Зачем человеку цветовое зрение?

Антрополог и  когнитивный исследователь Марк Чангизи утверждает, что распознавание цветов было необходимо не для того, чтобы определять зрелость плодов, как полагалось ранее, а чтобы улавливать едва заметные оттенки человеческой кожи. Перепады насыщенности кислородом и кровью постоянно влияют на цвет кожного покрова, тем самым выдавая наше физическое и эмоциональное состояние.

Свои выводы о назначении цветового зрения Марк Чангизи делает на основе простых логических построений и аргументирует данными современной науки.

• Аргумент 1. Нет ничего удивительного в том, что с лица и тела человека в процессе эволюции постепенно начали исчезать волосы — в противном случае изменения цвета заметить бы не удалось.

• Аргумент 2. Рассмотрим, как связаны спектр отражения типичной нейтрально окрашенной человеческой кожи и спектр чувствительности сетчатки глаза к различным длинам волн. Рис. 1.

Чувствительность колбочек имеющихся у нас трех типов (S, М и L) к разным длинам волн. Можно видеть, что колбочки М и L обладают практически одинаковой чувствительностью (максимально возбудим 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 М и L соответственно. Своей W-образной формой кривая обязана окисленному гемоглобину крови. Именно благодаря тому, что s- и L-копбочки наиболее чувствительны к этим, а не каким-то иным, длинам волн, мы способны с легкостью замечать даже незначительные изменения цвета кожи.

• Аргумент 3. Рассмотрим Рис. 2.

Рис.2.

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 W•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 W'. Рассчитав разницу между суммарными активностями колбочек типов L и М, 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 М-колбочек и L-колбочек с активностью S•колбочек, головной мозг способен делать выводы об интенсивности кровоснабжения кожи.

• Аргумент 4. Как быть с тем фактом, что только собственная кожа кажется нам бесцветной, а кожу представителей других рас мы воспринимаем как цветную?

Рис. 3

На Рис..3 представлены спектры отражения различных типов человеческой кожи. Обратите внимание, как они схожи друг с другом, в отличие от других примеров спектров отражения. Это полностью согласуется с предположением, что наше цветовое зрение сформировалось затем, чтобы замечать отличия от исходного цвета кожи.

____________________________________________

Но у ученых существует другая точка зрения о формировании цветового зрения у человека.

Нейроны в сетчатке глаза имеют свой внутренний состав и структуру, свои оболочки. Они оптически (по показателю преломления) обязательно отличаются от окружающей их среды. Ведь вещества, из которых они состоят, другие по отношению к окружающей их среде. Поэтому анатомически случайное нагромождение в слоях сетчатки нервных клеток является транспарантом с известной двумерной функцией пропускания амплитуд и фаз световых волн, спроектированных хрусталиком-объективом через них на сетчатку. Условно это показано на рисунке «изломами» стрелок с надписью - свет. «Транспарант - нервные клетки» участвует в преобразованиях спектров и функций корреляции точек объектов. Они изменяют направления света. Его воспринимают фоторецепторы глаза (палочки и колбочки), у которых вопреки объяснениям в литературе чувствительными к свету являются не торцы, а боковая поверхность. Форма столбиков для неё гарантирует высокую чувствительность к направлениям падения света.

Линза преобразует направления падающего на неё света в положение точек в своей фокальной плоскости. Поэтому математически спектр уже содержится в направлениях, независимо от использования линзы, а палочки и колбочки чувствительны к направлениям света.

Для любой формы жизни и любой реализации в ней зрения наблюдаемость (изображение) получает форму и смысл в результате мышечных и других реакций организма на нервные импульсы от органов зрения. Поэтому изображение у разных видов живых организмов не обязательно означает тождественно то, что описывают физики, рассказывая в учебниках про линзы. Например, есть лягушки, которые видят только движущиеся предметы. То, что называют «фотография», является одним из вариантов, который наиболее приближается к пределу, заданному физическими свойствами волн-света и линз. Среди других форм жизни глаз человека способен реализовать максимальное приближение к этому пределу

Физиологический смысл зрения в том, чтобы установить пространственное соответствие нервных сигналов в сетчатке и наблюдаемых внешних объектов. Препятствие в этом - случайность расположения фоторецепторов для любых видов глаз. Сигналы от них без указания координат их источников не могут образовать «фотографию»-изображение.

