Удивительные способности человеческого глаза: космическое зрение и невидимые лучи. Острота зрения

10.08.2020

Зрение является каналом, посредством которого человек получает примерно 70% всех данных о мире, который его окружает. И возможно это только по той причине, что именно зрение человека представляет собой одну из самых сложных и поражающих воображение зрительных систем на нашей планете. Если бы не было зрения, все мы, скорее всего, просто жили бы в темноте.

Человеческий глаз обладает совершенным строением и обеспечивает зрение не только в цвете, но также в трёх измерениях и с высочайшей резкостью. Он обладает способностью моментально менять фокус на самые разные расстояния, осуществлять регуляцию объёма поступающего света, различать между собой огромное количество цветов и ещё большее количество оттенков, производить коррекцию сферических и хроматических аберраций и т.д. С мозгом глаз связывают шесть уровней сетчатки, в которых ещё перед тем, как информация будет отправлена в мозг, данные проходят через этап компрессии.

Но как же устроено наше с вами зрение? Как посредством усиления цвета, отражённого от предметов, мы трансформируем его в изображение? Если подумать об этом серьёзно, можно сделать вывод, что устройство зрительной системы человека до мельчайших подробностей «продумано» создавшей его Природой. Если же вы предпочитаете верить в то, что за создание человека ответственен Создатель или некая Высшая Сила, то эту заслугу можете приписать им. Но давайте не будем разбираться в , а продолжим разговор об устройстве зрения.

Огромное количество деталей

Строение глаза и его физиологию можно без обиняков назвать действительно идеальными. Подумайте сами: оба глаза находятся в костных впадинах черепа, которые защищают их от всевозможных повреждений, однако выступают из них они именно так, чтобы обеспечивался максимально широкий горизонтальный обзор.

Расстояние, на котором глаза находятся друг от друга, обеспечивает пространственную глубину. А сами глазные яблоки, как доподлинно известно, обладают шарообразной формой, благодаря чему способны вращаться в четырёх направлениях: влево, вправо, вверх и вниз. Но каждый из нас воспринимает всё это, как само собой разумеющееся - мало кому приходит в голову представить, что было бы, если бы наши глаза были квадратными или треугольными или их движение было бы хаотичным - это бы сделало зрение ограниченным, сумбурным и малоэффективным.

Итак, устройство глаза предельно сложно, но как раз это и делает возможным работу примерно четырёх десятков его различных составляющих. И даже если бы не было хоть одного из этих элементов, процесс зрения перестал бы осуществляться так, как ему следует осуществляться.

Чтобы убедиться в том, насколько сложно устроен глаз, предлагаем вам обратить своё внимание на рисунок ниже.

Давайте же поговорим о том, как реализуется на практике процесс зрительного восприятия, какие элементы зрительной системы в этом участвуют, и за что каждый из них отвечает.

Прохождение света

По мере приближения света к глазу световые лучи сталкиваются с роговицей (иначе её называют роговой оболочкой). Прозрачность роговицы позволяет свету проходить сквозь неё во внутреннюю поверхность глаза. Прозрачность, кстати, является важнейшей характеристикой роговицы, и прозрачной она остаётся по причине того, что особый протеин, который в ней содержится, сдерживает развитие кровеносных сосудов - процесс, происходящий практически в каждой из тканей человеческого тела. В том случае если бы роговица прозрачной не была, остальные компоненты зрительной системы не имели бы никакого значения.

Помимо прочего, роговица не даёт попадать во внутренние полости глаза сору, пыли и каким-либо химическим элементам. А кривизна роговой оболочки позволяет ей преломлять свет и помогать хрусталику фокусировать световые лучи на сетчатке.

После того как свет прошёл сквозь роговицу, он проходит через маленькое отверстие, расположенное посередине радужки глаза. Радужка же представляет собой круглую диафрагму, которая находится перед хрусталиком сразу за роговицей. Радужка также является тем элементом, который придаёт глазу цвет, а цвет зависит от преобладающего в радужке пигмента. Центральное отверстие в радужке - это и есть знакомый каждому из нас зрачок. Размер этого отверстия имеет возможность изменяться, чтобы контролировать количество поступающего в глаз света.

Размер зрачка изменятся непосредственно радужкой, а обусловлено это её уникальнейшим строением, ведь состоит она из двух различных видов мышечных тканей (даже здесь есть мышцы!). Первая мышца является круговой сжимающей - она располагается в радужке кругообразно. Когда свет яркий, происходит её сокращение, вследствие чего зрачок сокращается, как бы втягиваясь мышцей внутрь. Вторая мышца является расширяющей - она расположена радиально, т.е. по радиусу радужки, что можно сравнить со спицами в колесе. При тёмном освещении происходит сокращение этой второй мышцы, и радужка раскрывает зрачок.

