XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Почему человек плохо видит в темноте
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
"Трудно найти черную кошку в темной комнате, особенно если ее там нет"
Кун Фу-Цзы
Как часто происходит ситуация, когда мы оказываемся в полной темноте? Скорее всего, довольно редко. Но однажды у нас в квартире вечером отключили свет, но через несколько минут нахождения в темноте я начал различать очертания предметов вокруг. Это натолкнуло меня на мысль: почему люди не видят в темноте?
Цель данной исследовательской работы: выяснить, насколько человеческий глаз приспособлен к видению темноте.
Задачи:
-изучить механизм ночного зрения человека;
-выявить факторы, которые положительно и отрицательно влияют на ночное зрение;
-выяснить способы улучшения зрения в темноте;
-экспериментально определить время адаптации к темноте в различных условиях.
Объект исследования: человеческий глаз
Предмет исследования: ночное зрение человека
Гипотезы: Если человеку необходимо какое-то время провести в темноте, то существуют способы, чтобы улучшить ночное зрение. После нахождения в ярко освещенной комнате человек дольше адаптируется к темноте, чем после нахождения в сумерках.
Методы исследования:
-теоретический (изучение и анализ литературы)
-практический (эксперимент)
Теоретическая часть
После захода солнца мы перестаем отчетливо видеть вокруг себя предметы, в лучшем случае, видим только их неясные очертания. Еще острее эту ситуация проявляется, когда вдруг в помещении отключается свет, и мы попадаем в черноту. Почему же человек не видит в темноте?
Что же такое зрение? Медицинская энциклопедия определяет зрение как физиологический процесс восприятия величины, формы и цвета предметов, а также их взаимного расположения и расстояния между ними. Источником зрительного восприятия является свет, излучаемый или отражаемый от предметов внешнего мира[1]. Можно ответить, что в темноте мы ничего не видим, просто потому, что в темноте нет света, но ведь некоторые животные достаточно хорошо видят в темноте. Попробуйте поймать черную кошку в достаточно темном помещении, если она этого не хочет, и вы убедитесь, насколько она видит в темноте лучше человека. Значит, свет все же есть. Так почему же мы не видим в темноте?
Для начала нужно посмотреть, как устроен наш глаз и определиться с терминами, которые будут использоваться в дальнейшем.
Ресничное (цилиарное) тело (лат. corpus ciliare от лат. cilia — «реснички») — часть средней (сосудистой) оболочки глаза, которая служит для подвешивания хрусталика и обеспечения процесса аккомодации. Кроме того, цилиарное тело участвует в продуцировании водянистой влаги камер глаза, играет роль теплового коллектора глаза.
Хруста́лик (лат. lens) — прозрачное тело, расположенное внутри глазного яблока между стекловидным телом и радужкой; является биологической линзой, хрусталик составляет важную часть светопреломляющего и светопроводящего аппарата глаза Зрачо́к (устар. зени́ца, лат. pupilla) — отверстие в радужной оболочке глаза позвоночных (обычно круглое или щелевидное), через которое в глаз проникают световые лучи. За регулирование размеров зрачков отвечает автономная нервная система.
Рогови́ца, роговая оболочка (лат. cornea) — передняя наиболее выпуклая прозрачная часть фиброзной оболочки глазного яблока, одна из светопреломляющих сред глаза.
Передняя камера — заполненное прозрачной жидкостью пространство глаза, ограниченное с одной стороны роговицей, с другой — радужкой.
Ра́дужная оболо́чка гла́за, радужка (лат. iris, из др.-греч. ἶρις «радуга») — тонкая подвижная оптическая диафрагма глаза у позвоночных, с отверстием (зрачком) в центре.
Стекловидное тело (лат. corpus vitreum) — гелеподобное (студнеобразное) прозрачное вещество, заполняющее пространство между хрусталиком и сетчаткой в глазу.
