Физика одна из древнейших наук. Уже на заре человечества люди научились изготовлять первые оптические приборы – плоские зеркала. Гораздо позже появились зеркала сферические, позволяющие собирать световые лучи в один пучок или равномерно рассеивать их. Сначала зеркала делали из металла. Изобретение стекла открыло перед оптикой огромные возможности, но прошло очень много времени, прежде чем научились шлифовать стеклянные линзы.

Увеличительные стекла захватили воображение образованных людей того времени. Через них рассматривали мелкие предметы, а наиболее изобретательные, прикрепив для удобства к шлему или иному головному убору, использовали как своеобразные очки. Пока это были простые игрушки. Потребовалось еще немало усилий, чтобы они превратились в современные бинокли, телескопы, микроскопы и фотоаппараты. Создавая их, люди и не подозревали, что могут многое позаимствовать у природы. Ведь наш глаз устроен ничуть не хуже любого современного фотоаппарата или съемочной телевизионной камеры. Он имеет специальные устройства, преломляющие световые лучи и фокусирующие их на внутренней поверхности задней стенки глаза, диафрагму, регулирующую количество проникающего внутрь света, и светочувствительные элементы, возбуждение которых по волокнам зрительного нерва транслируется в затылочные области мозга, где, как на экране телевизора, проходит своеобразная развертка, возникают зрительные ощущения, зрительные образы,пишет sunhome.ru

Чтобы отчетливо видеть окружающие предметы, необходимо очень точно сфокусировать их изображение на воспринимающих элементах. В современных фотоаппаратах это достигается перемещением объектива. Точно такую же конструкцию использовала природа, создавая глаза первых позвоночных животных. Хрусталик, одна из главных преломляющих сред глаза, у рыб и амфибий снабжен специальной мышцей, с помощью которой он может передвигаться вдоль оптической оси глаза.

У рептилий, птиц и млекопитающих появляется новое, современной техникой еще не освоенное приспособление, позволяющее им осуществлять фокусировку, изменяя кривизну хрусталика, а следовательно, его преломляющую силу. Для этого служит кольцеобразная мышца, окружающая хрусталик.

Чтобы изменить форму хрусталика, у птиц и рептилий мышца сжимается и, сдавливая хрусталик, делает его более шарообразным. Кольцевая мышца млекопитающих, наоборот, растягивает хрусталик, делая его более плоским, когда же мышца расслабляется, хрусталик вновь увеличивает свою кривизну. Интересно, что при этом главным образом изменяется кривизна его передней поверхности, радиус которой колеблется между 6 и 10 миллиметрами, радиус задней поверхности изменяется не более чем на полмиллиметра.

Конструируя преломляющие устройства для глаз млекопитающих, природа допустила серьезный просчет. Она, видимо, не предполагала, что высший представитель этого класса животных – человек придумает крохотные крючочки и закорючки, назовет их буквами и будет с их помощью обмениваться информацией. Для этого людям пришлось стать достаточно близорукими, чтобы иметь возможность разбираться в своих же каракулях. Вот здесь по милости природы и начались наши неприятности. С возрастом хрусталик делается менее эластичным, растягивается он еще хорошо, но зато теряет способность принимать затем прежнюю форму: к старости человек становится дальнозорким, приходится прибегать к очкам.

Преломляющая сила глаза складывается в основном из преломляющей силы роговицы и хрусталика. Показатели преломления роговицы и находящейся за ней жидкости почти такие же, как у обыкновенной воды. Поэтому под водой наше зрение сильно нарушается. Световые лучи, попадающие в глаз, проходят сквозь роговицу ничуть не преломившись, а один хрусталик не в состоянии сфокусировать световой поток на светочувствительных элементах. В воде человек становится настолько дальнозорким, что практически любой предмет, как бы далеко он ни находился, оказывается для нас слишком близко, и мы способны видеть только достаточно крупные предметы, да и то очень расплывчатыми. Это ничуть не мешает водолазам и аквалангистам прекрасно ориентироваться в прозрачной воде. Но у них глаза непосредственно не соприкасаются с водой. От нее их отделяет стекло и тонкий слой воздуха, поэтому в фокусировке принимает участие и хрусталик и роговица. Изображение получается вполне отчетливым, только все предметы кажутся на треть крупнее, чем в действительности. Это обстоятельство нужно всегда иметь в виду, слушая охотничьи рассказы аквалангистов.

