неверно что человеческий глаз воспринимает инфракрасное излучение
Человеческий глаз способен видеть инфракрасные лучи
Резюме. Сетчатка глаза все-таки способна к восприятию инфракрасного света
Считается, что глаз человека не способен воспринимать инфракрасные лучи, ведь они, так же, как и рентгеновское излучение и радиоволны, не входят в спектр видимого излучения. Однако международная команда исследователей из США, Польши, Швейцарии и Норвегии под руководством коллег из Медицинской школы Университета Вашингтона в Сент-Луисе (Washington University School of Medicine in St. Louis), США, в ходе новой работы получила доказательства того, что в определенных условиях сетчатка глаза все-таки способна к восприятию инфракрасного света. Результаты исследования представлены онлайн в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences».
Идея о проведении подобного исследования появилась у ученых после того, как многие специалисты, работающие с инфракрасными лазерами, заявляли о возникновении зеленых вспышек перед глазами во время эксплуатации оборудования. В отличие от лазерной указки, которая часто используется при проведении лекций, лазер, с которым работали специалисты, испускает лучи, которые полностью находятся в невидимом спектре, и потому возникновение зрительных ощущений при работе с ним вызвало множество вопросов. Ученые проанализировали научную литературу, просмотрели все отчеты, в которых сообщалось о визуальном восприятии инфракрасных лучей, и попробовали повторить некоторые из них.
В ходе данной работы исследователи использовали клетки сетчатки глаз лабораторных мышей и человека, на которые воздействовали инфракрасным излучением, генерируемым мощным лазером. Они экспериментировали с различной продолжительностью импульсов, которые переносили одинаковое количество фотонов, и выявили, что чем короче излучение, тем больше вероятность того, что человек его увидит. Исследователи обратили внимание, что если лучи, посылаемые в пульсовом режиме, следовали очень быстро друг за другом, на сетчатку попадало удвоенное количество энергии, и глаз был способен воспринимать инфракрасное излучение как видимое. Несмотря на то что в ходе экспериментов интервалы между импульсами подчас были настолько незначительны, что их невозможно было определить невооруженным глазом, их наличие было принципиально важным, поскольку позволяло получить зрительные образы.
Известно, что, попадая на сетчатку глаза, фотон — элементарная частица света — поглощается фотопигментами, причем один фотон абсорбируется одним фотопигментом. Поглощенный свет преобразуется в нервный импульс и по проводящей системе поступает в соответствующие зоны головного мозга для построения зрительного образа. Однако одномоментное импульсное поступление большого количества фотонов, вероятно, делает возможным поглощение одним фотопигментом нескольких элементарных частиц, а их общей энергии достаточно для того, чтобы образовался нервный импульс, и человек увидел то, что в обычных условиях находится за границами видимого спектра.
Объясняя полученные наблюдения, ученые отметили, что спектр видимого излучения включает электромагнитные волны с длиной волны 400–720 нм, однако если молекула пигмента практически одномоментно абсорбирует несколько фотонов с длиной волны 1000 нм, она получает столько же энергии, сколько при поглощении частицы с длиной волны 500 нм, которая находится в пределах видимого спектра.
Несмотря на то что в ходе данной работы впервые была доказана способность человеческого глаза воспринимать инфракрасные лучи с помощью вышеописанного механизма, идея использования лазеров для того, чтобы увидеть то, что невозможно заметить невооруженным глазом, не нова. Например, в двухфотонном микроскопе используется лазер для определения флуоресцирующих молекул, находящихся в глубине ткани. Руководитель исследования доктор Владимир Дж. Кефалов (Vladimir J. Kefalov) отметил, что проведенные эксперименты преследуют цель разработки нового диагностического оборудования, позволяющего специалистам не только осматривать глаза, но и, стимулируя отдельные специфичные участки сетчатки, давать оценку его функциональным возможностям. Он надеется, что полученные результаты найдут практическое применение в медицинской практике.
