Care sunt limitele viziunii umane?

Care sunt limitele viziunii umane?

De la observarea galaxiilor la milioane de ani lumina distanta pana la perceperea culorilor invizibile, Adam Hadhazy explica de ce ochii tai pot face lucruri incredibile.

T

Arunca o privire in jurul camerei – ce vezi? Toate acele culori, peretii, ferestrele – totul pare atat de evident, asa ca acolo. Este ciudat sa ne gandim ca modul in care percepem acest mediu bogat se reduce la particule de lumina – numite fotoni – care sari de pe aceste obiecte si pe globii nostri oculari. 

Acest baraj fotonic este absorbit de aproximativ 126 de milioane de celule sensibile la lumina. Directiile si energiile variate ale fotonilor sunt traduse de creierul nostru in diferite forme, culori, luminozitate, toate modeland lumea noastra tehnicolora.   

Oricat de minunat este, simtul nostru vizual nu este clar fara anumite limitari. Nu putem vedea unde radio care emana de pe dispozitivele noastre electronice decat putem observa bacteriile mici chiar sub nas. Dar cu progresele in fizica si biologie, putem testa limitele fundamentale ale vederii naturale. „Tot ceea ce puteti discerne are un prag, un nivel cel mai scazut peste care puteti si sub care nu puteti”, spune Michael Landy, profesor de psihologie si stiinta neuronala la Universitatea din New York. 

Celulele conice se ocupa de culoare, in timp ce celulele cu tije ne permit sa vedem in tonuri de gri in conditii de lumina slaba (Credit: SPL)

Vom explica aceste praguri vizuale initial prin obiectivul – joc de cuvinte – despre ceea ce multi dintre noi se gandesc mai intai atunci cand avem in vedere viziunea: culoarea.

De ce percepem violet versus vermilion depinde de energia sau lungimile de unda ale fotonilor care afecteaza retinele noastre, situate in partea din spate a globilor nostri oculari. Acolo avem doua tipuri de celule fotoreceptoare, cunoscute sub numele de tije si conuri. Celulele conice se ocupa de culoare, in timp ce celulele cu tije ne permit sa vedem in tonuri de gri in conditii de lumina slaba, de exemplu noaptea.

Array

 

Opsinele, sau moleculele de pigment, din celulele retiniene absorb energia electromagnetica din fotonii care afecteaza, generand un impuls electric. Acest semnal se deplaseaza prin nervul optic catre creier, unde se creeaza perceptia constienta a culorilor si a imaginilor. 

Avem trei tipuri de celule conice si opsine corespunzatoare si fiecare are varfuri de sensibilitate la fotoni cu anumite lungimi de unda. Aceste celule conice sunt numite S, M si L, pentru lungimi de unda scurte, medii si lungi. Lungimile de unda mai mici le percepem ca fiind mai albastre, in timp ce lungimile de unda mai lungi sunt mai rosii. Toate lungimile de unda dintre ele (si combinatiile acestora) servesc curcubeul caleidoscopic complet. „Toate luminile pe care le vedem – cu exceptia celor realizate artificial cu o prisma sau un dispozitiv fantezist ca un laser – sunt amestecuri de lungimi de unda multiple”, spune Landy. 

Dintre toate lungimile de unda fotonice posibile, celulele noastre conice detecteaza doar o mica bucata, de obicei in intervalul de la 380 la 720 nanometri – ceea ce numim spectrul vizibil. Sub banda noastra perceptuala ingusta se afla spectrul de infrarosu si radio, cu lungimile de unda mai lungi, mai putin energetice ale acestuia, variind de la un milimetru la kilometri. 

Deasupra spectrului nostru vizibil in energii superioare si lungimi de unda mai mici, gasim banda ultravioleta, apoi razele X, care se completeaza cu spectrul de raze gamma, ale carui lungimi de unda se afla in intervalul de doar trilioane de metru.

In timp ce majoritatea dintre noi suntem limitati la spectrul vizibil, persoanele cu o afectiune numita afakie poseda vedere ultravioleta. Afakia este lipsa unui cristalin, datorita indepartarii chirurgicale pentru cataracta sau defecte congenitale.

Obiectivul blocheaza in mod normal lumina ultravioleta, deci fara ea, oamenii pot vedea dincolo de spectrul vizibil si percep lungimi de unda de pana la aproximativ 300 nanometri ca avand o culoare albastru-albastru.

