Человеческий глаз часто приводят в качестве примера удивительной природной инженерии - но судя по тому, что это один из 40 вариантов устройств, которые появлялись в процессе эволюции у разных организмов, нам стоит поумерить свой антропоцентризм и признать, что по строению человеческий глаз не является чем-то совершенным.
Рассказ про глаз учше всего начать с фотона. Квант электромагнитного излучения неспешно влетает строго в глаз ничего не подозревающего прохожего, который жмурится от неожиданного блика с чьих-то часов.
Однако, прежде чем изображение попадет на сетчатку, оно провалилось через разные части глаза: сначала через переднюю часть дермы, затем через роговицу, которая прозрачна и прозрачна, и разбивает лучи света, как линзу, и, наконец, через линзу. Сетчатка - это светочувствительный слой глаза. Для того, чтобы впечатления от внешнего мира проникали в мозг как визуальную информацию, они должны сначала быть отображены на сетчатке. Это можно сравнить с камерой: сетчатка обеспечивает пленку, преломляющие средства глаза, линзу и роговицу, образуют линзу.
Первая деталь оптической системы глаза - это роговица. Она меняет направление движения света. Это возможно благодаря такому свойству света, как преломление, ответственного в том числе за радугу. Скорость света постоянна в вакууме - 300 000 000 м/с. Но при переходе из одной среды в другую (в данном случае из воздуха в глаз) свет меняет свою скорость и направление движения. У воздуха коэффициент преломления равен 1,000293, у роговицы - 1,376. Это значит, что луч света в роговице замедляет свое движение в 1,376 раз и отклоняется ближе к центру глаза.
Роговица имеет гораздо большую долю преломления, чем линза. Преломление роговицы является постоянным, в то время как объектив способен регулировать свою преломляющую способность для изменения расстояний между наблюдателем и объектом наблюдения. Для того, чтобы изображение было четким даже в правильном месте, а именно на сетчатке, преломляющая сила и длина глаза должны быть правильно скоординированы друг с другом. Это обеспечивается сложными схемами управления, которые возникают при росте глаз. Только зрительный глаз может контролировать рост, чтобы изображение было создано в нужном месте.
Любимый способ раскалывать партизан - светить им яркой лампой в лицо. Это больно по двум причинам. Яркий свет - это мощное электромагнитное излучение: триллионы фотонов атакуют сетчатку, и ее нервные окончания вынуждены передавать бешеное количество сигналов в мозг. От перенапряжения нервы, как провода, перегорают. При этом мышцы радужки вынуждены сжиматься так сильно, как только могут, отчаянно пытаясь закрыть зрачок и защитить сетчатку.
К сожалению, длина глаз точно не соответствует силе роговицы и линзы у всех людей. Относительно короткий, создает нечеткую картину на сетчатке. Изображение теоретически было бы острым за глазом. Поскольку размытие уменьшается при взгляде на объект с расстояния, его называют дальнозоркостью; то есть Эти пациенты выглядят лучше на расстоянии, чем в непосредственной близости.
При построении по отношению к мощности преломления у нас также есть размытое изображение сетчатки. В этом случае изображение теоретически будет острым перед сетчаткой. Если объект наблюдается близко, размытие на сетчатке уменьшается. Это называется близорукостью, пациенты видят лучше в непосредственной близости, чем на расстоянии.
И подлетает к зрачку. С ним все просто - это отверстие в радужной оболочке. За счет круговых и радиальных мышц радужная оболочка может соответственно сужать и расширять зрачок, регулируя количество света, проникающего в глаз, как диафрагма в фотоаппарате. Диаметр зрачка человека может меняться от 1 до 8 мм в зависимости от освещенности.
Гиперопия называется гипертопией или гиперметропией, миопией. Человеческий глаз принадлежит к общей группе глаз, которые встречаются в природе под названием «глаза типа камеры». Подобно тому, как объектив камеры фокусируется на нем, структура в глазу, называемая роговицей, фокусируется на светочувствительной мембране, называемой сетчаткой.
Роговица представляет собой прозрачную структуру, расположенную на передней части глаза, которая помогает фокусировать входящий свет. Расположенная за учеником бесцветная и прозрачная структура, называемая кристаллической линзой. Чистая жидкость, называемая водным юмором, заполняет пространство между роговицей и радужкой.
