Человеческий мозг. От аксона до нейрона. - Айзек Азимов

Палочки содержат окрашенный в розовый цвет зрительный пигмент, и именно в нем под действием света происходят химические превращения. Этот пигмент имеет одно распространенное, но устаревшее название — зрительный пурпур, хотя цвет его вовсе не пурпурный, но более формальное и точное его наименование — родопсин («розовый глаз», греч.). Молекула родопсина состоит из двух частей: белка опсина и небелкового соединения ретиналя, похожего по структуре на витамин А. Ретиналь существует в двух взаимопревращающихся формах — цис-ретиналь и транс-ретиналь. Строение цис-ретиналя таково, что он может соединяться с опсином, образуя при этом родопсин, а транс-ретиналь не обладает такой способностью. Под воздействием света цис-ретиналь превращается в транс-ретиналь, и последний отщепляется от родопсина, оставляя в одиночестве бесцветный белок опсин. Таким образом, можно сказать, что свет обесцвечивает родопсин. В темноте транс-ретиналь снова превращается в цис-ретиналь и присоединяется к опсину, образуя родопсин.

Так, мы имеем цикл — родопсин обесцвечивается на свету и восстанавливает свой цвет в темноте. Именно обесцвечивание родопсина стимулирует нервные клетки. При обычном дневном освещении родопсин по большей части находится в обесцвеченном состоянии и бесполезен для зрения. Это, впрочем, не играет никакой отрицательной роли, так как родопсин в основном участвует в сумеречном зрении и не используется при ярком свете. Именно поэтому, когда человек с яркого света входит в темное помещение, он сначала практически ничего не видит. Зрение постепенно восстанавливается, когда расширяется зрачок и в глаз начинает попадать больше света. Зрение улучшается еще и потому, что в сетчатке, в палочках, постепенно восстанавливается родопсин и начинает, как ему и положено, работать при сумеречном освещении. Этот период приспособления к темноте называется темповой адаптацией. Обесцвечивание родопсина и сужение зрачка при обратном переходе в ярко освещенное место называется световой адаптацией.

В идеальных условиях ретиналь не разрушается при своих взаимодействиях с опсином, по обстоятельства, к сожалению, редко бывают идеальными. Ретиналь — весьма нестабильное соединение и имеет тенденцию претерпевать химические превращения и терять активность. Однако витамин А, соединение более стабильное, легко превращается в ретиналь, а так как в организме существует запас этого витамина, то он и может использоваться для восстановления необходимого для зрения ретиналя. В организме человека, увы, витамин А синтезироваться не может, но его можно усвоить из пищи. Если в пищевом рационе наблюдается дефицит витамина А. то его запасы истощаются, и потери ретиналя перестают восполняться. Перестает образовываться родопсин, и у человека ухудшается сумеречное зрение. В результате, хотя больной хорошо видит днем, он перестает видеть в сумерках. Такое заболевание называется в медицине гемералопией, а в народе — куриной слепотой. Источником витамина А является морковь, и если добавить ее к диете, то положение постепенно улучшается. Народная традиция права, когда утверждает, что морковь полезна для глаз.

Длина световых волн изменяется в ангстремах единицах, названных в честь шведского астронома XIX века Андерса И. Ангстрема. Ангстрем обозначается буквой А. Это очень малая единица длины, один ангстрем равен 1/100 000 000 сантиметра, или 1/250 000 000 дюйма. Глаз человека способен воспринимать свет с длинами волн в диапазоне от 3800 ангстрем до 7600 ангстрем. Поскольку в этом интервале длина волны удваивается, то все длины световых волн данного диапазона укладываются в одну октаву.

Так же как есть звуковые волны, которые находятся вне пределов восприятия человеческим ухом, есть световые волны, находящиеся за пределами восприятия человеческим глазом. Волны короче 3800 ангстрем — это ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Волны с длиной свыше 7600 ангстрем — это инфракрасные лучи, микроволны и радиоволны. Все эти волны, которые так или иначе можно обнаружить и зарегистрировать, охватывают диапазон около 60 октав. Из всего этого множества наш глаз воспринимает, как уже было сказано, всего одну октаву.

Но это не значит, что нам надо считать себя обездоленными в этом отношении. Тип лучей, испускаемых горячим телом, зависит в первую очередь от его температуры, а при температуре поверхности Солнца, большая часть лучей, испускаемых нашим светилом, как раз и укладывается в ту октаву, к которой чувствительны мы и наши глаза. Другими словами, на протяжении многих веков и тысячелетий наши глаза и глаза других живых существ адаптировались к типу излучения, которое, главным образом, имеет место в окружающей нас среде.