Воспринимающими элементами глаза являются колбочки и палочки. Колбочек в человеческом глазе около 7 миллионов, а палочек и того больше – около 130. Распределены светочувствительные элементы неравномерно: колбочки расположены гуще в центральной части зрительного поля. Особенно высока их концентрация в желтом пятне, которым мы обычно пользуемся для очень детального изучения окружающих предметов.

Другое назначение колбочек – цветоощущение. Далеко не все животные различают цвета. Цветоощущение впервые возникло у высших беспозвоночных. Головоногие моллюски, ракообразные и многие насекомые прекрасно разбираются в цветах. Насекомые до некоторой степени даже превзошли всех остальных животных: они способны видеть ультрафиолетовые лучи, совершенно недоступные человеку. Благодаря этому они видят удивительный мир, с которым мы познакомились лишь недавно, научившись делать снимки на фотопленке, чувствительной к ультрафиолетовым лучам.

У позвоночных хорошо различают цвета большинство дневных животных. Мир красок доступен многим рыбам, амфибиям, рептилиям и птицам. Лишь млекопитающих природа обделила этим даром. Может быть, это произошло потому, что их предки были ночными животными. Даже наши верные помощники – собаки, так много перенявшие у человека, различать цвета не научились. Кстати, не воспринимают цвета и копытные животные. Вопреки прочно укоренившемуся мнению, что быки очень не любят красного цвета, приходится констатировать, что они его совершенно не могут отличить от зеленого, синего или даже черного одинаковой с ним насыщенности. Из всех млекопитающих, по-видимому, только обезьяны да мы, люди, способны любоваться игрой красок.

Способность желтого пятна давать мозгу очень детальную информацию о рассматриваемом предмете, по видимому, связана с очень высокой концентрацией здесь воспринимающих элементов, а также еще и потому, что каждая колбочка связана со своим собственным индивидуальным нейроном. Палочки такого индивидуального нейрона не имеют и вынуждены группироваться целыми компаниями вокруг одной-единственной нервной клетки.

С помощью желтого пятна мы увидим две разные точки, если их изображения попадут на две колбочки. Различать те же самые точки с помощью периферической части зрительного поля мы можем, когда их изображение проецируется на две разные компании палочек. Если две точки сфокусированы в пределах одной компании палочек, глаз увидит всего одну точку. Не удивительно, что у орлов и грифов, которым из поднебесья приходится высматривать на земле добычу, бывает не одно, а два или даже три желтых пятна.

Колбочки, кроме желтого пятна, есть и в остальных участках центральной части зрительного поля, только концентрация их здесь значительно ниже. А на периферии колбочек нет вовсе. Там находятся только палочки – световоспринимающие элементы более высокой чувствительности. Так как несколько палочек посылают свою информацию в одну и ту же нервную клетку, в сумерки очень слабо возбужденные палочки общими усилиями могут возбудить свой нейрон, и глаз все-таки что-то увидит, тогда как колбочки, адресующиеся лишь к своей собственной нервной клетке, в этом случае бессильны.

К помощи палочек мы прибегаем в сумерках, когда колбочки становятся просто помехой. Мы могли бы видеть ночью гораздо лучше, если бы не привычка фокусировать изображение на желтом пятне. Поэтому ночью мы гораздо лучше видим предметы, изображение которых оказывается на боковых участках сетчатки, а это происходит, когда мы не смотрим на предмет, который хотим увидеть.

Таким образом, для ночного зрения полностью или частично бесполезен значительный участок сетчатки, именно тот, которым так привычно и удобно пользоваться днем. Впрочем, и днем мы можем пользоваться не всей сетчаткой. Недалеко от желтого пятна расположено второе пятно – слепое. Здесь сквозь оболочки глаза выходят наружу волокна зрительного нерва. На этом участке совсем нет светочувствительных элементов, и он никакого участия ни в ночном, ни в дневном зрении не принимает.