Пролетев сквозь зрачок, фотон попадает на хрусталик - вторую линзу, ответственную за его траекторию. Хрусталик преломляет свет слабее, чем роговица, зато он подвижен. Хрусталик висит на цилинарных мышцах, которые меняют его кривизну, тем самым позволяя нам фокусироваться на предметах на разном расстоянии от нас.
Именно с фокусом связаны нарушения зрения. Самые распространенные - близорукость и дальнозоркость. Изображение в обоих случаях фокусируется не на сетчатке, как должно, а перед ней (близорукость), или за ней (дальнозоркость). Виноват в этом глаз, который меняет форму с круглой на овальную, и тогда сетчатка удаляется от хрусталика или приближется к нему.
«Роговица концентрирует большую часть света, а затем проходит через объектив, который продолжает фокусировать свет», - пояснил доктор Марк Фром, офтальмолог и специалист по сетчатке в больнице Ленокс-Хилл в Нью-Йорке. За роговицей находится кольцеобразная мембрана, называемая радужной оболочкой. Ирис имеет регулируемое круговое отверстие, называемое зрачком, которое можно развернуть или сжать, чтобы контролировать количество света, попадающего в глаз, сказал Фредер.
Цилиарные мышцы окружают линзу. Мускулы удерживают объектив на месте, но они также играют роль в зрении. Когда мышцы расслабляются, они тянут и выравнивают объектив, позволяя глазу видеть объекты, которые находятся далеко. Чтобы увидеть объекты ближе, цилиарная мышца должна сжиматься, чтобы утолстить объектив.
После хрусталика фотон пролетает сквозь стекловидное тело (прозрачный студень - 2/3 объема всего глаза, на 99% - вода) прямиком на сетчатку. Здесь регистрируются фотоны, и сообщения о прибытии отправляются по нервам в мозг.
Сетчатка устлана клетками-фоторецепторами: когда света нет, они вырабатывают специальные вещества - нейротрансмиттеры, но как только в них попадает фотон, клетки-фоторецепторы перестают их вырабатывать - и это сигнал для мозга. Есть два типа этих клеток: палочки, которые более чувствительны к свету, и колбочки, которые лучше различают движение. Палочек у нас около ста миллионов и еще 6-7 миллионов колбочек, итого больше ста миллионов светочувствительных элементов - это больше 100 мегапикселей, что никакому «хасселю» не снилось.
Внутренняя камера глазного яблока заполнена желеобразной тканью, называемой стекловидным юмором. Пройдя через линзу, свет должен пройти через это настроение, прежде чем ударить чувствительный слой клеток, называемый сетчаткой. Фродер объяснил, что сетчатка является самой интимной из трех слоев ткани, которые составляют глаза. Самый внешний слой, называемый склерой, является тем, что дает большую часть глазного яблока его белого цвета. Роговица также является частью внешнего слоя.
Средний слой между сетчаткой и склерой называется сосудистой. В сосудистой оболочке содержатся кровеносные сосуды, которые снабжают сетчатку питательными веществами и кислородом и устраняют ее отходы. В сетчатой сетчатке находятся миллионы клеток, чувствительных к свету, которые представлены в двух основных вариантах: барах и конусах.
Слепое пятно - точка прорыва, где совсем нет светочувствительных клеток. Оно довольно большое - 1-2 мм в диаметре. К счастью, у нас бинокулярное зрение и есть мозг, который совмещает две картинки c пятнами в одну нормальную.
На моменте передачи сигнала в человеческом глазу возникает проблема с логикой. Подводный, не особо нуждающийся в зрении житель осьминог в этом смысле гораздо последовательней. У осьминогов фотон сначала врезается в слой колбочек и палочек на сетчатке, сразу за которым ждет слой нейронов и передает сигнал в мозг. У человека свет сперва продирается сквозь слои нейронов - и только потом ударяется в фоторецепторы. Из-за этого в глазу есть первое пятно - слепое.
Полоски используются для монохромного просмотра при плохом освещении, а конусы используются для цветного изображения и для обнаружения мелких деталей. Конусы упакованы в часть сетчатки непосредственно за сетчаткой, называемой фовеа, которая отвечает за острое центральное зрение.
