Человеческий глаз может видеть “невидимый” инфракрасный свет
Но международная команда исследователей под руководством ученых из Вашингтонского университета в обнаружила, что при определенных условиях, сетчатка может ощутить инфракрасный свет.
Используя клетки сетчатки мышей и людей и мощные лазеры, которые испускают импульсы инфракрасного света, исследователи обнаружили, что, когда лазерный луч испускает частые импульсы, светочувствительные клетки в сетчатке иногда получают двойной удар инфракрасной энергии. Когда это происходит, глаз способен обнаруживать свет, который выходит за пределы видимой области спектра.
«Мы используем то, что мы узнали в этих экспериментах, чтобы попытаться разработать новый инструмент, который позволит врачам не только изучить глаз, но и стимулировать определенные участки сетчатки, — говорит старший следователь Владимир Кефалов, профессор офтальмологии и визуальных наук из Университета Вашингтона. — Мы надеемся, что, в конечном счете, это открытие будет иметь практическое применение».
Результаты исследования были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). В число авторов исследования вошли ученые из Кливленда, Польши, Швейцарии и Норвегии.
Исследование было начато после того, как ученые из исследовательской группы сообщили, что видели случайные вспышки зеленого света при работе с инфракрасным лазером. В отличие от лазерных указок, используемых в лекционных залах или в качестве игрушки, мощный инфракрасный лазер, с которым работали ученые, испускает световые волны, которые должны быть невидимы для человеческого глаза.
«Они смогли увидеть свет лазера, который был за пределами видимого диапазона, и мы действительно хотели выяснить, как они смогли ощутить свет, который должен был быть невидимым», — сказал Франс Винберг, один из ведущих авторов исследования.
Винберг, Кефалов и их коллеги изучили научную литературу и сообщения о людях, видящих инфракрасный свет. Они повторили предыдущие эксперименты, в которых был замечен инфракрасный свет, и проанализировали свет от нескольких лазеров.
«Мы экспериментировали с лазерными импульсами различной длительности и обнаружили, что чем короче импульс, тем больше вероятность того, что человек может видеть его, — объяснил Винберг. — Несмотря на то, что промежуток времени между импульсами был настолько коротким, что не может быть замечен невооруженным глазом, существование этих импульсов было очень важно, позволяя людям увидеть этот невидимый свет».
Как правило, частицы света, которые называются фотонами, поглощаются сетчаткой, которая затем создает молекулу под названием фотопигмент, который начинает процесс преобразования света в видение. В стандартной концепции, каждый из большого числа фотопигментов поглощает один фотон.
Но упаковка множества фотонов в коротком импульсе быстро пульсирующего лазерного луча позволяет одному фотопигменту поглощать одновременно два фотона, при этом суммарной энергии двух легких частиц оказывается достаточно, чтобы активировать пигмент и позволить глазу увидеть то, что обычно является невидимым.
Исследователи заявили, что они уже работают над способами использования двухфотонного подхода в новом типе офтальмоскопа, который является инструментом, позволяющим врачам исследовать внутреннюю часть глаза.
Еще одна идея заключается в том, что с помощью инфракрасного лазера врачи могли бы стимулировать определенные части сетчатки у людей с заболеваниями сетчатки, такими как макулярная дегенерация.
Как люди и животные воспринимают свет
Глаз человека устроен таким образом, что видеть в полной темноте он не может. Это связано с особенностью зрительной функции. Чтобы глаз смог зафиксировать изображение какого-либо объекта, нужно чтобы световые лучи,отразившись от него, попали на сетчатку глаза. Для того, чтобы человеческий глаз видел предметы, освещение может быть природным или искусственным. Восприятие объектов глазами животных и птиц отличается от человеческого видения, так как устройство органов зрения у некоторых представителей фауны рассчитано на особенности их среды обитания.
Механизм восприятия световых лучей
Свет является высокочастотными электромагнитными волнами. Глаза человека воспринимают только определенную частоту этих волн, а остальные являются для глаза невидимыми. Источники световых волн могут быть первичными и вторичными. Солнце и лампы являются первичными, а вот вторичными являются все остальные объекты, отражающие свет. Если объект прозрачный и не отражает свет, тогда для глаза он невидимый. То же происходит и в полной темноте, когда все находящиеся вне поля освещенности предметы невидимы для глаз.