Волны всех известных длин, всю их совокупность, обычно называют электромагнитным излучением, потому что оно образуется от ускоренного движения электрических зарядов, с которыми связано возникновение как электрических, так и магнитных полей. В случае света ускоряющийся электрический заряд связан с электроном, находящимся внутри атома. Словом «свет» обычно обозначают одну-единственную октаву электромагнитного излучения, которую мы воспринимаем оптическим способом. Если есть возможность путаницы, то эту октаву можно обозначить термином «видимый свет».

Даже одна октава видимого света не столь уж безлика, во всяком случае не для нормального индивида и не при сумеречном зрении. Так же как мозг интерпретирует звуки с различной длиной волны как волны, несущие разную высоту звука, так тот же мозг интерпретирует световые волны разной длины как волны, несущие различные цвета. Обычный солнечный свет представляет собой смесь всех длин волн видимого спектра; эта смесь представляется нам белой, а ее полное отсутствие представляется нам черным. Если пропустить луч белого света через трехгранную призму, то лучи разного цвета будут преломляться под разными углами. Волны различной длины имеют каждая свой индивидуальный коэффициент преломления. Самые короткие волны преломляются сильнее всего, и наоборот, чем волна длиннее, тем меньше она преломляется. По этой причине полоса длин волн разлагается в спектр, то есть в некую последовательность всех цветов, которые мы способны видеть. (Спектр напоминает нам неотразимую красоту радуги, так как радуга — это полный спектр видимого света, возникающий вследствие преломления солнечных лучей мельчайшими капельками, оставшимися в воздухе после только что закончившегося дождя.)

Количество оттенков цвета, которые мы видим, рассматривая спектр, очень велико, но по традиции мы группируем все оттенки в шесть основных цветов. Свет с длиной волны 4000 ангстрем мы воспринимаем как фиолетовый, 4800 ангстрем — синий, 5200 — зеленый, 5700 — желтый, 6100 — оранжевый и 7000 — красный. Световые волны промежуточных длин мы воспринимаем так же, как промежуточные оттенки. Сравнительно мало животных разделяют с нами способность к цветовому зрению, а те, кто разделяет, очевидно, не могут сравниться в этой способности с приматами и, конечно, с нами. Бывают очень интересные случаи, когда другие животные превосходят пас в некоторых деталях. Например, пчелы не воспринимают самые длинные из волн спектра, воспринимаемого человеком. Однако они реагируют на волны, имеющие длину меньшую, чем волны фиолетового цвета, к которым наши глаза не чувствительны. Другими словами, пчелы не видят красный цвет, но хорошо видят ультрафиолет.

Если пучок лучей спектра пропустит; через призму, перевернутую относительно первой призмы, то в результате мы снова получим белый свет. Но для этого не обязательно сочетать все цвета исходного спектра. В XIX веке Томас Янг и Герман фон Гельмгольц показали, что зеленый, синий и красный цвета при сочетании дают в результате белый цвет. Действительно, оказалось даже, что при сочетании в соответствующих пропорциях зеленого, синего и красного цветов можно получить любой цвет спектра.

(В наши дни это открытие используют в цветной фотографии и в цветном телевидении. Для того чтобы получить фотографию — или кадр фильма — соединяют три пленки, каждая из которых чувствительна к одному из этих трех цветов. Три вида принимающих точек на экране телевизора — каждая чувствительна к одному из тех же цветов — дадут в сочетании картинку полного цветового спектра).

Представляется разумным предположить, что это есть отражение того, каким образом работает сетчатка человеческого глаза. Она, как цветная пленка или экран цветного телевизора, должна обладать тремя типами фоторецепторов, один из которых чувствителен к красному цвету, другой к синему, а третий к зеленому. Если в одинаковой степени стимулировать все три типа рецепторов, то в результате получится ощущение, которое мозг интерпретирует как белый цвет. Мириады оттенков, которые способен различать глаз, суть не что иное, как интерпретация стимуляции всех трех типов фоторецепторов в различных соотношениях. Эта теория не объясняет некоторые опытные факты, касающиеся цветового зрения, и есть несколько альтернативных теорий; в некоторых рассматривают шесть или семь типов фоторецепторов. Однако модель трех типов фоторецепторов продолжает пока оставаться самой популярной среди физиологов.