Когда свет атакует стержни или конусы сетчатки, он становится электрическим сигналом, который передается в мозг через зрительный нерв. Затем мозг переводит электрические сигналы в изображения, которые человек видит, сказал Фёртер. По мнению Национального института глаз, наиболее распространенными проблемами зрения являются близорукость, дальнозоркость, дефект глаза, вызванный несферической кривизной и дальнозоркостью, связанной с возрастом.
Второе пятно - желтое, это центральная область сетчатки прямо напротив зрачка, чуть выше зрительного нерва. Этим местом глаз видит лучше всего: концентрация светочувствительных клеток здесь сильно увеличена, поэтому наше зрение по центру визуального поля значительно острее периферийного.
Изображение на сетчатке перевернуто. Мозг умеет правильно интерпретировать картинку, и восстанавливает из перевернутого оригинальное изображение. Дети первые пару дней видят все вверх ногами, пока их мозг устанавливает свой фотошоп. Если надеть очки, переворачивающие изображение (это впервые проделали еще в 1896 году), то через пару дней наш мозг научится интерпретировать и такую перевернутую картинку правильно.
С возрастом линза становится плотнее, что затрудняет смещение ресничных мышц линзы, сказал он. Ведущими причинами слепоты в Соединенных Штатах являются катаракта, возрастная глаукома и диабетическая ретинопатия, согласно Центрам по контролю и профилактике заболеваний.
Многие люди не знают, как работает человеческий глаз, и многие другие не понимают, как наши глаза могут трансформировать световые волны в электрические импульсы для передачи информации в мозг, которые должны создать образ, похожий на реальный мир. Когда мы перестаем думать о том, как работает наша визуальная система, работа мозга удивляет, такие очевидные вещи, как мигание или нос, которые мозг упускает, предлагая постоянный образ без препятствий.
Глаз – сложный и очень тонкий механизм. Его робота до сих пор не полностью изучена биологами. Хотя наука постоянно пытается сотворить что-то похожее на человеческий глаз. Иногда и вправду получается. Сейчас у многих людей есть некое устройство, которое по функциям, работе и строению похожее на человеческий глаз – это фотоаппарат и видеокамера. Что схожего между этими устройствами и нашим глазом? Сейчас узнаем.
Наши глаза оснащены линзами, которые позволяют нам концентрировать свет в сетчатке, часть внутри глаза, где находятся фоторецепторы, очень специальные клетки, которые захватывают свет. У нас есть несколько типов фоторецепторов для нормальных условий освещения, но только один тип, когда света мало, поэтому мы не видим цвета в темноте.
Распределение фоторецепторов. Эти фоторецепторы распределены неравномерно в сетчатке, например, у нас нет тусклых приемников в центре, что приводит к тому, что при фиксации зрения у слабых звезд мы чувствуем, что они исчезают. Точно так же на краях сетчатки также есть несколько рецепторов, поэтому наша острота зрения и способность видеть цвета резко уменьшаются, когда мы отодвигаемся от центра поля зрения.
Форма человеческого глаза напоминает неправильный шар диаметром в 2.5 см и в науке называется глазным яблоком. Когда мы что-либо видим – в наш глаз поступает свет. Этот свет не что иное, как отражения того, на что мы смотрим. Поступает свет в виде сигналов на заднюю часть глазного яблока – сетчатку. Сетчатка состоит из многих слоев, но главными ее частями есть палочки и колбочки.
Другим примером неравного распределения фоторецепторов является наличие слепого пятна, так называемое, потому что в этот момент нет рецептора, и поэтому глаз ничего не видит, но нет проблем, мы просто узнали, потому что, как с носом или мигание нашего мозга отвечает за заполнение того, чего не хватает.
Глаза двигаются постоянно. Наконец, есть тема непрерывного движения, глаза не перестают двигаться, и когда вы двигаетесь, вы ничего не видите, самый простой тест - смотреть в зеркало, с камерой вашего мобильного телефона вы можете записать момент, единственное, что вам нужно сделать это, чтобы зафиксировать вид в одном глазу, а затем в другом, как это несколько раз, вы никогда не увидите, как двигаются ваши глаза, но если вы посмотрите на видео, которое вы записали, о, удивляйтесь, они двигаются!
