Почему рыбы видят иначе, чем мы?

Сферическая линза у рыб помогает компенсировать недостаток преломления и лучше фокусирует изображение на центральной ямке – углубление в сетчатке глаза.

Приходилось ли вам когда-нибудь открывать глаза под водой и обнаруживать, что все вокруг размыто и расфокусировано? “Неужели рыбы так видят?” – задаетесь вы вопросом, — “Или у них есть специальные способы видеть под водой?”.

Ну, не совсем. Чтобы помочь нам понять, как видит рыба, давайте “посмотрим” на эту тему через “линзы” анатомии, эволюции и оптики.

Основное строение глаза

Глаз имеет очень сложную структуру и функцию. Основная структура и функция глаза более или менее одинакова у всех позвоночных. На его формирование ушло чуть менее 100 миллионов лет. В рамках этой статьи мы рассмотрим только три основных компонента – хрусталик, стекловидное тело и фовеа.

Когда свет попадает в глаз, он проходит через хрусталик и стекловидное вещество. Стекловидное вещество представляет собой жидкость, похожую на воду, а хрусталик помогает сфокусировать свет на фовеа. Фовеа – это часть глаза, где формируется четкое изображение. Другими словами, это та часть глаза, которая позволяет нам видеть четко.

Свет под водой

Зрение под водой сильно отличается от того, как мы видим на суше. Во-первых, вода поглощает свет гораздо сильнее, чем воздух. Поэтому чем глубже вы погружаетесь, тем темнее становится. В рамках данного эксперимента мы рассмотрим зрение только на глубине 80 метров, поскольку ниже этой отметки свет не проходит.

Во-вторых, вода больше всего “поглощает” красный свет, затем оранжевый, желтый, зеленый, а затем синий. Это означает, что под водой все будет казаться немного более “синим”. И чем глубже вы погружаетесь, тем больше синевы.

Однако это не единственное свойство света под водой. Давайте рассмотрим свойство, которое делает все под водой немного размытым.

Почему под водой все размыто?

Чтобы понять это, мы должны рассмотреть две вещи – физику света и анатомию глаза. Мы говорили о строении глаза в первом подразделе. В этом подразделе мы рассмотрим физику света. Если быть более точным, мы рассмотрим, как ведет себя свет под водой.

Вода плотнее воздуха, поэтому под водой свет распространяется медленнее. Хотя мы не замечаем этой небольшой разницы во времени, она имеет другие последствия.

В оптике часто встречается термин “преломление”. Преломление – это изгиб света, когда он проходит между средами с разной плотностью. Примером может служить переход света из воздуха в воду. Именно поэтому карандаш будет выглядеть сломанным или согнутым, если опустить его в воду.

Когда свет переходит из менее плотной среды в более плотную, он сближается. Это означает, что он сходится. Когда свет фокусируется в определенной точке глаза, он создает четкое изображение, которое формируется с помощью хрусталика.

Хрусталик в глазу работает за счет конвергенции света. Чтобы изображение было четким, свет должен сходиться точно в фовеа. Если свет не сфокусирован на фовеа, изображение получается размытым.

Под водой свет, проходящий через глаз, должен достаточно преломляться, чтобы сфокусироваться на фовеа. Если свет преломляется недостаточно, то все выглядит размытым, как и при дальнозоркости. Рассмотрев приведенную ниже диаграмму для дальнозоркости, вы получите лучшее представление о том, куда фокусируется свет при недостаточном преломлении.

Когда свет попадает в глаз под водой, он преломляется не очень сильно. Это происходит потому, что плотности стекловидного тела и воды очень похожи. В этом и заключается работа хрусталика; хрусталик, будучи более плотным, преломляет свет сильнее, тем самым фокусируя его. Хрусталик, будучи довольно круглым, заставляет свет проходить через него на большее расстояние, преломляя его сильнее. Благодаря этому свет сходится в нужной точке. Если бы линза была более плоской, она не сходилась бы в нужной точке, как описано выше.

Другая причина заключается в том, что угол, под которым свет проходит через линзу, больше. Это происходит из-за изогнутой поверхности линзы. Согласно закону преломления Снелла, это делает преломление более высоким. В результате свет фокусируется на фовеа, что делает изображение под водой четким.

Сферическая линза также искажает изображения. С нашей точки зрения то, как рыба видит окружающее, будет немного искривлено. Эта адаптация также дает им более широкий диапазон зрения!

У людей и других наземных животных линзы плоские, потому что они помогают нам фокусироваться в воздушной среде, в то время как у рыб линзы более округлые, что помогает им фокусироваться в воде. Возможно, вы думаете, что для рыб это отличная адаптация. Это действительно так, поскольку зрение у рыб очень развито и сложно. Однако в действительности зрение наземных животных адаптировалось более впечатляюще. Жизнь зародилась в воде, а это значит, что хрусталик рыбы был “первоначальным чертежом”.

Когда животные вышли на сушу, их глаза приспособились иметь более плоские линзы. Это произошло для того, чтобы приспособиться к “дополнительной” рефракции. Уплощение хрусталика помогло приспособиться к изменению плотности воды и воздуха, но как насчет других животных, которые вернулись в воду? Некоторые животные, например, дельфины, изначально были сухопутными и вернулись в морскую среду 50 миллионов лет назад. Когда эти животные снова начали перемещаться в воду, они снова приспособились иметь сферические линзы. Кроме того, у некоторых видов, например у дельфинов, передняя часть глаза стала более плоской, что помогло еще больше сфокусировать свет.

Круглые линзы рыб имели дополнительное преимущество – более широкий диапазон зрения. Это помогало им видеть больше вокруг себя. Это помогало им более внимательно искать как пищу, так и врагов! Сухопутные животные приспособились иметь более плоские линзы, чтобы все было менее искажено, подобно изображениям, создаваемым объективом камеры “рыбий глаз”!