Когда в 1903 г. французский химик Луи Жан Люмьер (тот самый, который вместе со своим братом Огюстом изобрел кинематограф) решил заняться цветной фотографией, он ничего не знал о том, как устроена сетчатка курицы. И при всем при том почти буквально повторил в своем новом изобретении важную особенность ее конструктивной схемы (сетчатки, конечно, а не курицы).
У курицы, как и у многих птиц, и у некоторых видов черепах, природа поставила перед совершенно одинаковыми рецепторами сетчатки светофильтры — жировые клетки красного, оранжевого и зеленовато-желтого цветов. И еще бесцветные. А Люмьер брал зерна крахмала, окрашивал их в красный, зеленый и синий колеры, после чего посыпал этим трехцветным порошком фотопластинку.
Изобретатель руководствовался теорией цветового зрения, которую принято называть сейчас трехкомпонентной. Она ведет начало от речи «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее, в публичном собрании Императорской Академии Наук июля 1 дня 1756 года говоренное Михаилом Ломоносовым».
Наш великий ученый сообщал слушателям: «Я приметил и через многие годы многими прежде догадками, а после доказательными опытами с довольною вероятностью утвердился, что природа эфирных частиц имеет совмещение с тремя родами действующих первоначальных частиц, чувствительные тела составляющих... От первого рода эфира происходит цвет красный, от второго — желтый, от третьего — голубой. Прочие цвета рождаются от смешения первых... Натура тем паче всего удивительна, что в простоте своей многохитростна, и от малого числа причин произносит неисчислимые образы свойств, перемен и явлений».
Эта смелая мысль не была тогда по достоинству оценена научным миром. Лишь спустя полвека к ней обратился английский физик Томас Юнг, который отметил, что идеи Ломоносова дали ему, выражаясь нынешним лексиконом, материал для размышлений. Юнг обратил свой взор на вроде бы самоочевидный факт: сетчатка обязана сообщать мозгу о форме и цвете предметов, а между тем любая часть изображения может быть окрашена в любой, вообще говоря, тон. Как же глаз ухитряется видеть все многообразие красок? Неужели на любом кусочке сетчатки находится бесчисленное множество элементов, призванных реагировать каждый на свой цвет? Вряд ли: уж очень сложно.
(Несколько опережая события, скажем, однако, что уже в наши дни обнаружили это бесчисленное множество воспринимающих цвет полей — только не на сетчатке, а в мозговой коре...)
Вполне логичным выглядело иное предположение: ощущающих цвет клеток сравнительно немного, но благодаря совместной их работе возникают ощущения бесконечного богатства красок. Три эфира, упомянутые Ломоносовым, трансформировались у Юнга в три цветоощущающих элемента сетчатки.
Эти предположения детально развил Гельмгольц в своем «Справочнике по психологической оптике», изданном в 1859—1866 гг. В Гейдельберге, где он читал физиологию студентам университета. После этого трехкомпонентная теория Юнга— Гельмгольца вполне утвердилась в науке о зрении.
Сейчас уже точно установлено, что в сетчатке имеются цветовые фотоприемники — колбочки — именно трех родов: у одних максимальна чувствительность к желтым лучам, у других к зеленым, у третьих к синим.
Смешение лучей всех цветов дает белый цвет. Если произвести смешение трех основных цветов – красного, зеленого и синего в различных пропорциях, могут быть получены любые цвета и цветовые оттенки для нашего восприятия. Удалось даже подобраться с измерительным прибором к колбочкам обезьяны, которая различает цвета почти так же, как человек.
Связь чувствительности элементов с частотой электромагнитного излучения оказалась очень близкой к той, которая следовала из теории трехкомпонентного зрения. Графики ответов занимают обширные области; размазанность кривых, перекрывающих друг друга, обеспечивает цветовое восприятие.
Но природа не поставила никаких светофильтров перед фоторецепторами нашей сетчатки. Она сделала хитрее: создала несколько разновидностей светочувствительных пигментов, каждый из которых лучше всего ловит «свои» кванты — минимальные порции света и вообще электромагнитных колебаний.