Именно на сетчатке происходит обрабатывание информации, что мы увидели и именно через нее сигнал передается мозгу. Для того, чтобы сетчатка смогла сфокусироваться на необходимом предмете в глазу есть так называемый хрусталик. Он находится в передней части глазного яблока и по строению и форме является естественной двояковыпуклой линзой. Хрусталик фокусирует информацию именно на необходимом предмете. Вообще хрусталик – одно из самых сложных и «умных» частей глаза. Он владеет аккомодацией – это умение менять свое положение, размер и силу преломления для лучшей фокусировки. Хрусталик меняет свою кривизну в зависимости от ситуации – если нам необходимо видеть близкорасположенные предметы хрусталик увеличивает кривизну, сильнее преломляет свет и становится выпуклым. Это помогает рассмотреть все детали до мельчайших подробностей.
Это постоянное движение является тем, которое вызывает, например, эту оптическую иллюзию, где точки центрального круга дают нам ощущение, что они движутся, но нет, на самом деле они статичны. Дело в том, что если глаза перестанут развиваться со временем, мы потеряем зрение, так как нервы сетчатки перестанут реагировать на фиксированный образ постоянной интенсивности.
Тот факт, что он должен быть нашим мозгом, который формирует образ с информацией, которую он получает, является тем, что порождает оптические иллюзии, наша визуальная система далека от совершенства, но, как мы видим, удивительно, что мы можем так хорошо видеть учитывая реальные условия.
Если же мы смотри на предметы, которые находятся далеко – хрусталик становиться плоским и уменьшает свою преломляющую силу. Все это он может делать благодаря цилиарной мышце. Но, конечно же, сам хрусталик не может справиться – ему помогает стекловидное тело.
Это вещество занимает 2/3 глазного яблока и состоит из желеобразной ткани. Стекловидное тело кроме преломления света так же обеспечивает глазу форму и несжимаемость. На хрусталик свет попадает через зрачок. Его можно увидеть в зеркале – это самый черный кружок в центральной части наших глаз. Зрачок может менять свой диаметр и соответственно контролировать количество поступающего света. В этом ему помогают мышцы радужной оболочки. Ее мы видим как круг вокруг зрачка, и как мы знаем, эта часть глаза может иметь разные цвета, определяют это именно пигментные клетки радужной оболочки.
Человеческий глаз против фотографической камеры
Если мы сделаем сравнение человеческого глаза с камерой в принципе, мы можем думать, что они очень похожи, что мы создали эту технологию, скопировав наши глаза, но, естественно, существует немало различий. Давайте сделаем быстрый обзор очень легко понять.
Это правда, что оба глаза и камеры оснащены объективами, которые концентрируют свет, однако линзы камеры перемещаются, чтобы сфокусироваться на объекте, в то время как линзы человеческого глаза меняются. Затем, когда свет сконцентрирован с помощью линз, нам нужно захватить его с помощью датчиков, как мы уже говорили, у нашего глаза есть несколько фоторецепторов, вместо этого камера имеет только один тип фоторецептора, который распределяется равномерно и снабжен фильтрами, которые захватывают красные, зеленые и синие световые волны.
Так вот, зрачок меняет свой размер в зависимости от количества направленного на него света. Если понаблюдать за своими глазами в зеркале – то можно увидеть много интересного. Если наш глаз смотрит на яркий свет – зрачок сужается и таким образом не позволяет яркому свету в большом количестве попасть на сетчатку.
Если же вокруг темно – зрачок расширяется. Таким образом, этот черный кружок не дает губить наше зрение. Спереди глаза размещается склера – это белковая оболочка, 0,3-1 мм в диаметре. Этот слой глазного яблока складывается из белковых волокон и клеточек коллагена. Склера защищает глаз и выполняет опорную функцию. Цвет ее белый с неким молочным оттенком, только в центральной части она переходит в роговицу – прозрачную пленку.
Преимущество камеры заключается в том, что она захватывает все, что она видит, позволяет нам увеличивать ее и видеть ее четко и снова, в то время как наша зрительная система из-за ее анатомии и функционирования теряет много вещей, но все же она чрезвычайно полезна и для что мы можем наслаждаться этим чувством, имеет решающее значение в нашей повседневной жизни.
