Теоретически пятно света от отдаленного точечного источника при фокусировании на сетчатке должно быть бесконечно малым. Однако поскольку оптическая система глаза несовершенна, такое пятно на сетчатке даже при максимальном разрешении оптической системы нормального глаза обычно имеет общий диаметр приблизительно 11 мкм. В центре пятна яркость самая высокая, а по направлению к его краям яркость постепенно убывает.
Средний диаметр колбочек в ямке сетчатки (центральная часть сетчатки, где самая высокая острота зрения) равен примерно 1,5 мкм, что составляет 1/7 диаметра пятна света. Однако поскольку пятно света имеет яркую центральную точку и затененные края, человек в норме может различить две отдельные точки при расстоянии на сетчатке между их центрами около 2 мкм, что немного больше ширины колбочек центральной ямки.
Нормальная острота зрения человеческого глаза для различения точечных источников света составляет примерно 25 дуговых сек. Следовательно, когда световые лучи от двух отдельных точек достигают глаза под углом 25 сек между ними, они обычно распознаются как две точки вместо одной. Это означает, что человек с нормальной остротой зрения, глядя на два ярких точечных источника света с расстояния 10 м, может различить эти источники как отдельные объекты лишь в том случае, если они находятся на расстоянии 1,5-2 мм друг от друга.
При диаметре ямки меньше 500 мкм менее 2° поля зрения попадают в область сетчатки с максимальной остротой зрения. Вне области центральной ямки острота зрения постепенно ослабевает, снижаясь более чем в 10 раз при достижении периферии. Это происходит потому, что в периферических частях сетчатки по мере удаления от центральной ямки все большее число палочек и колбочек связывается с каждым волокном зрительного нерва.
Клинический метод определения остроты зрения . Карта для тестирования глаз обычно состоит из букв различных размеров, помещенных на расстоянии около 6 м (20 футов) от тестируемого человека. Если человек с этого расстояния хорошо видит буквы, которые должен видеть в норме, говорят, что его острота зрения равна 1,0 (20/20), т.е. зрение нормальное. Если человек с этого расстояния видит только те буквы, которые в норме должны быть видны с 60 м (200 футов), говорят, что у человека зрение 0,1 (20/200). Другими словами, клинический метод оценки остроты зрения использует математическую долю, отражающую отношение двух расстояний, или отношение остроты зрения данного человека к нормальной остроте зрения.
Существуют три главных способа , с помощью которых человек обычно определяет расстояние до объекта: (1) размеры изображений известных объектов на сетчатке; (2) феномен параллакса перемещения; (3) явление стереопсиса. Способность определять расстояние называют восприятием глубины.
Определение расстояния по размером изображений известных объектов на сетчатке глаза. Если известно, что рост человека, которого вы видите, равен 180 см, определить, как далеко от вас человек, можно просто по размеру его изображения на сетчатке. Это не значит, что каждый из нас сознательно думает о размере на сетчатке, но мозг обучается автоматически вычислять расстояния до объектов по размерам изображений, когда данные известны.
Определение расстояния по параллаксу перемещения . Другим важным способом определения расстояния от глаза до объекта является степень изменения параллакса перемещения. Если человек смотрит вдаль совершенно неподвижно, никакого параллакса нет. Однако при смещении головы в одну или другую сторону изображения близко расположенных объектов быстро движутся по сетчатке, тогда как образы отдаленных объектов остаются почти неподвижными. Например, при смещении головы в сторону на 2,54 см изображение объекта, расположенного на этом расстоянии от глаз, движется практически через всю сетчатку, тогда как смещение изображения объекта, удаленного от глаз на 60 м, не ощущается. Таким образом, при использовании механизма меняющегося параллакса можно определять относительные расстояния до различных объектов даже одним глазом.
Определение расстояния с помощью стереопсиса . Бинокулярное зрение. Другой причиной ощущения параллакса является бинокулярное зрение. Поскольку глаза сдвинуты относительно друг друга чуть больше 5 см, изображения на сетчатках глаз отличаются друг от друга. Например, объект, находящийся перед носом на расстоянии 2,54 см, формирует изображение на левой стороне сетчатки левого глаза и на правой стороне сетчатки правого глаза, тогда как изображения небольшого объекта, расположенного перед носом и отстоящего от него на 6 м, формируются в тесно корреспондирующих точках в центрах обеих сетчаток. Изображения красного пятна и желтого квадрата проецируются в противоположных участках двух сетчаток в связи с тем, что объекты находятся на разном расстоянии перед глазами.
Такой тип параллакса бывает всегда при зрении двумя глазами. Именно бинокулярный параллаке (или стереопсис) практически полностью отвечает за гораздо более высокую способность к оценке расстояния до близко расположенных объектов для человека с двумя глазами по сравнению с человеком, имеющим только один глаз. Однако стереопсис фактически бесполезен для восприятия глубины на расстояниях за пределами 15-60 м.
Поверхность Земли изгибается и пропадает из поля видимости на расстоянии 5 километров. Но острота нашего зрения позволяет видеть далеко за горизонт. Если бы была плоской, или если б вы стояли на верху горы и смотрели на гораздо больший участок планеты, чем обычно, вы смогли бы увидеть яркие огни на расстоянии сотен километров. В темную ночь вам удалось бы даже увидеть пламя свечи, находящейся в 48 километрах от вас.
Насколько далеко может видеть человеческий глаз зависит от того, сколько частиц света, или фотонов, испускает удаленный объект. Самым далеким объектом, видимым невооруженным глазом, является Туманность Андромеды, расположенная на громадном расстоянии в 2,6 миллионов световых лет от Земли. Один триллион звезд этой галактики испускает в общей сложности достаточно света для того, чтоб несколько тысяч фотонов каждую секунду сталкивались с каждым квадратным сантиметром земной поверхности. В темную ночь этого количества достаточно для активизации сетчатки глаза.
В 1941 году специалист по вопросам зрения Селиг Гехт со своими коллегами из Колумбийского университета сделал то, что до сих пор считается надежным средством измерения абсолютного порога зрения – минимального количества фотонов, которые должны попасть в сетчатку, чтобы вызвать осознание визуального восприятия. Эксперимент устанавливал порог в идеальных условиях: глазам участников давали время, чтобы полностью привыкнуть к абсолютной темноте, сине-зеленая вспышка света, действующая как раздражитель, имела длину волны 510 нанометров (к которой глаза наиболее чувствительны), и свет был направлен на периферический край сетчатки, заполненный распознающими свет клетками палочками.
По данным ученых, для того, чтоб участники эксперимента смогли распознать такую вспышку света более чем в половине случаев, в глазные яблоки должно было попасть от 54 до 148 фотонов. На основании измерений ретинальной абсорбции ученые подсчитали, что в среднем 10 фотонов в действительности впитываются палочками сетчатки человека. Таким образом, абсорбция 5-14 фотонов или, соответственно, активация 5-14 палочек указывает мозгу, что вы что-то видите.
«Это действительно очень малое количество химических реакций», - отметили Гехт и его коллеги в статье об этом эксперименте.
Принимая во внимание абсолютный порог, яркость пламени свечи и расчетное расстояние, на котором светящийся объект тускнеет, ученые пришли к выводу, что человек может различить слабое мерцание пламени свечи на расстоянии 48 километров.
Но на каком расстоянии мы можем распознать, что объект представляет собой нечто большее, чем просто мерцание света? Чтобы объект казался пространственно протяженным, а не точечным, свет от него должен активировать не менее двух смежных колбочек сетчатки – клеток, отвечающих за цветное зрение. В идеальных условиях объект должен лежать под углом не менее 1 аркминута, или одна шестая градуса, чтобы возбудить смежные колбочки. Эта угловая мера остается одной и той же вне зависимости от того, близко или далеко находится объект (удаленный объект должен быть гораздо больше, чтобы находиться под тем же углом, что и ближний). Полная лежит под углом 30 аркминут, тогда как Венера едва различима как протяженный объект под углом около 1 акрминуты.
Объекты величиной с человека различимы как протяженные на расстоянии лишь около 3 километров. В сравнении на таком расстоянии мы смогли бы четко различить две фары автомобиля.
Зрение является каналом, посредством которого человек получает примерно 70% всех данных о мире, который его окружает. И возможно это только по той причине, что именно зрение человека представляет собой одну из самых сложных и поражающих воображение зрительных систем на нашей планете. Если бы не было зрения, все мы, скорее всего, просто жили бы в темноте.
