakán 48 kilométerre még egy gyertya lángját is lehetett látni.

Az, hogy az emberi szem milyen messzire lát, attól függ, hogy a távoli tárgy hány fényrészecskét vagy fotont bocsát ki. A szabad szemmel látható legtávolabbi objektum az Androméda-köd, amely óriási, 2,6 millió fényévnyi távolságra található a Földtől. Ebben a galaxisban összesen egy billió csillag bocsát ki elegendő fényt ahhoz, hogy másodpercenként több ezer foton ütközhessen a Föld felszínének minden négyzetcentiméterével. Sötét éjszakán ez a mennyiség elegendő a retina aktiválásához.

1941-ben Selig Hecht látáskutató és kollégái a Columbia Egyetemen megalkották azt, amit a mai napig megbízhatónak tartanak a látás abszolút küszöbére vonatkozóan – a fotonok minimális számát, amelyeknek be kell lépniük a retinába a látási tudatosság előidézéséhez. A kísérlet ideális körülmények között állította be a küszöböt: a résztvevők szeme kapott időt, hogy teljesen megszokja magát az abszolút sötétségtől, az irritáló hatású kék-zöld fényvillanás hullámhossza 510 nanométer volt (amire a szem a legérzékenyebb). , és a fényt a fényt felismerő sejtekkel teli retina perifériás szélére irányították pálcikákkal.

A tudósok szerint ahhoz, hogy a kísérletben résztvevők az esetek több mint felében felismerjenek egy ilyen fényvillanást, 54-148 fotonnak kellett eltalálnia a szemgolyót. A retina abszorpciójának mérései alapján a tudósok kiszámították, hogy az emberi retina pálcái átlagosan 10 fotont nyelnek el. Így 5-14 foton abszorpciója vagy ennek megfelelően 5-14 rúd aktiválása jelzi az agynak, hogy látsz valamit.

"Ez valóban nagyon kis számú kémiai reakció" - jegyezte meg Hecht és munkatársai a kísérletről szóló cikkben.

Figyelembe véve az abszolút küszöböt, a gyertyaláng fényességét és azt a becsült távolságot, amelynél a világító tárgy elhalványul, a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy az ember meg tudja különböztetni a gyertyaláng halk villogását 48 kilométeres távolságból.

Az emberi méretű tárgyak csak körülbelül 3 kilométeres távolságból megkülönböztethetők. Ehhez képest ebből a távolságból egyértelműen meg tudnánk különböztetni egy autó két fényszóróját, de milyen távolságból ismerhetjük fel, hogy egy tárgy több, mint egy fényvillanás? Ahhoz, hogy egy tárgy térben kiterjedtnek, és nem pontszerűnek tűnjön, a belőle érkező fénynek aktiválnia kell a retina legalább két szomszédos kúpját – a színlátásért felelős sejteket. Ideális esetben a tárgynak legalább 1 ívperces vagy egy hatod fokos szögben kell feküdnie a szomszédos kúpok gerjesztéséhez. Ez a szögmérték ugyanaz marad, függetlenül attól, hogy az objektum közel vagy távol van (a távoli objektumnak sokkal nagyobbnak kell lennie, hogy a közelivel azonos szögben legyen). A telihold 30 ívperces szögben fekszik, míg a Vénusz alig látható, mint kiterjesztett objektum körülbelül 1 ívperces szögben.

A fényévnyi távolságra lévő távoli galaxisok megfigyelésétől a láthatatlan színek észleléséig Adam Headhuisy elmagyarázza a BBC-n, hogy a szemed miért képes hihetetlen dolgokra. Nézz körbe. Mit látsz? Mindezek a színek, falak, ablakok, minden kézenfekvőnek tűnik, mintha itt ennek így kellene lennie. Hihetetlennek tűnik az az elképzelés, hogy mindezt a fény részecskéinek – fotonoknak – köszönhetően látjuk, amelyek ezekről a tárgyakról visszapattannak és megütik a szemünket.

Ezt a fotonbombázást körülbelül 126 millió fényérzékeny sejt nyeli el. Különböző irányú és energiájú fotonok közvetítődnek agyunkba különböző formában, színben, fényerőben, megtöltve sokszínű világunkat képekkel.

