Книга История зрения: путь от светочувствительности до глаза - Вадим Бондарь

Электромагнитные волны условно разделяются в зависимости от частоты на радиоволны, длинные волны, микроволны, инфракрасный и видимый свет, ультрафиолет, рентгеновское и гамма-излучение. Это деление условное, потому что даже понятие «видимый свет» относительно в зависимости от того, к какому виду или даже индивидууму мы его относим. Нужно просто понимать, что свет – это электромагнитная волна и то, что мы называем его светом, другое излучение теплом, а третье – ультрафиолетовым излучением, условно. Фактически мы всегда говорим об одном и том же явлении, и если для нас это деление очевидно, то, например, для стрекозы уже может быть не так.

Видимый свет – это та часть электромагнитного излучения, которую мы способны определять глазом. Здесь мы рассмотрим только эту часть электромагнитного излучения. Можно ощущать инфракрасное излучение всей поверхностью тела как тепло или холод, но это выходит за пределы интереса этой книги.

Все ли мы видим цвета одинаково?

До открытия волновой природы цвета этот вопрос не был решен до конца, и многие серьезные ученые считали, что предметы окружающего мира не несут цвета, что он – плод работы мозга или воображения. Как же мы определяем цвет? Почему видим, что перец бывает красным или желтым?

В настоящее время понятно, что восприятие цвета происходит из-за наличия в сетчатке глаза клеток-колбочек, которые максимально чувствительны к электромагнитному излучению определенной длины волны. Когда они возбуждаются и подают сигнал через цепь нейронов в кору головного мозга, у живого организма возникает ощущение цвета. В человеческом глазу (у большинства людей) три типа колбочек, каждый из них максимально чувствителен к электромагнитному излучению определенной длины волны, которые мы определили для себя как красный, синий и зеленый. Комбинация этих цветов дает ощущение множества цветов и оттенков. Цвет по-гречески «хромос», а цветное зрение называют хроматическим. В зависимости от того, сколько типов опсинов есть у живого организма, его зрение называется монохроматическим, дихроматическим, трихроматическим и т. д. Большинство людей обладают трихроматическим зрением. Почему большинство, а не все, рассмотрим в этой главе, когда будем обсуждать ахроматопсию и людей, которые видят больше оттенков цветов, чем остальные.

Фоторецепторные клетки содержат белковые светочувствительные пигменты, трансформирующие через каскад реакций энергию света в нервный импульс, который идет в головной мозг. Благодаря тому, что разные опсины максимально чувствительны в разных спектрах видимого света, мозг, получая сигналы от соответствующих колбочек, составляет представление о цвете и оттенках.

Нормальное трихроматическое зрение возможно благодаря опсинам, определяющим три типа колбочек, в которые они входят. Благодаря этим опсинам колбочки могут быть максимально чувствительны в красном, синем или зеленом спектре видимого света. Точнее сказать, спектр видимого света именно такой, потому что есть эти три типа опсинов.

У других видов живых существ количество опсинов может быть иным, сответственно способность различать цвета может сильно отличаться от среднечеловеческой как в пределах одного спектра, так и за его пределами. Тем не менее эволюционную преемственность разных опсинов можно отследить.

У человека есть три основных типа зрительных опсинов, которые имеют максимальную чувствительность в разных спектрах.

Ген OPN1LW обусловливает синтез опсина, наиболее чувствительного к свету в желто-оранжевой части видимого спектра (длинноволновый свет). Колбочки, которые содержат этот пигмент-опсин, называют длинноволновыми, или L-колбочками. В научно-популярной литературе их еще называют красными.

«Красный» OPN1LW-ген локализуется рядом с геном, который отвечает за синтез «зеленого» опсина OPN1MW (он содержит инструкцию для фотопигмента с максимальной чувствительностью в желто-зеленом спектре), оба они находятся на X-хромосоме. Большинство людей имеют только одну копию гена OPN1LW и несколько копий гена OPN1MW.

«Синий» ген OPN1SW кодирует синтез синего фотопигмента-опсина, наиболее чувствительного к сине-фиолетовой части спектра. Колбочки, содержащие этот опсин, называются коротковолновыми, или синими, или S-колбочками.

Комбинация сигналов с разных типов колбочек дает представление о цвете, формирующееся в головном мозге.

Не видящее зрение

Кроме зрительных, есть опсины незрительные, мы просто упомянем о них, поскольку эта книга все же о зрении.

Последние исследования показали, что некоторые ганглиозные клетки светочувствительны благодаря наличию в них фоторецепторного белка – меланопсина. Меланопсин у человека находится в ретинальных внутренних светочувствительных ганглиозных клетках. Эти ганглиозные клетки можно отнести к третьему классу фоторецепторов наравне с палочками и колбочками. Они составляют малую долю от всех ганглиозных клеток (около 1 %), могут долго генерировать сигнал и не участвуют в зрении, а уведомляют организм об уровне освещенности для других, незрительных, нужд.

Эта система необходима по крайней мере для следующих нужд:

1. Играет важную роль в установке циркадных ритмов, в 24-часовом суточном цикле смены дня и ночи.

2. Участвует в регуляции размеров зрачка и других ответах на воздействие света.

3. Способствует регуляции гормона мелатонина.

Есть много работ, указывающих, что нарушение функции меланопсина может быть одной из причин сезонного аффективного расстройства.

Мутации в генах опсинов вызывают цветоаномалии, то есть нарушения восприятия цвета. Мы отметили, что два гена расположены на Х-хромосоме – именно поэтому цветоаномалии чаще всего бывают у мужчин. У женщин есть две Х-хромосомы, и гены опсинов дублируются (то есть у них присутствуют не только аномальные варианты этих генов).

Перечисление типов цветоаномалий не кажется мне интересным, для этого есть Интернет, вы сможете сами их найти. Я хотел бы остановиться на более интересных фактах.

У большинства людей три типа зрительных опсинов, поэтому по количеству типов опсинов людей относят к трихроматам.

Животные видят мир в других цветах – одни различают меньше оттенков, другие больше. На самом деле о способности животных различать цвета мы имеем очень смутные представления. Реальные эксперименты в основном состояли в том, что животным предлагалось выбирать кормушки в зависимости от цвета и вырабатывались условные рефлексы. Или же мы судим о цветовосприятии животных по имеющимся у них опсинам.

Скорее всего, человеческий глаз – хороший середнячок. Многие животные могут различать цвета в более широком спектре, чем видимый наш, а многие способны и более четко различать оттенки в нашем спектре. Кто-то проиграет нам соревнования по различению цветов, а до кого-то нам очень далеко. В любом случае цветовое зрение точно подстроено под образ жизни того, кто им пользуется, ничего лишнего, но и всё по максимуму.

Мы знаем, что многие животные видят в ультрафиолетовом свете, например насекомые. В Интернете можно найти очень интересную лекцию британского популяризатора науки Ричарда Докинза о зрении насекомых. В ней он говорит об ультрафиолетовом саде, существующем вне нашего зрения. Сад, в котором цветы растут не для нашего удовольствия, а для собственных целей. В этой лекции Докинз выступил против антропоцентрического взгляда на природу. Он исследовал ультрафиолетовые рисунки на цветущих растениях, которые неразличимы человеческим зрением, но прекрасно видны пчеле, и задает вопрос: «Для кого же сущесвуют цветы? Для нас? Мы не видим и половины их красоты».