Человеческий глаз обладает совершенным строением и обеспечивает зрение не только в цвете, но также в трёх измерениях и с высочайшей резкостью. Он обладает способностью моментально менять фокус на самые разные расстояния, осуществлять регуляцию объёма поступающего света, различать между собой огромное количество цветов и ещё большее количество оттенков, производить коррекцию сферических и хроматических аберраций и т.д. С мозгом глаз связывают шесть уровней сетчатки, в которых ещё перед тем, как информация будет отправлена в мозг, данные проходят через этап компрессии.
Но как же устроено наше с вами зрение? Как посредством усиления цвета, отражённого от предметов, мы трансформируем его в изображение? Если подумать об этом серьёзно, можно сделать вывод, что устройство зрительной системы человека до мельчайших подробностей «продумано» создавшей его Природой. Если же вы предпочитаете верить в то, что за создание человека ответственен Создатель или некая Высшая Сила, то эту заслугу можете приписать им. Но давайте не будем разбираться в , а продолжим разговор об устройстве зрения.
Огромное количество деталей
Строение глаза и его физиологию можно без обиняков назвать действительно идеальными. Подумайте сами: оба глаза находятся в костных впадинах черепа, которые защищают их от всевозможных повреждений, однако выступают из них они именно так, чтобы обеспечивался максимально широкий горизонтальный обзор.
Расстояние, на котором глаза находятся друг от друга, обеспечивает пространственную глубину. А сами глазные яблоки, как доподлинно известно, обладают шарообразной формой, благодаря чему способны вращаться в четырёх направлениях: влево, вправо, вверх и вниз. Но каждый из нас воспринимает всё это, как само собой разумеющееся - мало кому приходит в голову представить, что было бы, если бы наши глаза были квадратными или треугольными или их движение было бы хаотичным - это бы сделало зрение ограниченным, сумбурным и малоэффективным.
Итак, устройство глаза предельно сложно, но как раз это и делает возможным работу примерно четырёх десятков его различных составляющих. И даже если бы не было хоть одного из этих элементов, процесс зрения перестал бы осуществляться так, как ему следует осуществляться.
Чтобы убедиться в том, насколько сложно устроен глаз, предлагаем вам обратить своё внимание на рисунок ниже.
Давайте же поговорим о том, как реализуется на практике процесс зрительного восприятия, какие элементы зрительной системы в этом участвуют, и за что каждый из них отвечает.
Прохождение света
По мере приближения света к глазу световые лучи сталкиваются с роговицей (иначе её называют роговой оболочкой). Прозрачность роговицы позволяет свету проходить сквозь неё во внутреннюю поверхность глаза. Прозрачность, кстати, является важнейшей характеристикой роговицы, и прозрачной она остаётся по причине того, что особый протеин, который в ней содержится, сдерживает развитие кровеносных сосудов - процесс, происходящий практически в каждой из тканей человеческого тела. В том случае если бы роговица прозрачной не была, остальные компоненты зрительной системы не имели бы никакого значения.
Помимо прочего, роговица не даёт попадать во внутренние полости глаза сору, пыли и каким-либо химическим элементам. А кривизна роговой оболочки позволяет ей преломлять свет и помогать хрусталику фокусировать световые лучи на сетчатке.
После того как свет прошёл сквозь роговицу, он проходит через маленькое отверстие, расположенное посередине радужки глаза. Радужка же представляет собой круглую диафрагму, которая находится перед хрусталиком сразу за роговицей. Радужка также является тем элементом, который придаёт глазу цвет, а цвет зависит от преобладающего в радужке пигмента. Центральное отверстие в радужке - это и есть знакомый каждому из нас зрачок. Размер этого отверстия имеет возможность изменяться, чтобы контролировать количество поступающего в глаз света.
Размер зрачка изменятся непосредственно радужкой, а обусловлено это её уникальнейшим строением, ведь состоит она из двух различных видов мышечных тканей (даже здесь есть мышцы!). Первая мышца является круговой сжимающей - она располагается в радужке кругообразно. Когда свет яркий, происходит её сокращение, вследствие чего зрачок сокращается, как бы втягиваясь мышцей внутрь. Вторая мышца является расширяющей - она расположена радиально, т.е. по радиусу радужки, что можно сравнить со спицами в колесе. При тёмном освещении происходит сокращение этой второй мышцы, и радужка раскрывает зрачок.
Многие до сих пор испытывают некоторые затруднения, когда пытаются объяснить, каким же всё-таки образом происходит формирование вышеназванных элементов зрительной системы человека, ведь в любой другой промежуточной форме, т.е. на каком-либо эволюционном этапе работать они просто не смогли бы, но человек видит с самого начала своего существования. Загадка…
Фокусировка
Минуя названные выше этапы, свет начинает проходить через хрусталик, находящийся за радужкой. Хрусталик является оптическим элементом, имеющим форму выпуклого продолговатого шара. Хрусталик абсолютно гладок и прозрачен, в нём нет кровеносных сосудов, а сам он расположен в эластичном мешочке.
Проходя сквозь хрусталик, свет преломляется, после чего происходит его фокусировка на ямке сетчатки - самом чувствительном месте, содержащем максимальное количество фоторецепторов.
Важно заметить, что уникальное строение и состав обеспечивают роговице и хрусталику большую силу преломления, гарантирующую короткое фокусное расстояние. И как же удивительно, что такая сложная система вмещается всего в одном глазном яблоке (подумайте только, как бы мог выглядеть человек, если бы для фокусировки световых лучей, идущих от предметов, требовался бы, например, метр!).
Не менее интересно и то, что совместная преломляющая сила этих двух элементов (роговицы и хрусталика) находится в прекрасном соотношении с глазным яблоком, а это можно смело назвать ещё одним доказательством того, что зрительная система создана просто непревзойдённо, т.к. процесс фокусирования слишком сложен, чтобы говорить о нём, как о чём-то, что произошло лишь благодаря пошаговым мутациям - эволюционным стадиям.
Если же речь идёт о предметах расположенных близко к глазу (как правило, близким считается расстояние менее 6 метров), то здесь всё ещё любопытнее, ведь в этой ситуации преломление световых лучей оказывается ещё более сильным. Обеспечивается же это увеличением кривизны хрусталика. Хрусталик соединён посредством цилиарных поясков с ресничной мышцей, которая, сокращаясь, даёт хрусталику возможность принимать более выпуклую форму, тем самым увеличивая свою преломляющую силу.
И здесь снова нельзя не упомянуть о сложнейшем строении хрусталика: составляют его множество ниточек, которые состоят из соединённых друг с другом клеточек, а тонкие пояски связывают его с цилиарным телом. Фокусировка осуществляется под контролем головного мозга крайне быстро и на полном «автомате» — осуществить такой процесс осознанно для человека невозможно.
Значение «фотоплёнки»
Результатом фокусировки становится сосредоточение изображения на сетчатке, представляющей собой многослойную ткань, чувствительную к свету, покрывающую заднюю часть глазного яблока. В сетчатке содержится примерно 137 000 000 фоторецепторов (для сравнения можно привести современные цифровые фотоаппараты, в которых подобных сенсорных элементов не более 10 000 000). Такое громадное количество фоторецепторов обусловлено тем, что расположены они крайне плотно - примерно 400 000 на 1 мм².
Здесь не будет лишним привести слова специалиста по микробиологии Алана Л. Гиллена, говорящего в своей книге «Тело по замыслу» о сетчатке глаза, как о шедевре инженерного проектирования. Он считает, что сетчатка является самым удивительным элементом глаза, сравнимым с фотоплёнкой. Светочувствительная сетчатка, расположенная на задней стороне глазного яблока, намного тоньше целлофана (её толщина составляет не более 0,2 мм) и гораздо чувствительнее, чем любая, созданная человеком фотоплёнка. Клетки этого уникального слоя способны обрабатывать до 10 миллиардов фотонов, в то время как самый чувствительный фотоаппарат способен обработать лишь несколько их тысяч. Но ещё удивительнее то, что человеческий глаз может улавливать единицы фотонов даже в темноте.
Всего сетчатку составляют 10 слоёв фоторецепторных клеток, 6 слоёв из которых являются слоями светочувствительных клеток. 2 вида фоторецепторов имеют особую форму, по причине чего их называют колбочками и палочками. Палочки крайне восприимчивы к свету и обеспечивают глазу чёрно-белое восприятие и ночное зрение. Колбочки, в свою очередь, не так восприимчивы к свету, но способны различать цвета - оптимальная работа колбочек отмечается в дневное время суток.
Благодаря работе фоторецепторов световые лучи трансформируются в комплексы электрических импульсов и посылаются в мозг на невероятно большой скорости, а сами эти импульсы за доли секунд преодолевают свыше миллиона нервных волокон.