Устройство глаза рассчитано на восприятие диапазона световых волн в пределах 400-790 ТГц, поэтому инфракрасное и ультрафиолетовое излучение человек не видит. Диапазон частот, которые видит человек, называют видимым излучением. У животных этот диапазон отличается, поэтому птицы и пчелы, к примеру, видят ультрафиолетовое излучение, находящееся в диапазоне с длинной волны 300-400 нм. Также различают ультрафиолетовые лучи рептилии, рыбы, ракообразные и моллюски.
Такая способность у животных развита для обеспечения выживания в естественной среде, для охоты, поиска еды или защиты от хищников. Пчелы при помощи ультрафиолетового света видят цветы и пыльцу. Видение животными уф-лучей обеспечивается за счет особого строения глаза, а вот для человека такое излучение является опасным, поэтому и блокируется. Также во время блокирования ультрафиолетового излучения острота зрения усиливается.
Инфракрасные лучи животные видеть не могут так же, как и человек. Глаз животного не настроен на восприятие инфракрасного излучения, но при помощи расположенных на разных участках тела рецепторов некоторые представители фауны могут чувствовать тепловое излучение. Человеку для распознавания инфракрасного излучения нужно дополнительное применение специального прибора – тепловизора.
Как человек и животные видят цвета
Человеческий глаз имеет в структуре сетчатки особые чувствительные фоторецепторы, которые обеспечивают восприятие окружающих объектов. Так для обеспечения сумеречного видения на сетчатке есть палочки, а для цветного восприятия окружающего мира – колбочки (для распознания синего, зеленого и красного цвета в спектре). Комбинация этих основных цветов спектра дает возможность распознавать человеку тысячи оттенков. При очень сильном освещении активируются одновременно все фоторецепторы, поэтому человек видит слепящий белый цвет.
В случае отсутствия или нарушения в функционировании колбочек для восприятия того или иного цвета спектра возникает заболевание дальтонизм. Человек с дальтонизмом может не воспринимать определенный цвет спектра или идентифицировать его ошибочно, путая зеленый и красный, например.
У большинства млекопитающих структура глаза устроена таким образом, что они могут воспринимать только черный и белый цвета. Особенность их глаз заключается в высокой чувствительности к оттенкам серого. Собаки, к примеру, отличают очень много серых оттенков. Именно поэтому многие ошибочно полагают, что собаки могут отличать цвета. На самом деле они безошибочно идентифицируют оттенок серого, но не цвет в его естественном проявлении.
Ученые: человек может видеть инфракрасное излучение
Американские ученые обнаружили, что человеческий глаз в определенных условиях может видеть инфракрасное излучение, что невозможно согласно современным представлениям о возможностях человеческого зрения.
Открытие было сделано случайно в ходе эксперимента, относящегося к другому исследованию. Ученые из Университета Вашингтона в Сент-Луисе заметили, что периодически видят вспышки зеленого света при использовании инфракрасного лазера, что очень сильно их удивило.
Затем исследователи устроили серию тестов. Сначала – с добровольцами, которым демонстрировали вспышки инфракрасного лазера. Выяснилось, что человек действительно, если вспышка достаточно коротка, способен регулярно замечать ее.
Потом ученые облучали инфракрасным излучением клетки сетчатки мышей (они тоже не могут его видеть), а также провели моделирование воздействия инфракрасного излучения на родопсин – основной светочувствительный белок в сетчатке глаза.
Оказалось, что родопсин может воспринимать излучение в ближнем инфракрасном диапазоне благодаря квантовому эффекту, известному как двухфотонное поглощение.
Когда интенсивность лазерного излучения, то есть число фотонов, которые лазер излучает за единицу времени, становится достаточной, то родопсин может поглотить одновременно два фотона. К примеру, если белок поглотит два фотона с длиной волны 1000 нанометров, то глаз воспримет их как единый фотон с длиной волны 500 нанометров. Напомним, что видимый диапазон – это от 400 до 720 нанометров, а 500 нанометров соответствует как раз зеленому цвету для человеческого глаза.
Открытие, считают ученые, не только углубляет современные представления о человеческом зрении, но и может привести к усовершенствованию методики диагностики заболеваний глаз.
Статья с детальным описанием исследования была опубликована в журнале PNAS.