Un studiu din 2014 a aratat ca, intr-un mod de a vorbi, cu totii putem vedea si fotoni in infrarosu. Daca doi fotoni in infrarosu lovesc intr-o celula retiniana aproape simultan, energia lor se poate combina, transformandu-i dintr-o lungime de unda invizibila de, sa zicem, 1000 nanometri la 500 nanometri vizibili (un verde rece pentru majoritatea ochilor). 

Cate culori putem vedea?

Un ochi uman sanatos are trei tipuri de celule conice, fiecare dintre acestea putand inregistra aproximativ 100 de nuante de culoare diferite, prin urmare, majoritatea cercetatorilor compara numarul de culori pe care il putem distinge la aproximativ un milion. Cu toate acestea, perceptia culorii este o abilitate extrem de subiectiva, care variaza de la persoana la persoana, facand astfel dificil de identificat orice figura dificila si rapida.  

„Ati fi apasat sa puneti un numar”, spune Kimberly Jameson, cercetator asociat la Universitatea din California, Irvine. „Ceea ce ar putea fi posibil cu o persoana este doar o fractiune din culorile pe care o vede o alta persoana”.

Unii oameni pot vedea in ultraviolete, dar numai dupa o interventie chirurgicala la ochi (credit: SPL)

Jameson stie despre ce vorbeste, avand in vedere munca ei cu „tetracromati”, oameni care poseda o viziune supraomeneasca aparenta. Acesti indivizi rari, in majoritate femei, au o mutatie genetica care le confera o a patra celula conica. Ca o aproximare aproximativa bazata pe numarul acestor conuri suplimentare, tetracromatele ar putea vedea 100 de milioane de culori. (Oamenii care sunt daltonici sau dicromatici au doar doua conuri si vad poate 10.000 de culori.) 

Care este cel mai mic numar de fotoni pe care trebuie sa-l vedem?

Pentru a obtine o viziune a culorilor, celulele conice au de obicei nevoie de mult mai multa lumina pentru a lucra decat verii lor, tijele. De aceea, in situatii cu lumina slaba, culoarea se diminueaza pe masura ce tijele monocromatice preiau sarcinile vizuale.

In conditii ideale de laborator si in locuri de pe retina, unde celulele cu tije sunt in mare parte absente, celulele conice pot fi activate atunci cand sunt lovite doar de o mana de fotoni. Celulele cu tije, totusi, se descurca si mai bine la preluarea oricarei lumini ambientale disponibile. Dupa cum arata experimentele efectuate pentru prima data in anii 1940, doar o singura cantitate de lumina poate fi suficienta pentru a ne declansa constientizarea. „Oamenii pot raspunde la un singur foton”, spune Brian Wandell, profesor de psihologie si inginerie electrica la Stanford. „Nu are rost sa fii mai sensibil”.

Care sunt limitele viziunii tale? (Credit: Thinkstock)

In 1941, cercetatorii de la Universitatea Columbia au condus subiectii intr-o camera intunecata si si-au dat ochilor ceva timp sa se adapteze. Celulele cu tije dureaza cateva minute pentru a atinge o sensibilitate deplina – motiv pentru care avem probleme sa vedem cand luminile se sting pentru prima data.

Cercetatorii au aprins apoi o lumina albastra-verde in fata fetei subiectilor. Cu o rata mai buna decat sansa, participantii au putut detecta blitul cand au ajuns la ochi doar 54 de fotoni. 

Dupa ce au compensat pierderea fotonilor prin absorbtia de catre alte componente din ochi, cercetatorii au descoperit ca doar cinci fotoni care activeaza cinci tije separate au declansat o constientizare a luminii de catre participanti. 

Care este cel mai mic si mai indepartat pe care il putem vedea?

Iata un fapt care va poate surprinde: nu exista nicio limita intrinseca la cel mai mic sau mai indepartat lucru pe care il putem vedea. Atata timp cat un obiect de orice dimensiune, distanta sau concizie transfera un foton catre o celula retiniana, il putem spiona. 

Acuitatea vizuala scade pe distante mai mari (Credit: Thinkstock)

„Tot ce-i pasa ochiului de vedere este cantitatea de lumina care aterizeaza pe ochi”, spune Landy. “Este doar numarul total de fotoni. Deci puteti face [o sursa de lumina] ridicol de mica si ridicol de scurta, dar daca este cu adevarat puternica in fotoni, o puteti vedea in continuare”.