Связь фоторецепторных клеток в сетчатке очень сложна. Колбочки и палочки никак напрямую с мозгом не связаны. Получив сигнал, они переадресовывают его биполярным клеткам, а те перенаправляют уже обработанные собою сигналы ганглиозным клеткам, более миллиона аксонов (нейритов, по которым передаются нервные импульсы) которых составляют единый зрительный нерв, по которому данные и поступают в мозг.
Два слоя промежуточных нейронов, до того как зрительные данные будут отправлены в мозг, способствуют параллельной обработке этой информации шестью уровнями восприятия, находящимися в сетчатке глаза. Необходимо это для того чтобы изображения распознавались как можно быстрее.
Восприятие мозга
После того как обработанная зрительная информация поступает в мозг, он начинает её сортировку, обработку и анализ, а также формирует цельное изображение из отдельных данных. Конечно же, о работе человеческого мозга ещё много чего неизвестно, однако даже того, что научный мир может предоставить сегодня, вполне достаточно, чтобы поразиться.
При помощи двух глаз формируются две «картинки» мира, который окружает человека - по одной на каждую сетчатку. Обе «картинки» передаются в мозг, и в действительности человек видит два изображения в одно и то же время. Но как?
А дело вот в чём: точка сетчатки одного глаза точно соответствует точке сетчатки другого, а это говорит о том, чтоб оба изображения, попадая в мозг, могут накладываться друг на друга и сочетаться вместе для получения единого изображения. Информация, полученная фоторецепторами каждого из глаз, сходится в зрительной коре головного мозга, где и появляется единое изображение.
По причине того, что у двух глаз может быть разная проекция, могут наблюдаться и некоторые несоответствия, однако мозг сопоставляет и соединяет изображения таким образом, что человек никаких несоответствий не ощущает. Мало того - эти несоответствия могут быть использованы с целью получения чувства пространственной глубины.
Как известно, из-за преломления света зрительные образы, поступающие в мозг, изначально являются очень маленькими и перевёрнутыми, однако «на выходе» мы получаем то изображение, которое привыкли видеть.
Помимо этого в сетчатке изображение делится мозгом надвое по вертикали - через линию, которая проходит через ямку сетчатки. Левые части изображений, полученных обоими глазами, перенаправляются в , а правые части - в левое. Так, каждое из полушарий смотрящего человека получает данные только от одной части того, что он видит. И снова - «на выходе» мы получаем цельное изображение без каких бы то ни было следов соединения.
Разделение изображений и крайне сложные оптические пути делают так, что мозг видит отдельно каждым из своих полушарий с использованием каждого из глаз. Это позволяет ускорить обработку потока входящей информации, а также обеспечивает зрение одним глазом, если вдруг человек по какой-либо причине перестаёт видеть другим.
Можно заключить, что мозг в процессе обработки зрительной информации убирает «слепые» пятна, искажения из-за микродвижений глаз, морганий, угла зрения и т.п., предлагая своему хозяину адекватное целостное изображение наблюдаемого.
Ещё одним из важных элементов зрительной системы является . Умалять значение этого вопроса никак нельзя, т.к. чтобы вообще иметь возможность использовать зрение должным образом мы должны уметь поворачивать глаза, поднимать их, опускать, короче говоря - двигать глазами.
Всего можно выделить 6 внешних мышц, которые соединяются с внешней поверхностью глазного яблока. К этим мышцам относятся 4 прямые (нижняя, верхняя, боковая и средняя) и 2 косые (нижняя и верхняя).
В тот момент, когда какая-либо из мышц сокращается, мышца, являющаяся для неё противоположной, расслабляется - это обеспечивает ровное движение глаз (в противном случае все движения глазами осуществлялись бы рывками).
При повороте двух глаз автоматически изменяется движение всех 12 мышц (по 6 мышц на каждый глаз). И примечательно то, что процесс этот является непрерывным и очень хорошо скоординированным.
По словам знаменитого офтальмолога Питера Джени, контроль и координация связи органов и тканей с центральной нервной системой посредством нервов (это называется иннервацией) всех 12 глазных мышц представляет собой один из очень сложных процессов, происходящих в мозге. Если же добавить к этому точность перенаправления взора, плавность и ровность движений, скорость, с которой может вращаться глаз (а она составляет в сумме до 700° в секунду), и соединить всё это, мы получим на самом деле феноменальную по части исполнения подвижную глазную систему. А то, что человек имеет два глаза, делает её ещё более сложной - при синхронном движении глаз необходима одинаковая мускульная иннервация.
Мышцы, которые вращают глаза, отличны от мышц скелета, т.к. их составляет множество всевозможных волокон, а контролируются они ещё большим числом нейронов, иначе точность движений стала бы невозможной. Данные мышцы можно назвать уникальными ещё и потому, что они способны быстро сокращаться и практически не устают.
Учитывая то, что глаз - это один из наиболее важных органов человеческого организма, он нуждается в непрерывном уходе. Именно для этого как раз и предусмотрена, если так можно назвать, «интегрированная система очистки», которая состоит из бровей, век, ресниц и слёзных желёз.
При помощи слёзных желёз регулярно производится липкая жидкость, с медленной скоростью движущаяся вниз по внешней поверхности глазного яблока. Эта жидкость смывает различный сор (пыль и т.п.) с роговицы, после чего входит во внутренний слёзный канал и затем стекает по носовому каналу, выводясь из организма.
В слезах содержится очень сильное антибактериальное вещество, уничтожающее вирусы и бактерии. Веки выполняют функцию стеклоочистителей - они очищают и увлажняют глаза благодаря непроизвольному морганию с интервалом в 10-15 секунд. Вместе с веками работают ещё и ресницы, предотвращая попадание в глаз любого сора, грязи, микробов и т.п.
Если бы веки не выполняли свою функцию, глаза человека постепенно бы засохли и покрылись рубцами. Если бы не было слёзного протока, глаза бы постоянно заливались слёзной жидкостью. Если бы человек не моргал, в его глаза попадал бы мусор, и он мог бы даже ослепнуть. Вся «очистительная система» должна включать в себя работу всех элементов без исключения, в противном случае она просто перестала бы функционировать.
Глаза как показатель состояния
Глаза человека способны передавать немало информации в процессе его взаимодействия с другими людьми и окружающим миром. Глаза могут излучать любовь, гореть от гнева, отражать радость, страх или беспокойство, или усталости. Глаза показывают, куда смотрит человек, заинтересован он в чём-либо или же нет.
Например, когда люди закатывают глаза, беседуя с кем-то, это можно расценивать совершенно иначе, нежели обычный взгляд, направленный вверх. Большие глаза у детей вызывают у окружающих восторг и умиление. А состояние зрачков отражает то состояние сознания, в котором в данный момент времени находится человек. Глаза - это показатель жизни и смерти, если уж говорить в глобальном смысле. Наверное, именно по этой причине их называют «зеркалом» души.
Вместо заключения
В этом уроке мы с вами рассмотрели устройство зрительной системы человека. Естественно, мы упустили немало деталей (сама по себе эта тема очень объёмна и вместить её в рамки одного урока проблематично), но всё же постарались донести материал так, чтобы вы имели чёткое представление о том, КАК видит человек.
Вы не могли не заметить, что как сложность, так и возможности глаза позволяют этому органу многократно превосходить даже самые современные технологии и научные разработки. Глаз является наглядной демонстрацией сложности инженерии в огромном количестве нюансов.
Но знать об устройстве зрения - это, конечно же, хорошо и полезно, однако наиболее важно знать о том, как зрение можно восстанавливать. Дело в том, что и образ жизни человека, и условия, в которых он живёт, и некоторые другие факторы (стрессы, генетика, вредные привычки, заболевания и многое другое) - всё это нередко способствует тому, что с годами зрение может ухудшаться, т.е. зрительная система начинает давать сбои.
Но ухудшение зрения в большинстве случаев не является необратимым процессом - зная определённые методики, данный процесс можно повернуть вспять, и сделать зрение, если уж и не таким, как у младенца (хотя иногда возможно и это), то хорошим настолько, насколько вообще это возможно для каждого отдельно взятого человека. Поэтому следующий урок нашего курса по развитию зрения будет посвящён методам восстановления зрения.
Зрите в корень!
Проверьте свои знания
Если вы хотите проверить свои знания по теме данного урока, можете пройти небольшой тест, состоящий из нескольких вопросов. В каждом вопросе правильным может быть только 1 вариант. После выбора вами одного из вариантов, система автоматически переходит к следующему вопросу. На получаемые вами баллы влияет правильность ваших ответов и затраченное на прохождение время. Обратите внимание, что вопросы каждый раз разные, а варианты перемешиваются.
