Физика - Каплун С. В. - Страница 49

«Стянутая рыбачья сеть, закинутая на дно глазного бокала и ловящая солнечные лучи» – так представлял себе древнегреческий врач Герофил сетчатку глаза.

Это поэтическое сравнение оказалось удивительно точным. Сетчатка глаза – именно сеть и именно ловит отдельные «частицы света» – так называемые кванты света.

Темной ночью от далекой неяркой звезды наш глаз ловит не очень много квантов, этих малых порций света. По своей чувствительности глаза приближаются к идеальному физическому прибору, так как нельзя создать прибор, который зарегистрировал бы менее одного кванта. Этим уникальным свойством глаза пользовались ученые-астрономы давних времен и пионеры атомной и ядерной физики. После долгого пребывания в темноте им удавалось увидеть далекую звезду. И вместе с тем глаз выдерживает астрономическую лавину квантов, исчисляемую десятками миллиардов в секунду. Например, если вы посмотрите на Солнце, ваши глаза получат миллиардную дозу квантов. Но этого лучше не делать.

Строение глаза

Так что же такое глаз? Давайте рассмотрим его строение.

Глаз обычно сравнивают с фотоаппаратом. Роль объектива приписывают хрусталику. Как и любой фотоаппарат, глаз имеет диафрагму – зрачок. Его диаметр изменяется в зависимости от освещенности. Изображение, создаваемое на сетчатке, немного хуже, чем на пленке хорошего фотоаппарата. Но потом сама сетчатка и мозг исправляют его, делают четким, цветным и, наконец, осмысленным. Механизмы работы мозга, которые обеспечивают передачу, расшифровку и обработку зрительной информации, поступающей из глаза, изучают сейчас сотни ученых в разных странах мира.

Сетчатка в зрительной системе – это, по образному выражению одного из ученых, «мозг, выдвинутый на периферию». Сетчатка – достаточно сложный нервный центр, ее строение чрезвычайно интересно. Сетчатка напоминает пирог толщиной 0,15—0,20 мм. В этом «микропироге» несколько слоев. Каждый состоит из различных клеток, которые сплетаясь и прижимаясь друг к другу своими отростками, образуют ажурную сеть.

От клеток последнего слоя отходят длинные отростки. Собираясь в одном месте в пучок, они образуют зрительный нерв. Более миллиона его волокон несут в мозг зрительную информацию, закодированную сетчаткой в виде слабых биоэлектрических импульсов. Задача мозга – мгновенно расшифровать их.

Место на сетчатке, где волокна собираются в пучок, называется слепым пятном. Если, например, изображение головы человека попадет на это место, то мы… головы не увидим! Об этом знали давно. Один веселый французский король забавлялся, рассматривая своих подданных без голов. Для этого ему приходилось рассматривать их особым образом: одним глазом на определенном расстоянии.

В первом слое сетчатки, образованном светочувствительными клетками – палочками и колбочками, свет поглощается. Благодаря им и происходит зрительное восприятие окружающего мира.

В сетчатке человека около 125–130 млн палочек и 6–7 млн колбочек. Палочки и колбочки состоят из двух половинок. Внешняя часть этих вытянутых в длину клеток представляет собой гигантскую массу наложенных друг на друга дисков. В палочке их около тысячи, толщина каждой примерно 150 ангстрем (1 ангстрем = 10-8 см). Сейчас ученым уже известно и строение диска: он состоит из нескольких молекулярных слоев, а каждый слой – из нескольких миллионов молекул.

«Лучи твои создают глаза всех животных твоих» – это слова египетского гимна Атону – богу Солнца. Древний Египет поклонялся Солнцу. Египтяне в мифах и гимнах уподобляли Солнце глазу. Академик С. И. Вавилов написал когда-то поэтическую и вместе с тем научную книгу «Глаз и Солнце». В ней он доказывал правоту египтян. Яснее всего «солнечность глаза» проявляется в его так называемой спектральной чувствительности, т. е. чувствительности к различным квантам – «частицам» солнечного спектра. Вспомним радугу – мы различаем в ней десятки оттенков, которые физически отличаются между собой только миллионными долями сантиметров, в которых измеряется длина световой волны!

Люди давно заметили определенную разницу между тем, как они видят днем и как ночью. Дело в том, что в центре сетчатки глаза находятся преимущественно колбочки, другая же ее часть выстлана палочками. Палочки ответственны за наше бесцветное, сумеречное зрение, они являются очень светочувствительными. В сетчатке ночных животных содержатся практически только палочки, например у сов и летучих мышей. Они хорошо видят ночью и плохо днем. Мир для них черно-белый, бесцветный.

Строение колбочки

В дневном, цветном зрении главную роль играют колбочки. Их чувствительность к свету небольшая, но в этом и нет необходимости: днем света много. У дневных животных, например, голубей, кур, сетчатки вообще «колбочковые». Вечером они совсем плохо видят. Недаром неспособность видеть при слабом свете в народе называют куриной слепотой!

В 1823 г. чешский физиолог Я. Пур-кинье описал интересный факт, который доказал, что днем мы видим в основном колбочками, а в сумерках – палочками. Вспомните красный мак и голубой василек. Днем они одинаково яркие и светлые. В сумерках же красный мак кажется почти черным, его едва можно увидеть, а вот василек все еще виден хорошо, он остается белесо-синим. В чем же дело? Как это можно объяснить?

В сумерках, когда света мало, колбочки перестают работать, а для палочкового зрения света еще хватает. Зрительный пигмент палочек – зрительный пурпур – сине-голубые лучи поглощает хорошо, а вот красные чувствует плохо, он их почти полностью пропускает через себя и от них не меняется.

Поэтому красный мак в сумерках палочки «не видят», а голубой василек различают хорошо. Итак, днем работают колбочки и, очевидно, палочки тоже, а ночью – только палочки.

Теперь, естественно, возникает вопрос: а как осуществляют колбочки именно цветное зрение? С чем связано восприятие красок окружающей среды?

Сейчас известно, что зрение человека «трехцветное», то есть мы воспринимаем любой цвет как комбинацию трех основных цветов: красного, синего и зеленого. Однако и сейчас цветное зрение – пока одна из самых сложных и самых неизученных проблем современной физиологии органов чувств.

Научная разработка гипотезы о трехкомпонентном цветном зрении связана с именами М. В. Ломоносова и ученых XIX в. – немецкого натуралиста Г. Гельмгольца и английских физиков Т. Юнга и Д. К. Максвелла. Но и до наших дней вопрос о трехцветном зрении все-таки долго оставался лишь гипотезой. Чтобы она стала теорией, необходимо было доказать экспериментально, что в сетчатке глаза человека и животных, обладающих цветовым зрением, все колбочки действительно делятся на красно-, зелено– и синечувствительные. Решить эту проблему не могла классическая физиологическая оптика конца XIX – начала ХХ в.

Только в середине 60-х годов ХХ в., т. е. сравнительно недавно, одновременно и независимо в нескольких лабораториях мира были проведены необходимые эксперименты. Исследовались сетчатки человека, обезьяны и золотой рыбки. Оказалось, что все внешне одинаковые клетки распадаются на три группы: красно-, зелено– и синечувствительные. Это означает, что в каждой из колбочек находится свой зрительный пигмент и благодаря его особенностям колбочки способны воспринимать три основных цвета: красный, зеленый, синий.