Революция в зрении: Что, как и почему мы видим на самом деле - Марк Чангизи

Настоящая глава будет посвящена загадочным способностям шимпанзе — их разновидности “рентгеновского зрения”.

Рис. 1.

а) Это вы — после того как приятель-волшебник превратил вас в белку, б) Шимпанзе интересуется, есть ли вы в меню.

Мы с вами тоже обладаем такими способностями, и они делают нас грозой лесов. Рассказ об этом сверхъестественном качестве я начну с циклопов и с того, почему они так редки.

В природе циклопы встречаются нечасто, а те, которые есть, не оправдывают ожиданий: подпоить этих животных и вонзить острый кол в их единственный глаз было бы куда менее впечатляюще по сравнению с подвигом Одиссея. Настоящие “циклопы" — чаще всего мелкие ракообразные наподобие дафний (рис. 2) или беспозвоночные вроде ланцетников — наших далеких рыбоподобных предков. Среди позвоночных циклопы не встречаются. У некоторых рыб, лягушек, ящериц и их дальних родственников имеется третий (так называемый теменной) глаз на макушке, который напоминает циклопический в том смысле, что не имеет пары (рис. 2аб). Однако, хотя этот глаз и является светочувствительным, он, строго говоря, и не глаз вовсе, поскольку не способен формировать картину внешнего мира. Его функция, по-видимому, связана с регуляцией температуры тела. Среди высших позвоночных ближе всего к циклопам детеныши-анэнцефалы, но они являются на свет вследствие ошибки природы.

Одна из причин редкости циклопов — они не видят того, что у них сзади. Большинство зрячих животных с нашей планеты, напротив, может видеть происходящее за спиной — и имеет смысл предположить, что это зачем-то нужно. Получается это у них оттого, что глаза смотрят в противоположных направлениях. Именно так обстоит дело у кальмаров, насекомых, рыб, рептилий, динозавров, птиц и многих млекопитающих — скажем, у лошадей или кроликов (рис. 3). К этим животным нельзя незаметно подкрасться со спины. Но раз панорамное зрение (способность видеть и спереди, и сзади) объясняет столь малое количество циклопов, что в таком случае можно сказать о нас с вами? У нас два глаза, и оба они глядят в одном направлении. От этого должна быть какая-то выгода - достаточно значительная, чтобы перевесить неудобство от полной слепоты по отношению к тому, что находится позади. Ниже я разъясню это затруднение, ведь основная тема данной главы — почему наши глаза направлены вперед.

Рис. 2.

Циклопы: а) единственный глаз дафнии; б) теменной глаз ящерицы; в) циклопы-млекопигающие вроде этого древнеримского божества встречаются только в легендах.

Рис. 3.

У большинства животных глаза смотрят в разные стороны, что делает возможным панорамное зрение.

Но вначале давайте обратим внимание на одну особенность изображенных на рис. 3 животных: столь очевидную, что проглядеть ее легче легкого. Как я уже говорил, их глаза смотрят в противоположных направлениях. Если точнее, по бокам головы (рис. 4а). Однако это не единственный возможный способ обзавестись панорамным зрением. Альтернативный вариант — разместить один глаз прямо на лбу, а другой прямо на затылке (рис. 4б). Но вы не встретите ничего подобного в природе (и, насколько мне известно, в фантастике тоже). Почему же?

Рис. 4.

а) У многих животных, как и у этого вымышленного существа, глаза направлены в стороны. 6) Животных, один глаз которых смотрел бы вперед, а другой — назад, не бывает. Почему?

Причина связана с тем, что смотрящие в противоположные стороны глаза животных с рис. 3 видят не только противоположные половинки общей картины. Их зрительные поля частично перекрываются, то есть оба глаза видят некоторые части окружающего мира одновременно. Эти участки называются бинокулярной областью. В том, чтобы видеть какую-то часть мира обоими глазами, есть определенные преимущества, и они по большей части прямо перед вами. Бинокулярная область тех животных, чьи глаза расположены с двух сторон, находится спереди (рис. 5а), сверху и сзади (рис. 5б). Так, вы находитесь в бинокулярной области животного с рис. 4а, потому что каждый его глаз вас видит. Но у животного, один глаз которого смотрит вперед, а другой назад, все перекрывающиеся участки поля зрения будут расположены по сторонам, а не спереди. В том же, чтобы самым мощным зрением было боковое, выгод не так уж много. (Наше зрение — частный случай расположения глаз по бокам, в том смысле что наши глаза находятся слева и справа от плоскости симметрии, и поэтому бинокулярная область формируется спереди.)

Рис. 5.