Удивительно, что мы не замечаем дырки в собственном поле зрения. Отчасти потому, что смотрим на мир двумя глазами и на слепые пятна каждого из глаз ложатся различные участки изображения. При рассматривании какого-либо предмета наш глаз не остается неподвижным, а скользит по контурам и наиболее существенным местам изображения, а кроме того, совершает еще мелкие дрожательные движения. Изображение предмета очень быстро перемещается по сетчатке, а это дает нам возможность видеть все его части.
Различная концентрация световоспринимающих элементов приводит к тому, что мы видим достаточно отчетливо только специально рассматриваемый предмет. Для нас это очень хорошо, помогает сконцентрировать внимание на главном. Хищникам же, которые подстерегают свою добычу, необходимо очень широкое поле зрения. Они должны одинаково хорошо видеть достаточно обширный участок, и им такое зрение не очень подходит. Однако и здесь природа нашла выход.

Кому случалось погружаться в водолазном костюме в прозрачные морские воды вдалеке от суши, вероятно, чувствовал себя там довольно одиноко. Куда ни кинь взор, слева и справа, впереди, вверху и внизу – всюду голубовато-серая, уходящая вдаль дымка. И пустота: полная, бесконечная. Глазу просто не на чем остановиться. Даже космическое пространство не кажется таким пустым. Там ярко сияет солнце, весело поблескивают огоньки мириад звезд.

Рыбы, живущие в открытом океане, видимо, тоже чувствуют себя очень одиноко. Недаром большинство их ищет компании себе подобных, объединяясь в стаи.

Любой предмет в этой беспредельной пустоте приковывает внимание. От него невозможно оторвать взор, невозможно пройти мимо. На этом основан один из способов ловли на нехитрую снасть, называемую у рыболовов самодуром.

Устройство самодура несложно: длинная леска с грузилом на конце, к которой на отдельных поводках прикрепляют пяток рыболовных крючков. Наживки при ловле на самодур не требуется. Снасть опускают на глубину 30–50 метров и время от времени подергивают, а когда по дрожанию лески станет ясно, что рыба попалась, снасть осторожно вытаскивают в лодку.

На новичков обычно сильное впечатление производит то, что рыба глотает пустые крючки, и еще, пожалуй, большее, что она зацепляется за них брюхом, хвостом или спиной. А удивляться тут нечему. Рыбы, настрадавшиеся от пустоты, не могут оторвать взгляда от незнакомого предмета, пробуют его на вкус, вьются вокруг плотным клубком и нанизываются на крючки, когда рыболов подергивает за леску. Да если бы самого новичка опустить в морские глубины, он от голубой тоски не только крючки начал бы глотать, а и на сковородку сам бы выпрыгнул, если бы таковая поблизости оказалась.

Безусловно, для рыб, постоянно путешествующих в просторах голубовато-серого тумана, ни один встречный предмет не остается незамеченным. Ведь здесь ничто не приковывает взора, ничто не отвлекает, не мешает смотреть. Вот природа и решила создать некоторым хищным животным, живущим на расцвеченной веселыми красками земле, перед глазами пустыню, чтобы они легче замечали свою добычу.

Световоспринимающие приборы глаза устроены так, что они способны передавать в мозг информацию не об интенсивности падающего на них света, а лишь о характере изменения освещенности. Как только произойдет хоть малейшее изменение освещенности палочек и колбочек, они немедленно телеграфируют об этом мозгу и ждут следующих изменений, чтобы дать новую телеграмму. И так всю жизнь.

Об этих интересных особенностях световоспринимающих элементов впервые узнали благодаря изучению электрических реакций, возникающих при освещении глаза. Теоретическое осмысливание их приводило к гипотезе, что при пристальном рассматривании неподвижным глазом неподвижного предмета он может быть виден в течение лишь очень короткого времени. Проверить это предположение было не так-то просто, ведь человеческий глаз, кроме значительных поисковых движений, постоянно дрожит, совершая небольшие колебания. Все же ученым удалось найти остроумный способ для экспериментального изучения этого вопроса. Так как остановить движение глаза оказалось очень трудным, изображение прикрепили непосредственно к глазному яблоку. Благодаря этому, как бы глаз ни двигался, изображение фокусируется все на те же элементы сетчатки. Исследование подтвердило, что неподвижного изображения глаз не видит!