Многие до сих пор испытывают некоторые затруднения, когда пытаются объяснить, каким же всё-таки образом происходит формирование вышеназванных элементов зрительной системы человека, ведь в любой другой промежуточной форме, т.е. на каком-либо эволюционном этапе работать они просто не смогли бы, но человек видит с самого начала своего существования. Загадка…

Фокусировка

Минуя названные выше этапы, свет начинает проходить через хрусталик, находящийся за радужкой. Хрусталик является оптическим элементом, имеющим форму выпуклого продолговатого шара. Хрусталик абсолютно гладок и прозрачен, в нём нет кровеносных сосудов, а сам он расположен в эластичном мешочке.

Проходя сквозь хрусталик, свет преломляется, после чего происходит его фокусировка на ямке сетчатки - самом чувствительном месте, содержащем максимальное количество фоторецепторов.

Важно заметить, что уникальное строение и состав обеспечивают роговице и хрусталику большую силу преломления, гарантирующую короткое фокусное расстояние. И как же удивительно, что такая сложная система вмещается всего в одном глазном яблоке (подумайте только, как бы мог выглядеть человек, если бы для фокусировки световых лучей, идущих от предметов, требовался бы, например, метр!).

Не менее интересно и то, что совместная преломляющая сила этих двух элементов (роговицы и хрусталика) находится в прекрасном соотношении с глазным яблоком, а это можно смело назвать ещё одним доказательством того, что зрительная система создана просто непревзойдённо, т.к. процесс фокусирования слишком сложен, чтобы говорить о нём, как о чём-то, что произошло лишь благодаря пошаговым мутациям - эволюционным стадиям.

Если же речь идёт о предметах расположенных близко к глазу (как правило, близким считается расстояние менее 6 метров), то здесь всё ещё любопытнее, ведь в этой ситуации преломление световых лучей оказывается ещё более сильным. Обеспечивается же это увеличением кривизны хрусталика. Хрусталик соединён посредством цилиарных поясков с ресничной мышцей, которая, сокращаясь, даёт хрусталику возможность принимать более выпуклую форму, тем самым увеличивая свою преломляющую силу.

И здесь снова нельзя не упомянуть о сложнейшем строении хрусталика: составляют его множество ниточек, которые состоят из соединённых друг с другом клеточек, а тонкие пояски связывают его с цилиарным телом. Фокусировка осуществляется под контролем головного мозга крайне быстро и на полном «автомате» — осуществить такой процесс осознанно для человека невозможно.

Значение «фотоплёнки»

Результатом фокусировки становится сосредоточение изображения на сетчатке, представляющей собой многослойную ткань, чувствительную к свету, покрывающую заднюю часть глазного яблока. В сетчатке содержится примерно 137 000 000 фоторецепторов (для сравнения можно привести современные цифровые фотоаппараты, в которых подобных сенсорных элементов не более 10 000 000). Такое громадное количество фоторецепторов обусловлено тем, что расположены они крайне плотно - примерно 400 000 на 1 мм².

Здесь не будет лишним привести слова специалиста по микробиологии Алана Л. Гиллена, говорящего в своей книге «Тело по замыслу» о сетчатке глаза, как о шедевре инженерного проектирования. Он считает, что сетчатка является самым удивительным элементом глаза, сравнимым с фотоплёнкой. Светочувствительная сетчатка, расположенная на задней стороне глазного яблока, намного тоньше целлофана (её толщина составляет не более 0,2 мм) и гораздо чувствительнее, чем любая, созданная человеком фотоплёнка. Клетки этого уникального слоя способны обрабатывать до 10 миллиардов фотонов, в то время как самый чувствительный фотоаппарат способен обработать лишь несколько их тысяч. Но ещё удивительнее то, что человеческий глаз может улавливать единицы фотонов даже в темноте.

Всего сетчатку составляют 10 слоёв фоторецепторных клеток, 6 слоёв из которых являются слоями светочувствительных клеток. 2 вида фоторецепторов имеют особую форму, по причине чего их называют колбочками и палочками. Палочки крайне восприимчивы к свету и обеспечивают глазу чёрно-белое восприятие и ночное зрение. Колбочки, в свою очередь, не так восприимчивы к свету, но способны различать цвета - оптимальная работа колбочек отмечается в дневное время суток.

Благодаря работе фоторецепторов световые лучи трансформируются в комплексы электрических импульсов и посылаются в мозг на невероятно большой скорости, а сами эти импульсы за доли секунд преодолевают свыше миллиона нервных волокон.