а) Поля зрения каждого глаза животного (в данном случае птицы), чьи глаза расположены по бокам. Впереди имеется бинокулярная область — участок, который видят оба глаза. Кроме того, каждый глаз видит клюв, частично загораживающий передний обзор, но другой глаз компенсирует недостающее, и в итоге животное видит все. Иными словами, оно способно одновременно видеть и свой клюв, и все, что находится за ним. (Обратите внимание на то, что в непосредственной близости от животного, прямо перед бинокулярной областью, находится участок, не попадающий в поле зрения ни одного из глаз — слепая зона. Никакой зрительной информации отсюда не получишь, но зато это подходящее место, чтобы разместить выступающий участок тела, — здесь он не будет ничего загораживать.)

б) Если на первом изображении птица смотрела вперед, то теперь ее взор устремлен назад: зрительные поля обоих глаз сдвигаются, и новая бинокулярная область образуется прямо позади животного. Некоторые, хотя и не все животные с глазами, направленными в противоположные стороны, обладают такой способностью (например, кролики).

Каковы преимущества бинокулярного зрения? Знающий человек ответит: это стереоскопия, то есть способность видеть глубину и объем. Изучение бинокулярности исторически так тесно переплетено со стереоскопией, что и лекции, и книги по данному вопросу посвящены в первую очередь проблеме восприятия объема. Однако я в своих исследованиях пришел к необходимости обратить внимание на другое преимущество бинокулярного зрения, прежде никем не замечавшееся, — на способность видеть сквозь предметы. Без понимания свойств этого нашего “рентгена” невозможно понять и то, почему глаза у нас направлены вперед.

Но прежде чем обсуждать наше “рентгеновское” зрение как таковое, мне хотелось бы поговорить об одной специфической и основополагающей его разновидности, вытекающей из наличия у нас двух глаз одновременно и дающей новые аргументы в пользу того, что панорамное зрение выгоднее формировать при помощи глаз, расположенных по бокам, а не спереди или сзади. Я имею в виду способность видеть сквозь собственное тело.

Прежде чем озаботиться тем, чтобы видеть внешний мир как можно лучше, животному следует убедиться в том, что оно вообще его видит. Если расположить глазное яблоко во рту, на нёбе, толку будет немного. Ну а где следовало бы разместить глаза? Почти любое место подойдет лучше, чем нёбо, но нельзя забывать и о том, что у тела есть неуклюжие выросты, которые могут загораживать обзор. И, на самом деле, бывает даже нужно, чтобы эти части тела находились перед глазами: пасть, рыло, нос, вибриссы и передние лапы специально предназначены для взаимодействия с объектами, находящимися прямо по курсу. Иметь эти придатки перед глазами выгодно не только потому, что, в отличие от глаз, они приспособлены соприкасаться с внешним миром, но и потому, что, видя эти приспособления, ими проще управлять. Возникает головоломка, которую животные, обладающие зрением, должны решить: как разместить выступающие части тела перед глазами и при этом видеть мир?

Ту же задачу пришлось решать разработчикам видеоигр. Как дать игроку возможность видеть своего персонажа, чтобы тот не заслонял игровое пространство? Если вы играете в режиме “от первого лица”, оружие вашего персонажа перекрывает значительную часть экрана (например, рис. 6а). Если же играть в режиме “от третьего лица”, когда весь персонаж виден вам со спины, значительная часть обзора тоже будет потеряна, так как персонаж перекроет ее своим телом (например, рис. 6б). Поэтому во многих играх игрок может менять угол зрения относительно персонажа. Вот вам, пожалуйста, возможное решение задачи: чтобы иметь возможность заглядывать за выросты собственного тела, позвольте глазам “бродить” вокруг и передавать информацию в мозг.

Природа, однако, нашла другое решение, в чем вы можете убедиться сами, посмотрев на собственный нос. Зажмурьте один глаз и слегка наморщите нос, и вы увидите, что он расположен в нижнем углу поля зрения и загораживает вашему открытому глазу обзор, как это показано на рис. 7а и 7б. Но стоит лишь открыть другой глаз, и с его помощью вы видите все, что скрывалось за носом (рис. 7в). Нос при этом никуда не девается, но теперь он имеет вид прозрачной фигуры. Каждому из глаз виден нос, который загораживает часть обзора. Но участки, закрываемые им, для каждого глаза свои, и потому пара глаз видит полную картину, в том числе нос. А вот если бы один ваш глаз был расположен спереди, а другой сзади, как на рис. 4б, любая выступающая часть тела, находящаяся спереди от вашего переднего глаза, мешала бы ему видеть.