Электрическое чутье, квантовый компас и углы поляризации: все о недоступных человеку способностях
Человек наделен пятью органами чувств: зрением, слухом, вкусом, обонянием и осязанием. Однако существуют и другие, недоступные человеку. Рассказываем, чем обделила нас природа.
Читайте «Хайтек» в
Органы чувств у человека
Информация, получаемая головным мозгом человека от органов чувств, формирует восприятие человеком окружающего мира и самого себя.
Человек получает информацию посредством основных органов чувств:
Информация о раздражителях, воздействующих на рецепторы органов чувств человека, передается в центральную нервную систему. Она анализирует поступающую информацию и идентифицирует ее (возникают ощущения). Затем вырабатывается ответный сигнал, который передается по нервам в соответствующие органы организма.
Проводящие пути от органов чувств у человека — вестибулярный, слуховой, зрительный, обонятельный, осязательный и вкусовой пути центральной нервной системы.
Электрический нюх
Электрорецепция относится к тому разряду органов чувств акул, которые находятся за пределами понимания человека — можно вычислить принцип их работы, но невозможно даже предположить, какие ощущения дает хищницам этот набор сенсоров.
Сеть акульих электрорецепторов открыл Стефано Лоренцини. В 1678 году он описал их как множественные поры, уходящие под кожу хищниц трубчатыми каналами с желеобразным наполнителем. Итальянский анатом не смог определить их назначения, предположив, что ампулы Лоренцини являются неким органом чувств акул.
Позже возможности электрического нюха акул хорошо показал американский ученый Адрианус Калмейн. Он провел интернесный эксперимент: взял морскую камбалу Pleuronectes platessa, кошачьих акул Scyliorhinus canicula и выпускал их вместе в гигантский резервуар с водой. Камбала закапывались в песок на дне, но хищник все равно находил жертву.
Акулы реагируют на фантастически слабые электрические поля — миллиардные доли одного вольта. Дальнейшие исследования показали, что акулы способны детектировать электрические поля с напряженностями вплоть до 5 нВ/см.
Сомы, миноги и многие другие рыбы приспособили к электрорецепции боковую линию, в норме отвечающую за восприятие движения и вибрации окружающей их воды.
Однако воспринимают разряды тока не только рыбы, но и утконосы: они во время охоты закрывают глаза, уши и ноздри, но все равно способны поймать себе пропитание даже в мутных водах. На клюве у утконоса есть 40 тыс. электорецепторов, работающих в спарке с механорецепторами, реагирующими на перепады давления в воде.
Квантовый компас или магниторецепция
Магниторецепция — это чувство, которое дает организму возможность ощущать магнитное поле. Это нужно, чтобы определять направление движения, высоту или местоположение на местности.
Так можно объяснить бионавигации у беспозвоночных и насекомых, а также как средство развития у животных ориентирования в региональных экосистемах. При применении магниторецепции как средства и способа навигации, организм имеет дело с обнаружением магнитного поля Земли и его направления.
Магниторецепцию наблюдали у бактерий, у таких беспозвоночных, как плодовые мухи, лобстеры и медоносные пчелы. Это ощущение присутствует и у некоторых позвоночных, в частности — птиц, черепах, акул и некоторых скатов. Утверждение о присутствии магниторецепции у человека является спорным.
Есть свидетельства, что птицы и насекомые обладают магнитным чувством и используют его для навигации в пространстве, но пока неясно, за счет чего у них возникает магниторецепция. Сейчас считается, что за это отвечают специфические белки, такие как криптохромы, основная функция которых — это фоторецепция с фокусом на синий и ультрафиолетовый свет, а магнитное чувство здесь идет как полезное и приятное дополнение.
Механизм действия магниторецепции у животных остается неясным, однако существуют две главные гипотезы, способные объяснить это явление.
