Говорят, «видеть — это верить». Представьте, что вы стоите на залитом солнцем лугу. Сколько вокруг ярких красок: зелёная трава, жёлтые одуванчики, красная земляника, сиренево-синие колокольчики! Но мир ярок и красочен только днём, в сумерках все предметы становятся одинаково серыми, а ночью — и вовсе невидимыми. Именно свет позволяет увидеть окружающий мир во всём его разноцветном великолепии. Главный источник света на Земле — Солнце, громадный раскалённый шар, в глубинах которого непрерывно идут ядерные реакции. Часть энергии этих реакций Солнце посылает нам в виде света. Но в чём таинство зрения? Каким образом мы способны воспринимать свет и любоваться теми, кто нам дорог, восторгаться величием природы и рассматривать гениальные произведения искусства?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №8(12). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Мы живём в мире буквально пронизанном электромагнитными волнами. Они повсюду. Любимая музыка в приёмнике доходит до нас через радиоволны, для разогрева еды мы используем микроволны, и наконец — благодаря инфракрасному излучению мы ощущаем тепло солнечных лучей. Всё это примеры электромагнитных волн. Что же это такое? Строгое научное определение, это распространяющееся в пространстве изменение состояния электромагнитного поля. Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах, а в вакууме (в пространстве свободном от материи) это излучение достигает абсолютной максимальной скорости — 299,792,458 метров в секунду! Как и у любой волны, у электромагнитной волны тоже есть параметры: длина волны (расстояние между гребнями волны) и частота (количество колебаний за единицу времени). Причем эти параметры обратно пропорциональны:

Где λ – длина волны, v — фазовая скорость, для электромагнитной волны в вакууме это v=299,792,458 м/с, а f — частота колебания.

Ближайшая к нам звезда Солнце — мощнейший источник электромагнитных волн для Земли. Солнце одновременно излучает весь возможный спектр волн: радиоволны, микроволны, инфракрасные и ультрафиолетовые волны, рентгеновские и гамма-волны. Благодаря инфракрасным, например, Солнце греет Землю и всех живых существ. Без этих лучей температура на Земле установилась бы на отметке — 270 градусов.

Почему глаз ограничен таким узким видимым спектром — от 380 нм до 780 нм? Ведь Солнце, например, «светит» в гораздо широком диапазоне — от 0.01 нм до 1 км. Стоило бы глазу чуть «расширить» воспринимаемый спектр, и мы могли бы «видеть» радиоволны, различать температуру тел на глаз или даже видеть словно рентгеновский аппарат. Ситуация сходна с тем, что если бы мы, имея радиоприёмник, слушали только одну радиостанцию из миллиона.

Магнитное поле Земли не пропускает губительные для жизни короткие электромагнитные волны от Солнца

Эволюция глаза начинается ещё со времён одноклеточных организмов, которые имели рецепторы, реагирующие на свет. Зачем им реагировать на свет? Там, где свет, как минимум, тепло, и выше вероятность встретить еду. Чем лучше был развит этот рецептор у организма, тем больше шансов было на выживание. С физической точки зрения это означало, что рецептор должен быть чувствительным к свету или поглощать как можно больше энергии излучения. Из определения электромагнитных волн следует, что чем короче волна, тем больше энергии она несёт (попробуйте самостоятельно обосновать это утверждение). Следовательно, в процессе эволюции глаз стремился работать с как можно короткими волнами, потому что они имели большую энергию. Но тут вмешались внешние обстоятельства — атмосфера Земли и её магнитные поля, которые не пропускают слишком короткие волны. Иначе бы жизнь на Земле может и не зародилась под радиоактивными лучами Солнца. В итоге видимый спектр стал самыми короткими волнами, которые пропускает атмосфера.

Отражённый от объекта свет попадает на сетчатку глаза, откуда информация передается в мозг

Умение различать цвета давало обладателям глаз ещё одно эволюционное преимущество. Всё дело в свойствах лучей, а именно в том, как они отражаются от поверхности других объектов. Для начало ответьте на вопрос: как ваш глаз узнаёт, что перед ним находится жёлтый лист бумаги? С точки зрения физики, это означает, что до вашего глаза дошли лучи определённой длины («жёлтые»). А остальные лучи были «поглощены» этим объектом. Цвет объекта давал дополнительную информацию о его состоянии и качестве.

Примерное представление изображения на сетчатке глаза

Принцип работы глаза очень прост. Свет, поступающий от окружающего мира, проходя через хрусталик глаза, фокусируется на сетчатке, которая расположена на дальней стенке глаза. Сетчатка покрывает почти 65% этой стенки. На сетчатке имеются светочувствительные клетки: палочки и колбочки, которые активизируют химические процессы, генерирующие электрический импульс. Этот импульс проходит по глазному нерву в мозг для обработки информации. Палочки и колбочки передают разную информацию в мозг, а именно: палочки отвечают за интенсивность изображения (светлое или тёмное), а колбочки — за чёткость и цвет.

Палочки расположены по краям сетчатки и представляют большинство всех клеток (95%), а колбочки находятся исключительно в центре. Поэтому формируемое изображение выглядит чётко лишь в центре, а вокруг оно расплывчато и не имеет цвета. И окружающий мир нам кажется чётким и красочным благодаря мозгу, который обрабатывает изображение и додумывает детали.

Наши глаза — это приёмники световой энергии и напоминают солнечные батареи. Так же, как и солнечные батареи, рецепторы на сетчатке глаза чувствительны к свету. К тому же, мы уже знаем, что свет, попадая на сетчатку, генерирует электрические импульсы, также как солнечные батареи вырабатывают электричество. Однако существует ряд различий. Например, интенсивность света, ощущаемая глазом, может быть в несколько тысяч раз меньше той, регистрируемой в солнечных батареях. То есть глаз не сможет отличить интенсивность солнечного освещения при облачной погоде от искусственного освещения. Во-вторых, глазу опасно принимать прямые лучи солнца в течение длительного времени из-за губительного действия на клетки сетчатки. Повреждения на сетчатке не чувствуются, так как на ней нет болевых рецепторов. Ресницы и веки помогают уменьшить интенсивность света. В-третьих, электрические импульсы, проходящие в мозгу, разительно отличаются по силе тока от электрического тока, возникающего на поверхности солнечной батареи.

(а) Смоделированная поверхность фотоэлемента из кремниевых конусов. (б) — фото, сделанное на сканирующем электронном микроскопе

Однако, несмотря на тонкую структуру глаза и хрупкость его клеток, некоторые его свойства были успешно использованы для создания более эффективных солнечных батарей. Так, учёные из института Макса Планка в Германии смоделировали коническую форму рецепторов на сетчатке в кремниевых поверхностях солнечной батареи для эффективного «собирания» света. Как показали расчёты, форма конуса позволила поглощать больше света, падающего под разными углами к поверхности, что повысило эффективность батареи.