II. УСЛОВИЯ И СПОСОБЫ НАБЛЮДЕНИЯ ДАЛЕКИХ ПРЕДМЕТОВ
Кругозор места наблюдения
Обозревать далеко расположенную местность можно не с каждого пункта.
Очень часто окружающие нас близкие предметы (дома, деревья, холмы)
заслоняют собой горизонт.
Часть территории, которую можно просматривать с какого-нибудь места,
принято называть кругозором этого пункта. Если близкие предметы
загораживают горизонт и поэтому вдаль смотреть нельзя, то говорят,
что кругозор очень мал. В некоторых случаях, как, например, в лесу,
в густом кустарнике, среди тесно расположенных построек, кругозор
может ограничиваться немногими десятками метров.
Для наблюдения за противником чаще всего нужно смотреть вдаль, и
поэтому для наблюдательных пунктов (НП) стараются выбирать пункты
с хорошим, широким кругозором.
Чтобы окружающие предметы не мешали видеть, нужно расположиться
выше их. Поэтому открытым кругозором чаще всего отличаются позиции,
расположенные достаточно высоко. Если какой-нибудь пункт находится
выше других, то говорят, что он "командует" над ними.
Таким образом, хороший кругозор во все стороны может быть достигнут
тогда, когда пункт наблюдения находится в точке, которая командует
над окружающей местностью (рис. 3).
Вершины гор, холмов и других возвышенностей являются пунктами,
с которых обычно открывается широкий вид на окружающую низменность.
На равнине, где местность плоская, наилучший кругозор получается
при подъеме на искусственные сооружения и постройки. С крыши высокого
дома, с вышки завода, с колокольни почти всегда можно обозревать
очень далекие части ландшафта. Если нет подходящих построек, то
иногда сооружают специальные наблюдательные вышки.
Еще в глубокую старину на вершинах холмов и крутых обрывах воздвигали
специальные дозорные башни и с них следили за окрестностью, чтобы
заблаговременно заметить приближение неприятельского войска и не
быть застигнутыми врасплох. Отчасти с этой же целью сооружались
башни в старинных крепостях и замках. В древней Руси дозорными вышками
служили колокольни церквей, в Средней Азии - минареты мечетей.
В наше время специальные вышки для наблюдения очень распространены.
Часто среди лесов и полей нашей страны попадаются бревенчатые вышки,
или "маяки". Это либо геодезические "сигналы",
с которых ведут наблюдения при съемке местности, либо посты пожарной
лесной охраны, с которых в засуху следят за лесом и замечают возникающие
лесные пожары.
Высота всяких наземных сооружений, естественно, ограничена. Чтобы
подняться над землей еще выше и этим еще больше расширить свой кругозор,
пользуются летательными средствами. Уже в годы первой мировой войны
для наблюдения широко применяли привязные змейковые аэростаты (так
называемые "колбасы"). В корзине аэростата сидел наблюдатель,
который мог подниматься на высоту 1000 м и более, часами оставаться
в воздухе и следить за обширной территорией. Но аэростат слишком
уязвимая цель для противника: его легко сбить как с земли, так и
с воздуха. Поэтому наилучшим средством для проведения разведки следует
считать самолет. Способный подниматься на большую высоту, двигаться
с большой скоростью над территорией противника, уходить от преследования
и активно отражать нападение неприятельских воздушных сил, он позволяет
не только вести наблюдение над своей территорией, но и производить
во время войны глубокую разведку в тылу неприятеля. При этом визуальное
наблюдение часто дополняется фотографированием изучаемой местности,
так называемой аэрофотосъемкой.
Дальность открытия
Пусть наблюдатель находится на совершенно открытом и ровном месте,
например, на берегу моря или в степи. Поблизости никаких крупных
предметов нет, горизонт ничем не загорожен. Какое пространство сможет
обозревать наблюдатель в этом случае? Где и чем будет ограничен
его кругозор?
Каждому известно, что в этом случае границей кругозора будет линия
горизонта, т. е. та черта, на которой небо как будто сходится с
землей.
Что же представляет собой этот горизонт? Здесь надо вспомнить уроки
географии. Земля кругла, и поэтому ее поверхность везде выпуклая.
Вот эта кривизна, эта выпуклость поверхности Земли и ограничивает
кругозор на открытом месте.
Пусть наблюдатель стоит в точке Н (рис. 4). Проведем линию НГ, которая
касается шаровидной поверхности земли в точке Г. Очевидно, что та
часть земли, которая к наблюдателю ближе, чем Г, будет видна; что
же касается земной поверхности, лежащей дальше Г, например, точка
В, то ее видно не будет: ее загородит выпуклость земли между Я и
В. Проведем круг через точку Г с центром у подножия наблюдателя.
По этому кругу для наблюдателя и лежит его видимый горизонт, т.
е. граница земли и неба. Заметьте, что от наблюдателя этот горизонт
виден не на перпендикуляре к отвесу, а несколько книзу.
Из чертежа легко понять, что чем выше поднимается наблюдатель над
поверхностью земли, тем дальше от него отодвинется точка касания
Г и, следовательно, тем шире будет его кругозор. Например, если
наблюдатель спустится с верхушки башни Н на нижнюю площадку, то
он сможет видеть землю только до точки, которая гораздо ближе точки
Г.
Значит, даже и тогда, когда ничто не заслоняет горизонта, подъем
кверху расширяет кругозор и позволяет видеть дальше. Следовательно,
и в совсем открытых местах выгодно выбирать для пункта наблюдения
возможно более высокую точку. Математическое изучение вопроса показывает 1:
для того, чтобы горизонт расширился в два раза, надо подняться на
высоту в 2х2=4 раза большую; чтобы расширить горизонт в три раза,
в 3х3=9 раз большую и т. д. Иначе говоря, чтобы горизонт отодвинулся
в N раз дальше, надо подняться в N 2 раз выше.
В таблице 1 дается расстояние видимого горизонта от пункта наблюдения при подъемах наблюдателя на разные высоты. Приведенные здесь цифры - это граница, до которой можно обозревать самую поверхность земли. Если же речь идет о наблюдении высокого предмета, как, например, мачты корабля К, изображенной на рис. 4, то она будет видна значительно дальше, так как ее верхушка будет выдаваться над линией видимого горизонта.
Расстояние, начиная с которого какой-нибудь предмет, например,
гора, башня, маяк, корабль, становится видимым из-за горизонта,
называется дальностью открытия
. (Иногда его называют также
"дальностью видимости", но это неудобно и может повести
к путанице, так как дальностью видимости принято называть расстояние,
на котором предмет становится видимым в тумане.) Это тот предел,
дальше которого увидеть этот предмет с данного пункта нельзя ни
при каких условиях.
Дальность открытия имеет большое практическое значение, особенно
в море. Ее легко рассчитывать, пользуясь таблицей дальности горизонта.
Дело в том, что дальность открытия равна дальности горизонта для
пункта наблюдения плюс дальность открытия для верхушки наблюдаемого
предмета.
Приведем пример такого расчета. Наблюдатель стоит на прибрежном обрыве на высоте 100 м над уровнем моря и ожидает появления из-за горизонта корабля, мачты которого имеют высоту 15 м. На какое расстояние должен подойти корабль, чтобы наблюдатель мог его заметить? По таблице дальность горизонта для пункта наблюдения будет 38 км, а для мачты корабля - 15 км. Дальность открытия равна сумме этих чисел: 38+15=53. Значит, мачта корабля появится на горизонте, когда корабль подойдет к пункту наблюдения на 53 км.
Кажущиеся размеры предметов
Если понемногу удаляться от какого-нибудь предмета, то видимость
его будет постепенно ухудшаться, различные детали будут пропадать
одна за другой, и рассматривать объект будет все труднее и труднее.
Если предмет мал, то на известном расстоянии его совсем нельзя будет
различить, даже в том случае, если его ничто не загораживает и воздух
совершенно прозрачен.
Например, с расстояния в 2 м можно разглядеть малейшие морщинки
на лице человека, которых с расстояния в 10 м уже не видно. На расстоянии
50-100 м человека не всегда можно узнать, при удалении на 1000 м
трудно определить его пол, возраст и форму одежды; с расстояния
5 км его вообще не увидишь. Рассматривать предмет издалека трудно
вследствие того, что чем дальше предмет, тем меньше его видимые,
кажущиеся размеры.