Поляризация или способность видеть прозрачное
Не все подводные обитатели имеют электрорецепторы, поэтому они опираются на другие органы чувств, чтобы добыть себе еду. В частности они опираются на свет, который доходит до их глубин и обращают внимание на поляризацию — это характер колебания электрического (или магнитного) поля в бегущей электромагнитной волне света.
Разная поляризация может изменить световую картину, сделать ее более выпуклой и понятной.
Именно так и поступают осьминоги и другие головоногие моллюски, не обладающие цветовым зрением, но все равно способные охотиться даже на прозрачных подводных обитателей: их тело всегда меняет поляризацию проходящего через них света.
Известно, что головоногие моллюски способны различать изменение угла поляризации света, то есть обладают поляризационной чувствительностью. Поляризационная чувствительность является неотъемлемой частью всех визуальных функций головоногих моллюсков. Поляризационная чувствительность определяется как способность различать свет с разной степенью и/или углами поляризации независимо от его относительной яркости и цвета.
Кроме них такое продвинутое зрение доступно еще многим ракообразным, паукообразным и насекомым.
Расширение привычных человеческих способностей
Не все живые существа могут похвастаться необычными органами чувств, но могут расширить уже известные пределы наших способностей.
Эхолокация — это способность некоторых животных ориентироваться в пространстве, улавливая ушами отраженные от объектов звуковые волны. Особенно сильно от этой способности зависит жизнь летучих мышей — они издают неслышимый для людей писк, который отражается от твердых объектов и помогает мышам понять, куда им нужно двигаться.
Животные используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг, в основном при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов, также ее используют землеройки, тюлени и некоторые виды птиц.
Происхождение эхолокации у животных остаётся неясным; вероятно, она возникла как замена зрению у тех, кто обитает в темноте пещер или глубин океана. Вместо световой волны для локации стала использоваться звуковая. Этот способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.
Органы восприятия человека и других высших приматов не приспособлены под инфракрасное излучение, иначе говоря человеческий глаз его не видит.
Однако, некоторые биологические виды способны воспринимать органами зрения инфракрасное излучение. Так, например, зрение некоторых змей позволяет им видеть в инфракрасном диапазоне и охотиться на теплокровную добычу ночью. Чувствительности инфракрасных детекторов ямкологовых змей Crotalinae вполне достаточно для того, чтобы засечь руку человека на расстоянии 40—50 см и чувствовать перепады температуры вплоть до сотых градусов Цельсия, что и позволяет этим рептилиям молниеносно фокусироваться на своих жертвах.
Более того, у обыкновенных удавов эта способность имеется одновременно с нормальным зрением, в результате чего они способны видеть окружающее одновременно в двух диапазонах: нормальном видимом, как и большинство животных, и инфракрасном.
Среди рыб способностью видеть под водой в инфракрасном диапазоне отличаются такие рыбы, как пиранья, охотящаяся на зашедших в воду теплокровных животных, и золотая рыбка.
Среди насекомых инфракрасным зрением обладают комары, что позволяет им с большой точностью ориентироваться на наиболее насыщенные кровеносными сосудами участки тела добычи.
Нобелевский лауреат 1973 года Карл фон Фриш доказал, что пчелы хорошо видят в ультрафиолете. Они научились неплохо использовать цветы, размещающие на своих лепестках целые посадочные полосы, невидимые для человека.
Как выглядит электромагнитное излучение: от радио до гамма-лучей
Электромагнитное излучение мы видим только в очень небольшой части спектра — видимом диапазоне; кожей можем почувствовать инфракрасное как тепло — но не более. Некоторым животным повезло чуть больше: птицы, например, видят ультрафиолет как новый, непредставимый цвет. Поэтому самые невзрачные для нас птицы могут для сородичей выглядеть очень ярко. Змеи лучше нашего чувствуют инфракрасное излучение; правда, они не видят его глазами, а чувствуют специальными рецепторами между глазами и носом. В другие области ЭМС не заглядывает ни одно живое существо на планете.
