Як працює людське око і навіщо мозку фотошоп
Людське око часто наводять як приклад дивовижної природної інженерії - але судячи з того, що це один з 40 варіантів пристроїв, які з'являлися в процесі еволюції у різних організмів, нам варто зменшити свій антропоцентризм і визнати, що за будовою людське око не є чимось то досконалим.
Розповідь про око Краще всього почати з фотона. Квант електромагнітного випромінювання неспішно влітає строго в око нічого не підозрює перехожого, який мружиться від несподіваного відблиску з чиїхось годин.
Перша деталь оптичної системи очі - це рогівка. Вона змінює напрямок руху світла. Це можливо завдяки такій властивості світла, як переломлення, відповідального в тому числі за веселку. Швидкість світла постійна в вакуумі - 300 000 000 м / с. Але при переході з одного середовища в іншу (в даному випадку з повітря в око) світло змінює свою швидкість і напрямок руху. У повітря коефіцієнт заломлення дорівнює 1,000293, у рогівки - 1,376. Це означає, що промінь світла в рогівці уповільнює свій рух в 1,376 разів і відхиляється ближче до центру очі.
Улюблений спосіб розколювати партизан - світити їм яскравою лампою в обличчя. Це боляче з двох причин. Яскраве світло - це потужне електромагнітне випромінювання: трильйони фотонів атакують сітківку, і її нервові закінчення змушені передавати шалену кількість сигналів в мозок. Від перенапруги нерви, як дроти, перегорають. При цьому м'язи райдужки змушені стискатися так сильно, як тільки можуть, відчайдушно намагаючись закрити зіницю і захистити сітківку.
І підлітає до зіниці. З ним все просто - це отвір у райдужній оболонці. За рахунок кругових і радіальних м'язів райдужна оболонка може відповідно звужувати і розширювати зіницю, регулюючи кількість світла, проникаючого в око, як діафрагма у фотоапараті. Діаметр зіниці людини може змінюватися від 1 до 8 мм в залежності від освітленості.
Пролетівши крізь зіницю, фотон потрапляє на кришталик - другу лінзу, відповідальну за його траєкторію. Кришталик переломлює світло слабкіше, ніж рогівка, зате він рухливий. Кришталик висить на цілінарних м'язах, які змінюють його кривизну, тим самим дозволяючи нам фокусуватися на предметах на різній відстані від нас.
Саме з фокусом пов'язані порушення зору. Найпоширеніші - короткозорість і далекозорість. Зображення в обох випадках фокусується нема на сітківці, як належить, а перед нею (короткозорість), або за нею (далекозорість). Винен в цьому очей, який змінює форму з круглої на овальну, і тоді сітківка віддаляється від кришталика або прібліжется до нього.
Після кришталика фотон пролітає крізь склоподібне тіло (прозорий холодець - 2/3 об'єму всього очі, на 99% - вода) прямо на сітківку. Тут реєструються фотони, і повідомлення про прибуття відправляються по нервах в мозок.
Сітківка встелена клітинами-фоторецепторами: коли світла немає, вони виробляють спеціальні речовини - нейротрансмітери, але як тільки в них потрапляє фотон, клітини-фоторецептори перестають їх виробляти - і це сигнал для мозку. Є два типи цих клітин: палички, які більш чутливі до світла, і колбочки, які краще розрізняють рух. Паличок у нас близько ста мільйонів і ще 6-7 мільйонів колб, разом більше ста мільйонів світлочутливих елементів - це більше 100 мегапікселів, що ніякому «Хасселя» не снилося.
Сліпе пляма - точка прориву, де зовсім немає світлочутливих клітин. Воно досить велике - 1-2 мм в діаметрі. На щастя, у нас бінокулярний зір і є мозок, який поєднує дві картинки c плямами в одну нормальну.
На момент передачі сигналу в людському оку виникає проблема з логікою. Підводний, не особливо потребує зорі житель восьминіг в цьому сенсі набагато послідовніше. У восьминогів фотон спочатку врізається в шар колбочок і паличок на сітківці, відразу за яким чекає шар нейронів і передає сигнал в мозок. У людини світло спершу продирається крізь шари нейронів - і тільки потім вдаряється в фоторецептори. Через це в оці є перше пляма - сліпе.
Друга пляма - жовте, це центральна область сітківки прямо навпроти зіниці, трохи вище зорового нерва. Цим місцем око бачить найкраще: концентрація світлочутливих клітин тут сильно збільшена, тому наш зір по центру візуального поля значно гостріше периферійного.
Зображення на сітківці перевернуто. Мозок уміє правильно інтерпретувати картинку, і відновлює з перевернутого оригінальне зображення. Діти перші пару днів бачать все догори ногами, поки їх мозок встановлює свій фотошоп. Якщо надіти окуляри, які перевертають зображення (це вперше виконали ще в 1896 році), то через пару днів наш мозок навчиться інтерпретувати і таку перевернуту картинку правильно.