Марк Чангизи - Революция в зрении: Что, как и почему мы видим на самом деле

• Название: Революция в зрении: Что, как и почему мы видим на самом деле
• Автор: Марк Чангизи
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-17-080467-2

Как вышло так, что наши глаза смотрят вперед, и почему у нас нет глаз на затылке? Когда выгоднее быть циклопом? Каким образом зрение нас обманывает? Почему человек видит мир в цвете? Как родилась письменность, почему буквы именно такие, и при чем здесь естественный отбор? Неожиданные ответы на эти вопросы дает известный американский нейробиолог Марк Чангизи. Ученый на новейшем материале и с помощью многочисленных иллюстраций, в том числе цветных, объясняет различные аспекты нашего зрения и разрушает устоявшиеся представления о нем. Книга понравится и случайному читателю, и опытному потребителю научной информации.

---

Рис. 2.

Перечислите цвета, которые вы видите на фотографии.

Рис. 3.

Спектры отражения различных типов человеческой кожи (взяты из базы спектральных данных Университета штата Северная Каролина). Обратите внимание, как они сходны друг с другом, в отличие от других примеров спектров отражения.

Рис. 4.

Примеры “смайликов”. Зеленый цвет нередко ассоциируется с болезнью, синий — с дурным настроением, красный — с силой и гневом, а желтый — с радостью.

Рис. 5.

Определения цветов из “Оксфордского словаря английского языка”, имеющих отношение к коже, крови и эмоциям.

Рис. 6.

При наложении жгута происходит накопление крови, относительно богатой кислородом, в результате чего кожа краснеет и синеет. Кожа над неглубоко залегающими венами содержит большое количество обедненной кислородом крови и потому приобретает зеленоватый и синеватый оттенки. Кожа с пониженным содержанием крови кажется желтой по сравнению с нормой (в центре).

Рис. 7.

Цветовые изменения, которые претерпевает кожа в зависимости от параметров крови, информация, которую могут нести эти цвета, и распространенные ассоциации, связанные с ними.

Рис. 8.

Гипертрихоз — патология, при которой волосы растут на тех участках кожи, которые в норме лишены растительности.

Рис. 9.

а) Представители приматов, не обладающих цветовым зрением, подобным нашему. Видно, что они полностью покрыты шерстью. б) У большинства обезьян Нового Света цветовым зрением обладают лишь самки, в) Среди обезьян Старого Света (и у нас) цветовым зрением обладают и самцы, и самки. На рисунке можно заметить, что представители последних двух групп, (б) и (в), имеют на голове безволосые участки кожи.

Рис. 10.

Радуга — не самый удачный способ изображения оттенков. На ней отсутствуют пурпурные тона, и она не отражает тот факт, что цветовые переходы образуют кольцо: красный плавно перетекает в фиолетовый через пурпурный.

Рис. 11.

Оттенок и насыщенность (два цветовых измерения помимо яркости) вместе образуют плоский диск, где оттенок — координата на окружности, а насыщенность — расстояние от центра.

Рис. 12.

Этот плоский диск аналогичен тому, который мы видели на предыдущем рисунке, с той лишь разницей, что теперь он показывает не местоположение на окружности (оттенок) и не расстояние от центра (насыщенность). Вместо этого на нем изображены две координатные прямые: желто-синяя (вертикальная) и красно-зеленая (горизонтальная). Они иллюстрируют свойственный нашему цветовосприятию цветовой антагонизм: на противоположных сторонах круга находятся оттенки, которые воспринимаются нами как антиподы. Наш мозг ощущает переход от красного к зеленому благодаря сопоставлению сигналов, получаемых от колбочек, чувствительных к длинноволновому (i-колбочки) и средневолновому (М-колбочки) свету: чем выше активность L-колбочек по сравнению с M-колбочками, тем краснее видимый нами оттенок, а чем выше активность M-колбочек по сравнению с L-колбочками, тем больше мы видим зеленого. Что же касается различий на сине-желтой оси, то их мозг воспринимает, сопоставляя сигналы от колбочек, чувствительных к коротковолновому свету, то есть S-колбочек, и усредненным значением сигнала от колбочек двух других типов: чем выше активность S-колбочек по сравнению со всеми остальными, тем больше мы видим синего, а чем она меньше, тем больше мы видим желтого.

Рис. 13.

Без дополнительного типа колбочек, имеющегося у трихроматов (справа), большинству млекопитающих недостает одного из цветовых измерений: красно-зеленой оси координат. У них есть всего два измерения: яркость и единственное собственно цветовое измерение — ось, идущая от желтого к синему через серый.

Рис. 14.

Чувствительность колбочек имеющихся у нас трех типов (S, М и L) к разным длинам волн. Можно видеть, что колбочки УМ и L обладают практически одинаковой чувствительностью (максимально возбудимы при длинах волн, равных соответственно 535 и 562 нм). Также показан типичный спектр отражения человеческой кожи. Его отличительной чертой является изгиб в виде буквы W, образуемый графиком на уровне, соответствующем приблизительно 550 нм. Обратите внимание на то, что левое нижнее колено и срединный пик этой W примерно совпадают со значениями максимально высокой чувствительности колбочек M и L, соответственно. Своей W-образной формой кривая обязана окисленному гемоглобину крови. Именно благодаря тому, что S- и L-колбочки наиболее чувствительны к этим, а не каким-то иным, длинам волн, мы способны с легкостью замечать даже незначительные изменения цвета кожи.