Давайте попробуем представить, что обидного ограничения, наложенного на человеческое зрение природой, нет: как тогда выглядел бы мир вокруг нас?
Радионебо и радиовышки
Начнём с самых безобидных для организма радиоволн. Энергия фотона обратно пропорциональна длине волны, поэтому чем длиннее волна, тем ниже её энергия. Самые длинные, многокилометровые волны обладают очень маленькой энергией, поэтому для живых клеток они совершенно безвредны. Сигналы в радиодиапазоне принимают радиоприёмники и телевизоры; если бы мы видели их так же, как видим свет, самые сильные источники радиоизлучения наверняка казались бы нам нестерпимо яркими, как Солнце: нельзя было бы без слёз взглянуть, например, на Останкинскую башню, ровный свет давали бы антенны бытовой электроники.
Антенна сотового телефона тоже светилась бы, но уже по-другому: обмен данными по сотовым сетям и передача пакетов информации идёт на частотах, соответствующих микроволновому излучению. Будь мы способны его видеть, нам не пришлось бы вешать на двери кафе знак «У нас есть Wi-Fi»: хорошую сеть было бы видно издалека, как и зону покрытия сети мобильных операторов: разница между территорией, где вы — абонент, и местами, где связи нет, была бы так же очевидна, как разница между тёмной и светлой комнатами.
Обладающий радиозрением человек смотрел бы на небо и видел бы не только свет звёзд, но и длинноволновое излучение, источников которого в космосе масса: это и квазары, и нейтронные звёзды, и облака водорода, электроны в атомах которого, возбуждаясь и возвращаясь в невозбуждённое состояние, испускают дециметровые радиоволны. правда, атмосфера пропускает не все радиоволны, а только длинные (от 3 мм до 30 м) и часть микроволнового спектра.
Как выглядело бы небо для существа, которое видит радиоволны, показали в 2016 году астрофизики из Международного центра радиоастрономических исследований (International Centre for Radio Astronomy Research / ICRAR) при помощи австралийского телескопа Murchison Widefield Array (MWA):
Видеть тепло
Сдвигаемся дальше, в оптический диапазон, и берёмся за инфракрасное излучение. Тут всё просто: инфракрасное излучение — это тепло, увидеть его можно с помощью тепловизора. Вот так, например, выглядит на ИК-съёмке Парад Победы на Красной площади:
Яркий ультрафиолетовый мир
По ту сторону видимой части спектра нас ждут уже более экзотические вещи. Сначала ультрафиолет, главный источник которого для нас — Солнце. К счастью, от самой жёсткой (коротковолновой) его части нас защищает озоновый слой, но и той небольшой доли ультрафиолета, которая проходит сквозь стратосферу, достаточно, чтобы сделать долгое пребывание на солнце вредным.
Двигаясь в сторону коротковолнового излучения, мы проникаем в опасные области. Способность регистрировать рентгеновское излучение глазами помогла бы людям, работающим с опасными материалами, а вот цвет неба не изменила бы: в космосе есть масса источников рентгена, но атмосфера Земли не пропускает его короткие волны, поэтому наблюдать вселенную в этом диапазоне могут только космические обсерватории, но не наземные. Так, космический рентгеновский телескоп «Чандра» регулярно снимает Солнце и присылает на Землю снимки, на которых относительно холодная поверхность Солнца выглядит совершенно чёрной (она недостаточно горяча, чтобы светить рентгеном), зато солнечная корона переливается и бурлит.
И не стоит думать, что рентгеновское зрение позволило бы видеть сквозь предметы и тела других людей: для этого нужен не только приёмник (специфический пигмент сетчатки), но и мощный источник излучения — такой, как рентгеновская трубка, в которой электроны разгоняют до больших энергий и резко останавливают металлической преградой. Врезаясь в металл, электроны теряют энергию в виде рентгеновского излучения, которое и позволяет делать медицинские снимки.
