Ką bendro turi fotokameros ir akys arba gamta mokslininko vaidmenyje

Regėjimas yra pagrindinis mūsų informacijos šaltinis – beveik 90 procentų informacijos mes gauname per akis. Klausa, uoslė, lytėjimas ir kiti jutiminiai organai “tenkinasi” likusiais procentais. Netekę klausos, mes galime susikalbėti gestais, o slogai užkimšus nosį mes geriausiu atveju pasibėdavojame, kad nebeužuodžiame virtuvės aromatų. Apakti, netekti regos mums yra tolygu atsidurti tamsiausiame pragaro rate.

Regos svarba atsispindi ir mūsų technologijose: vaizduokliai, televizoriai, fotoaparatai, vaizdo kameros, išmanieji telefonai. Atvaizdų pavidale mus pasiekia informacija ne tik apie kasdienybę bet ir apie mus supančią Visatą: vakuumas neturi nei kvapų, nei garsų, vien tik šviesa keliauja galaktikų platybėmis. Būtent todėl mes statome kalnuose observatorijas ir keliame teleskopus į kosmosą pakeliui surasdami sudėtingiausių inžinerinių problemų sprendimus. Bet ar Jus žinojote, kad kartu su mumis tas pačias optikos problemas sprendė ir kitas didis “mokslininkas” – Gamta?

Šiemet vienam iš garsiausių ir tiksliausių žmonijos sukurtų teleskopui – Hablo teleskopui – sukako net 25 metai. Būtent jam mes turėtume būti dėkingi už žadą atimančias žvaigždėto dangaus nuotraukas, apskriejančias viso pasaulio žiniasklaidą ir mikliai atsirandančias ant mūsų darbastalių, kalendoriuose bei atvirukuose.

Hubble teleskopo padaryta nuotrauka
Hubble teleskopo padaryta nuotrauka

Mes net užmerkiame akis į teleskopo savininkės bei operatorės – JAV kosminės agentūros NASA – ne visai korektiškus fotometrinius žaidimus, dėl kurių nuotraukos nušvinta naujomis bet melagingomis spalvomis. Galu gale, kiekviename iš mūsų slypi slaptas fotomeninkas, nesvarbu ar su pigia “muiline”, ar su brangia veidrodine fotokamera rankose. Elektroninėms laikmenoms išstūmus fotojuostas, nuotraukų darymas nieko apart piršto darbo mums nekainuoja. Nekalbu apie tai, kad daugeliui iš mūsų net nereikia žinoti, kaip ta fotokamera veikia. Bet vis gi pabandykime pasmalsauti.

Skirtingų lūžio rodiklių dėka paprastas sferinis paviršius veikia kaip lęšis.
Skirtingų lūžio rodiklių dėka paprastas sferinis paviršius veikia kaip lęšis.

Jei esate plaukioję baseine arba nardę tropikų jūroje, greičiausiai esate pastebėję, jog, žvelgiant iš vandens, objektai esantys vandens paviršiuje arba ant kranto yra iškraipomi. Taip atsitinka dėl to, kad vanduo yra tankesnis už orą ir šviesos greitis jame yra mažesnis negu šviesos greitis ore. Kuomet šviesa kampu kerta ribą tarp tankesnės ir retesnės terpių, šviesos spindulys lūžta ir pakeičia savo sklidimo kryptį. Jei mes stebime šviesos lūžį vandens laše arba stiklinėje taurėje, paviršius tarp oro ir vandens (arba stiklo) yra išgaubtas ir idealiu atveju turi sferinę formą.  Gana lengva pastebėti, kad toks paviršius elgiasi lyg lęšis, kuris surenka šviesos spindulius viename taške. Jei mes stebime pro tokį sferinį paviršių toli esantį objektą, netoli paviršiaus susidaro sumažintas ir aukštyn kojomis apverstas mūsų stebimo daikto atvaizdas.

Lęšį sudaro pora sferinių paviršių.
Lęšį sudaro pora sferinių paviršių.

Vienas sferinis paviršius nėra praktiškas didinimo įrenginys, kadangi mūsų akis ir didinamas objektas abu randasi ore. Dėl šios priežasties žmogus sugalvojo lęšį, kurį sudaro pora sferinių paviršių, o daiktų atvaizdai susidaro ore, kitoje lęšio pusėje. Taip veikia paprasčiausi padidinamieji stiklai bei visų trumparegių ir toliaregių žmonių “vaistai” – akiniai. Teleskopus gi sudaro didesnis lęšių kiekis. Kaip jau esu minėjęs praeitame tekste, pirmieji teleskopai turėjo porą lęšių.

Keli tipai gamtoje sutinkamų gyvūnų akių.
Keli tipai gamtoje sutinkamų gyvūnų akių.