Рис. 15.

Спектр кожи, воспринимаемый сетчаткой (то есть после прохождения через все глазные фильтры), меняется в зависимости от показателей подкожной крови. Синий и желтый графики характерны соответственно для кожи с высоким и низким содержанием крови (точнее, гемоглобина). Обильное кровоснабжение сдвигает И/-образный зигзаг на графике вниз, а недостаток крови — вверх. Красная кривая соответствует высокому уровню оксигенации подкожной крови, зеленая — низкому. Колебания претерпевает лишь один участок спектра — область “буквы ИГ. Рассчитав разницу между суммарными активностями колбочек типов L и /И, можно оценить уровень содержания кислорода в крови. Обратите внимание на то, что изменение оксигенации мало затрагивает высоту местоположения W на графике, то есть колебания концентрации кислорода слабо влияют на изменение оттенка кожи по желто-синей оси. Сравнивая усредненную активность M-колбочек и L-колбочек с активностью S-колбочек, головной мозг способен делать выводы об интенсивности кровоснабжения кожи.

Рис. 16.

На каждом из четырех графиков показан спектральный состав отраженного от кожи света после его прохождения через глаз (то есть непосредственно в том виде, в каком он достигает колбочек). Синий и желтый графики показывают, как изменяется этот спектр отражения в зависимости от интенсивности кровоснабжения кожи. Основные изменения затрагивают область 550 нм, где график образует W-образный зигзаг, местоположение которого на графике тем ниже, чем больше крови накапливает кожа. Вот почему кожа, содержащая избыток крови, кажется синей: совокупная активность колбочек типов М и L понижается, а уровень активации S-колбочек остается неизменным. Красный и зеленый графики помогают понять, каким образом на тот же самый спектр отражения влияют колебания концентрации кислорода в крови. Основные изменения снова затрагивают область 550 нм, но теперь различия связаны не с местоположением, а с формой кривой: чем более кровь обогащена кислородом, тем выраженнее W-образный зигзаг, который при деоксигенации исчезает. Поскольку центральный пик этой W примерно соответствует той длине волны, к которой колбочки типа L максимально чувствительны, получается, что чем выраженнее W-образная форма, тем более возбуждены i-колбочки по сравнению с M-колбочками и тем более красной кажется нам кожа. Функция этих двух типов колбочек заключается в том, чтобы улавливать различия на красно-зеленой оси цветового пространства (в том числе отражающие и изменения концентрации кислорода в крови), не создавая при этом помех для нашей древней, свойственной всем млекопитающим способности ориентироваться в сине-желтом измерении (позволяющей, помимо прочего, оценивать интенсивность кровоснабжения кожи).

Кто-то, возможно, возразит, что зеленый это и есть желто-синий, ведь всем известно, что если смешать желтый с синим, получится зеленый. Это так: если физически добавить желтую краску к синей, цвет получившейся смеси с большой вероятностью будет близок к тому, что мы называем зеленым. Но, видя чистый зеленый тон, мы не можем сказать, будто он нам кажется смесью желтого с синим. В то же время пурпурный выглядит так, будто бы в нем содержатся и синий, и красный, а оранжевый воспринимается нами как смесь красного с желтым. То есть нет цвета, который казался бы нам смесью желтого с синим (зеленый не подходит — он выглядит так, будто в нем нет ни желтого, ни синего), как не существует и такого цвета, в котором мы видели бы опенки одновременно красного и зеленого.

Итак, у нас в голове красный цвет визуально не смешивается с зеленым, а синий — с желтым. Получается, что в нашем восприятии возможны только четыре комбинации основных цветов: сине-зеленый, зелено-желтый, желто-красный и красно-синий. Почему в нашем сознании одни оттенки способны смешиваться, а другие нет? Геринг пришел к заключению, что синий с желтым и зеленый с красным должны представлять собой пары перцепционных противоположностей. Важнейшим свойством противоположностей является то, что их сочетание лишено смысла. Например, человек может быть одновременно высоким и веселым, но нельзя быть сразу веселым и грустным, как и высоким коротышкой. Бесполезно рассматривать какой-либо оттенок в качестве сочетания синего и желтого цветов, и это подсказывает нам, что в нашем восприятии синий является противоположностью желтого. То же справедливо и для пары красный/зеленый. Таким образом, синий с желтым должны располагаться на противоположных сторонах диска, изображенного на рис. и, и зеленый с красным тоже. Для начала неплохо: мы знаем, как расположить синий относительно желтого и красный относительно зеленого. Но как расположить на круге красный и зеленый относительно желтого и синего? Красный — чистый оттенок, не содержащий ни синего, ни желтого, и потому он в равной степени несходен с ними обоими. Таким образом, на цветовом круге красный должен быть равноудален от желтого и от синего. А поскольку зеленый — антагонист красного, он тоже должен находиться на одинаковом расстоянии от синего и желтого, только с противоположной стороны. Таким образом, мы получаем цветовой круг, где синий, зеленый, желтый и красный цвета расположены через одинаковые промежутки, равные 90° (см. иллюстрации, давно предвосхитившие этот только что сделанный нами вывод). Соответственно, любой из промежуточных оттенков находит свое место на одной из четырех четвертей получившегося диска (рис. 12).