Касающийся света кусочек мозга

Когда мы смотрим на что-нибудь, в глаза попадают лучи света. Они могут идти прямо от солнца или от лампы, но чаще - это отраженный свет. Поверхности предметов неровные и отражают свет по-разному. Поэтому мы видим мир не однотонным и аморфным, а богатым красками и формами.

Наш глаз устроен как фотографическая камера. Еще в прошлом веке Гельмгольц доказал это. Но как световая энергия преобразуется глазом в энергию нервных импульсов?

Примерно так же, как на фотопленке: одно вещество, превращаясь под действием света в другое, возбуждает в нерве электрический импульс. Фотопленкой служит сетчатка - внутренняя оболочка глаза, сплошь усеянная светочувствительными клетками (На каждом квадратном миллиметре сетчатки человеческого глаза - 400 тысяч воспринимающих свет клеток (а всего 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек). Почти столько же у кошки. А у совы даже в полтора раза больше - 680 тысяч. У других животных меньше: у кальмара - 162 тысячи, у осьминога - 64 тысячи, у карпа - 50 тысяч, а у паука - только 16 тысяч.), а веществом - преобразователем энергии - родопсин, или зрительный пурпур. Это белок опсин, соединенный с ретиненом. А ретинен - окисленный витамин А. Поэтому когда в пище мало витамина А, человек слепнет. Он плохо видит тогда главным образом в сумерках: это называют куриной слепотой. Дело в том, что родопсин содержат в себе палочки - воспринимающие свет клеточки в сетчатке глаза. Кроме них, есть еще и колбочки. Но они приспособились оповещать нас о красках зримого мира и реагируют, кроме цветных, преимущественно на лучи яркие, несущие много световой энергии. Палочки же функционируют в сумерках, ночью - в общем всегда, когда света мало. Так что, когда не хватает витамина А, в палочках - дефицит родопсина и глаз плохо видит в сумерках.

Установлено, что каждый фотон, поглощенный молекулой родопсина, возбуждает одну палочку. Но кванты света действуют на сетчатку глаза иначе, чем на хлорофилл в листьях растений. Они не производят здесь, по-видимому, никакой фотохимической работы, лишь включают "ток" в уже заряженных энергией нервных проводниках. Пусковой механизм действует не прямо на аксоны: сначала фотоны заставляют родопсин разделиться на ретинен и опсин; некоторые вещества, возникающие при этом превращении, возбуждают палочки. А те уже, возбудясь, через биохимические "клеммы" нейронов "включат свет" и в мозгу: от сетчатки по аксонам зрительного нерва побегут электрические импульсы, частота которых в образах расскажет слепому мозгу о картинах мира, спроецированных на сетчатке.

Нескольких квантов света достаточно, чтобы сработала система передачи зрительных ощущений. Наш глаз видит едва не минимум световой энергии, почти самую, малую, возможную во вселенной ее "расфасовку" - шесть-десять фотонов! Такая фантастическая чувствительность обеспечивается изумительно экономичным пусковым механизмом сетчатки, который приходит в действие, поглощая только квант света. Нужен лишь очень слабенький световой "щелчок", чтобы чуть толкнуть один электрон в молекулу ретинена, и тогда заработают калиевые и натриевые "дверцы" зрительных нейронов, и в мозг побежит поток информации.

Химическая формула ретинена такова, что боковая ветвь составляющих его атомов углерода содержит серию чередующихся двойных связей. В них все дело. "Я немного расскажу об этом, - говорит Р. Фейнман в своих лекциях по физике. - Двойная связь означает, что там есть дополнительный электрон, который легко сдвинуть вправо или влево. Когда свет ударяет по этой молекуле, то электрон каждой двойной связи на один шаг сдвигается. В результате переместятся электроны во всей цепи, подобно тому как упадут при толчке поставленные друг за другом костяшки домино, и, хотя каждый из них проходит очень небольшое расстояние, в целом получается такой же эффект, как будто электрон с одного конца перескочил на другой... А поскольку двигать электрон взад и вперед не так уж трудно, то ретинен очень сильно поглощает свет".

Но прежде чем все это случится, свет должен упасть на сетчатку. Ее клетки, преобразуя световую азбуку в код, понятный мозгу, сработают точно и воспроизведут в нашем сознании четкую картину увиденного в том случае, если оптическая система глаза наложит на сетчатку хорошо сфокусированное изображение предмета, который мы рассматриваем.

Свет фокусирует ("загибает" его лучи в один центр), вначале роговица - прозрачная полусфера, образующая переднюю стенку глаза (когда мы спим, ее прикрывают веки).

