Нотатки про очі та зір
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Людське око – дуже досконалий прилад. Воно володіє дивовижною здатністю до самонастроювання і саморегулювання, що дозволяє йому діяти в різних умовах освітленості. Воно має здатність так коригувати похибки, що виникають у ньому завдяки недосконалості його оптичної системи, що ми їх і не помічаємо.
Зазвичай, порівнюючи око з фотоапаратом, роль об’єктива приписують хрусталику. Тим часом основною заломлюючою поверхнею ока людини і наземних тварин є рогівка, а не кришталик. Оптична сила рогівки людини дорівнює 43 діоптріями, а кришталика – від 20 до 30 діоптрій, в залежності від його опуклості, мінливої в ході акомодації – наведення на фокус. Це пов’язано з тим, що різниця в показниках заломлення повітря і рогівки (1,37) більше, ніж між кришталиком (1,38) і оточуючими його середовищами (1,33).
Під водою нам доводиться надягати маску, щоб зберегти повітряне середовище перед рогівкою, бо на кордоні води і рогівки переломлення недостатнє, і зображення виходить нерізким. Кришталик ж відіграє роль особливого елемента оптичної системи ока. Зміна його опуклості дозволяє отримувати різке зображення предметів, розташованих і далеко і близько від очей.
У риб наводка на різкість досягається не зміною ступеня опуклості кришталика, а його переміщенням (до речі, рогівка у риб практично не заломлює променів світла, і кришталик служить єдиним оптичним елементом очей; око риби за способом наведення на різкість подібне до фотоапарату).
Зміна опуклості кришталика відбувається за рахунок його пружних властивостей і скорочення відповідних м’язів. З механізмом акомодації пов’язано таке явище: якщо дивитися на концентричні кола з невеликої відстані, то створюється враження обертового пропелера. Справа в тому, що напруга аккомодуючих м’язів складається з численних швидко слідуючих один за одним скорочень безлічі волокон. Тому кришталик має коливну поверхню; в різні миті виявляються більш чітко зображеними різні сектори кіл, і при їх послідовній зміні створюється враження обертання цих секторів. Можливо, з тієї ж причини у нас «рябить в очах», коли ми дивимося на шаховий малюнок з дрібних чорних і білих квадратиків. Так як ефект залежить від напруги аккомодуючих м’язів, то він зникає, якщо розслабити м’яз (налаштувати погляд на глядіння вдалину).
Заломлююче середовища ока, як і більшість заломлюючих середовищ, найсильніше заломлюють фіолетові і сині промені, слабкіше за все – червоні. Якщо світло від далекого джерела пропускати через край зіниці (за допомогою маленької діафрагми або заслінки, зробленої з смужки чорного паперу), то на краю рогівки воно розкладається в спектр, як у призмі. Особливо чітко це видно при спостереженні синього залізничного сигнального знака; світлофільтри цього сигнального знака пропускають, крім синього, ще й червоне світло, тому при частковому затулянні зіниці зображення сигналу розпадається на дві абсолютно роздільних плями – червону і синю.
Червоні і зелені вогні реклами видні чітко при дещо різній напрузі акомодації: для червоного – кришталик повинен бути дещо випукліше, для зеленого – більш плоским. Оцінюючи відстань до предмета, ми підсвідомо враховуємо напругу аккомодуючих м’язів, потрібну для чіткого бачення предмета. В результаті червоний вогонь реклами здається розташованим ближче зеленого.
При оцінці відстані до предмета велике значення має ступінь конвергенції очей (відомості зорових осей), необхідної для поєднання зображень предмета в обох очах. У більшості випадків потрібна конвергенція встановлюється автоматично, і цей процес вислизає від нашої уваги. Але вибір потрібної конвергенції утруднений, якщо об’єкт складається з деталей, періодично повторюваних і розташованих вздовж горизонтальної лінії. У цьому випадку око як би «не знає», за що зачепитися, оскільки при різному зведенні очей на сітківку проектуються різні, але однаково придатні для поєднання ділянки об’єкта.