Figyelemre méltó látásmódunknak nyilvánvalóan számos korlátja van. Nem látjuk az elektronikus készülékeinkből kisugárzó rádióhullámokat, nem látunk baktériumokat az orrunk alatt. De a fizika és a biológia fejlődésével azonosítani tudjuk a természetes látás alapvető korlátait. "Mindennek, amit felismerhet, van egy küszöbe, a legalacsonyabb szint, amely felett és alatta nem látható" - mondja Michael Landy, a New York-i Egyetem idegtudományi professzora.

Kezdjük azzal, hogy végignézzük ezeket a vizuális küszöböket – elnézést a szójátékért –, amit sokan elsősorban a látással társítanak: a színeket.

Hogy miért látunk lilát barna helyett, az a szemgolyónk hátsó részén található retinát érő fotonok energiájától vagy hullámhosszától függ. Kétféle fotoreceptor létezik, rudak és kúpok. A kúpok felelősek a színért, a rudak pedig lehetővé teszik számunkra, hogy gyenge fényviszonyok mellett, például éjszaka is meglássuk a szürke árnyalatait. Az opszinok vagy pigmentmolekulák a retina sejtjeiben elnyelik a beeső fotonok elektromágneses energiáját, elektromos impulzust generálva. Ez a jel a látóidegen keresztül eljut az agyba, ahol megszületik a színek és képek tudatos érzékelése.

Háromféle kúpunk és a megfelelő opszinunk van, amelyek mindegyike érzékeny egy adott hullámhosszú fotonokra. Ezeket a kúpokat S, M és L betűk jelölik (rövid, közepes és hosszú hullámok). A rövid hullámokat kéknek, a hosszú hullámokat vörösnek érzékeljük. A köztük lévő hullámhosszak és kombinációik teljes szivárványsá alakulnak. „Minden fény, amit látunk, kivéve a prizmákkal vagy okos eszközökkel, például lézerekkel mesterségesen létrehozott fényt, különböző hullámhosszak keveréke” – mondja Landy.

A fotonok összes lehetséges hullámhossza közül a kúpjaink egy 380 és 720 nanométer közötti kis sávot mutatnak – amit látható spektrumnak nevezünk. Érzékelési spektrumunkon kívül van infra- és rádióspektrum, utóbbi hullámhossza millimétertől egy kilométerig terjed.

A látható spektrumunk felett, nagyobb energiáknál és rövidebb hullámhosszoknál találjuk az ultraibolya spektrumot, majd a röntgensugarakat, legfelül pedig a gamma-spektrumot, amelynek hullámhossza eléri a méter trilliod részét.

Bár legtöbbünk a látható spektrumra korlátozódik, az aphakiás (lencsehiányos) emberek az ultraibolya spektrumban látnak. Az aphakia általában a szürkehályog vagy születési rendellenességek műtéti eltávolítása eredményeként jön létre. Általában a lencse blokkolja az ultraibolya fényt, így enélkül az emberek a látható spektrumon kívülre látnak, és akár 300 nanométeres hullámhosszt is kékes árnyalattal érzékelnek.

Egy 2014-es tanulmány kimutatta, hogy relatíve mindannyian láthatunk infravörös fotonokat. Ha két infravörös foton véletlenül közel egyidejűleg ér egy retina sejtet, energiájuk egyesül, és a hullámhosszuk láthatatlanról (például 1000 nanométer) látható 500 nanométerre (hideg) alakul át. zöld szín a legtöbb szem számára).

Az egészséges emberi szemnek háromféle kúpja van, amelyek mindegyike körülbelül 100 különböző színárnyalatot képes megkülönböztetni, így a legtöbb kutató egyetért abban, hogy szemünk összesen körülbelül egymillió árnyalatot képes megkülönböztetni. A színérzékelés azonban meglehetősen szubjektív képesség, amely személyenként változik, így meglehetősen nehéz meghatározni a pontos számokat.

„Ezt elég nehéz számokba foglalni” – mondja Kimberly Jamison, az irvine-i Kaliforniai Egyetem kutatóasszisztense. "Amit egy ember lát, az csak töredéke lehet a másik által látott színeknek."