Почти вся задняя часть глазного яблока покрыта слоем фоточувствительных клеток, который в совокупности называется «сетчаткой». Эта структура сетчатки является ядром чувственного органа зрения. Окулярная сфера - не чудо техники. Это всего лишь структура, в которой размещена сетчатка, и обеспечивает резкие и целенаправленные образы внешнего мира. Свет проникает в глаз через роговицу и радужную оболочку через линзу объектива, прежде чем попасть в сетчатку.
Роговица находится над зрачком и радужной оболочкой и именно в ней свет преломляется в самом начале. Под белковой оболочкой есть сосудистая оболочка, где расположены зрачок и радужка. Здесь же пролегают тонкие кровеносные капилляры, через которые глаз получает необходимые вещества с крови.
За сосудистым слоем находится ресничное тело, которое вмещает цилиарную мышцу, а значит, в ней и происходит искривление света. Между всеми этими оболочками есть пространства, они заполнены светопреломляющей прозрачной жидкостью, которая насыщает глаз.
Сетчатка получает небольшое перевернутое изображение этого внешнего мира, передаваемого оптической системой, образованной роговицей и линзой. Таким образом, глаз является небольшой «обскурой камеры». Линза объектива изменяет его форму, чтобы сфокусировать изображение, но способность адаптироваться с возрастом теряется, поэтому мы теряем оптическую визуальную емкость.
Глаз способен приспосабливаться к разным уровням освещения благодаря диафрагме, образованной диафрагмой, может меняться по диаметру, обеспечивая центральное отверстие, которое колеблется от 2 мм до 8 мм. Сетчатка преобразует световой сигнал в нервные сигналы. Он образован тремя слоями нервных клеток. Поэтому свет должен сначала проходить через два других слоя клеток, чтобы стимулировать конусы и стержни.
Внешними частями глаза являются веки – нижнее и верхнее. В них располагаются слезные железы, с помощью которых глазное яблоко увлажняется и защищается от соринок. Под веками находятся мышцы. Их всего 3 пары и все они занимаются движением глаза – одни двигают глаз с лева на право, другие вверх-вниз, третьи – вращают его по оси. Эти мышцы вытягивают глаз вперед, когда человек рассматривает что-то вблизи и округляет его, когда смотрит далеко.
Все очень слажено и абсолютно все части глаза участвуют в процессе фокусировки. Если же с оптическим аппаратом что-то не так – развиваются такие болезни как близорукость и дальнозоркость. При этих заболеваниях зрения свет, попадая в глаз, падает не на сетчатку, а на зону перед ней или же за ней. При таких изменениях в оптической системе глаза близкие или далекие предметы становятся размытыми.
Близорукость характеризуется растяжением склеры в направлении вперед-назад, а глазное яблоко приобретает форму эллипса. Через это происходил удлинение оси, и свет фокусируется не на сетчатке, а перед ней. Человек с этим заболеванием носит линзовые очки для уменьшения преломления света со знаком минус, так как все удаленные предметы совсем не четкие. При дальнозоркости же наоборот, вся информация попадает за глазную сетчатку, а само яблоко укорочено вдоль. При дальнозоркости помогают хорошо только очки со знаком плюс.
Так вот, рассмотрев все основные части глаза и поняв, как они работают, мы можем сделать кое-какие выводы – световой луч через глазную роговицу попадает на сетчатку, пройдя стекловидное тело и хрусталик, попадает на колбочки и палочки, которые и перерабатывают информацию.
Что интересно, так это то, что изображение попадающие на сетчатку совсем не такое как вы видим. Оно уменьшенное в размере и перевернутое. Почему же мы видим мир правильно? Все делает наш мозг, он, когда получает информацию – анализирует ее и делает и необходимые поправки и изменения. Но начинаем мы видеть все, так как надо лишь в 3 недели.
Младенцы же до этого возраста видят все перевернутым, лишь потом мозг начинает все переворачивать как необходимое. Кстати на эту тему было множество трудов и проведено множество экспериментов. Так, например если человеку надеть очки, переворачивающие все вокруг – то первое время человек вообще теряется в пространстве, зато вскоре мозг нормально воспринимает изменения и у него формируется новые навыки координации. Сняв такие очки, человек опять не может понять, что случилось и опять перестраивает свою зрительную координацию и опять все видит правильно. Такие возможности нашего зрительного аппарата и зрительного центра мозга еще раз доказывают гибкость и сложность строения всех систем человеческого тела.
