Заметки о глазах и зрении
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Человеческий глаз — очень совершенный прибор. Он обладает удивительной способностью к самонастройке и саморегулированию, позволяющей ему действовать в различных условиях освещенности. Он обладает способностью так корректировать погрешности, возникающие в нем благодаря несовершенству его оптической системы, что мы их и не замечаем.
Обычно, сравнивая глаз с фотоаппаратом, роль объектива приписывают хрусталику. Между тем основной преломляющей поверхностью глаза человека и наземных животных является роговица, а не хрусталик. Оптическая сила роговицы человека равна 43 диоптриям, а хрусталика — от 20 до 30 диоптрий, в зависимости от его выпуклости, меняющейся в ходе аккомодации — наводки на фокус. Это связано с тем, что разница в показателях преломления воздуха и роговицы (1,37) больше, чем между хрусталиком (1,38) и окружающими его средами (1,33).
Под водой нам приходится надевать маску, чтобы сохранить воздушную среду перед роговицей, ибо на границе воды и роговицы преломление недостаточное, и изображение получается нерезким. Хрусталик же играет роль подстроечного элемента оптической системы глаза. Изменение его выпуклости позволяет получать резкое изображение предметов, расположенных и далеко и близко от глаз.
У рыб наводка на резкость достигается не изменением степени выпуклости хрусталика, а его перемещением (кстати, роговица у рыб практически не преломляет лучей света, и хрусталик служит единственным оптическим элементом глаза; глаз рыбы по способу наводки на резкость подобен фотоаппарату).
Изменение выпуклости хрусталика происходит за счет его упругих свойств и сокращения соответствующих мышц. С механизмом аккомодации связано следующее явление: если смотреть на концентрические окружности с небольшого расстояния, то создается впечатление вращающегося пропеллера. Дело в том, что напряжение аккомодирующей мышцы складывается из многочисленных быстро следующих друг за другом сокращений множества волокон. Поэтому хрусталик имеет колеблющуюся поверхность; в разные мгновении оказываются более четко изображенными разные секторы окружностей, и при их последовательной смене создается впечатление вращения этих секторов. Возможно, по той же причине у нас «рябит в глазах», когда мы смотрим на шахматный рисунок из мелких черных и белых квадратиков. Так как эффект зависит от напряжения аккомодирующей мышцы, то он исчезает, если расслабить мышцу (настроить взгляд на смотрение вдаль).
Преломляющиеся среды глаза, как и большинство преломляющихся сред, сильнее всего преломляют фиолетовые и синие лучи, слабее всего — красные. Если свет от далекого источника пропускать через край зрачка (с помощью маленькой диафрагмы или заслонки, сделанной из полоски черной бумаги), то на краю роговицы он разлагается в спектр, как в призме. Особенно четко это видно при наблюдении синего железнодорожного сигнального знака; светофильтры этого сигнального знака пропускают, кроме синего, еще и красный свет, поэтому при частичном загораживании зрачка изображение сигнала распадается на два совершенно раздельных пятна — красное и синее.
Красные и зеленые огни рекламы видны четко при несколько различном напряжении аккомодации: для красного — хрусталик должен быть несколько выпуклее, для зеленого — более плоским. Оценивая расстояние до предмета, мы подсознательно учитываем напряжение аккомодирующей мышцы, нужное для четкого видения предмета. В результате красный огонь рекламы кажется расположенным ближе зеленого.
При оценке расстояние до предмета большое значение имеет степень конвергенции глаз (сведения зрительных осей), необходимой для совмещения изображений предмета в обоих глазах. В большинстве случаев нужная конвергенция устанавливается автоматически, и этот процесс ускользает от нашего внимания. Но выбор нужной конвергенции затруднен, если объект состоит из деталей, периодически повторяющихся и расположенных вдоль горизонтальной линии. В этом случае глаз как бы «не знает», за что зацепиться, так как при разном сведении глаз на сетчатку проецируются разные, но одинаково пригодные для совмещения участки объекта.