Многим читателям математические термины, использованные выше, непривычны. Однако они в последние десятилетия стали основой математического аппарата обработки радиолокационных сигналов, а также приёма и передачи при космической связи, при сжатии объёмов информации для телевидения и цифровой фотографии. Сложные спектральные и корреляционные методы обработки изображений и их терминология простые и повседневные для широких кругов специалистов. Такая ситуация позволяет ссылаться без подробных пояснений на результаты математического аппарата. И наоборот. Хотя фактически формул в этой статье нет, на метаязыке они здесь обозначены. Поэтому новое, написанное в ней, специалисты в силах использовать профессионально.

Когда свет проходит в сетчатке через нервные клетки (как оптические объекты) к фоторецепторам, пространственные частоты изображения взаимодействуют с пространственными частотами транспаранта, образованного разными нервными (не фоточувствительными) клетками в сетчатке. Палочки и колбочки (фоторецепторы) «не знают», что должны создать «фотографию». Они делают «что могут» - посылают нервные импульсы в ответ на оптическую функцию взаимной корреляции расположения фоторецепторов и нервных клеток в сетчатке перед ними на пути света. Иначе говоря, способом «карты пешехода» устанавливается зависимость между положением нейронов в сетчатке и положением самих фоторецепторов. Случайность расположения палочек и колбочек оказывается связанной с «ориентирами на местности». Но ведь сами нейроны-ориентиры в сетчатке расположены случайно. Что устраняет неопределённость  координат ориентиров?

Для ответа на этот вопрос вспомним, что свойство и функция нейронов в организме заключается в генерировании и приёме электрических нервных импульсов. Анатомически они всегда имеют разветвлённые связи между собой. Разные виды нейронов в сетчатке расположены слоями. Горизонтальные и амакриновые клетки переплетены многочисленными случайными нервными связями внутри слоёв. Форма этих связей резко различна. В современных компьютерах скорость распространения сигналов близка к скорости света. В нервных системах и в мозге животных и человека она ничтожна, всего 20 - 120 м/с. Поэтому диаметру сетчатки глаза порядка 3 см соответствует время распространения нервных импульсов от одной её «горизонтальной» границы до другой примерно от 10 до 100 миллисекунд. Характерные времена для описания нервных импульсов - это тысячные и десятитысячные секунды. Поэтому относительное положения нейронов в сетчатке различимо отражается в величине времени распространения их электрических сигналов.

Математически такие взаимосвязи описываются опять на языке функций корреляции, которые зависят от взаимного расположения, теперь нейронов. Расстояния в них выражаются на основе времени распространения нервных импульсов. Это привязывает через «ориентиры-нейроны» положение палочек и колбочек к «карте пешехода» в глазу. Ведь случайные нейроны фиксированы относительно границ сетчатки и соответственно имеют геометрические координаты на ней, выраженные в единицах времени распространения нервных импульсов. Как видно из рисунка выше, случайности упаковки и электрических связей фоторецепторов и нейронов в сетчатке исключительно разнообразны.
Во всём рассказанном выше на первом месте стоят случайности. Палочки и колбочки упакованы плотно, но случайно. Нервные клетки, которым они передают сигналы, расположены случайно, преломляют свет случайно, нервными импульсами обмениваются случайно.

Сами случайности могут быть самыми разными. Но за ними существуют свои «ноты и дирижёр» - объект, отображаемый глазом. Его особенности становятся основой детерминированных осреднённых характеристик случайностей. Например, спектров пространственных частот и функций корреляции.

Всё дело в разнообразии хаотических случайных нагромождений при обработке сигналов зрения. Это разнообразие отражают разные слои клеток, разная анатомия связей в них, химическое воздействие на связи с помощью синапсов и нейромедиаторов.

 

Глаз любой формы жизни «не знает», что он должен и как «увидеть», а тем более, что это должно дать команды организму. Существуют в нём случайные связи. Они обязательно должны иметь средние характеристики. Зрение с их помощью запоминается отбором - существует.

Глаз человека потому совершенный, что свет падаёт в нём не на торцы палочек и колбочек (как кажется очевидным учёному человеку), а на их прозрачную «плату распайки». Повышение за счёт этого качества изображения есть причина запоминания этой «ошибки» в процессе естественного отбора. Это устраняет парадокс обратной ориентации палочек и колбочек.