Как работает зрение?

Основным источником получения информации об окружающем нас мире являются глаза. Для многих людей механизм зрения кажется загадочным, и оттого часто возникают такие вопросы:

Как мы различаем цвета?
Каков механизм зрения?
Почему некоторые люди не различают цвета?

На эти и многие другие вопросы вы найдете ответ после прочтения данной статьи.

Глаза начинают свое развитие еще в утробе, обычно на третьей неделе развития, а уже к 5 неделе у малыша формируются глаза со сложным строением. Для того, чтобы понять механизм зрения, рассмотрим некоторые особенности строения глаза.

Опираясь на рисунок выше, приступим к объяснению механизма зрения у человека. Для начала свет проходит через роговицу (куполообразную поверхность), которая покрывает переднюю часть глаза. Роговица преломляет падающий свет. Преломление света является одним из важных оптических явлений, происходящих в глазу. У некоторых людей зрение нарушено из-за избыточной или недостаточной преломляющей силы глаза.

При недостаточной преломляющей силе глаза лучи света фокусируются перед сетчаткой. При этом ухудшается зрение вдаль. Это заболевание носит название близорукость. Обратный процесс происходит при дальнозоркости. Из-за избыточной силы глаза лучи света фокусируются за сетчаткой. При этом ухудшается зрение на близком расстоянии. Оба состояния могут быть вызваны как изменением размера глазного яблока, так и нарушением регуляции кривизны хрусталика.

Дальше свет направляется к радужке. Функцией радужной оболочки является регулирование размера зрачка и количества падающего света на глаз. Чем шире открыт зрачок, тем больше света попадает в глаз.

За зрачком находится хрусталик (прозрачная оболочка овальной формы), которая способствуют фокусированию света на сетчатке. Сетчатка представляет собой тонкую, светочувствительную ткань, которая содержит фоторецепторы, преобразующие свет в электрические сигналы. Есть два вида фоторецепторов: колбочки и палочки. В сетчатке находятся и нервные клетки. Нейроны в сетчатке образуют многослойную сеть, пройдя по которой информация собирается в зрительном нерве, и направляется в головной мозг.

Лучи света проходят через три слоя разных клеток, и лишь потом достигают палочек и колбочек.

В сетчатке глаза содержится около \(120\) млн палочек и лишь \(6\) млн колбочек. Главным различием между палочками и колбочками является то, что колбочки различают цвета, а палочки — ​нет.

В случае палочек, одна нервная клетка обслуживает сразу несколько палочек. В случае же колбочек, одна нервная клетка обслуживает только одну колбочку. Последнее обеспечивает максимальную остроту зрения, так как каждая часть информации воспринимается одной особой клеткой, поэтому информация не сливается с другими сигналами (не происходит конвергенции).

Острота зрения означает степень различения мелких деталей объектов. Допустим, что на расстоянии \(2\) м от вас нарисованы две точки, если две точки сливаются в одну, то у вас слабая острота зрения, а если же вы видите две четкие точки, то у вас хорошая острота зрения. Около \(90%\) колбочек располагаются в центральной ямке, а палочки расположены по периферии. Посмотрите, что получается. Предметы, находящиеся в боковых полях зрения, мы видим черно-белыми и размытыми (мы видим палочками). То, что находится в центральном зрении, мы видим ярко, четко (мы видим колбочками).

Колбочки содержат три зрительных пигмента, чувствительных к определенным длинам волны: красному, синему, зеленому. Путем этих трех основных цветов, можно увидеть любой другой цвет. В колбочках у людей с нормальным цветным зрением имеются все три пигмента. Их называют трихроматами. Отсутствие у людей одного из трех зрительных пигментов, ведет к цветовой слепоте. Ярким примером такого дефекта является дальтонизм. Дальтонизм выражается в неспособности различать один или несколько цветов, чаще всего зеленый и красный. Это заболевание передается по наследству, по женской линии как рецессивный признак. Как правило, проявляется это заболевание чаще всего у мужчин.

Помните сопряженные системы, про которые рассказывали в Химии Цвета? Так вот, сопряжение отвечает не только за окраску веществ, но и является существенной для механизма зрения. Основное вещество — ​старый добрый бета-Каротин, который трансформируется в витамин А при помощи ферментов (молекулы, ускоряющие ход химических реакций в живых организмах) в печени. Витамин А претерпевает окисление и изменение геометрии одной из двойных связей. Образуется цис-ретиналь.

Давайте сделаем небольшой экскурс обратно в химию. Помните те самые особые пи связи? Так вот, они настолько прочные, что они не могут вращаться вдоль своей оси. Взгляните на картинку ниже. Так как связь не вращается, соединение слева и справа — ​совсем разные вещи. Вернемся к цис-ретиналю, цис — ​значит линии (хим. связи) исходящие от двойной связи направлены в одну и ту же сторону.

В палочках, этот самый цис-ретиналь соединяется с белком (очень огромная молекула), получается очень чувствительная к свету молекула. При действии электромагнитного излучения, а именно волн видимого диапазона, может происходить изомеризация (то есть превращение цис-транс) двойной связи. Просто посмотрите на картинку, обратите внимание, как сильно меняется форма молекулы! То она была изогнутой, то она прямая, разница огромная. Это изменение генерирует нервный импульс, который посылается в головной мозг и воспринимается им как зрение.

Есть один сносящий голову факт — ​процесс изменения геометрии молекулы в отсутствии света длился бы \(1100\) лет. В присутствие света он длится \(200\) фемтосекунд (\(2\cdot10^{–13}\)или \(0,0000000000002 \) секунды). Вот такие дела.

Мы разобрали все процессы, происходящие на сетчатке глаза. Теперь электрические сигналы от сетчатки по волокнам зрительного нерва направляются в кору больших полушарий, а именно в зону зрительной коры. Проводящие пути зрительной системы устроены таким образом, что в левое полушарие головного мозга попадает информация с правого поля зрения, а в правое полушарие попадает информация с левого поля зрения. В зоне зрительной коры информация, поступившая от палочек и колбочек, обрабатывается и воспроизводится в то, что мы «видим».

Напоследок пара «плюшек». Нередко мы сталкиваемся с неожиданными эффектами зрительного восприятия, их называют зрительными иллюзиями. Причины таких восприятий состоят в особенностях физиологии нашего зрения, а также в психологии восприятия. Например:

Глядя на следующее изображение, смотрите на чёрную точку. Через некоторое время цветные пятна должны уйти.

Пояснение: эта иллюзия возникает из-за деятельности фоторецепторов. Когда мы смотрим долгое время на черную точку, включаются в работу палочки, не воспринимающие все цвета, кроме черного.

Дорогие читатели, надеюсь, что данная статья помогла вам понять некоторые механизмы и процессы, которые раньше вам казались таинственными.

Эта статья является переизданием одноименной статьи из журнала Квазар от 15 января 2016 года. Многие авторы статей Квазара теперь являются участниками команды BeyondCurriculum и пришли к выводу, что некоторым людям может быть удобнее получать информацию в виде коротких статей онлайн. Если вы хотите получить полноценный опыт от чтения журнала, мы приглашаем вас скачать pdf с сайта Квазара.

Автор оригинальной статьи: Арай Адылхан
Редактор переиздания: Владислав Черданцев