Человеческий мозг. От аксона до нейрона. - Айзек Азимов

Восприятие света с помощью химического механизма может быть как полезным, так и весьма опасным. В живых тканях с их тонким балансом сложных и ломких соединений случайное воздействие света может стать разрушительным. В эволюционном плане оказалось полезным сосредоточить светочувствительные элементы, содержащие определенные химические вещества, в одном участке. Поскольку химические соединения, составляющие это пятно или участок, должны обладать повышенной чувствительностью к свету, то они будут реагировать на слабый свет, который не способен причинить разрушение тканей. Более того, расположение светочувствительного участка в определенной области организма позволило бы защитить от света остальные участки поверхности тела.

(Для того чтобы свет мог воздействовать на какое-либо вещество так, чтобы в нем произошли химические изменения, это вещество должно в первую очередь поглощать свет. Вообще любое вещество поглощает свет определенной длины волны в большей степени, чем световые волны иной длины. Но мы способны воспринимать различные длины волн, ощущая их как различные цвета, как я объясню ниже в этой же главе. Поэтому, когда мы видим светочувствительное вещество, воспринимая свет, который оно либо пропускает, либо отражает, мы видим это вещество окрашенным в какой-нибудь цвет. По этой причине светочувствительные соединения в организме обычно называют пигментами, то есть окрашенными веществами, в особенности прилагая этот термин к зрительным пигментам.)

Даже у одноклеточных организмов есть светочувствительные участки, но специальные светочу ветвительные структуры развиваются, конечно, только у многоклеточных животных, у которых развивается специальный орган — глаз, предназначенный для фоторецепции, что в переводе с греко-латинского означает «восприятие света».

Простейший фоторецептор способен лишь указать наличие или отсутствие света. Тем не менее, если даже организм имеет в своем распоряжении такую примитивную рецепцию, он уже обладает весьма полезным инструментом. Такое животное может двигаться к свету или удаляться от него. Более того, если яркость света вдруг уменьшилась, то это можно воспринять как определенный стимул: что-то произошло между фоторецептором и источником света. Естественным следствием такого поворота событий может стать бегство, так как это «что-то», вполне вероятно, может оказаться врагом.

Более чувствительный фоторецептор может иметь лучшую конструкцию, и одним из способов увеличения чувствительности является увеличение количества света, падающего на светочувствительный пигмент. Этого можно достичь несколькими путями, поскольку свет не всегда распространяется строго по прямой линии. Когда свет переходит из одной среды в другую, он, как правило, преломляется, то есть изменяет направление своего движения. Если поверхность раздела сред плоская, то весь свет, падающий на эту поверхность, преломляется как бы единым блоком. (Это так только в том случае, если все лучи имеют одинаковую длину волны. Если нет, проявляется другой важный эффект.) Если же поверхность раздела искривлена, то все происходит намного сложнее. Если, например, лучи света проходят из воздуха в воду через сферическую поверхность, то они собираются в точке, совпадающей приблизительно с центром сферы, не важно, откуда они падают. Лучи собираются вместе в точке, называемой фокусом («очаг», лат.).

Для того чтобы концентрировать лучи в фокусе, организмы используют не воду, как таковую, а прозрачное вещество, которое, правда, по большей части все же состоит из воды. У наземных животных эта структура похожа на чечевичное зерно, которое по-латыни называется lens, что значит «хрусталик». Хрусталик — это уплощенная сфера, которая, хорошо справляясь со своим делом, весьма экономна по форме, сберегая для глаза дефицитный объем. Хрусталик служит для фокусирования лучей света. Весь свет, который падает на его поверхность, концентрируется в одном узком пятне. Известно, что любой ребенок может с помощью линзы, собирающей лучи, зажечь газету, но не сфокусированный солнечный свет такого делать не в состоянии. Точно так же одиночный фоторецептор может отреагировать на слабый свет, который в отсутствие собирающей линзы — хрусталика — не может создать па светочувствительном пигменте никакого изображения.

Поскольку свет, предоставленный самому себе, распространяется преимущественно по прямой линии, то фоторецептор — не важно, снабжен он хрусталиком или нет, может воспринимать свет только с того направления, с какого он падает па рецептор. Для того чтобы воспринять свет с других направлений, животное должно повернуться, или развить такие фоторецепторы, чтобы они могли воспринимать свет с различных направлений. Последняя альтернатива предпочтительнее, так как позволяет экономить время на поворотах туловищем, а в вечной борьбе за существование и источники пищи дорога бывает каждая доля секунды.