Сетча́тка (лат. retína) — внутренняя оболочка глаза, являющаяся периферическим отделом зрительного анализатора; содержит фоторецепторные клетки, обеспечивающие восприятие и преобразование электромагнитного излучения видимой части спектра в нервные импульсы, а также обеспечивает их первичную обработку.
Сосудистая оболочка глаза (увеальный тракт, от лат. uva — виноград) — средняя оболочка глаза, размещенная непосредственно под склерой.
Скле́ра (от греч. σκληρός — твёрдый) — белочная оболочка — наружная плотная соединительнотканная оболочка глаза, выполняющая защитную и опорную функции.
Жёлтое пятно (лат. macula lutea) — место наибольшей остроты зрения в сетчатке глаза позвоночных животных, в том числе человека.
Слепо́е пятно́ (оптический диск, лат. punctum caecum) — имеющаяся в каждом глазу здорового человека (и всех зрячих хордовых животных) область на сетчатке, которая не чувствительна к свету.
Зри́тельный нерв (лат. Nervus opticus) — вторая из двенадцати пара черепных нервов, по которым зрительные раздражения, воспринятые чувствительными клетками сетчатки, передаются в головной мозг[2].
Человеческие глаза – удивительное творение природы, способное работать в самых разнообразных условиях. Они могут функционировать в огромном диапазоне яркости светового излучения, разность интенсивности которого может достигать 10 млрд. раз. Глаза обеспечивают нас львиной долей информации, необходимой для полноценной жизни. Однако, человеческий глаз воспринимает световые волны лишь определенной длины — приблизительно от 380 до 770 нм[1]. Т.е. чувствительность глаз все же ограничена, и не охватывает даже весь световой диапазон. Поэтому, ни в коем случае не стоит умалять значение других ощущений, таких как, слуховые ощущения, тактильные ощущения, обоняние, ощущение равновесия и т.д., которые так же необходимы для нормального существования человека. В дневное время суток человек различает большое количество цветов и оттенков. Но структура поверхности глаза совсем не однородна, разные ее участки обладают разными характеристиками, выполняя различные функции. Например, центральная область, так называемая «центральная ямка», содержит наибольшее количество рецепторов, позволяя рассмотреть все детали максимально отчетливо, поэтому мы всегда непроизвольно поворачиваем глаза в сторону того объекта, который хотим рассмотреть. То, что наши глаза способны поворачиваться в нужную сторону является еще одной их замечательной функцией.
Зрение – это довольно сложный процесс. Световые лучи проходят через роговицу, хрусталик и стекловидное тело, после чего попадают на сетчатку, где попадающий свет превращаются в поток электрических импульсов. Затем по зрительным нервам и трактам нервные импульсы поступают в центры зрения, расположенные в затылочных долях головного мозга, где происходит формирование зрительного образа.
В сетчатке человека насчитывается примерно 7 млн. колбочек и 150 млн. палочек. Основная масса колбочек сосредоточена в центральной части сетчатки, называемой желтым пятном[1]. Именно в середине желтого пятна располагается место наибольшей концентрации световых рецепторов (или фоторецепторов), так называемая центральная ямка.
Всего на сетчатке колбочек насчитывается порядка 7 млн. На данный момент наиболее распространена трехкомпонентная теория зрения, согласно которой, мы способны различать цвета благодаря колбочкам трех типов («синие», «зеленые», «красные»), содержащих различные пигменты, и чувствительных, соответственно, только к определенной части спектра. Однако, эта теория пока не доказана. До сих пор не обнаружен цианолаб. Так назван гипотетический пигмент, который должен реагировать на сине-фиолетовую часть спектра. Так же она пока не может объяснить всех феноменов человеческого зрения. Нужно сказать, что существуют и другие теории зрения, например, нелинейная двухкомпонентная теория С. Ременко., или полихроматическая теория Г. Хартриджа, предполагающая существование 7 типов фоторецепторов, которые реагируют на разные цвета.[5] Впрочем, ни одна теория зрения на сегодня не доказана.