Связь фоторецепторных клеток в сетчатке очень сложна. Колбочки и палочки никак напрямую с мозгом не связаны. Получив сигнал, они переадресовывают его биполярным клеткам, а те перенаправляют уже обработанные собою сигналы ганглиозным клеткам, более миллиона аксонов (нейритов, по которым передаются нервные импульсы) которых составляют единый зрительный нерв, по которому данные и поступают в мозг.

Два слоя промежуточных нейронов, до того как зрительные данные будут отправлены в мозг, способствуют параллельной обработке этой информации шестью уровнями восприятия, находящимися в сетчатке глаза. Необходимо это для того чтобы изображения распознавались как можно быстрее.

Восприятие мозга

После того как обработанная зрительная информация поступает в мозг, он начинает её сортировку, обработку и анализ, а также формирует цельное изображение из отдельных данных. Конечно же, о работе человеческого мозга ещё много чего неизвестно, однако даже того, что научный мир может предоставить сегодня, вполне достаточно, чтобы поразиться.

При помощи двух глаз формируются две «картинки» мира, который окружает человека - по одной на каждую сетчатку. Обе «картинки» передаются в мозг, и в действительности человек видит два изображения в одно и то же время. Но как?

А дело вот в чём: точка сетчатки одного глаза точно соответствует точке сетчатки другого, а это говорит о том, чтоб оба изображения, попадая в мозг, могут накладываться друг на друга и сочетаться вместе для получения единого изображения. Информация, полученная фоторецепторами каждого из глаз, сходится в зрительной коре головного мозга, где и появляется единое изображение.

По причине того, что у двух глаз может быть разная проекция, могут наблюдаться и некоторые несоответствия, однако мозг сопоставляет и соединяет изображения таким образом, что человек никаких несоответствий не ощущает. Мало того - эти несоответствия могут быть использованы с целью получения чувства пространственной глубины.

Как известно, из-за преломления света зрительные образы, поступающие в мозг, изначально являются очень маленькими и перевёрнутыми, однако «на выходе» мы получаем то изображение, которое привыкли видеть.

Помимо этого в сетчатке изображение делится мозгом надвое по вертикали - через линию, которая проходит через ямку сетчатки. Левые части изображений, полученных обоими глазами, перенаправляются в , а правые части - в левое. Так, каждое из полушарий смотрящего человека получает данные только от одной части того, что он видит. И снова - «на выходе» мы получаем цельное изображение без каких бы то ни было следов соединения.

Разделение изображений и крайне сложные оптические пути делают так, что мозг видит отдельно каждым из своих полушарий с использованием каждого из глаз. Это позволяет ускорить обработку потока входящей информации, а также обеспечивает зрение одним глазом, если вдруг человек по какой-либо причине перестаёт видеть другим.

Можно заключить, что мозг в процессе обработки зрительной информации убирает «слепые» пятна, искажения из-за микродвижений глаз, морганий, угла зрения и т.п., предлагая своему хозяину адекватное целостное изображение наблюдаемого.

Ещё одним из важных элементов зрительной системы является . Умалять значение этого вопроса никак нельзя, т.к. чтобы вообще иметь возможность использовать зрение должным образом мы должны уметь поворачивать глаза, поднимать их, опускать, короче говоря - двигать глазами.

Всего можно выделить 6 внешних мышц, которые соединяются с внешней поверхностью глазного яблока. К этим мышцам относятся 4 прямые (нижняя, верхняя, боковая и средняя) и 2 косые (нижняя и верхняя).

В тот момент, когда какая-либо из мышц сокращается, мышца, являющаяся для неё противоположной, расслабляется - это обеспечивает ровное движение глаз (в противном случае все движения глазами осуществлялись бы рывками).

При повороте двух глаз автоматически изменяется движение всех 12 мышц (по 6 мышц на каждый глаз). И примечательно то, что процесс этот является непрерывным и очень хорошо скоординированным.

По словам знаменитого офтальмолога Питера Джени, контроль и координация связи органов и тканей с центральной нервной системой посредством нервов (это называется иннервацией) всех 12 глазных мышц представляет собой один из очень сложных процессов, происходящих в мозге. Если же добавить к этому точность перенаправления взора, плавность и ровность движений, скорость, с которой может вращаться глаз (а она составляет в сумме до 700° в секунду), и соединить всё это, мы получим на самом деле феноменальную по части исполнения подвижную глазную систему. А то, что человек имеет два глаза, делает её ещё более сложной - при синхронном движении глаз необходима одинаковая мускульная иннервация.

Мышцы, которые вращают глаза, отличны от мышц скелета, т.к. их составляет множество всевозможных волокон, а контролируются они ещё большим числом нейронов, иначе точность движений стала бы невозможной. Данные мышцы можно назвать уникальными ещё и потому, что они способны быстро сокращаться и практически не устают.