Страшные гаммы
А вот способность видеть самое коротковолновое, гамма-излучение — то есть фотоны высоких энергий, крайне опасные для всего живого — мало изменила бы повседневную жизнь. Без сомнения, такое свойство глаз предупредило бы жителей Припяти и Чернобыля о страшной угрозе, добавило бы красок ядерным взрывам, пригодилось бы инспекторам МАГАТЭ и специалистам, отвечающим за безопасность на атомных электростанциях.
Но в обычной жизни источников ультракоротковолнового излучения не встретишь — разве что в промышленных гамма-дефектоскопах. В космосе гамма-лучи испускаются частицами, разогнанными до релятивистских скоростей сильными магнитными полями огромных космических магнитов, таких как нейтронные звёзды. Атмосфера надёжно укрывает нас от космических гамма-лучей, через неё прорываются только самые высокоэнергетические волны.
Чаще всего они врезаются в атомы атмосферных газов и разрушают их ядра; образованные в результате распада частицы падают на землю, испуская свет в видимом диапазоне, такой слабый, что глазом он неразличим. А гамма-лучи самой-самой высокой энергии, больше 1000 эВ, доходят до поверхности земли. Но даже если бы в наших глазах был пигмент, способный регистрировать их, он вряд ли бы что-то приметил — за сто лет на один квадратный метр поверхности Земли падает один квант такой энергии.
Кроме того, идея о гамма- и рентгеновском зрении — самая фантастическая из перечисленных. На биологические ткани жёсткий рентген и тем более гамма-лучи действуют губительно; вряд ли нашлись бы такие глаза, которые бы не сгорели при взгляде на их источник.
У людей есть инфракрасное зрение
Фармаколог Кшиштоф Пальчевский (Krzysztof Palczewski) из Case Western Reserve University в Кливленде (США) провел интересный эксперимент, который доказывает, что глаза людей могут воспринимать свет, лежащий далеко за пределами видимого диапазона. Эффект проявляется, когда пара инфракрасных фотонов одновременно ударяет в одну и ту же молекулу пигментного белка в сетчатке глаза. Энергии двух фотонов достаточно, чтобы запустить химические изменения, которые наш мозг интерпретирует как видимое световое пятно.
Общепринятая точка зрения гласит, что глаза человека могут видеть свет с длиной волны между 400 нм (синий) и 720 нм (красный). Это касается обычного света, но с появлением лазеров в распоряжении людей оказался очень специфический источник света. Удивительно, но многие люди утверждают, что видят лазерный свет на длине волны выше 1000 нм, что, по идее, лежит выше границы чувствительности наших глаз.
Инфракрасное зрение в диапазоне около 1000 нм дает не так много информации об окружающей среде, но зато позволяет лучше видеть в темноте
Сам Кшиштоф Пальчевский, по его словам, видит свет низкоэнергетического лазера с длиной волны 1050 нм. Ученый заинтересовался этим явлением и решил провести эксперимент с восприятием ИК-света на 30 добровольцах. Как оказалось, люди действительно могут видеть инфракрасный свет с длиной волны около 1000 нм.
Пальчевский также проверил две гипотезы происхождения «ИК-зрения». Одна из них предполагает, что свет с большой длинной волны при столкновении с коллагеном в соединительной ткани глаза, порождает небольшое количество фотонов на половине длины волны (эффект генерации второй гармоники). Сетчатка обнаруживает эти фотоны, и нам кажется, что мы видим непосредственно луч света, поступивший из его источника.
Согласно второй гипотезе, инфракрасный свет является результатом явления, известного как двухфотонная изомеризация (процесс изомеризации при двухфотонном поглощении света). В данном случае фотоны попадают на молекулы фоторецепторов одновременно, в результате глаз «суммирует» сигнал и «считает», что это был свет видимого диапазона.