Колбочки разных видов распределены в сетчатке неравномерно. Преобладают «красные» и «зеленые», а «синих» колбочек гораздо меньше, кроме того, они начисто отсутствуют в центральной ямке. Такое расположение колбочек может быть объяснено тем, что лучи разного цвета имеют разлиную длину, и по разному преломляются роговицей, поэтому хорошо сфокусировано на сетчатке только в длинноволновой части спектра, то есть если количество «синих» колбочек и увеличить, чётче изображение не станет[2].
Еще более интересно то, что человек обладает разными типами зрения:
зрение фотопическое, или дневное — обеспечивается посредством колбочкового аппарата, за счет чего появляется возможность цветоразличения;
зрение скотопическое, или ночное — обеспечивается посредством палочкового аппарата; при этом воспринимаются только цвета ахроматические, зато светочувствительность весьма высока;
зрение мезопическое, или сумеречное — промежуточно между дневным и ночным.[3]
Ранее было описано только фотопическое (дневное) зрение, которое осуществляется колбочками. К его особенностям относятся:
низкая светочувствительность. Её величина примерно в сто раз ниже, чем при ночном зрении. Обусловлена меньшей светочувствительностью колбочек по сравнению с палочками.
высокая разрешающая способность (острота зрения). Достигается за счет того, что плотность расположения колбочек на сетчатке глаза существенно выше, чем плотность расположения палочек.
способность воспринимать цвета. Осуществляется вследствие того, что на сетчатке имеются колбочки трех типов, при этом колбочки каждого из типов воспринимают свет только из одной свойственной для данного типа части спектра[1].
Несмотря на то, что, как было сказано ранее, плотность колбочек высока, оказывается, их в глазу сравнительно не много. Гораздо более многочисленны палочки. В среднем таких клеток насчитывается порядка 110–125 млн. Распределены они по всей сетчатке, и воспринимают только белый свет, причем с гораздо большей чувствительностью, чем колбочки – отдельные цветовые компоненты света.
В сумерках интенсивность светового потока, попадающего в глаза, резко падает, поэтому колбочки перестают работать, из-за чего окружающий мир для нас утрачивает свою расцветку. К зрительной работе подключаются палочки, обеспечивая нас тусклой черно-белой видимой картиной. В такое время мы различаем очертания предметов, а разные цвета воспринимаются нами как разные оттенки серого. Следует отметить, что палочкам нужно определенное время, чтобы выйти на максимум своей эффективности. Процесс настраивания глаз на сумеречное и ночное зрение по-научному называется «темновой адаптацией».
Палочки содержат особое химическое вещество – родопсин (или зрительный пурпур), которое распадается на свету, посылая при этом электрические сигналы в зрительный центр мозга. Родопсин имеет свойство восстанавливаться в темноте. Днем, на ярком свету, родопсин полностью распадается и мы не можем видеть, если вдруг оказываемся в темноте. Например, когда в яркий солнечный день мы спускаемся в темный погреб и за нами закрывают дверь, мы оказываемся в кромешной тьме. Нам нужно некоторое время, чтобы в глазах восстановилось достаточное количество родопсина и мы начали различать очертания предметов вокруг себя. Чем больше времени мы проводим в темноте, тем острее становится наше зрение вследствие темновой адаптации и мы начинаем видеть больше деталей окружающего мира.
Нужно сказать, что, кроме темновой адаптации существует еще один механизм приспособления глаз к условиям малой освещенности. Наши глаза стараются приспособиться к темноте, в первую очередь, расширяя зрачок. Этот механизм работает мгновенно, но он не дает настолько хорошего результата, как темновая адаптация. Поэтому же принципу работают фото/видеокамеры. У них есть механизм диафрагмы, который, в зависимости от необходимости, расширяет или сужает отверстие, через которое свет попадает на светочувствительный элемент. Чем больше отверстие, тем больше света проходит через него, участвуя в процессе регистрации.