У позвоночных животных способность двигать глазами появилась на довольно поздних стадиях эволюции. Глаза большинства рыб неподвижны, но, видимо, им это не мешает. Вода не дает телу прочной опоры, и оно никогда не бывает абсолютно неподвижным, а вместе с ним движутся и глаза.

Когда древние рыбы превратились в земноводных и, выбравшись на сушу, получили для своего тела прочный фундамент, они взамен утратили способность непрерывно видеть окружающий их мир. Потеря эта оказала на амфибий, видимо, очень существенное влияние: утратив постоянный приток зрительной информации, они значительно поглупели по сравнению со своими предшественниками – рыбами. Когда нет информации, мозгу нечего делать и он не развивается.

Удивительный мир видят амфибии. Взгляните летним полднем на лягушку или жабу, нежащуюся где-нибудь на мелководье под лучами ласкового солнца. С каким философским спокойствием рассматривают они мир! Да и о чем волноваться! Когда жаркое марево повисло над болотом, а в воздухе не чувствуется ни ветерка и ни одна травинка, ни один листок не дрогнет, перед глазами у жабы вместо буйства красок висит, как занавеска, голубовато-серая дымка, точно попала она в просторы океана или сидит перед экраном включенного телевизора, у которого испорчено приемное устройство.

Как ни скучен, ни однообразен мир, который видят амфибии, такие глаза создают известные удобства. Ни одно живое существо не ускользнет от их взора. Вот мимо пролетела муха, и на пустом экране телевизора тотчас появилось ее изображение. Вот она села на стебелек осоки, травинка качнулась и тоже появилась на экране, но ненадолго, и вновь перед лягушкой на фоне серовато-голубой дымки лишь ползущая муха, одна-единственная на всем белом свете. Ну как же ее не заметить? Никакая добыча не ускользнет от таких внимательных глаз.

Временная слепота не мешает амфибиям жить и нормально ориентироваться. Они не натыкаются на предметы, ведь стоит только шевельнуться, и на экране молчавшего до того телевизора появляется окружающий мир.

Можно считать, что амфибиям не очень повезло с анализаторами. Условия приема звуковой и обонятельной информации в воздушной среде значительно отличаются от того, что происходило в воде. Эти органы чувств у амфибий оказались не очень хорошо приспособленными к новым условиям. Поэтому пищу амфибии находят только с помощью зрения, да и ту могут замечать, лишь когда она движется.

Кому приходилось держать жаб и лягушек у себя дома, знают, что неподвижную пищу они не берут. Это очень прискорбная особенность лягушек. Как известно, эти безобидные терпеливые существа стали излюбленным объектом ученых для проведения всевозможных медицинских и биологических исследований; к тому же лягушки очень дешевы, а содержать их можно в течение всей зимы где-нибудь в прохладном помещении, и корма они в это время не требуют, ведь и в природе они зимой впадают в спячку и в этот период совсем не едят.

Лягушки – очень удобный объект для исследования, но есть у них один-единственный недостаток, пришло лето – кончай работу. Лягушки выходят из спячки и начинают усиленно питаться. В этот период им нужно много корма и обязательно живого. В лабораториях, где содержится по нескольку сотен или тысяч лягушек, организовать питание очень сложно, да и живой корм стоит намного дороже самих лягушек. Пытаться приучить есть из кормушки кусочки сырого мяса – бесполезно. Ведь они его не видят. Долго не удавалось преодолеть это препятствие, пока не догадались сделать вращающуюся кормушку, вроде карусели, по краям которой раскладывают кусочки мяса. К такой кормушке лягушки скоро привыкают и начинают как ни в чем не бывало питаться мясом.

Трудно представить, что, создавая глаза, природа с самого начала планировала использовать особенности зрения неподвижным глазом для повышения его чувствительности. У высших животных это свойство не сохранилось, глаза получили способность двигаться.

Улучшение зрения шло по пути повышения чувствительности световоспринимающих приборов. Это вносило свои трудности в работу глаза: очень чувствительным приемникам, способным хорошо работать в сумерки, мешает сильный свет. Поэтому, еще на заре создания зрительных рецепторов, они обзавелись диафрагмой, чтобы менять интенсивность светового порога.