Проведем из глаза наблюдателя две прямые линии к краям предмета
(рис. 5). Составленный ими угол называется угловым поперечником
предмета
. Его выражают в обычных для угла мерах - градусах (°),
минутах (") или секундах (") и их десятых.
Чем дальше предмет, тем меньше его угловой поперечник. Для того, чтобы найти угловой поперечник предмета, выраженный в градусах, надо взять его действительный, или линейный, поперечник и разделить на расстояние, выраженное в тех же мерах длины, а то, что получится, умножить на число 57,3. Таким образом:
Чтобы получить угловой размер в минутах, надо вместо 57,3 взять
множитель 3438, а если надо получить секунды, то - 206265.
Приведем пример. Солдат имеет рост 162 см. Под каким углом будет
видна его фигура с расстояния в 2 км? Замечая, что 2 км составляют
-200000 см, вычисляем:
В таблице 2 даются угловые размеры предмета в зависимости от его линейных размеров и расстояния.
Острота зрения
Способность видеть далекие предметы у разных людей не одинакова.
Один прекрасно видит мельчайшие детали удаленной части ландшафта,
другой плохо различает подробности даже сравнительно близко расположенных
предметов.
Способность зрения различать тонкие, мелкие по угловым размерам
детали называется остротой зрения
, или разрешающей способностью
.
Для людей, которым по роду своей деятельности приходится следить
за удаленными частями ландшафта, например для летчиков, моряков,
шоферов, паровозных машинистов, острое зрение совершенно необходимо.
На войне оно является ценнейшим качеством каждого солдата. Человек
с плохим зрением не может хорошо целиться, вести наблюдение за удаленным
противником, он плох в разведке.
Как же измерить остроту зрения? Для этого разработаны весьма точные
приемы.
Нарисуем на белом картоне два черных квадрата с узким белым промежутком
между ними и хорошо осветим этот картон. Вблизи ясно видны и квадраты
и этот промежуток. Если начать постепенно отходить от рисунка, то
угол, под которым виден промежуток между квадратами, будет уменьшаться,
и различать рисунок будет все труднее и труднее. При достаточном
удалении белая полоса между черными квадратами совсем исчезнет,
и наблюдатель вместо двух отдельных квадратов увидит одну черную
точку на белом фоне. Человек с острым зрением может заметить два
квадрата с большего расстояния, чем тот, у кого зрение менее острое.
Поэтому угловая ширина промежутка, начиная с которой квадраты видны
раздельно, может служить мерой остроты.
Найдено, что для человека с нормальным зрением; наименьшая ширина
промежутка, при которой два черных изображения видны раздельно,
составляет 1". Острота такого зрения принимается за единицу. Если
удается увидеть как раздельные изображения при промежутке между
ними в 0",5, то острота будет 2; если же объекты разделяются лишь
при ширине промежутка в 2", то острота будет 1/2 и т. д. Таким образом,
для того, чтобы измерить остроту зрения, надо найти наименьшую угловую
ширину промежутка, при которой два изображения видны как раздельные,
и на нее разделить единицу:
Для испытания остроты зрения применяют рисунки разного очертания. Читатель, вероятно, знает таблицы с буквами разной величины, которыми проверяют зрение врачи-глазники (окулисты). На такой таблице нормальный глаз с остротой, равной единице, разбирает буквы, толщина черных линий которых равна 1". Более острый глаз может разбирать буквы и мельче, менее острый - лишь те буквы, которые крупнее. Разные буквы имеют неодинаковые очертания, и поэтому некоторые из них разбирать легче, а другие труднее. Этот недостаток устраняется, если пользоваться специальными "пробами", где наблюдателю показывают одинаковые фигуры, повернутые различным образом. Некоторые из таких проб изображены на рис. 6.
Рис. 6. Образцы фигур для испытания остроты зрения.
Слева - две черные полосы, наблюдается исчезновение белого промежутка
между ними. Посредине - кольцо с разрывом, направление этого разрыва
должен указать испытуемый. Справа - в виде буквы Е, поворот которой
указывает наблюдатель.
Близорукость и дальнозоркость
По
своему устройству глаз очень похож на фотографический аппарат. Он
тоже представляет собой камеру, правда, круглой формы, на дне которой
получается изображение наблюдаемых предметов (рис. 7). Изнутри глазное
яблоко устлано особой тонкой пленкой, или кожицей, называемой сетчатой
оболочкой
, или ретиной
. Она вся усеяна громадным количеством
очень мелких телец, каждое из которых соединено тонкой ниточкой
нерва с центральным зрительным нервом и далее с мозгом. Одни из
этих телец короткие и называются колбочками
, другие же, продолговатые,
называются палочками
. Колбочки и палочки представляют собой
орган нашего тела, воспринимающий свет; в них под действием лучей
получается особое раздражение, которое по нервам, как по проводам,
передается в мозг и воспринимается сознанием, как ощущение света.
Световая картина, воспринимаемая нашим зрением, составляется из
множества отдельных точек - раздражений колбочек и палочек. В этом
глаз тоже похож на фотографию: там изображение на снимке тоже слагается
из множества мельчайших черных точек - зерен серебра.
Роль объектива для глаза играет отчасти студенистая жидкость, наполняющая
глазное яблоко, отчасти прозрачное тело, расположенное непосредственно
за зрачком и называемое хрусталиком
. По своей форме хрусталик
напоминает двояковыпуклое стекло, или линзу, но от стекла отличается
тем, что состоит из мягкого и упругого вещества, отдаленно напоминающего
студень.
Для того, чтобы получить хороший, отчетливый снимок, фотографический
аппарат надо сначала "навести на фокус". Для этого заднюю
рамку, которая несет фотографическую пластинку, передвигают взад
и вперед, пока не найдут такое расстояние от объектива, на котором
изображение на матовом стекле, вставленном в рамку, будет наиболее
отчетливым. Глаз не может раздвигаться и сдвигаться, а потому задняя
стенка глазного яблока не может приближаться или удаляться от хрусталика.
Между тем, для разглядывания далеких и близких предметов фокусировка
должна быть разная. В глазу это достигается изменением формы хрусталика.
Он заключен в особую кольцевую мышцу. Когда мы разглядываем близкие
предметы, то эта мышца сжимается и надавливает на хрусталик, который
от этого выпячивается, становится более выпуклым, и поэтому фокус
его делается короче. Когда взор переводится на далекие предметы,
то мышца ослабляется, хрусталик растягивается, становится более
плоским и длиннофокусным. Этот процесс, который происходит непроизвольно,
называется аккомодацией
.
Нормальный здоровый глаз устроен так, что благодаря аккомодации
он может с полной резкостью видеть предметы, начиная с расстояния
в 15-20 см и до сильно удаленных, какими можно считать Луну, звезды
и другие небесные светила.
У некоторых людей глаз имеет неправильное строение. Задняя стенка
глазного яблока, на которой должно получаться резкое изображение
разглядываемого предмета, расположена от хрусталика либо ближе,
чем следует, либо слишком далеко.
Если внутренняя поверхность глаза чересчур сдвинута вперед, то как
бы хрусталик ни напрягался, изображение близких предметов получается
за нею, и поэтому на светочувствительной поверхности глаза изображение
выйдет неясным, размытым. Такой глаз видит близкие предметы размазанными,
расплывчатыми, - недостаток зрения, называемый дальнозоркостью
.
Человеку, страдающему таким недостатком, трудно читать, писать,
разбираться в мелких предметах, хотя вдаль он видит отлично. Для
устранения затруднений, связанных с дальнозоркостью, приходится
надевать очки с выпуклыми стеклами. Если к хрусталику и другим оптическим
частям глаза добавить выпуклое стекло, то фокусное расстояние делается
короче. От этого изображение рассматриваемых предметов приближается
к хрусталику и попадает на сетчатую оболочку.
Если сетчатая оболочка расположена от хрусталика дальше, чем полагается,
то изображения далеких предметов получаются перед ней, а не на ней.
Глаз, страдающий таким недостатком, видит далекие предметы очень
неясно и размыто. Против такого недостатка, называемого близорукостью
,
помогают очки с вогнутыми стеклами. При таких стеклах фокусное расстояние
становится длиннее, и изображение далеких предметов, отодвигаясь
от хрусталика, попадает на сетчатую оболочку.
Оптические приборы для наблюдения на далекие расстояния
Если предмет виден плохо из-за того, что его угловые размеры слишком
малы, то его можно рассмотреть лучше, приблизившись к нему. Очень
часто сделать это невозможно, тогда остается только одно: рассматривать
предмет через такой оптический прибор, который показывает его в
увеличенном виде. Прибор, позволяющий успешно наблюдать далекие
предметы, изобрели давно, более трехсот лет назад. Это - зрительная
труба, или телескоп.