Глаз человека — система невероятно высокочувствительная. Академик Сергей Иванович Вавилов писал в книге «Глаз и Солнце», что порог раздражения палочек, с помощью которых мы видим ночью, эквивалентен силе света обыкновенной свечи, рассматриваемой с расстояния двухсот километров. Тогда на кусочек сетчатки, где находится примерно 400 палочек, попадает всего лишь шесть—девять квантов. То есть для срабатывания фоторецептора достаточно одного-единственного кванта, ибо совершенно невероятно, чтобы даже две частицы света попали точно в один и тот же рецептор.
Долгие годы этот результат, к тому же подтвержденный опытами, во время которых глаз действительно ощущал квантовый характер света (ни один прибор не способен похвастать подобной чувствительностью!), казался граничащим с чудом: как ухитрилась природа сконструировать такой механизм? Новейшие исследования дали ответ: влетевший в светочувствительную клетку фотон — это как бы палец, нажимающий на спусковой крючок ружья.
В фоторецепторах любого живого существа находится несколько видоизмененный витамин А — ретиналь. У его молекулы есть небольшой хвостик длиной в три атома углерода. Пока фотон не попал в молекулу, она изогнута так, что хвостик перпендикулярен плоскости, в которой лежат все остальные углеродные атомы. Квант заставляет хвостик повернуться, молекула становится плоской. В тонких наружных члениках палочек и колбочек молекулы ретиналя прикреплены к плоским дискам, собранным в стопку, словно монеты. Дисков множество, в палочке глаза лягушки, например, их около двух тысяч, на них несколько десятков миллионов молекул ретиналя. У фотона мало шансов проскочить мимо. Какой-нибудь диск да окажется удачливым хозяином ретиналя, поглотившего квант света.
И тогда начинается самое интересное. Стенка наружного членика фоторецептора — мембрана — вместе с окружающей жидкостью представляет собой миниатюрную электростанцию, генератор постоянного тока. Пока квант не попал в фоторецептор, мембрана почти одинаково хорошо пропускает через себя ионы калия и натрия: калий — в клетку, натрий — из клетки. Каждый ион — носитель электрического заряда, и генератор вырабатывает небольшое напряжение. «Выстрел ружья» сразу меняет картину. В мембране начинает работать насос, резко увеличивающий поток натриевых ионов и, следовательно, напряжение, отдаваемое генератором. В итоге внутренние структуры фоторецептора усиливают энергию фотона, этот первоначальный сигнал, примерно в два миллиона раз. И экспериментатор видит на экране осциллографа импульс светочувствительной клетки — ответ на попадание фотона. Все это гораздо дольше рассказывается, чем происходит. После «нажатия на спуск» сигнал фоторецептора поступает в нейронные цепи сетчатки через три тысячные доли секунды. Самое же замечательное, что природа остается верна этой схеме процесса в зрительных органах всех животных, от моллюсков до человека.
Открытие Юлеша заставило нейрофизиологов и психологов совершенно по-новому взглянуть на проблему стереоскопичности зрения. Оказалось, что мозг разыскивает с помощью полей нейронов коры (эти поля располагаются в корреспондирующих точках обеих сетчаток) некоторые одинаковые участки изображений (проекций на сетчатке), совершенно не интересуясь их осмысленностью и связью с общим образом. Если они найдены, эти одинаковые кусочки (тут немедля на ум приходит гипотеза о кусочном квази голографическом представлении образа в высших отделах мозга, разрабатываемая Глезером), им присваиваются метки «Находятся на таком-то расстоянии». Когда же все эти кусочки сольются в образ, в нашем сознании возникнет объемная сцена, зрительная картина, где одни предметы близко, а другие далеко, и куб отличается в профиль от круглой банки такого же размера.
Именно это свойство бинокулярного зрения и использовал Гельмгольц (понятно, не подозревая о деталях нейрофизиологического механизма стереоскопии), когда предложил опознавать в стереоскопе фальшивые деньги. Ведь как ни старается преступник, ему не под силу абсолютно точно, до долей миллиметра, скопировать рисунок банковского билета. В стереоскопе эти ошибки немедленно «всплывают» над плоскостью бумаги, когда эксперт кладет рядом настоящую банкноту и поддельную.
Каким же образом мозг отыскивает на сетчатке одинаковые участки изображений? На этот вопрос ответил Джон Петтигрю, работавший в Калифорнийском университете. Он открыл в затылочной коре кошки нейроны диспаратности (слово «диспаратус» по-латыни значит «раздельный», «обособленный»; термин говорит, что изображение на каждой сетчатке выглядит чуть иначе, чем если бы на предмет смотрел одноглазый Циклоп). Диспаратность тем больше, чем ближе к глазам находится предмет: оптические оси глазных яблок поворачиваются, сходясь в точке, привлекающей наше внимание, и все остальные точки оказываются по отношению к оптической оси диспаратными.