У человека, адаптированного к темноте, диаметр зрачка достигает 8 миллиметров, при ярком свете он в несколько раз меньше. Сужение зрачка не просто ограничивает световой поток, оно позволяет увеличить резкость изображения, так как световые лучи в этом случае проходят через центр роговицы и хрусталика, то есть через те части светопреломляющей системы, которые оптически более однородны.

Анализаторы обладают одной интересной особенностью: ощущение, вызванное каким-нибудь раздражителем, исчезает не сразу после прекращения его действия. Благодаря этому мы слышим непрерывные звуки, а не отдельные колебания, и достаточно частые световые вспышки воспринимаем как непрерывный световой раздражитель. Человек перестает замечать отдельные световые вспышки, если они даются с частотой 16–18 в секунду. Эти свойства зрения стали предпосылкой для возникновения особого вида искусства – кино. Благодаря тому что во время демонстрации кинофильмов отдельные диапозитивы проецируются на экран с частотой 24 кадра в секунду, мы видим непрерывное изображение, и у нас возникает иллюзия реальности движения.
Мы, люди, очень медлительные существа, и такая длительность последовательных ощущений нам не мешает жить. А вот птицам и летающим насекомым она не подошла. Если бы и у них ощущение сохранялось так же долго, им трудно было бы видеть окружающий мир при быстром полете. Зато они лишены удовольствия смотреть фильмы в наших кинотеатрах. Чтобы насекомые увидели единое изображение, потребовалось бы менять не меньше 200 кадров в секунду.

Камерный глаз высших животных настолько сложный прибор, что приходится учиться им пользоваться. Эту функцию берет на себя мозг. Раньше, чем пользоваться глазами, мозг должен научиться расшифровывать посылаемую ими информацию. Например, определять, который из двух предметов находится ближе. Может случиться, что их изображения на сетчатке окажутся равными или даже образ далекого предмета будет больше, чем ближнего.

Вообще простое изображение предмета на сетчатке не позволяет судить о его размерах. Решить эти вопросы на основе информации, полученной лишь от светочувствительных элементов, невозможно. Приходится сопоставлять чисто зрительные ощущения с показателями мышечных рецепторов, информирующих мозг о положении каждого из глаз (вернее, о величине угла, под которым пересекаются его оптические оси), а также с величиной аккомодации, то есть степенью изменения кривизны хрусталика. Величина аккомодации позволяет нам ориентироваться в величинах и расстояниях при рассмотрении предмета одним глазом. Этот же механизм используют многие животные, кролики, вальдшнепы, рыбы, устройство лицевой части черепа которых не дает возможность рассматривать интересующие их предметы двумя глазами.

Возможность к дешифровке и объединению оптических и двигательных показателей заложена в конструкции мозга, но этому приходится учиться точно так же, как и управлять своими руками и ногами.

Насекомые своими сложными глазами видят весь мир мозаичным, но им повезло в том отношении, что изображение окружающих предметов получается прямым. Позвоночным животным сложнее пользоваться своими камерными глазами. Поскольку световые лучи, проникающие в наш глаз, проходят сквозь крохотную двояковыпуклую линзу и в ней преломляются, изображение рассматриваемых предметов, сфокусированное на задней стенке глаза, оказывается перевернутым вверх ногами. Почему же мы видим мир нормальным, какой он есть на самом деле? Оказывается, наш мозг, сопоставляя показания, получаемые из глаз, с информацией, идущей от других органов чувств, главным образом от кожных и мышечных рецепторов, еще в раннем детстве привыкает в ней правильно разбираться.

А что будет, если изображение на задней стенке глаза окажется ориентированным правильно? Что увидит наш глаз тогда?

Подобные опыты проводились неоднократно. Вернуть изображению на сетчатке глаза правильное положение можно с помощью специальных очков. В первый момент весь мир кажется опрокинутым. Но если очки носить не снимая, уже через четыре дня мозг перестроится, и мы вновь увидим привычную картину. Зрение становится настолько нормальным, что человек может рисовать, свободно водить машину. Но стоит теперь снять очки, и мир вновь опрокинется навзничь. Опять придется мозгу привыкать к новой манере передачи информации. Какие процессы происходят при этом в мозгу, пока еще окончательно выяснить не удалось, но мы затронули здесь уже другую область – работу головного мозга.

E-NEWS.COM.UA