Всякая зрительная труба в основном состоит из двух частей: из большого
двояковыпуклого стекла (линзы) на переднем, обращенном к предмету
конце (рис. 8), которое называется объективом
, и второго,
меньшего по размерам, двояковыпуклого стекла, к которому прикладывают
глаз и которое называется окуляром
. Если труба направлена
на сильно удаленный предмет, например, на далекий фонарь, то лучи
подходят к объективу параллельным пучком. При прохождении через
объектив они преломляются, после чего сходятся конусом, и в точке
их пересечения, называемой фокусом
, получается изображение
фонаря в виде светлой точки. Это изображение разглядывают через
окуляр, действующий наподобие лупы, вследствие чего оно сильно увеличивается
и кажется гораздо больше.
В современных телескопах объектив и окуляр составляют из нескольких
стекол различной выпуклости, чем достигаются гораздо более четкие
и резкие изображения. Кроме того, в трубе, устроенной так, как это
показано на рис. 8, все предметы будут видны в перевернутом виде.
Видеть людей, бегущих головой вниз по висящей вверху над небом земле,
нам было бы непривычно и неудобно, а поэтому в трубы, предназначенные
для наблюдений за земными предметами, вставляются особые дополнительные
стекла, или призмы, которые поворачивают изображение в нормальное
положение.
Прямое назначение зрительной трубы - показывать удаленный предмет
в увеличенном виде. Телескоп увеличивает угловые размеры и этим
как бы приближает предмет к наблюдателю. Если труба увеличивает
в 10 раз, то это значит, что предмет на расстоянии в 10 км будет
виден под таким же углом, под каким невооруженным глазом он виден
с расстояния 1 км. Астрономы, которым приходится наблюдать очень
удаленные объекты - Луну, планеты, звезды, применяют огромные телескопы,
диаметр которых равен 1 м и более, а длина доходит до 10-20 м. Такой
телескоп может дать увеличение более чем в 1000 раз. Для рассматривания
земных предметов столь сильное увеличение в большинстве случаев
совершенно бесполезно.
В армии основным прибором для наблюдения считается полевой бинокль
.
Бинокль - это два маленьких телескопа, скрепленных вместе (рис.
9). Он позволяет смотреть двумя глазами сразу, что, конечно, гораздо
удобнее, чем наблюдение одним глазом при одиночной зрительной трубе.
В каждой половинке бинокля, как и во всяком телескопе, есть переднее
стекло - объектив - и задние стекла, составляющие окуляр. Между
ними расположена коробка, заключающая призмы, посредством которых
поворачивается изображение. Бинокль такого устройства называется
призматическим
.
Наиболее распространенный тип призматического бинокля - шестикратный,
т. е. дающий увеличение в 6 раз. Применяются также бинокли с увеличением
в 4, 8 и 10 раз.
Помимо биноклей, в военном деле в некоторых случаях применяются
зрительные трубы с увеличением от 10 до 50 раз, а кроме того, перископы
.
Перископ
- это сравнительно длинная труба, которая предназначена для наблюдений
из-за укрытия (рис. 10). Солдат, ведущий наблюдение перископом,
сам остается в окопе, выставляя наружу лишь верхнюю часть прибора,
несущую объектив. Это не только предохраняет наблюдателя от огня
противника, но и облегчает маскировку, поскольку маленький кончик
трубы замаскировать гораздо легче, чем всю фигуру человека. Длинные
перископы применяются на подводных лодках. Когда нужно вести наблюдение
скрытно от противника, лодка остается под водой, выставляя над поверхностью
моря лишь едва заметный конец перископа.
У читателя может возникнуть вопрос, почему в военном деле применяются
только приборы со сравнительно слабым увеличением, не превосходящим
15-20-кратное? Ведь не трудно сделать телескоп с увеличением в 100-200
раз и даже больше.
Есть ряд причин, затрудняющих в походе применение зрительных труб
с большим увеличением. Во-первых, чем сильнее увеличение, тем меньше
поле зрения прибора, т.е. тот участок панорамы, который в нем виден.
Во-вторых, при сильном увеличении всякая тряска, дрожание трубы
затрудняют наблюдение; поэтому телескоп с сильным увеличением нельзя
держать в руках, а надо класть на специальную подставку, устроенную
так, что трубу можно легко и плавно поворачивать в разные стороны.
Но самым главным препятствием является атмосфера. Воздух у земной
поверхности никогда не бывает спокоен: он колеблется, волнуется,
дрожит. Сквозь этот движущийся воздух мы и смотрим на далекие части
ландшафта. От этого изображения далеких предметов портятся: форма
предметов искажается, неподвижный в действительности объект все
время шевелится и меняет свои очертания, так что разобрать его детали
нет никакой возможности. Чем больше увеличение, тем сильнее все
эти помехи, тем заметнее искажения, вызванные колебаниями воздуха.
Это приводит к тому, что применение чрезмерно сильно, увеличивающих
приборов при наблюдении вдоль земной поверхности оказывается бесполезным.
Из-за большого числа этапов процесса зрительного восприятия его отдельные характеристики рассматриваются с точки зрения разных наук - оптики (в том числе биофизики), психологии , физиологии , химии (биохимии). На каждом этапе восприятия возникают искажения, ошибки, сбои, но мозг человека обрабатывает полученную информацию и вносит необходимые коррективы. Эти процессы носят неосознаваемый характер и реализуются в многоуровневой автономной корректировке искажений. Так устраняются сферическая и хроматическая аберрации, эффекты слепого пятна , проводится цветокоррекция , формируется стереоскопическое изображение и т. д. В тех случаях, когда подсознательная обработка информации недостаточна, или же избыточна, возникают оптические иллюзии .
Физиология зрения человека
Цветовое зрение
В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (фоторецепторов): высоко чувствительные палочки , отвечающие за ночное зрение , и менее чувствительные колбочки , отвечающие за цветное зрение.
Свет с разной длиной волны по-разному стимулирует разные типы колбочек. Например, желто-зелёный свет в равной степени стимулирует колбочки L и M-типов, но слабее стимулирует колбочки S-типа. Красный свет стимулирует колбочки L-типа намного сильнее, чем колбочки M-типа, а S-типа не стимулирует почти совсем; зелено-голубой свет стимулирует рецепторы M-типа сильнее, чем L-типа, а рецепторы S-типа - ещё немного сильнее; свет с этой длиной волны наиболее сильно стимулирует также палочки. Фиолетовый свет стимулирует почти исключительно колбочки S-типа. Мозг воспринимает комбинированную информацию от разных рецепторов, что обеспечивает различное восприятие света с разной длиной волны.
За цветовое зрение человека и обезьян отвечают гены, кодирующие светочувствительные белки опсины . По мнению сторонников трёхкомпонентной теории, наличие трёх разных белков, реагирующих на разные длины волн, является достаточным для цветового восприятия. У большинства млекопитающих таких генов только два, поэтому они имеют двухцветное зрение. В том случае, если у человека два белка, кодируемые разными генами, оказываются слишком схожи или один из белков не синтезируется, развивается дальтонизм . Н. Н. Миклухо-Маклай установил, что у папуасов Новой Гвинеи , живущих в гуще зелёных джунглей, отсутствует способность различать зелёный цвет.
Чувствительный к красному свету опсин кодируется у человека геном OPN1LW .
Другие опсины человека кодируют гены OPN1MW, OPN1MW2 и OPN1SW, первые два из них кодируют белки, чувствительные к свету со средними длинами волны, а третий отвечает за опсин, чувствительный к коротковолновой части спектра.
Необходимость трех типов опсинов для цветового зрения недавно была доказана в опытах на беличьей обезьяне (саймири), самцов которых удалось излечить от врожденного дальтонизма путем введения в их сетчатку гена человеческого опсина OPN1LW . Эта работа (вместе с аналогичными опытами на мышах) показала, что зрелый мозг способен приспособиться к новым сенсорным возможностям глаза.
Ген OPN1LW, который кодирует пигмент, отвечающий за воcприятие красного цвета, высоко полиморфен (в недавней работе Виррелли и Тишкова было найдено 85 аллелей в выборке из 256 человек ), и около 10% женщин , имеющих два разных аллеля этого гена, фактически имеют дополнительный тип цветовых рецепторов и некоторую степень четырёхкомпонентного цветового зрения. Вариации гена OPN1MW, который кодирует «желто-зеленый» пигмент, встречаются редко и не влияют на спектральную чувствительность рецепторов.
