Человеческий мозг. От аксона до нейрона. - Азимов Айзек

Свет оказал также сильное влияние па развитие современной науки. В течение последних трех столетий не кончались споры относительно природы света и значения его свойств. Взгляды па природу света были выдвинуты физиками еще в XVII столетии. Англичанин Исаак Ньютон считал, что свет состоит из летящих с большой скоростью частиц, а голландец Христиан Гюйгенс полагал, что свет имеет волновую природу. Центральным в споре представлялся тот факт, что свет распространяется по прямой линии и отбрасывает от непрозрачных предметов четкие тени. Летящие с большой скоростью частицы, если на них не действует сила тяготения, действительно будут двигаться по прямой, тогда как опыт человечества учит пас, что волны (будь это волны на поверхности воды или звуковые волны) огибают встретившиеся па их пути препятствия. На полтора столетия в науке одержала верх корпускулярная теория света.

В 1801 году английский физик Томас Янг показал, что свет обладает свойством интерференции. В своем опыте он показал, что если два луча света направить па экран, то в том месте, где лучи встречаются, падая на его поверхность, образуются участки затемнения. Никакие частицы не могли бы вести себя подобным образом, а волны — могли. Дело в том, что если волны одного луча в какой-то фазе были направлены вверх, а волны второго луча в той же фазе — вниз, то при пересечении этих лучей в одной точке эти противоположно направленные волны должны были погасить друг друга.

Волновую теорию удалось весьма быстро согласовать с тем фактом, что свет распространяется по прямой линии, так как Лигу удалось также определить длину световой волны. Как я уже говорил в предыдущей главе, чем меньше длина волны, тем менее она способна огибать препятствия, и тем более склонна она распространяться по прямой линии и отбрасывать тени. Самые короткие волны звука имеют длину около половины дюйма, и уже они проявляют тенденцию к прямолинейному распространению. Вообразите себе, как должен вести себя в этом отношении свет, если длина его волны в среднем равна одной пятидесятитысячной доле дюйма. Для эхолокации свет пригоден больше, чем самый ультразвуковой из ультразвуков, который используется для этой цели в природе. Мы можем определить местоположение предмета по звуку, который он издает, но это определение всегда относительно. Но если мы видим что-то, то точно знаем, где находится видимый нами предмет. «Видеть — значит верить». Верхом скептицизма является фраза: «Не верить своим глазам».

Световые волны несут намного большую энергию, чем звук, с которым мы сталкиваемся в жизни. Этой световой энергии действительно хватает даже на то, чтобы вызывать в некоторых веществах определенные химические изменения. Живому организму вполне по силам ощутить присутствие света по присутствию или отсутствию каких-либо химических изменений, на которые организм может соответствующим образом реагировать. Для этой цели не обязательно получить в свое распоряжение сложно устроенный световоспринимающий орган. Например, растения тянутся к свету или изгибаются ему навстречу, не имея даже намека па такой орган. Реакция па свет полезна — в этом не может быть никакого сомнения. Все зеленые растения должны расти навстречу свету, поскольку они используют для роста его энергию. Водяные животные находят поверхностный слой воды, двигаясь навстречу свету. На суше свет означает тепло, и животные могут либо искать освещенные солнцем места, либо избегать их, в зависимости от времени года, времени суток и других факторов.

Восприятие света с помощью химического механизма может быть как полезным, так и весьма опасным. В живых тканях с их тонким балансом сложных и ломких соединений случайное воздействие света может стать разрушительным. В эволюционном плане оказалось полезным сосредоточить светочувствительные элементы, содержащие определенные химические вещества, в одном участке. Поскольку химические соединения, составляющие это пятно или участок, должны обладать повышенной чувствительностью к свету, то они будут реагировать на слабый свет, который не способен причинить разрушение тканей. Более того, расположение светочувствительного участка в определенной области организма позволило бы защитить от света остальные участки поверхности тела.

(Для того чтобы свет мог воздействовать на какое-либо вещество так, чтобы в нем произошли химические изменения, это вещество должно в первую очередь поглощать свет. Вообще любое вещество поглощает свет определенной длины волны в большей степени, чем световые волны иной длины. Но мы способны воспринимать различные длины волн, ощущая их как различные цвета, как я объясню ниже в этой же главе. Поэтому, когда мы видим светочувствительное вещество, воспринимая свет, который оно либо пропускает, либо отражает, мы видим это вещество окрашенным в какой-нибудь цвет. По этой причине светочувствительные соединения в организме обычно называют пигментами, то есть окрашенными веществами, в особенности прилагая этот термин к зрительным пигментам.)

Даже у одноклеточных организмов есть светочувствительные участки, но специальные светочу ветвительные структуры развиваются, конечно, только у многоклеточных животных, у которых развивается специальный орган — глаз, предназначенный для фоторецепции, что в переводе с греко-латинского означает «восприятие света».

Простейший фоторецептор способен лишь указать наличие или отсутствие света. Тем не менее, если даже организм имеет в своем распоряжении такую примитивную рецепцию, он уже обладает весьма полезным инструментом. Такое животное может двигаться к свету или удаляться от него. Более того, если яркость света вдруг уменьшилась, то это можно воспринять как определенный стимул: что-то произошло между фоторецептором и источником света. Естественным следствием такого поворота событий может стать бегство, так как это «что-то», вполне вероятно, может оказаться врагом.

Более чувствительный фоторецептор может иметь лучшую конструкцию, и одним из способов увеличения чувствительности является увеличение количества света, падающего на светочувствительный пигмент. Этого можно достичь несколькими путями, поскольку свет не всегда распространяется строго по прямой линии. Когда свет переходит из одной среды в другую, он, как правило, преломляется, то есть изменяет направление своего движения. Если поверхность раздела сред плоская, то весь свет, падающий на эту поверхность, преломляется как бы единым блоком. (Это так только в том случае, если все лучи имеют одинаковую длину волны. Если нет, проявляется другой важный эффект.) Если же поверхность раздела искривлена, то все происходит намного сложнее. Если, например, лучи света проходят из воздуха в воду через сферическую поверхность, то они собираются в точке, совпадающей приблизительно с центром сферы, не важно, откуда они падают. Лучи собираются вместе в точке, называемой фокусом («очаг», лат.).

Для того чтобы концентрировать лучи в фокусе, организмы используют не воду, как таковую, а прозрачное вещество, которое, правда, по большей части все же состоит из воды. У наземных животных эта структура похожа на чечевичное зерно, которое по-латыни называется lens, что значит «хрусталик». Хрусталик — это уплощенная сфера, которая, хорошо справляясь со своим делом, весьма экономна по форме, сберегая для глаза дефицитный объем. Хрусталик служит для фокусирования лучей света. Весь свет, который падает на его поверхность, концентрируется в одном узком пятне. Известно, что любой ребенок может с помощью линзы, собирающей лучи, зажечь газету, но не сфокусированный солнечный свет такого делать не в состоянии. Точно так же одиночный фоторецептор может отреагировать на слабый свет, который в отсутствие собирающей линзы — хрусталика — не может создать па светочувствительном пигменте никакого изображения.

Поскольку свет, предоставленный самому себе, распространяется преимущественно по прямой линии, то фоторецептор — не важно, снабжен он хрусталиком или нет, может воспринимать свет только с того направления, с какого он падает па рецептор. Для того чтобы воспринять свет с других направлений, животное должно повернуться, или развить такие фоторецепторы, чтобы они могли воспринимать свет с различных направлений. Последняя альтернатива предпочтительнее, так как позволяет экономить время на поворотах туловищем, а в вечной борьбе за существование и источники пищи дорога бывает каждая доля секунды.