Учитывая то, что глаз - это один из наиболее важных органов человеческого организма, он нуждается в непрерывном уходе. Именно для этого как раз и предусмотрена, если так можно назвать, «интегрированная система очистки», которая состоит из бровей, век, ресниц и слёзных желёз.

При помощи слёзных желёз регулярно производится липкая жидкость, с медленной скоростью движущаяся вниз по внешней поверхности глазного яблока. Эта жидкость смывает различный сор (пыль и т.п.) с роговицы, после чего входит во внутренний слёзный канал и затем стекает по носовому каналу, выводясь из организма.

В слезах содержится очень сильное антибактериальное вещество, уничтожающее вирусы и бактерии. Веки выполняют функцию стеклоочистителей - они очищают и увлажняют глаза благодаря непроизвольному морганию с интервалом в 10-15 секунд. Вместе с веками работают ещё и ресницы, предотвращая попадание в глаз любого сора, грязи, микробов и т.п.

Если бы веки не выполняли свою функцию, глаза человека постепенно бы засохли и покрылись рубцами. Если бы не было слёзного протока, глаза бы постоянно заливались слёзной жидкостью. Если бы человек не моргал, в его глаза попадал бы мусор, и он мог бы даже ослепнуть. Вся «очистительная система» должна включать в себя работу всех элементов без исключения, в противном случае она просто перестала бы функционировать.

Глаза как показатель состояния

Глаза человека способны передавать немало информации в процессе его взаимодействия с другими людьми и окружающим миром. Глаза могут излучать любовь, гореть от гнева, отражать радость, страх или беспокойство, или усталости. Глаза показывают, куда смотрит человек, заинтересован он в чём-либо или же нет.

Например, когда люди закатывают глаза, беседуя с кем-то, это можно расценивать совершенно иначе, нежели обычный взгляд, направленный вверх. Большие глаза у детей вызывают у окружающих восторг и умиление. А состояние зрачков отражает то состояние сознания, в котором в данный момент времени находится человек. Глаза - это показатель жизни и смерти, если уж говорить в глобальном смысле. Наверное, именно по этой причине их называют «зеркалом» души.

Вместо заключения

В этом уроке мы с вами рассмотрели устройство зрительной системы человека. Естественно, мы упустили немало деталей (сама по себе эта тема очень объёмна и вместить её в рамки одного урока проблематично), но всё же постарались донести материал так, чтобы вы имели чёткое представление о том, КАК видит человек.

Вы не могли не заметить, что как сложность, так и возможности глаза позволяют этому органу многократно превосходить даже самые современные технологии и научные разработки. Глаз является наглядной демонстрацией сложности инженерии в огромном количестве нюансов.

Но знать об устройстве зрения - это, конечно же, хорошо и полезно, однако наиболее важно знать о том, как зрение можно восстанавливать. Дело в том, что и образ жизни человека, и условия, в которых он живёт, и некоторые другие факторы (стрессы, генетика, вредные привычки, заболевания и многое другое) - всё это нередко способствует тому, что с годами зрение может ухудшаться, т.е. зрительная система начинает давать сбои.

Но ухудшение зрения в большинстве случаев не является необратимым процессом - зная определённые методики, данный процесс можно повернуть вспять, и сделать зрение, если уж и не таким, как у младенца (хотя иногда возможно и это), то хорошим настолько, насколько вообще это возможно для каждого отдельно взятого человека. Поэтому следующий урок нашего курса по развитию зрения будет посвящён методам восстановления зрения.

Зрите в корень!

Проверьте свои знания

Если вы хотите проверить свои знания по теме данного урока, можете пройти небольшой тест, состоящий из нескольких вопросов. В каждом вопросе правильным может быть только 1 вариант. После выбора вами одного из вариантов, система автоматически переходит к следующему вопросу. На получаемые вами баллы влияет правильность ваших ответов и затраченное на прохождение время. Обратите внимание, что вопросы каждый раз разные, а варианты перемешиваются.

Теоретически пятно света от отдаленного точечного источника при фокусировании на сетчатке должно быть бесконечно малым. Однако поскольку оптическая система глаза несовершенна, такое пятно на сетчатке даже при максимальном разрешении оптической системы нормального глаза обычно имеет общий диаметр приблизительно 11 мкм. В центре пятна яркость самая высокая, а по направлению к его краям яркость постепенно убывает.

Средний диаметр колбочек в ямке сетчатки (центральная часть сетчатки, где самая высокая острота зрения) равен примерно 1,5 мкм, что составляет 1/7 диаметра пятна света. Однако поскольку пятно света имеет яркую центральную точку и затененные края, человек в норме может различить две отдельные точки при расстоянии на сетчатке между их центрами около 2 мкм, что немного больше ширины колбочек центральной ямки.