Jameson tudja, miről beszél, mert „tetrakromatokkal” dolgozik – „emberfeletti” látású emberekkel. Ezek a ritka egyedek, többnyire nők, olyan genetikai mutációval rendelkeznek, amely további negyedik kúpokat ad nekik. Nagyjából a negyedik kúpkészletnek köszönhetően a tetrakromaták 100 millió színt láthatnak. (A színvakságú embereknek csak kétféle kúpjuk van, és körülbelül 10 000 színt látnak.)

Hány fotont kell legalább látnunk?

A színlátás működéséhez a kúpoknak általában sokkal több fényre van szükségük, mint rúdtársaiknak. Ezért gyenge fényviszonyok mellett a szín "fakul", ahogy a monokromatikus rudak kerülnek előtérbe.

Ideális laboratóriumi körülmények között és a retina olyan helyein, ahol a rudak nagyrészt hiányoznak, a kúpokat csak néhány foton tudja aktiválni. Ennek ellenére a botok jobban teljesítenek környezeti fényviszonyok között. Az 1940-es években végzett kísérletek azt mutatták, hogy egy kvantum fény elegendő ahhoz, hogy felkeltse a figyelmünket. "Az emberek egy fotonra képesek reagálni" - mondja Brian Wandell, a Stanfordi pszichológia és elektromérnök professzora. – Nincs értelme érzékenyebbnek lenni.

1941-ben a Columbia Egyetem kutatói sötét szobába helyezték az embereket, és hagyták, hogy a szemük alkalmazkodjon. A botoknak néhány percbe telt, mire elérték a teljes érzékenységet – ezért vannak látásproblémák, amikor a lámpák hirtelen kialszanak.

A tudósok ezután kék-zöld fényt gyújtottak az alanyok arca előtt. A statisztikai véletlenszerűség feletti szinten a résztvevők fényt tudtak rögzíteni, amikor az első 54 foton elérte a szemüket.

Miután kompenzálták a fotonok veszteségét a szem más alkotóelemei általi abszorpció révén, a tudósok azt találták, hogy már öt foton aktivál öt különálló rudat, amelyek a résztvevők számára fényérzetet adnak.

Mi a határa a legsekélyebbnek és legtávolabbinak, amit láthatunk?

Ez a tény meglepheti Önt: a legkisebb vagy legtávolabbi dolognak, amit láthatunk, nincs belső korlátja. Amíg bármilyen méretű, bármilyen távolságra lévő objektum fotonokat továbbít a retina sejtjeibe, addig láthatjuk őket.

„A szemet csak a szembe jutó fény mennyisége érdekli” – mondja Landy. - A fotonok teljes száma. Egy fényforrást nevetségesen kicsinyre és távolivá tehetsz, de ha erős fotonokat bocsát ki, látni fogod."

Elterjedt az a vélekedés például, hogy egy sötét, tiszta éjszakán 48 kilométeres távolságból láthatjuk a gyertya fényét. A gyakorlatban természetesen a szemünk egyszerűen fotonokban fog fürödni, így a vándorló fénykvantumokkal együtt hosszútáv csak vesszen el ebben a káoszban. "Amikor növeli a háttér intenzitását, megnő a fény mennyisége, amelyre szüksége van ahhoz, hogy valamit láthasson" - mondja Landy.

Az éjszakai égbolt, sötét hátterével csillagokkal tarkítva, szembetűnő példája látókörünknek. A csillagok hatalmasak; sok, amit az éjszakai égbolton látunk, több millió kilométer átmérőjű. De még a legközelebbi csillagok is legalább 24 billió kilométerre vannak tőlünk, és ezért olyan kicsik a szemünk számára, hogy nem is lehet kivenni őket. Mégis olyan erős fényt kibocsátó pontoknak látjuk őket, amint a fotonok átlépik a kozmikus távolságokat és belépnek a szemünkbe.

Minden egyes csillag, amelyet az éjszakai égbolton látunk, galaxisunkban, a Tejútrendszerben található. A szabad szemmel látható legtávolabbi objektum galaxisunkon kívül található: ez az Androméda galaxis, amely 2,5 millió fényévnyire található. (Bár ellentmondásos, egyesek azt állítják, hogy egy rendkívül sötét éjszakai égbolton is láthatják a Triangulum galaxist, amely hárommillió fényévnyire van tőle, csak szót kell fogadni).