Наше зрение далеко не так эффективно, как нынешний технический прогресс. В настоящее время изобретено множество вспомогательных приборов, которые и помогают видеть людям с нарушением зрения, и просто улучшают характеристики зрения: очки, бинокли, оптические прицелы и другие. Некоторые приборы, вообще, работают по совершенно иному принципу, преобразовывая различные данные в свет. Например, приборы ночного видения (тепловизоры), которые улавливают тепло от предметов, животных или людей, и, обычно, отображают его на дисплее, в виде цветной картинки, где разным температурам соответствуют разные цвета[2]. Или эхолот (гидролокатор): устройство для исследования подводных объектов, которое использует ультразвуковой передатчик и приёмник, данные которого данные обрабатываются компьютером и переводятся в световые сигналы, отображаясь на экране[2].
Обратим внимание на следующий факт из истории физики. В 30-х годах прошлого столетия советским физиком П. А. Черенковым, при исследовании люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения, было открыто ранее науке неизвестное излучение вещества под действием электронов. Черенков открыл оптический эффект, который проявлялся в небольшом свечении вещества при воздействии заряженных частиц. Ученый очень тщательно затемнял помещение, в котором производились опыты и до начала опыта длительное время сидел в темном помещении, чтобы глаза его привыкли к темноте. Такой процесс называется темновой адаптацией. При проведении этих опытов выяснилось, что наш глаз может зафиксировать даже один-два фотона, попавших на сетчатку. Вот, оказывается, насколько чувствителен наш глаз.
Мы рассмотрели как люди видят в темноте, а как в темноте видят кошки? Чтобы видеть, кошкам нужно в восемь раз меньше света, чем людям. Их глаза в целом похожи на наши, но в их устройстве есть несколько особенностей, позволяющих хорошо работать в темноте. Кошачьи глаза, как и человеческие, состоят из трех основных компонентов: зрачка - отверстия, через которое проникает свет; хрусталика - фокусирующей линзы; и сетчатки - чувствительного экрана, на который проецируется изображение. У человека зрачки круглые, а у кошки они имеют форму вытянутого вертикального эллипса. Днем они сужаются в щелочки, а ночью раскрываются на максимальную ширину. Человеческий зрачок тоже может менять размер, но не в таких широких пределах.
Хрусталики у кошки крупнее, чем у человека, и способны собрать больше света. А за сетчаткой у них расположен отражающий слой под названием tapetum lucidum, также известный просто как "зеркальце". Благодаря ему глаза кошек светятся в темноте: свет проходит через сетчатку и отражается обратно. Таким образом свет воздействует на сетчатку дважды, давая рецепторам дополнительный шанс его поглотить.
Состав самой сетчатки у кошек тоже отличается от нашего. Есть два типа светочувствительных клеток: колбочки, различающие цвета, но работающие только при хорошем освещении; и палочки - не воспринимающие цвет, но зато работающие в темноте. У людей много колбочек, дающих нам богатое полноцветное зрение, а у котов гораздо больше палочек: 25 на одну колбочку (у людей это соотношение составляет один к четырем).
На квадратный миллиметр сетчатки у кошек приходится 350 тысяч палочек, а у человека - всего лишь 80-150 тысяч. К тому же, каждый отходящий от кошачьей сетчатки нейрон передает сигналы от примерно полутора тысяч палочек. Слабый сигнал таким образом усиливается и превращается в детальное изображение.
У такого острого ночного зрения есть и обратная сторона: в дневное время кошки видят примерно так, как люди с красно-зеленой цветовой слепотой. Они могут отличать синий от других цветов, но не видят разницы между красным, коричневым и зеленым.[6]
Несмотря на то, что ночное зрение кошки намного лучше человеческого, она далеко не чемпион. Кошка видит при освещенности 0,125 люкса, а пчелы-плотники, встречающиеся в горах под названием Западные Гаты на юге Индии, видят при освещенности 0.000063 люкса. Они могут летать даже в безлунные ночи. Их глаза сильно отличаются от человеческих. Глаза у насекомых фасеточные, они состоят из множества структурных элементов - омматидиев. У некоторых видов пчел есть специальные нейроны, соединяющие омматидии в группы. Таким образом сигналы, поступающие от всех омматидиев в группе, сливаются вместе перед отправкой в мозг. Изображение получается менее резким, но существенно более ярким.