Нормальная острота зрения человеческого глаза для различения точечных источников света составляет примерно 25 дуговых сек. Следовательно, когда световые лучи от двух отдельных точек достигают глаза под углом 25 сек между ними, они обычно распознаются как две точки вместо одной. Это означает, что человек с нормальной остротой зрения, глядя на два ярких точечных источника света с расстояния 10 м, может различить эти источники как отдельные объекты лишь в том случае, если они находятся на расстоянии 1,5-2 мм друг от друга.

При диаметре ямки меньше 500 мкм менее 2° поля зрения попадают в область сетчатки с максимальной остротой зрения. Вне области центральной ямки острота зрения постепенно ослабевает, снижаясь более чем в 10 раз при достижении периферии. Это происходит потому, что в периферических частях сетчатки по мере удаления от центральной ямки все большее число палочек и колбочек связывается с каждым волокном зрительного нерва.

Клинический метод определения остроты зрения . Карта для тестирования глаз обычно состоит из букв различных размеров, помещенных на расстоянии около 6 м (20 футов) от тестируемого человека. Если человек с этого расстояния хорошо видит буквы, которые должен видеть в норме, говорят, что его острота зрения равна 1,0 (20/20), т.е. зрение нормальное. Если человек с этого расстояния видит только те буквы, которые в норме должны быть видны с 60 м (200 футов), говорят, что у человека зрение 0,1 (20/200). Другими словами, клинический метод оценки остроты зрения использует математическую долю, отражающую отношение двух расстояний, или отношение остроты зрения данного человека к нормальной остроте зрения.

Существуют три главных способа , с помощью которых человек обычно определяет расстояние до объекта: (1) размеры изображений известных объектов на сетчатке; (2) феномен параллакса перемещения; (3) явление стереопсиса. Способность определять расстояние называют восприятием глубины.

Определение расстояния по размером изображений известных объектов на сетчатке глаза. Если известно, что рост человека, которого вы видите, равен 180 см, определить, как далеко от вас человек, можно просто по размеру его изображения на сетчатке. Это не значит, что каждый из нас сознательно думает о размере на сетчатке, но мозг обучается автоматически вычислять расстояния до объектов по размерам изображений, когда данные известны.

Определение расстояния по параллаксу перемещения . Другим важным способом определения расстояния от глаза до объекта является степень изменения параллакса перемещения. Если человек смотрит вдаль совершенно неподвижно, никакого параллакса нет. Однако при смещении головы в одну или другую сторону изображения близко расположенных объектов быстро движутся по сетчатке, тогда как образы отдаленных объектов остаются почти неподвижными. Например, при смещении головы в сторону на 2,54 см изображение объекта, расположенного на этом расстоянии от глаз, движется практически через всю сетчатку, тогда как смещение изображения объекта, удаленного от глаз на 60 м, не ощущается. Таким образом, при использовании механизма меняющегося параллакса можно определять относительные расстояния до различных объектов даже одним глазом.

Определение расстояния с помощью стереопсиса . Бинокулярное зрение. Другой причиной ощущения параллакса является бинокулярное зрение. Поскольку глаза сдвинуты относительно друг друга чуть больше 5 см, изображения на сетчатках глаз отличаются друг от друга. Например, объект, находящийся перед носом на расстоянии 2,54 см, формирует изображение на левой стороне сетчатки левого глаза и на правой стороне сетчатки правого глаза, тогда как изображения небольшого объекта, расположенного перед носом и отстоящего от него на 6 м, формируются в тесно корреспондирующих точках в центрах обеих сетчаток. Изображения красного пятна и желтого квадрата проецируются в противоположных участках двух сетчаток в связи с тем, что объекты находятся на разном расстоянии перед глазами.

Такой тип параллакса бывает всегда при зрении двумя глазами. Именно бинокулярный параллаке (или стереопсис) практически полностью отвечает за гораздо более высокую способность к оценке расстояния до близко расположенных объектов для человека с двумя глазами по сравнению с человеком, имеющим только один глаз. Однако стереопсис фактически бесполезен для восприятия глубины на расстояниях за пределами 15-60 м.

Поверхность Земли изгибается и пропадает из поля видимости на расстоянии 5 километров. Но острота нашего зрения позволяет видеть далеко за горизонт. Если бы Земля была плоской, или если б вы стояли на верху горы и смотрели на гораздо больший участок планеты, чем обычно, вы смогли бы увидеть яркие огни на расстоянии сотен километров. В темную ночь вам удалось бы даже увидеть пламя свечи, находящейся в 48 километрах от вас.