Для проверки первой гипотезы, команда ученых удалила коллаген с сетчатки мышей и измерила реакцию глаз грызунов на световые лучи с различными длинами волн. В итоге выяснилось, что сетчатка реагирует на лазерный свет с длиной волны 1000 нм точно так же, как и здоровая человеческая сетчатка с коллагеном. Кроме того, исследователи взяли кристаллы зрительного пигмента родопсина и обнаружили, что под воздействием 1000-нм лазера они меняют цвет с красного на желтый, но при этом не имеют характерной «подписи» генерации второй гармоники. Таким образом первая гипотеза «инфракрасного зрения» опровергнута.
Хоть ученые и не получили прямых доказательств второй гипотезы, но все косвенные факты свидетельства на нее. Проведенное компьютерное моделирование показывает, что два низкоэнергетических фотона могут перевести родопсин в возбужденное состояние, аналогичное тому, что наблюдается при поглощении одного фотона видимого света. Те же расчеты также показывают, что явление должно наблюдаться в диапазоне волн 1000-1100 нм — это как раз и подтверждают эксперименты. То, что люди лучше видят именно лазерный свет, объясняется очень просто: большей вероятностью одновременно «поймать» парные фотоны из когерентного лазерного пучка.
В настоящее время ученые из различных университетов хотят повторить эксперименты Кшиштофа Пальчевского, например химик Массимо Оливуччи (Massimo Olivucci) из университета Bowling Green State в Огайо хочет проверить расчеты в опытах на приматах и людях, а затем создать генно-модифицированных лабораторных животных, которые смогут видеть в инфракрасном диапазоне.
Возможно, раскрытие механизма чувствительности человеческого глаза к ИК-свету в диапазоне около 1000 нм поможет разработать новые типы приборов ночного видения или, в более отдаленном будущем, генную терапию, которая даст людям возможность видеть в темноте не хуже кошки.
Люди смогут видеть инфракрасные лучи и ультрафиолет
Ученые открывают сверхспособности: скоро люди смогут видеть ультрафиолет
Потенциально человек может видеть инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Об этом рассказали ученые из Университета Райса в Хьюстоне. Расширить возможности человеческого зрения помогут новейшие достижения науки.
Человеческий глаз не способен воспринимать инфракрасные лучи и ультрафиолет. До недавнего времени такими возможностями обладали только сверхлюди из фантастических фильмов. Однако профессор Скотт Соломон убежден, что в скором времени ученые смогут расширить спектр человеческого глаза до такой степени, что ему будут доступны ИК- и УФ-лучи. Чтобы добиться этой цели, как предполагает профессор, необходимо тщательно изучить строение зрительных органов тех животных, которые обладают способностью воспринимать соответствующее излучение. Проанализировав полученные данные, эксперты в области науки найдут способ наделить аналогичными возможностями и человеческий глаз. Вероятно, это будет достижение генной инженерии.
В последнее время все больше ученых озабочены вопросом раскрытия у человека сверхспособностей. Например, профессор Питер Уорд всерьез задумывается о создании технологии «Суперсолдат». Он мечтает научить людей не спать, не есть, не испытывать жажду и не уставать на протяжении нескольких суток. У простых смертных эти потребности заложены генетически, но, как считает профессор, гены всегда можно изменить. Новая суперспособность позволит иметь огромное преимущество в любой войне, поскольку солдаты будут полностью сосредоточены на борьбе с противником.
Профессор математики и физики в английском университете Марк Лорч убежден, что у человека можно развить только те суперспособности, которые не выходят за пределы законов физики. Он предполагает, что люди реально могут обладать теми способностями, которые уже существуют в природе. В частности, это видение в ультрафиолете, эхолокация, телескопическое зрение.
На что в действительности способен человек, покажет время. Возможно, что через несколько лет ученым все-таки удастся с помощью науки раскрыть в нас сверхспособности.