К каждому нейрону диспаратности приходят сигналы от обоих глаз: с правых сторон каждой сетчатки, как мы помним, информацию снимают нейроны левой затылочной коры, а с левых сторон — нейроны правой коры. То есть у любого такого нейрона существуют два рецептивных поля. До тех пор пока данный участок изображения не попал сразу на оба этих поля, нейрон диспаратности молчит. А как только они сразу увидят одинаковый кусочек, нейрон возбуждается, дает сигнал в высшие отделы зрительной системы. Причем максимальный ответ нейрона будет только тогда, когда изображение очутится точнехонько посередине каждого поля. Петтигрю назвал такие поля простыми.
Но обнаружил он также и более сложные поля, объединяющие в себе как бы множество простых. Такие сложные поля привязаны к нейронам коры, объединенным в модули. Нейроны диспаратности формируют модули двух типов: для наведения глаз в данную точку пространства и для измерения дальности до отдельных точек (вернее, маленьких кусочков) предмета.
Наведением заведуют модули, для которых все равно, в каком направлении движутся глазные яблоки. Нейроны этих модулей обладают огромными полями, в несколько градусов по диагонали (здесь и далее измерения на сетчатке). Несмотря на это, они реагируют на ничтожную разницу в диспаратности. У кошки эта разница меньше двух угловых минут. У человека, по-видимому, около десяти угловых секунд, потому-то и четкость стереозрения наша куда лучше кошачьей.
Помните поля, находящиеся на периферии сетчатки и сигнализирующие, что где-то сбоку появилось что-то движущееся? По команде этих полей глаза поворачиваются на это «что-то». А модули наведения, составленные из нейронов диспаратности, как бы ставят перед взором бессчетное число плоскостей, делают «срезы» пространства, чтобы дать мышцам фокусировки хрусталика команду: предмет находится там-то.
Что же касается модулей для измерения дальностей отдельных точек предмета, то топография их полей на сетчатке иная. Прежде всего эти поля невелики по размеру. Во-вторых, если модуль диспаратности находится, скажем, в левой затылочной коре, то все его относящиеся к правому глазу поля (физически расположенные на правой сетчатке) окажутся довольно плотно наложенными друг на друга в некоторой области задней стенки глаза, тогда как поля этого модуля, относящиеся к левому глазу, мы увидим разбросанными по левой сетчатке. Причем разность координат будет тем больше, чем дальше расположена в пространстве линия, возбуждающая данный нейрон этого модуля. Иными словами, каждый нейрон модуля знает, на какую линию (то есть находящуюся на каком расстоянии) он должен реагировать.
Обратную картину продемонстрируют модули в правой затылочной коре. Наложенные друг на друга поля будут относиться к левому глазу, а разбросанные — к правому. Открытие Юлеша заставило нейрофизиологов и психологов совершенно по-новому взглянуть на проблему стереоскопичности зрения. Оказалось, что мозг разыскивает с помощью полей нейронов коры (эти поля располагаются в корреспондирующих точках обеих сетчаток) некоторые одинаковые участки изображений (проекций на сетчатке), совершенно не интересуясь их осмысленностью и связью с общим образом. Если они найдены, эти одинаковые кусочки (тут немедля на ум приходит гипотеза о кусочном квази голографическом представлении образа в высших отделах мозга, разрабатываемая Глезером), им присваиваются метки «Находятся на таком-то расстоянии». Когда же все эти кусочки сольются в образ, в нашем сознании возникнет объемная сцена, зрительная картина, где одни предметы близко, а другие далеко, и куб отличается в профиль от круглой банки такого же размера.
Именно это свойство бинокулярного зрения и использовал Гельмгольц (понятно, не подозревая о деталях нейрофизиологического механизма стереоскопии), когда предложил опознавать в стереоскопе фальшивые деньги. Ведь как ни старается преступник, ему не под силу абсолютно точно, до долей миллиметра, скопировать рисунок банковского билета. В стереоскопе эти ошибки немедленно «всплывают» над плоскостью бумаги, когда эксперт кладет рядом настоящую банкноту и поддельную.