Manualele de psihologie, de exemplu, afirma in mod obisnuit ca intr-o noapte senina si intunecata, o flacara de lumanare poate fi vazuta de la 48 de kilometri. In practica, desigur, ochii nostri sunt inundati in mod obisnuit de fotoni, astfel incat cantitatile de lumina ratacite de la distante mari se pierd in spalare. „Cand cresti intensitatea fundalului, cantitatea de lumina suplimentara de care ai nevoie pentru a vedea ceva creste”, spune Landy. 

Cerul noptii, cu fundalul sau intunecat intepat de stele, ofera cateva exemple uimitoare de viziune la distanta. Stelele sunt uriase; multi pe care ii vedem pe cerul noptii au milioane de kilometri in diametru. Chiar si cele mai apropiate stele, cu toate acestea, sunt la mai mult de 24 de miliarde de mile distanta si, prin urmare, sunt atat de reduse in dimensiune, incat ochiul nostru nu le poate rezolva. Iata, putem vedea in continuare stelele ca „surse punctuale” de lumina intense, stralucitoare, deoarece fotonii lor traverseaza intinderea cosmica si ne lovesc retina.

Atata timp cat ceva este suficient de luminos, il puteti vedea de la ani lumina distanta (Credit: SPL)

Toate stelele individuale pe care le vedem pe cerul noptii se afla in galaxia noastra – Calea Lactee. Cel mai indepartat obiect absolut pe care il putem vedea cu ochiul liber se afla in afara galaxiei noastre: galaxia Andromeda, situata la 2,5 milioane de ani lumina de noi sau la o racoroasa 23 de quintilioane de mile. (Ei bine, in mod controversat, unii oameni perspicace au sustinut ca au vazut Galaxia Triunghiului in conditii extraordinar de intunecate ale cerului nocturn, care este la aproximativ trei milioane de ani lumina distanta, dar va trebui sa ne luam cuvantul pentru el.)

Miliardele de stele din galaxia Andromeda, datorita distantei lor extreme, se adauga doar la un petic luminos pe cer. Acestea fiind spuse, galaxia Andromeda este colosala. In ceea ce priveste dimensiunea sa aparenta, chiar si la cinci milioane de kilometri distanta, galaxia este de sase ori latimea lunii pline. Dar atat de putini dintre fotonii sai ajung in ochii nostri incat acest behemot celest este redus. 

Cat de clar putem vedea?

Cu toate acestea, de ce nu putem alege stele individuale in galaxia Andromeda? Aici intra in joc limitele rezolutiei noastre vizuale sau acuitatii. Acuitatea vizuala este capacitatea de a discerne un detaliu, cum ar fi un punct sau o linie, separat de celalalt, fara ca acestea sa se estompeze. 

Asadar, s-ar putea sa va ganditi la limitele acuitatii ca la numarul de „pixeli” pe care il putem discerne.   

Mai multi factori stabilesc limitele pentru acuitatea vizuala, cum ar fi distanta dintre conuri si tije ambalate pe retina. Optica globului ocular in sine, care, asa cum am mentionat anterior, impiedica fiecare foton disponibil sa se prabuseasca pe o celula fotoreceptoare, sunt importante, de asemenea. 

Diagramele oculare ne testeaza abilitatea de a vedea diferentele alb-negru care formeaza o litera (Credit: Thinkstock)

Teoretic, studiile au aratat ca cel mai bun lucru pe care il putem face este de aproximativ 120 de pixeli pe grad de arc, o unitate de masura unghiulara. Aceasta functioneaza la aproximativ o unghie tinuta la lungimea bratului, cu 60 de linii orizontale si 60 verticale pe ea, alternand in alb si negru, creand un model de sah. „Cam acesta este cel mai bun model pe care l-ai putut vedea vreodata”, spune Landy. 

Testele de vedere, cum ar fi populara diagrama oculara Snellen de la opticianul dvs. cu literele progresiv mai mici, functioneaza pe acelasi principiu. Diagrama indica in ce moment cineva nu mai poate separa un decalaj alb intr-o litera neagra, distingand un F majuscul de un P majuscul, de exemplu. Aceste limite ale acuitatii ne explica de ce nu putem discerne si ne putem concentra asupra unei celule biologice unice, slabe, care au doar micrometri. 

Dar sa nu ne vindem scurt. Un milion de culori; fotoni unici; taramuri galactice la citeva miliarde de kilometri distanta – nu este rau pentru bloburile de jeleu din orificiile noastre, conectate la un burete de 1,4 kilograme in craniile noastre.

Urmariti-ne  pe  Facebook ,  TwitterGoogle+  si  LinkedIn