Фоторецепторы достигают своего расцвета и вершины у насекомых. Глаза мухи — это отнюдь не единый орган. Каждый сложный глаз составлен из тысяч отдельных фоторецепторов, каждый из которых повернут на небольшой угол относительно соседних рецепторов.

Муха, не двигаясь с места, может видеть изменения освещенности практически под любым углом. Именно поэтому так трудно поймать муху врасплох и неожиданно прихлопнуть ее мухобойкой. Каждый фоторецептор может регистрировать только «свет» или «темноту», но все вместе они делают нечто большее. Если объект находится между сложным глазом и источником света, то насекомое может составить себе грубое представление о размерах и форме предмета по числу и расположению фоторецепторов, регистрирующих «темноту». Получается довольно грубое мозаичное изображение предмета. Более того, если объект движется, индивидуальные рецепторы по очереди регистрируют появление темноты в направлении движения предмета, а другие рецепторы регистрируют такое же движение светлых элементов упомянутой мозаики. Таким образом, насекомое может составить представление о скорости и направлении движения объекта.

У позвоночных развилась иная система зрения. У этих животных развились большие индивидуальные глаза, которые концентрируют свет, то есть фокусируют его лучи на область светочувствительных клеток. Каждая клетка способна регистрировать тьму или свет. Индивидуальные фоторецепторы имеют размеры клеток, то есть микроскопическую величину, а не такие, как у насекомых, у которых каждый фоторецептор можно увидеть невооруженным глазом. Мозаика позвоночных отличается гораздо большим изяществом и тонким устройством.

Предположим, что вы решили нарисовать портрет человека на листе бумаги, используя для этого черные точки, как в газетных фотографиях (возьмите увеличительное стекло, посмотрите па такую фотографию, и вы поймете, что я имею в виду). Если точки будут крупными, то изображение будет лишено деталей. Чем мельче точки при том же размере рисунка, тем более подробным и детальным будет нарисованное вами изображение.

Точки, которые используют насекомые, имеют размер фасеток их сложных глаз. Точки наших с вами глаз имеют размеры клеток. Таким образом, мы можем разглядеть гораздо больше деталей, чем насекомое. У нас, следовательно, более острое зрение. На том пространстве, которое медоносная пчела может покрыть одной фасеткой, которая будет либо темной, либо светлой, мы можем уместить десять тысяч точек и составить рисунок вместо одного пятна, которое на этом месте видит пчела, и собрать с этого участка намного больше информации.

Использование глаза с фоторецепторами размером с клетку предоставляет его носителю такие преимущества, что такой глаз развился у многих не родственных между собой групп животных. Независимо от позвоночных глаза такой же «конструкции» развились у многих моллюсков. Например, глаз кальмара, несмотря на то что это животное имеет совершенно иную историю развития, чем человек, почти в точности повторяет строение нашего глаза.

ГЛАЗНОЕ ЯБЛОКО

Человеческий глаз, имеющий в диаметре почти дюйм, по форме напоминает сферу, так что название «яблоко» очень подходит к данному предмету. Около пяти шестых поверхности глазного яблока покрыто жесткой волокнистой оболочкой, которая называется склерой («твердый», лат.). Склера окрашена в белый цвет, часть ее видна между веками. В обиходе эту часть называют белком глаза.

В передней части глаза, непосредственно смотрящей на мир, находится прозрачный участок круглой формы диаметром около полудюйма. Это роговица. (Происхождение названия, по-видимому, связано с тем обстоятельством, что тонкая пластинка рога полупрозрачна и, кроме того, рог, так же как роговица, является придатком кожи. Так что название не так уж бессмысленно, как может показаться с первого взгляда.) Роговица не заканчивает очертания глазного яблока. У роговицы несколько более крутая кривизна, и поэтому она выступает над поверхностью глазного яблока, как маленькая сфера, вставленная в большую. Если прикрыть глаз, приложить палец к веку и повернуть глаз в сторону, то палец тотчас же ощутит выпячивание роговицы.