Насколько далеко может видеть человеческий глаз зависит от того, сколько частиц света, или фотонов, испускает удаленный объект. Самым далеким объектом, видимым невооруженным глазом, является Туманность Андромеды, расположенная на громадном расстоянии в 2,6 миллионов световых лет от Земли. Один триллион звезд этой галактики испускает в общей сложности достаточно света для того, чтоб несколько тысяч фотонов каждую секунду сталкивались с каждым квадратным сантиметром земной поверхности. В темную ночь этого количества достаточно для активизации сетчатки глаза.

В 1941 году специалист по вопросам зрения Селиг Гехт со своими коллегами из Колумбийского университета сделал то, что до сих пор считается надежным средством измерения абсолютного порога зрения - минимального количества фотонов, которые должны попасть в сетчатку, чтобы вызвать осознание визуального восприятия. Эксперимент устанавливал порог в идеальных условиях: глазам участников давали время, чтобы полностью привыкнуть к абсолютной темноте, сине-зеленая вспышка света, действующая как раздражитель, имела длину волны 510 нанометров (к которой глаза наиболее чувствительны), и свет был направлен на периферический край сетчатки, заполненный распознающими свет клетками палочками.

По данным ученых, для того, чтоб участники эксперимента смогли распознать такую вспышку света более чем в половине случаев, в глазные яблоки должно было попасть от 54 до 148 фотонов. На основании измерений ретинальной абсорбции ученые подсчитали, что в среднем 10 фотонов в действительности впитываются палочками сетчатки человека. Таким образом, абсорбция 5-14 фотонов или, соответственно, активация 5-14 палочек указывает мозгу, что вы что-то видите.

«Это действительно очень малое количество химических реакций», - отметили Гехт и его коллеги в статье об этом эксперименте.

Принимая во внимание абсолютный порог, яркость пламени свечи и расчетное расстояние, на котором светящийся объект тускнеет, ученые пришли к выводу, что человек может различить слабое мерцание пламени свечи на расстоянии 48 километров.

Объекты величиной с человека различимы как протяженные на расстоянии лишь около 3 километров. В сравнении на таком расстоянии мы смогли бы четко различить две фары автомобиля.Но на каком расстоянии мы можем распознать, что объект представляет собой нечто большее, чем просто мерцание света? Чтобы объект казался пространственно протяженным, а не точечным, свет от него должен активировать не менее двух смежных колбочек сетчатки - клеток, отвечающих за цветное зрение. В идеальных условиях объект должен лежать под углом не менее 1 аркминута, или одна шестая градуса, чтобы возбудить смежные колбочки. Эта угловая мера остается одной и той же вне зависимости от того, близко или далеко находится объект (удаленный объект должен быть гораздо больше, чтобы находиться под тем же углом, что и ближний). Полная Луна лежит под углом 30 аркминут, тогда как Венера едва различима как протяженный объект под углом около 1 акрминуты.

От наблюдения далеких галактик за световые годы от нас до восприятия невидимых цветов, Адам Хэдхейзи на BBC объясняет, почему ваши глаза могут делать невероятные вещи. Взгляните вокруг. Что вы видите? Все эти цвета, стены, окна, все кажется очевидным, как будто так и должно быть здесь. Мысль о том, что мы все это видим благодаря частицам света - фотонам - которые отскакивают от этих объектов и попадают нам в глаза, кажется невероятной.

Эта фотонная бомбардировка всасывается примерно 126 миллионами светочувствительных клеток. Различные направления и энергии фотонов транслируются в наш мозг в разных формах, цветах, яркости, наполняя образами наш многоцветный мир.

Наше замечательное зрение, очевидно, обладает рядом ограничений. Мы не можем видеть радиоволны, исходящие от наших электронных устройств, не можем разглядеть бактерий под носом. Но с достижениями физики и биологии мы можем определить фундаментальные ограничения естественного зрения. «Все, что вы можете различить, имеет порог, самый низкий уровень, выше и ниже которого вы видеть не можете», - говорит Майкл Лэнди, профессор неврологии Нью-Йоркского университета.

Начнем рассматривать эти визуальные пороги сквозь призму - простите за каламбур - что многие ассоциируют со зрением в первую очередь: цвет.

Почему мы видим фиолетовый, а не коричневый, зависит от энергии, или длины волн, фотонов, падающих на сетчатку глаза, расположенную в задней части наших глазных яблок. Там находится два типа фоторецепторов, палочки и колбочки. Колбочки отвечают за цвет, а палочки позволяют нам видеть оттенки серого в условиях низкой освещенности, например, ночью. Опсины, или пигментные молекулы, в клетках сетчатки поглощают электромагнитную энергию падающих фотонов, генерируя электрический импульс. Этот сигнал идет через зрительный нерв к мозгу, где и рождается сознательное восприятие цветов и изображений.