Ген OPN1LW и гены, отвечающие за восприятие света со средней длиной волны, расположены в Х-хромосоме тандемно, и между ними часто происходит негомологичная рекомбинация или генная конверсия. При этом может происходить слияние генов или увеличение числа их копий в хромосоме. Дефекты гена OPN1LW - причина частичной цветовой слепоты, протанопии .
Трёхсоставную теорию цветового зрения впервые высказал в 1756 году М. В. Ломоносов , когда он писал «о трёх материях дна ока». Сто лет спустя её развил немецкий учёный Г. Гельмгольц , который не упоминает известной работы Ломоносова «О происхождении света», хотя она была опубликована и кратко изложена на немецком языке.
Параллельно существовала оппонентная теория цвета Эвальда Геринга. Её развили Дэвид Хьюбел (David H. Hubel) и Торстен Визел (Torsten N. Wiesel). Они получили Нобелевскую премию 1981 года за своё открытие.
Они предположили, что в мозг поступает информация вовсе не о красном (R), зелёном (G) и синем (B) цветах (теория цвета Юнга -Гельмгольца). Мозг получает информацию о разнице яркости - о разнице яркости белого (Y мах) и чёрного (Y мин), о разнице зелёного и красного цветов (G - R), о разнице синего и жёлтого цветов (B - yellow), а жёлтый цвет (yellow = R + G) есть сумма красного и зелёного цветов, где R, G и B - яркости цветовых составляющих - красного, R, зелёного, G, и синего, B.
Имеем систему уравнений - К ч-б = Y мах - Y мин; K gr = G - R; K brg = B - R - G, где К ч-б, K gr , K brg - функции коэффициентов баланса белого для любого освещения. Практически это выражается в том, что люди воспринимают цвет предметов одинаково при разных источниках освещения (цветовая адаптация). Оппонентная теория в целом лучше объясняет тот факт, что люди воспринимают цвет предметов одинаково при чрезвычайно разных источниках освещения (цветовая адаптация), в том числе при различном цвете источников света в одной сцене.
Эти две теории не вполне согласованы друг с другом. Но несмотря на это, до сих пор предполагают, что на уровне сетчатки действует трёхстимульная теория, однако информация обрабатывается и в мозг поступают данные, уже согласующиеся с оппонентной теорией.
Бинокулярное и Стереоскопическое зрение
Вклад зрачка в регулировку чувствительности глаза крайне незначителен. Весь диапазон яркостей, которые наш зрительный механизм способен воспринять, огромен: от 10 −6 кд·м² для глаза, полностью адаптированного к темноте, до 10 6 кд·м² для глаза, полностью адаптированного к свету Механизм такого широкого диапазона чувствительности кроется в разложении и восстановлении фоточувствительных пигментов в фоторецепторах сетчатки - колбочках и палочках .
Чувствительность глаза зависит от полноты адаптации , от интенсивности источника света, длины волны и угловых размеров источника, а также от времени действия раздражителя. Чувствительность глаза понижается с возрастом из-за ухудшения оптических свойств склеры и зрачка, а также рецепторного звена восприятия.
Максимум чувствительности при дневном освещении лежит при 555-556 нм, а при слабом вечернем/ночном смещается в сторону фиолетового края видимого спектра и равен 510 нм (в течение суток колеблется в пределах 500-560 нм). Объясняется это (зависимость зрения человека от условий освещённости при восприятии им разноцветных объектов, соотношение их кажущейся яркости - эффект Пуркинье) двумя типами светочувствительных элементов глаза - при ярком свете зрение осуществляется преимущественно колбочками, а при слабом задействуются предпочтительно только палочки.
Острота зрения
Способность различных людей видеть большие или меньшие детали предмета с одного и того же расстояния при одинаковой форме глазного яблока и одинаковой преломляющей силе диоптрической глазной системы обусловливается различием в расстоянии между чувствительными элементами сетчатки и называется остротой зрения .
Острота зрения - способность глаза воспринимать раздельно две точки, расположенные друг от друга на некотором расстоянии (детализация, мелкозернистость, разрешётка ). Мерилом остроты зрения является угол зрения, то есть угол, образованный лучами, исходящими от краёв рассматриваемого предмета (или от двух точек A и B ) к узловой точке (K ) глаза. Острота зрения обратно-пропорциональна углу зрения, то есть, чем он меньше, тем острота зрения выше. В норме глаз человека способен раздельно воспринимать объекты, угловое расстояние между которыми не меньше 1′ (1 минута).
Острота зрения - одна из важнейших функций зрения. Острота зрения человека ограничена его строением. Глаз человека в отличие от глаз головоногих, например, это обращённый орган, то есть, светочувствительные клетки находятся под слоем нервов и кровеносных сосудов.
Острота зрения зависит от размеров колбочек, находящихся в области жёлтого пятна, сетчатки, а также от ряда факторов: рефракции глаза, ширины зрачка, прозрачности роговицы, хрусталика (и его эластичности), стекловидного тела (кои составляют светопреломляющий аппарат), состояния сетчатой оболочки и зрительного нерва, возраста.
Остроту зрения и/или Световую чувствительность часто также называют разрешающей способностью простого(невооруженного) глаза (resolving power ).
Поле зрения
Периферическое зрение (поле зрения) - определяют границы поля зрения при проекции их на сферическую поверхность (при помощи периметра). Поле зрения - пространство, воспринимаемое глазом при неподвижном взгляде. Зрительное поле является функцией периферических отделов сетчатки; его состоянием в значительной мере определяется возможность человека свободно ориентироваться в пространстве.
Изменения поля зрения обуславливаются органическими и/или функциональными заболеваниями зрительного анализатора: сетчатки, зрительного нерва, зрительного пути, ЦНС . Нарушения поля зрения проявляются либо сужением его границ (выражают в градусах или линейных величинах), либо выпадением отдельных его участков (Гемианопсия), появлением скотомы.
Бинокулярность
Рассматривая предмет обоими глазами, мы видим его только тогда одиночным, когда оси зрения глаз образуют такой угол сходимости (конвергенцию), при котором симметричные отчётливые изображения на сетчатках получаются в определённых соответственных местах чувствительного жёлтого пятна (fovea centralis). Благодаря такому бинокулярному зрению, мы не только судим об относительном положении и расстоянии предметов, но и воспринимаем рельеф и объём.
Основными характеристиками бинокулярного зрения являются наличие элементарного бинокулярного, глубинного и стереоскопического зрения, острота стереозрения и фузионные резервы.
Наличие элементарного бинокулярного зрения проверяется посредством разбиения некоторого изображения на фрагменты, часть которых предъявляется левому, а часть - правому глазу . Наблюдатель обладает элементарным бинокулярным зрением, если он способен составить из фрагментов единое исходное изображение.
Наличие глубинного зрения проверяется путём предъявления силуэтных, а стереоскопического - случайно-точечных стереограмм , которые должны вызывать у наблюдателя специфическое переживание глубины, отличающееся от впечатления пространственности, основанного на монокулярных признаках.
Острота стереозрения - это величина, обратная порогу стереоскопического восприятия. Порог стереоскопического восприятия - это минимальная обнаруживаемая диспаратность (угловое смещение) между частями стереограммы. Для его измерения используется принцип, который заключается в следующем. Три пары фигур предъявляются раздельно левому и правому глазу наблюдателя. В одной из пар положение фигур совпадает, в двух других одна из фигур смещена по горизонтали на определённое расстояние. Испытуемого просят указать фигуры, расположенные в порядке возрастания относительного расстояния. Если фигуры указаны в правильной последовательности, то уровень теста увеличивается (диспаратность уменьшается), если нет - диспаратность увеличивается.
Фузионные резервы - условия, при которых существует возможность моторной фузии стереограммы. Фузионные резервы определяются максимальной диспаратностью между частями стереограммы, при которых она ещё воспринимается в качестве объемного изображения. Для измерения фузионных резервов используется принцип, обратный применяемому при исследовании остроты стереозрения. Например, испытуемого просят соединить в одно изображение две вертикальных полосы, одна из которых видна левому, а другая - правому глазу . Экспериментатор при этом начинает медленно разводить полосы сначала при конвергентной, а затем при дивергентной диспаратности . Изображение начинает раздваиваться при значении диспаратности , характеризующей фузионный резерв наблюдателя.
Бинокулярость может нарушаться при косоглазии и некоторых других заболеваниях глаз . При сильной усталости может наблюдаться временное косоглазие, вызванное отключением ведомого глаза.