Человеческий глаз может видеть «невидимый» инфракрасный свет
Любой ученый, если вы его спросите, скажет, что мы не можем видеть инфракрасный свет. Как и рентгеновские лучи и радиоволны, инфракрасные световые волны находятся за пределами видимого спектра. Однако международная команда ученых из Вашингтонского университета обнаружила, что при определенных условиях сетчатка глаза может ощутить инфракрасный свет.
Используя клетки сетчатки мышей и людей, а также мощные лазеры, испускающие импульсы инфракрасного света, исследователи обнаружили, что когда лазерный свет пульсирует быстро, светочувствительные клетки сетчатки иногда получают двойной удар инфракрасной энергии. Когда это происходит, глаз может обнаруживать свет, который выходит за пределы видимой области спектра.
«Мы используем данные, полученные в ходе этих экспериментов, чтобы разработать новый инструмент, который позволит врачам не только изучить глаз, но и стимулировать отдельные части сетчатки, чтобы определить, нормально ли она функционирует, — говорит старший исследователь Владимир Кефалов, адъюнкт-профессор офтальмологии и визуальных наук в Университете Вашингтона. — Мы надеемся, что в конечном счете это открытие будет иметь некоторые практические применения».
Результаты работы были опубликованы 1 декабря в трудах Национальной академии наук (PHAS). В работе принимали участие ученые из Кливленда, Польши, Швейцарии и Норвегии.
Исследование было инициировано после того, как ученые исследовательской группы сообщили, что видели случайные вспышки зеленого света, работая с инфракрасным лазером. В отличие от лазерных указок, которые используются в качестве игрушек или в лекционных залах, мощный инфракрасный лазер, с которым работали ученые, как полагали, испускает свет, невидимый для человеческого глаза.
«Им удалось увидеть свет лазера, который был за пределами нормального видимого диапазона, и мы захотели выяснить, как им удалось увидеть свет, который должен был быть невидимым», — рассказал Франс Винберг, доктор наук и один из ведущих авторов работы.
Винберг, Кефалов и их коллеги изучили научную литературу и подняли сообщения людей, которые утверждали, что видели инфракрасный свет. Затем повторили предыдущие эксперименты, в ходе которых это происходило, и проанализировали данные.
«Мы экспериментировали с лазерными импульсами различной длительности, которые доставляло одно и то же количество фотонов, и обнаружили, что чем короче импульс, тем вероятнее, что человек его увидит, — объяснил Винберг. — Хотя продолжительность импульсов была столь мала, что невооруженным глазом их отметить невозможно, они позволяют людям видеть этот невидимый свет».
Франс Винберг и Владимир Кефалов
Как правило, частица света (фотон) поглощается сетчаткой, которая затем создает молекулу — фотопигмент, которая начинает процесс преобразования света в зрение. Обычно каждый из множества фотопигментов поглощает один фотон.
Но если упаковать много фотонов в короткий импульс быстро пульсирующего лазера, есть шанс, что одновременно один фотопигмент уловит два фотона, и объединенная энергия двух частиц света активирует пигмент и позволит глазу увидеть то, что в обычном состоянии невидимо.
«Видимый спектр включает волны света длиной 400-720 нанометров, — объясняет Кефалов. — Но если молекула пигмента в сетчатке одновременно улавливает пару фотонов длиной 1000 нанометров, эти частицы света доставляют то же количество энергии, что и один 500-нанометровый фотон, который хорошо заметен в видимом спектре. Вот как мы можем видеть инфракрасный свет».
Хотя эти исследователи первыми сообщили о том, что глаз может воспринимать свет таким образом, идея использования менее мощного лазерного света, чтобы сделать вещи видимыми, не нова. Двухфотонный микроскоп, к примеру, использует лазеры для выявления флуоресцентных молекул глубоко в тканях. Ученые говорят, что также работают над применением двухфотонного подхода в новом типе офтальмоскопа, инструмента, который помогает врачам исследовать внутреннюю часть глаза.
Идея заключается в том, что испуская инфракрасные импульсы лазером в глаз, врачи могли бы стимулировать части сетчатки, чтобы узнать больше о ее структуре и функции в здоровых глазах и помочь людям с заболеваниями сетчатки, например, дегенерацией желтого пятна.