Az Androméda-galaxis egy billió csillaga, tekintettel a távolságra, homályos, izzó égbolttá homályosul össze. A méretei mégis kolosszálisak. Ami a látszólagos méretet illeti, még tőlünk ötmilliárd kilométerre is ez a galaxis hatszor szélesebb, mint a telihold. Azonban olyan kevés foton éri el a szemünket, hogy ez az égi szörnyeteg szinte láthatatlan.

Milyen éles lehet a látásod?

Miért nem tudunk különbséget tenni az Androméda-galaxis egyes csillagai között? Látásfelbontásunk vagy látásélességünk határai szabnak határokat. A látásélesség a részletek, például pontok vagy vonalak egymástól elkülönített megkülönböztetésének képessége, hogy ne olvadjanak össze. Így a látás határait úgy tekinthetjük, mint a megkülönböztethető „pontok” számát.

A látásélesség határait több tényező szabja meg, például a kúpok és a retinába csomagolt rudak közötti távolság. Ugyancsak fontos magának a szemgolyónak az optikája, amely, mint már említettük, megakadályozza, hogy minden lehetséges foton behatoljon a fényérzékeny sejtekbe.

Elméletileg a kutatások kimutatták, hogy a legjobb, amit láthatunk, nagyjából 120 pixel ívfokon, ami a szögmérés mértékegysége. Felfoghatod úgy, mint egy fekete-fehér 60x60-as sakktáblát, amely egy kinyújtott kéz körmére illeszkedik. „Ez a legtisztább minta, amit láthat” – mondja Landy.

A szemvizsgálatot, akárcsak a kisbetűs táblázatot, ugyanazok az elvek vezérlik. Ugyanezek az élességhatárok magyarázzák, hogy miért nem tudunk felismerni és összpontosítani egyetlen néhány mikrométer széles, unalmas biológiai sejtet.

De ne írd le magad. Millió szín, egyetlen foton, galaktikus világok kvantillió kilométerre - nem olyan rossz, ha a szemüregünkben lévő zselébuborék egy 1,4 kilogrammos szivacshoz kapcsolódik a koponyánkban.

Kezdjük azzal, hogy végignézzük ezeket a vizuális küszöböket – elnézést a szójátékért –, amit sokan elsősorban a látással társítanak: a színeket.

Egy 2014-es tanulmány kimutatta, hogy relatíve mindannyian láthatunk infravörös fotonokat. Ha két infravörös foton véletlenül közel egyidejűleg ütközik a retina sejtjével, energiájuk egyesül, és a hullámhosszukat láthatatlanról (például 1000 nanométerről) látható 500 nanométeresre (a legtöbb szem számára hidegzöldre) alakítják.

„Ezt elég nehéz számokba foglalni” – mondja Kimberly Jamison, az irvine-i Kaliforniai Egyetem kutatóasszisztense. "Amit egy ember lát, az csak töredéke lehet a másik által látott színeknek."

Hány fotont kell legalább látnunk?

Mi a határa a legsekélyebbnek és legtávolabbinak, amit láthatunk?

„A szemet csak a szembe jutó fény mennyisége érdekli” – mondja Landy. - A fotonok teljes száma. Egy fényforrást nevetségesen kicsinyre és távolivá tehetsz, de ha erős fotonokat bocsát ki, látni fogod."

Elterjedt az a vélekedés például, hogy egy sötét, tiszta éjszakán 48 kilométeres távolságból láthatjuk a gyertya fényét. A gyakorlatban persze a szemünk egyszerűen fürdik a fotonokban, így a nagy távolságokból kóborló fénykvantumok egyszerűen elvesznek ebben a zűrzavarban. "Amikor növeli a háttér intenzitását, megnő a fény mennyisége, amelyre szüksége van ahhoz, hogy valamit láthasson" - mondja Landy.

Minden egyes csillag, amelyet az éjszakai égbolton látunk, a galaxisunkban található -. A szabad szemmel látható legtávolabbi objektum galaxisunkon kívül található: ez az Androméda galaxis, amely 2,5 millió fényévnyire található. (Bár ellentmondásos, egyesek azt állítják, hogy egy rendkívül sötét éjszakai égbolton is láthatják a Triangulum galaxist, amely hárommillió fényévnyire van tőle, csak szót kell fogadni).