Контрастная чувствительность
Контрастная чувствительность - способность человека видеть объекты, слабо отличающиеся по яркости от фона. Оценка контрастной чувствительности производится по синусоидальным решеткам. Повышение порога контрастной чувствительности может быть признаком ряда глазных заболеваний, в связи с чем его исследование может применяться в диагностике.
Адаптация зрения
Приведенные выше свойства зрения тесно связаны со способностью глаза к адаптации. Адаптация глаза - приспособление зрения к различным условиям освещения. Адаптация происходит к изменениям освещённости (различают адаптацию к свету и темноте), цветовой характеристики освещения (способность воспринимать белые предметы белыми даже при значительном изменении спектра падающего света).
Адаптация к свету наступает быстро и заканчивается в течение 5 мин., адаптация глаза к темноте - процесс более медленный. Минимальная яркость, вызывающая ощущение света, определяет световую чувствительность глаза. Последняя быстро нарастает в первые 30 мин. пребывания в темноте, её повышение практически заканчивается через 50-60 мин. Адаптацию глаза к темноте исследуют при помощи специальных приборов - адаптометров .
Понижение адаптации глаза к темноте наблюдают при некоторых глазных (пигментная дистрофия сетчатки, глаукома) и общих (A-авитаминоз) заболеваниях.
Адаптация проявляется также в способности зрения частично компенсировать дефекты самого зрительного аппарата (оптические дефекты хрусталика , дефекты сетчатки , скотомы и пр.)
Психология зрительного восприятия
Дефекты зрения
Самый массовый недостаток - нечёткая, неясная видимость близких или удалённых предметов.
Дефекты хрусталика
Дальнозоркость
Дальнозоркостью называется такая аномалия рефракции, при которой лучи света, попадающие в глаз, фокусируются не на сетчатке, а позади неё. В легких формах глаз с хорошим запасом аккомодации компенсирует зрительный недостаток с помощью увеличения кривизны хрусталика цилиарной мышцой.
При более сильной дальнозоркости (3 дптр и выше) зрение плохое не только вблизи, но и вдаль, причем глаз не способен скомпенсировать дефект самостоятельно. Дальнозоркость обычно бывает врожденной и не прогрессирует (обычно уменьшается к школьному возрасту).
При дальнозоркости назначают очки для чтения или постоянного ношения. Для очков подбираются собирающие линзы (перемещают фокус вперед на сетчатку), при использовании которых зрение пациента становится наилучшим.
Несколько отличается от дальнозоркости пресбиопия , или старческая дальнозоркость. Пресбиопия развивается вследствие утраты хрусталиком эластичности (что является нормальным результатом его развития). Этот процесс начинается ещё в школьном возрасте, но человек обычно замечает ослабление зрения вблизи после 40 лет. (Хотя в 10 лет дети-эмметропы могут читать на расстоянии 7 см, в 20 лет - уже минимум 10 см, а в 30 - 14 см и так далее.) Старческая дальнозоркость развивается постепенно, и к 65-70 годам человек уже полностью теряет способность аккомодировать, развитие пресбиопии завершено.
Близорукость
Близорукость - аномалия рефракции глаза, при которой фокус перемещается вперед, а на сетчатку попадает уже расфокусированное изображение. При близорукости дальнейшая точка ясного зрения лежит в пределах 5 метров (в норме она лежит в бесконечности). Близорукость бывает ложной (когда из-за перенапряжения цилиарной мышцы происходит её спазм, в результате чего кривизна хрусталика остается слишком большой при зрении вдаль) и истинной (когда глазное яблоко увеличивается в передне-задней оси). В легких случаях далекие объекты размыты, в то время как близкие остаются четкими (дальнейшая точка ясного зрения лежит достаточно далеко от глаз). В случаях высокой близорукости происходит значительное снижение зрения. Начиная приблизительно с −4 дптр, человеку необходимы очки и для дали, и для близкого расстояния (в противном случае рассматриваемый предмет нужно подносить очень близко к глазам).
В подростковом возрасте близорукость часто прогрессирует (глаза постоянно напрягаются для работы вблизи, из-за чего глаз компенсаторно растет в длину). Прогрессия близорукости иногда принимает злокачественную форму, при которой зрение падает на 2-3 диоптрии в год, наблюдается растяжение склеры, происходят дистрофические изменения сетчатки. В тяжелых случаях возникает опасность отслойки перерастянутой сетчатки при физической нагрузке или внезапном ударе. Остановка прогрессии близорукости обычно наступает к 22-25 годам, когда перестает расти организм. При стремительной прогрессии зрение к тому времени падает до −25 диоптрий и ниже, очень сильно калеча глаза и резко нарушая качество зрения вдаль и вблизи (все, что человек видит, - это мутные очертания без какого-либо детализированного зрения), причем такие отклонения очень тяжело поддаются полноценному исправлению оптикой: толстые очковые стекла создают сильные искажения и уменьшают предметы визуально, отчего человек не видит достаточно хорошо даже в очках. В таких случаях лучшего эффекта можно добиться с помощью контактной коррекции.
Несмотря на то, что вопросу остановки прогрессирования близорукости посвящены сотни научно-медицинских работ, до сих пор нет доказательств эффективности ни одного метода лечения прогрессирующей близорукости, включая операции (склеропластика). Есть доказательства небольшого, но статистически значимого уменьшения темпов роста близорукости у детей при применении глазных капель атропина и (отсутствующего в России) глазного геля пирензипина.
При близорукости часто прибегают к лазерной коррекции зрения (воздействие на роговицу с помощью лазерного луча с целью уменьшения её кривизны). Этот метод коррекции не до конца безопасный, но в большинстве случаев удается добиться значительного улучшения зрения после операции.
Дефекты близорукости и дальнозоркости могут быть преодолены с помощью очков или восстановительных курсов гимнастики как и другие нарушения рефракции.
Астигматизм
Астигматизм - дефект оптики глаза, вызванный неправильной формой роговицы и (или) хрусталика. У всех людей формы роговицы и хрусталика отличаются от идеального тела вращения (то есть все люди имеют астигматизм той или иной степени). В тяжелых случаях вытягивание по одной из осей может быть очень сильным, кроме того, роговица может иметь дефекты кривизны, вызванные другими причинами (ранениями, перенесенными инфекционными заболеваниями и т. д.). При астигматизме лучи света преломляются с разной силой в разных меридианах, в результате чего изображение получается искривленным и местами нечетким. В тяжелых случаях искажения настолько сильны, что значительно снижают качество зрения.
Астигматизм легко диагностировать, рассматривая одним глазом лист бумаги с тёмными параллельными линиями - вращая такой лист, астигматик заметит, что тёмные линии то размываются, то становятся чётче. У большинства людей встречается врождённый астигматизм до 0,5 диоптрий, не приносящий дискомфорта.
Данный дефект компенсируется очками с цилиндрическими линзами , имеющими различную кривизну по горизонтали и вертикали и контактными линзами, (жёсткими или мягкими торическими), также, как и очковыми линзами, имеющими разную оптическую силу в разных меридианах.
Дефекты сетчатки
Дальтонизм
Если в сетчатке глаза выпадает или ослаблено восприятие одного из трёх основных цветов , то человек не воспринимает какой-то цвет. Есть «цветнослепые» на красный, зелёный и сине-фиолетовый цвет. Редко встречается парная, или даже полная цветовая слепота. Чаще встречаются люди, которые не могут отличить красный цвет от зелёного. Эти цвета они воспринимают как серые. Такой недостаток зрения был назван дальтонизмом - по имени английского учёного Д. Дальтона , который сам страдал таким расстройством цветного зрения и впервые описал его.
Дальтонизм неизлечим, передаётся по наследству (сцеплен с Х-хромосомой). Иногда он возникает после некоторых глазных и нервных болезней.
Дальтоников не допускают к работам связанным с вождением транспорта на дорогах общего пользования. Очень важно хорошее цветоощущение для моряков, лётчиков, химиков, художников, поэтому для некоторых профессий цветовое зрение проверяют с помощью специальных таблиц.
Скотома
Скотома (греч. skotos - темнота) - пятнообразный дефект в поле зрения глаза, вызванный заболеванием в сетчатке, болезнями зрительного нерва, глаукомой . Это участки (в пределах поля зрения), в которых зрение существенно ослаблено, или отсутствует. Иногда скотомой называют слепое пятно - область на сетчатке , соответствующая диску зрительного нерва (т. н. физиологическая скотома).
Абсолютная скотома (англ. absolute scotomata ) - участок, в котором зрение отсутствует. Относительная скотома (англ. relative scotoma ) - участок, в котором зрение значительно снижено.
Предположить наличие скотомы можно самостоятельно проведя исследование с помощью теста Амслера.
Loading...