У нас есть три типа колбочек и соответствующих опсинов, каждый из которых чувствителен к фотонам определенной длины волны. Эти колбочки обозначаются буквами S, M и L (короткие, средние и длинные волны соответственно). Короткие волны мы воспринимаем синими, длинные - красными. Длины волн между ними и их комбинации превращаются в полную радугу. «Весь свет, который мы видим, кроме созданного искусственно с помощью призм или хитроумных устройств вроде лазеров, представляет собой смесь разных длин волн, - говорит Лэнди».

Из всех возможных длин волн фотона наши колбочки обнаруживают небольшую полосу от 380 до 720 нанометров - то, что мы называем видимым спектром. За пределами нашего спектра восприятия есть инфракрасный и радиоспектр, у последнего диапазон волн составляет от миллиметра до километра длиной.

Над нашим видимым спектром, на более высоких энергиях и коротких длинах волн, мы находим ультрафиолетовый спектр, потом рентгеновские лучи и на вершине - гамма-лучевой спектр, длины волн которого достигают одной триллионной метра.

Хотя большинство из нас ограничены видимым спектром, люди с афакией (отсутствием хрусталика) могут видеть в ультрафиолетовом спектре. Афакия, как правило, создается вследствие оперативного удаления катаракты или врожденных дефектов. Обычно хрусталик блокирует ультрафиолетовый свет, поэтому без него люди могут видеть за пределами видимого спектра и воспринимать длины волн до 300 нанометров в голубоватом оттенке.

Исследование 2014 года показало, что, условно говоря, все мы можем видеть инфракрасные фотоны. Если два инфракрасных фотона случайно попадают в клетку сетчатки почти одновременно, их энергия объединяется, конвертируя их длину волны из невидимой (например, 1000 нанометров) в видимую 500-нанометровую (холодный зеленый цвет для большинства глаз).

Здоровый человеческий глаз имеет три типа колбочек, каждый из которых может различать порядка 100 разных цветовых оттенков, поэтому большинство исследователей сходятся во мнении, что наши глаза в общем могут различить примерно миллион оттенков. Тем не менее восприятие цвета - это довольно субъективная способность, которая варьируется от человека к человеку, поэтому определить точные цифры довольно сложно.

«Довольно трудно переложить это на цифры, - говорит Кимберли Джеймисон, научный сотрудник Калифорнийского университета в Ирвине. - То, что видит один человек, может быть лишь частью цветов, которые видит другой человек».

Джеймисон знает, о чем говорит, поскольку работает с «тетрахроматами» - людьми, обладающими «сверхчеловеческим» зрением. Эти редкие индивиды, в основном женщины, обладают генетической мутацией, которая подарила им дополнительные четвертые колбочки. Грубо говоря, благодаря четвертому набору колбочек, тетрахроматы могут разглядеть 100 миллионов цветов. (Люди с цветовой слепотой, дихроматы, имеют только два вида колбочек и видят примерно 10 000 цветов).

Сколько минимум фотонов нам нужно видеть?

Для того чтобы цветное зрение работало, колбочкам, как правило, нужно намного больше света, чем их коллегам-палочкам. Поэтому в условиях низкой освещенности цвет «гаснет», поскольку на передний план выходят монохроматические палочки.

В идеальных лабораторных условиях и в местах сетчатки, где палочки по большей части отсутствуют, колбочки могут быть активированы лишь горсткой фотонов. И все же палочки лучше справляются в условиях рассеянного света. Как показали эксперименты 40-х годов, одного кванта света достаточно, чтобы привлечь наше внимание. «Люди могут реагировать на один фотон, - говорит Брайан Уонделл, профессор психологии и электротехники в Стэнфорде. - Нет никакого смысла в еще большей чувствительности».

В 1941 году исследователи Колумбийского университета усадили людей в темную комнату и дали их глазам приспособиться. Палочкам потребовалось несколько минут, чтобы достичь полной чувствительности - вот почему у нас возникают проблемы со зрением, когда внезапно гаснет свет.

Затем ученые зажгли сине-зеленый свет перед лицами испытуемых. На уровне, превышающем статистическую случайность, участники смогли зафиксировать свет, когда первые 54 фотона достигли их глаз.

После компенсации потери фотонов через всасывание другими компонентами глаза, ученые обнаружили, что уже пять фотонов активируют пять отдельных палочек, которые дают ощущение света участникам.

Каков предел самого мелкого и дальнего, что мы можем увидеть?

Этот факт может вас удивить: нет никакого внутреннего ограничения мельчайшей или самой далекой вещи, которую мы можем увидеть. Пока объекты любого размера, на любом расстоянии передают фотоны клеткам сетчатки, мы можем их видеть.

«Все, что волнует глаз, это количество света, которое попадает на глаз, - говорит Лэнди. - Общее число фотонов. Вы можете сделать источник света до смешного малым и удаленным, но если он излучает мощные фотоны, вы его увидите».