Проделайте такой опыт: На темном фоне поместите равномерно освещенную нитку одинаковых круглых бус, натянув ее горизонтально на расстоянии 20—25 см от глаз. Желательно, чтобы концы нитки в пальцах и другие непериодические элементы предмета не были видны. Постарайтесь так свести (скосить) глаза, чтобы изображения сместились на целое число бусин. При этом создается впечатление, что нитка бус придвинулась ближе к лицу. При некоторой тренировке этот опыт удается почти с любым периодическим рисунком, например, узором на обоях или на кафельном полу, и даже с парой одинаковых карандашей. Если опыт с карандашами удается и вы можете удерживать взглядом «третий» карандаш (слившееся изображение двух разных карандашей) даже при изменении расстояния между ними, то обратите внимание, что когда вы раздвигаете карандаши, то «третий» карандаш виден не только ближе, но как будто становится меньше.
Диаметр зрачка нашего глаза меняется в зависимости от освещения от 7—8 до 1,5 мм, то есть примерно в 5 раз. Значит, его площадь и количество проходящего света меняются примерно в 25 раз. Это не очень много. В фотоаппаратах диаметр относительного отверстия меняется, по крайней мере, в 10 раз, а то и больше, так что светосила может быть изменена в сотни раз. Между прочим, у многих ночных животных, которым приходится днем защищаться от избыточного света, зрачок не круглый, как у нас, а щелевидный. В чем преимущества такого зрачка! Круглый зрачок сужается за счет сокращения кольцевых мышц. Для уменьшения площади зрачка в 100 раз мышечные волокна должны сократиться примерно в 10 раз. Если же зрачок образован двумя пучками волокон, закрепленных по концам, то достаточно укоротить их в полтора раза, чтобы площадь зрачка уменьшилась в сотни раз. Щелевидным зрачком обладают кошки, змеи, крокодилы, ночные ящерицы — гекконы. Но сов почему-то природа наделила все-таки круглыми зрачками.
Большинство людей и не подозревает о существовании слепого пятна. Проделайте опыт, позволяющий не только убедиться в наличии слепого пятна, но и оценить участок зрительного поля, который мы не видим. На листе бумаги поставьте слева яркую красную точку. Закрыв правый глаз, ведете карандашом линию от точки вправо и чуть вверх; при этом следите левым глазом за кончиком карандаша, отмечая одновременно в сознании, видна ли точка слева. Как только точка пропадет, отметьте положение карандаша. То же сделайте на продолжении начатой линии, ведя ее издалека навстречу первой отметке, затем в перпендикулярном направлении и т. д. Так вы ограничите на листе область точек, глядя на которые, вы теряете яркую красную точку слева. Если теперь лист бумаги повернуть на 130° и смотреть на яркую точку (теперь она на листе будет справа) тем же глазом, то ограниченная отметками область будет проектироваться на слепое пятно, в чем можно убедиться, положив на нее небольшую монету. Монету мы не увидим.
Слепое пятно, как известно, образовано волокнами зрительного нерва, проходящими изнутри сквозь сетчатку глаза наружу. Такое «решение» проблемы вывода нервных волокон из сетчатки не является ни наилучшим, ни единственно возможным: например, у головоногих моллюсков (кальмар, осьминог) глаз не имеет слепого пятна. Почему же глаз позвоночных устроен так нелепо? Ведь наличие «мертвого», недосматриваемого пространства явно невыгодно.
Такой «способ» вывода глазного нерва сквозь сетчатку, в результате чего получается слепое пятно, связан с происхождением глаза позвоночных в ходе эволюция, и от этого наследия природе не так-то легко отказаться, даже если это невыгодно. Да мы, признаться, и не очень страдаем от наличия слепого пятна. Даже глядя одним глазом, нужно специально обратить внимание, чтобы обнаружить слепое пятно, а если смотреть двумя, то это не удастся вовсе.
Продолжение следует.
Автор: Олег Орлов.