Проробіть такий дослід: на темному фоні помістіть рівномірно освітлену нитку однакових круглих намистин, натягнувши її горизонтально на відстані 20-25 см від очей. Бажано, щоб кінці нитки в пальцях і інші неперіодичні елементи предмета не були видні. Постарайтеся так звести (скосити) очі, щоб зображення змістилися на ціле число намистин. При цьому створюється враження, що нитка намистин присунулася ближче до лиця. При деякому тренуванні цей дослід вдається майже з будь-яким періодичним малюнком, наприклад, візерунком на шпалерах або на кахельній підлозі, і навіть з парою однакових олівців. Якщо дослід з олівцями вдається і ви можете утримувати поглядом «третій» олівець (зображення двох різних олівців, що злилося) навіть при зміні відстані між ними, то зверніть увагу, що коли ви розсовуєте олівці, то «третій» олівець видний не тільки ближче, але як ніби стає менше.
Діаметр зіниці нашого ока змінюється в залежності від освітлення від 7-8 до 1,5 мм, тобто приблизно в 5 разів. Значить, його площа і кількість минаючого світла змінюється приблизно в 25 разів. Це не дуже багато. У фотоапаратах діаметр відносного отвору змінюється, принаймні, в 10 разів, а то й більше, так що світлосила може бути змінена в сотні разів. Між іншим, у багатьох нічних тварин, яким доводиться днем захищатися від надлишкового світла, зіниця не круглі, як у нас, а щілиноподібні. У чому переваги такої зіниці! Кругла зіниця звужується за рахунок скорочення кільцевих м’язів. Для зменшення площі зіниці в 100 разів м’язові волокна мають скоротитися приблизно в 10 разів. Якщо ж зіниця утворена двома пучками волокон, закріплених по кінцях, то досить вкоротити їх у півтора рази, щоб площа зіниці зменшилася в сотні разів. Щілиноподібною зіницею володіють кішки, змії, крокодили, нічні ящірки – гекони. Але сов чомусь природа наділила все-таки круглими зіницями.
Більшість людей і не підозрює про існування сліпої плями. Проробіть дослід, що дозволяє не тільки переконатися в наявності сліпої плями, а й оцінити ділянку зорового поля, яку ми не бачимо. На аркуші паперу поставте зліва яскраву червону крапку. Закривши праве око, ведіть олівцем лінію від точки вправо і трохи вгору; при цьому стежте лівим оком за кінчиком олівця, відзначаючи одночасно у свідомості, чи видна точка зліва. Як тільки точка пропаде, відзначте положення олівця. Те ж зробіть на продовженні розпочатої лінії, ведучи її здалеку назустріч першій позначці, потім в перпендикулярному напрямку і т. д. Так ви обмежите на аркуші область точок, дивлячись на які, ви втрачаєте яскраву червону крапку зліва. Якщо тепер аркуш паперу повернути на 130° і дивитися на яскраву крапку (тепер вона на аркуші буде праворуч) тим же оком, то обмежена відмітками область буде проектуватися на сліпу пляму, у чому можна переконатися, поклавши на неї невелику монету. Монету ми не побачимо.
Сліпа пляма, як відомо, утворена волокнами зорового нерва, що проходять зсередини крізь сітківку ока назовні. Таке «рішення» проблеми виведення нервових волокон з сітківки не є ні найкращим, ні єдино можливим: наприклад, у головоногих молюсків (кальмар, восьминіг) очі не мають сліпої плями. Чому ж очі хребетних влаштовані так безглуздо? Адже наявність «мертвого», недодивленого простору явно невигідна.
Такий «спосіб» виведення очного нерва крізь сітківку, в результаті чого виходить сліпа пляма, пов’язаний з походженням очей хребетних в ході еволюції, і від цієї спадщини природі не так-то легко відмовитися, навіть якщо це невигідно. Та ми, зізнатися, і не дуже страждаємо від наявності сліпої плями. Навіть дивлячись одним оком, потрібно спеціально звернути увагу, щоб виявити сліпу пляму, а якщо дивитися двома, то це не вдасться зовсім.
Далі буде.
Автор: Олег Орлов.