К примеру, расхожее мнение гласит, что темной ясной ночью мы можем разглядеть огонек свечи с расстояния 48 километров. На практике, конечно, наши глаза будут просто купаться в фотонах, поэтому блуждающие кванты света с больших расстояний просто потеряются в этой мешанине. «Когда вы увеличиваете интенсивность фона, количество света, которое вам необходимо, чтобы что-то разглядеть, увеличивается», - говорит Лэнди.

Ночное небо с темным фоном, усеянным звездами, являет собой поразительный пример дальности нашего зрения. Звезды огромны; многие из тех, что мы видим в ночном небе, составляют миллионы километров в диаметре. Но даже ближайшие звезды находятся минимум в 24 триллионах километров от нас, а потому настолько малы для нашего глаза, что их не разберешь. И все же мы их видим как мощные излучающие точки света, поскольку фотоны пересекают космические расстояния и попадают в наши глаза.

Все отдельные звезды, которые мы видим в ночном небе, находятся в нашей галактике - Млечный Путь. Самый далекий объект, который мы можем разглядеть невооруженным глазом, находится за пределами нашей галактики: это галактика Андромеды, расположенная в 2,5 миллионах световых лет от нас. (Хотя это спорно, некоторые индивиды заявляют, что могут разглядеть галактику Треугольника в чрезвычайно темном ночном небе, а она находится в трех миллионах световых лет от нас, только придется поверить им на слово).

Триллион звезд в галактике Андромеды, учитывая расстояние до нее, расплываются в смутный светящийся клочок неба. И все же ее размеры колоссальны. С точки зрения видимого размера, даже будучи в квинтиллионах километрах от нас, эта галактика в шесть раз шире полной Луны. Однако наших глаз достигает так мало фотонов, что этот небесный монстр почти незаметен.

Насколько острым может быть зрение?

Почему мы не различаем отдельных звезд в галактике Андромеды? Пределы нашего визуального разрешения, или остроты зрения, накладывают свои ограничения. Острота зрения - это возможность различать такие детали, как точки или линии, отдельно друг от друга, чтобы те не сливались воедино. Таким образом, можно считать пределы зрения числом «точек», которые мы можем различить.

Границы остроты зрения устанавливают несколько факторов, например, расстояния между колбочками и палочками, упакованными в сетчатке. Также важна оптика самого глазного яблока, которое, как мы уже говорили, предотвращает проникновение всех возможных фотонов к светочувствительным клеткам.

Теоретически, как показали исследования, лучшее, что мы можем разглядеть, это примерно 120 пикселей на градус дуги, единицу углового измерения. Можете представить это как черно-белую шахматную доску 60 на 60 клеток, которая умещается на ногте вытянутой руки. «Это самый четкий паттерн, который вы можете разглядеть», - говорит Лэнди.

Проверка зрения, вроде таблицы с мелкими буквами, руководствуется теми же принципами. Эти же пределы остроты объясняют, почему мы не может различить и сосредоточиться на одной тусклой биологической клетке шириной в несколько микрометров.

Но не списывайте себя со счетов. Миллион цветов, одиночные фотоны, галактические миры за квантиллионы километров от нас - не так уж и плохо для пузырька желе в наших глазницах, подключенных к 1,4-килограммовой губке в наших черепах.

Здоровый человеческий глаз имеет три типа колбочек, каждый из которых может различать порядка 100 разных цветовых оттенков, поэтому большинство исследователей сходятся во мнении, что наши глаза в общем могут различить примерно миллион оттенков. Тем не менее восприятие цвета — это довольно субъективная способность, которая варьируется от человека к человеку, поэтому определить точные цифры довольно сложно.

«Довольно трудно переложить это на цифры, - говорит Кимберли Джеймисон, научный сотрудник Калифорнийского университета в Ирвине. - То, что видит один человек, может быть лишь частью цветов, которые видит другой человек».

Сколько минимум фотонов нам нужно видеть?

Каков предел самого мелкого и дальнего, что мы можем увидеть?

«Все, что волнует глаз, это количество света, которое попадает на глаз, - говорит Лэнди. - Общее число фотонов. Вы можете сделать источник света до смешного малым и удаленным, но если он излучает мощные фотоны, вы его увидите».

Все отдельные звезды, которые мы видим в ночном небе, находятся в нашей галактике - . Самый далекий объект, который мы можем разглядеть невооруженным глазом, находится за пределами нашей галактики: это галактика Андромеды, расположенная в 2,5 миллионах световых лет от нас. (Хотя это спорно, некоторые индивиды заявляют, что могут разглядеть галактику Треугольника в чрезвычайно темном ночном небе, а она находится в трех миллионах световых лет от нас, только придется поверить им на слово).