Впрочем, форма роговицы не совсем сферическая. Природа, изобретая глаз, "продумала" все (почти все!) до мелочей. "Сферическая линза, - говорит Р. Фейнман, - обладает известной оптической аберрацией. Наружная часть роговицы более "плоская", чем у сферы, причем как раз настолько, чтобы аберрация ее оказалась меньше, чем у линзы, которую мы поставили бы вместо нее!"

За роговицей - цветная радужина (черная, коричневая, голубая, серая - у каждого своя). В ней дырочка - зрачок. Радужина - это диафрагма: она, то сжимаясь и уменьшая зрачок, то растягиваясь и увеличивая его, пропускает в глаз столько света, сколько нужно. Как в фотоаппарате: в сумерках - диафрагма маленькая, зрачок большой. При ярком солнце - диафрагма большая, зрачок маленький.

За радужиной лучи света попадают прямо в "объятия" хрусталика - двояковыпуклой линзы из органического вещества. Он их "загибает" к центру еще больше, чем роговица. Хрусталик, как луковица, сложен из разных слоев, и каждый его слой преломляет лучи под определенным углом: центральные слои сильнее, чем наружные. Поэтому он может позволить себе быть менее кривым, чем любая монотонно преломляющая линза на его месте.

Роль хрусталика двойная: просто фокусировка и аккомодация - установка зрения на разные дистанции. Каждый, кто хоть раз фотографировал, знает, что, снимая близкие и далекие предметы, фокус в аппарате постоянно приходится менять: то удалять, то приближать объектив к светочувствительной пленке. Точно так же устроены глаза каракатиц, кальмаров и осьминогов. Когда они смотрят вдаль, хрусталик "отъезжает" вперед. Когда рассматривают что-нибудь у себя под щупальцами, глазные мышцы тянут его назад - к сетчатке.

У нас и наших родичей, позвоночных животных, механика аккомодации другая: хрусталик не ползает взад-вперед, как объектив в фотокамере, но лишь сильнее сжимается в шарик либо растягивается в чечевицу и так меняет фокусное расстояние пронзающих его лучей.

Пройдя через хрусталик, лучи света попадают на сетчатку, а это, в сущности, частичка мозга. Сетчатка сплошь сложена из нейронов и световых рецепторов - палочек и колбочек. По непонятной причине она словно вывернута наизнанку: сверху, ближе к входу в глаз, лежат нервные клетки, а за ними рецепторы, так что свет должен вначале пройти через нечто непрозрачное, чтобы достичь цели - алчущих его палочек и колбочек. И это после того, как столько изобретательности было потрачено на создание совершеннейшей оптики на передней стенке глаза! "В общем, - сокрушается Фейнман, - некоторые вещи в устройстве глаза кажутся нам великолепными, а некоторые просто глупыми". Вот вам пример того, что не все в природе разумно и целесообразно.

Никакого глубокого смысла, никакой необходимости выворачивать сетчатку наизнанку не было. Это доказывает нам осьминог.

"Если, - пишет один ученый, - попросить зоолога указать наиболее поразительную черту в развитии животного мира, он назвал бы не глаз человека (конечно, это удивительный орган) и не глаз осьминога, а обратил бы внимание на то, что оба эти глаза, глаз человека и глаз осьминога, очень похожи".

Осьминожий глаз, по сути дела, ничем не отличается от человеческого. В нем есть и роговица, и веки, и радужина, и хрусталик, и две полости, заполненные прозрачной жидкостью. Есть и сетчатка. Все это - замечательный пример конвергенции, совпадения эволюции, когда у животных с разной судьбой и во всем далеких друг от друга развиваются похожие органы.

Конструируя глаз человека и осьминога, "природа дважды пришла к одному и тому же решению проблемы, но с одним небольшим улучшением"... у осьминога. Его сетчатка не вывернута наизнанку: в ней свет сначала падает на воспринимающие его рецепторы, а нервные клетки, занимающиеся вычислением и переводом оптической информации на универсальный язык мозга, лежат за ними и не наводят тень на фотоэлементы.

Ни один орган чувств не "думает" столько, как наши глаза: не делает никаких предварительных вычислений. Все "продумывание" полученных сигналов выполняют нервные клетки коры и подкорки. Но сетчатка - "этот кусочек мозга, который касается света внешнего мира", - настолько "умна", что сама частично осмысливает отпечатанные на ней образы, комбинируя ощущения разных палочек и колбочек. Ведь ни одна из них не связана со зрительным нервом непосредственно: сначала сообщает о том, что "видит", другой клетке, а та - третьей. Сложно переплетенная сеть "горизонтальных" связей прерывает в сетчатке прямые пути в зрительный нерв и по нему в мозг.