Интересные факты
Кстати, у некоторых дневных животных совсем нет приспособлений для ночного зрения. Например, у голубей, как и многих других птиц, глаз состоит только из клеток «колбочек», а клеток «палочек» нет совсем. Именно поэтому многих птиц легко успокоить, накрыв клетку.
Самые большие глаза среди всех ныне существующих животных имеют гигантские глубоководные кальмары Architeuthis dux и Mesonychoteuthis hamiltoni, достигающие длины 10—16,8 м. Диаметр глаз этих головоногих моллюсков достигает по крайней мере 27 см, а по некоторым данным до 40 см и даже до 50 см. Глаза этих кальмаров минимум в 2,5 раза, а то и больше, превосходят по размерам самые большие глаза у других животных. Такие огромные глаза помогают им в тёмных океанских глубинах находить добычу и вовремя замечать кашалотов, их главных врагов.
Среди позвоночных животных самые большие глаза имеют киты и крупные рыбы. Диаметр глаза у синего кита, горбача и кашалота достигает 10,9 см, 6,1 см и 5,5 см соответственно. Самые большие глаза среди рыб имеет рыба-меч, их диаметр составляет 9 см. Однако самые большие глаза среди всех известных позвоночных имели обитавшие в мезозойских морях рептилии ихтиозавры. Глаза представителей рода Temnodontosaurus достигали 25 см в диаметре и, как предполагается, позволяли этим животным видеть на глубинах до 1600 м.
В то же время многочисленные мелкие виды животных имеют глаза диаметром менее 1 мм.
У взрослого человека глаз имеет диаметр примерно 24 мм, его размер у всех людей практически одинаков и отличается лишь на доли миллиметра. Объём глаза у человека в среднем равен 7,448 см³, масса составляет 7—8 г.
В пропорциональном отношении самые крупные глаза по отношению к размерам тела среди всех млекопитающих имеет филиппинский долгопят.
Из всех мышц нашего тела, мышцы, контролирующие наши глаза – самые активные.
Ваши глаза всегда останутся такого же размера, что и при рождении, а уши и нос не перестают расти.
Только 1/6 часть глазного яблока видна.
В среднем за всю жизнь мы видим около 24 миллионов разных изображений.
Ваши отпечатки пальцев имеют 40 уникальных характеристик, в то время как радужная оболочка глаза – 256. Именно по этой причине сканирование сетчатки используется в целях безопасности.
Люди говорят "не успеешь глазом моргнуть", так как это самая быстрая мышца в теле. Моргание длится около 100 – 150 миллисекунд, и вы можете моргнуть 5 раз в секунду.
Эксперимент
Я решил выяснить, за какое время мои глаза адаптируются к темноте после: работы за компьютером; прогулки по улице, и сна. Результаты эксперимента отражены в таблице.
|
Вид деятельности |
Время адаптации |
|
Работа за компьютером |
5 минут 8 секунд |
|
Прогулка на улице |
4 минуты 58 секунд |
|
Сон |
2 минуты 1 секунду |
После работы за компьютером и после прогулки результаты схожие,
а вот после сна мое зрение адаптировалось к темноте значительно быстрее. Скорее всего, это связано с тем, что мы спим с закрытыми глазами.
Приемы улучшения зрения в темноте
Если же вы довольно часто оказываетесь в относительной темноте, а также, если у вас есть свободное время, вы можете заняться тренировкой своих глаз. Конечно, не стоит сидеть в полной темноте сутками и ждать адаптации глаз. Так быстро это не произойдет, потребуются целые годы, чтобы отточить этот навык. А вот немного ускорить привыкание глаз к темноте, это вполне нам по силам.
В этом помогут несколько нехитрых правил:
1. Правильно питайтесь. Есть такое незаменимое для глаз вещество – бета-каротин, это своеобразный энергетик для сетчатки. Он содержится в морковке, помидорах, тыкве, хурме. Еще один полезный продукт – зеаксантин, он есть в шпинате и яйцах. Зеаксантин отвечает за резкость, контрастность и насыщенность нашей зрительной картинки.
2. Если мы правильно подготовились, скушав кучу полезных продуктов, стоит приступить к испытаниям. Перед тем, как войти в темное помещение, закройте ладонью один глаз. Он привыкнет к отсутствию света и не будет ослеплен темнотой, как открытый глаз. А значит, вы сразу увидите предметы в комнате. Не стоит закрывать оба глаза, это менее эффективно.
3. В темноте есть такая особенность – если мы смотрим на предмет прямо, он расплывается, но если смотреть боковым зрением, предметы видно гораздо четче. Это происходит оттого, что при прямом взгляде мы смотрим клетками «колбочками», а при боковом «палочками». А как раз палочки больше приспособлены к слабому освещению.
Поскольку для первичной адаптации глаз к темноте требуется порядка 5-7 минут, многие люди испытывают дискомфорт при попадании в слабо освещенное помещение. Для ускорения привыкания к сумеркам в ХХ веке были созданы специальные приемы, которые успешно используются по сей день. Они позволяют сократить период максимального привыкания к темноте с 1 часа до 5 минут. При этом первичная адаптация происходит практически мгновенно: человек может различать контуры предметов и достаточно хорошо ориентироваться в пространстве.
Практические приемы улучшения зрения в темное время суток:
Выполнение дыхательных упражнений — резкие глубокие выдохи и вдохи в течение 30-40 секунд 1-2 раза в день;
Термическое воздействие. Ежедневное обтирание лица холодной водой, компрессы на затылок;
Прием вкусовых раздражителей. Введение в рацион сладкого или кислого;
Употребление витамина А (после консультации с врачом);
Массаж глазных яблок (мягкое постукивание кончиком пальцев по закрытому веку);
Метод запрокидывания и резкого опускания головы для улучшения притока крови к мозгу;
Развитие периферического (бокового зрения) любыми доступными способами.
Заключение
В ходе данной исследовательской работы, я выяснил, что зрение – это довольно сложный процесс. За дневное зрение и теневую адаптацию отвечают разные клетки сетчатки. Человеческий глаз довольно хорошо приспособлен к зрению в темноте, но проявляется это не сразу, а со временем. В различных условиях время адаптации может быть как 3минуты, так и 10 минут. Посленахождения в ярко освещенной комнате человек дольше адаптируется к темноте, чем после нахождения в сумерках. Время адаптации глаз можно уменьшить специальными упражнениями. В результате анализа полученной информации и проведенных экспериментов гипотеза подтвердилась.
И еще пару слов о психологическом факторе. Чем больше вы боитесь темноты, тем хуже вы будете в ней видеть, так как ваш мозг будет занят не адаптацией глаза, а кошмарами, которые мерещатся вашему воображению. Поэтому не воспринимайте темноту как враждебное явление.
Список использованных источников и литературы:
bbc.com/russian/science/2015/03/150313_vert_ear_the_worlds_most_sensitive_eyes
dic.academic.ru
infoniac-ru.turbopages.org/infoniac.ru/s/news/50-zanimatel-nyh-faktov-o-glazah.
ochkov.net/informaciya/stati/vsyo-o-nochnom-zrenii-osobennosti-nochnogo-zreniya-prichiny-ego-uhudsheniya-i-sposoby-uluchshit.htm
psychology.academic.ru/725/зрение
ru.wikipedia.org
studfile.net