Panašiu keliu yra pasukusi ir gamta: evoliucijos metu pas stambesnius gyvūnus susiformavo kameros tipo akys. Pas nautilus akis yra paprasčiausias sferinis paviršius su jame išdėstytais fotoreceptoriais, o šviesa patenka į akies vidų pro skylutę. Sudėtingesnės yra sausumoje gyvenančių gyvūnų akys – šviesa patenka į akies vidų pro sferišką paviršių, vadinamą ragena, į lęšiuką. Lęšiukas šviesą sufokusuoja į tinklainę, kurioje susižadina fotoreceptoriai ir vaizdinė informacija nukeliauja į galvos smegenys. Sudėtingesni sausumos ir jūros gyvūnai turi akis, kuriose lęšiukas yra atskiras akies darinys. Kai kurie jūros gyvūnai net išvystė akis, išnaudojančias šviesos atspindį nuo įgaubto paviršiaus – fotoreceptoriai “žvelgia” į vidinę akies pusę!

Akies lęšiuko židinio nuotolis įtakoja akies regos lauko dydį.
Akies lęšiuko židinio nuotolis įtakoja akies regos lauko dydį. Tinklainės centras parodytas žaliai, regos lauko dydį nusako erdvinis kampas a.

Gyvame pasaulyje lęšiuko dydis akyje daugiausiai priklauso nuo akies šeimininko matmenų. Stambesni gyvūnai turi stambesnes akis, smulkesni – smulkesnės. Tačiau šalia lęšiuko dydžio egzistuoja dar vienas svarbus matmuo – atstumas nuo lęšiuko iki akies tinklainės. Šis atstumas yra vadinamas lęšiuko židinio nuotoliu ir nuo jo stipriai priklauso regos laukas. Kiekvienos akies tinklainės centre galime rast tinklainės dalį, atsakingą už aštrų ir ryškų centrinį regėjimą – fovea centralis. Nuo šios tinklainės dydžio ir lęšiuko židinio nuotolio priklauso vienas svarbiausių gyvūno akies parametrų – regos laukas. Gyvūnai, kuriems būtinas didelis regos kampas, turi mažesnio židinio nuotolio lęšiukus negu tie gyvūnai, kuriems svarbu matyti į tolį.

Pakeisdami profesionalios fotokameros objektyvo židinio nuotolį mes keičiame ir regos lauką.
Pakeisdami profesionalios fotokameros objektyvo židinio nuotolį mes keičiame ir regos lauką.

Skirtingai nuo gyvūnų, žmonių pagamintose “akyse” lęšiukų židinio nuotoliai gali būti keičiami. Būtent tam yra naudojami skirtingų židinio nuotolių profesionalūs objektyvai, kuriuos galima patogiai nusiimti nuo fotokameros ir pakeisti kitu. Kadangi fotoaparato jautraus elemento dydis yra fiksuotas, nuimami objektyvai yra pagrindinė profesionali regos kampo keitimo priemonė. Objektyvai, kurių židinio nuotoliai yra maži, yra vadinami plataus kampo objektyvais – tokiuose įrenginiuose regos kampas yra didesnis nei 60°. Normaliuose objektyvuose regos kampas siekia apie 50 laipsnių, o nutolusių objektų fotografavimui naudojamų teleobjektyvų erdvinis regos kampas tėra keli laipsniai.

Fotoaparatų "vyzdžiai" - skirtingų dydžių apertūros.
Fotoaparatų “vyzdžiai” – skirtingų dydžių diafragmos.

Žmogaus sukurtos “akys” turi elementą, panašų į gyvo padaro akies vyzdį –  apertūras arba diafragmas. Fotografijoje šių “vyzdžių” dydžiai išreiškiami kaip santykis tarp lęšio židinio nuotolio bei plyšio skerspjūvio. Šie santykiai profesionalioje literatūroje bei optikos vadovėliuose vadinami “F-skaičiais“.

Ryškio gylis nuotraukoje priklauso nuo naudojamos diafragmos dydžio arba nuo F-skaičiaus.
Ryškio gylis nuotraukoje priklauso nuo naudojamos diafragmos dydžio arba nuo F-skaičiaus.

Jei esate bent kartą gyvenime primerkę savo akių vyzdžius, neturėtumėte nustebti sužinoję, kad nuotraukoje užfiksuotų vaizdų ryškumas priklauso nuo diafragmos dydžio. Fotografijoje diafragmos dydis per F-skaičių įtakoja ryškio arba ryškumo gylį nuotraukoje. Kuomet diafragmos plyšio matmuo yra mažas, didžioji dalis lęšio yra uždengta, o šviesos srautas pasiekiantis už lęšio esantį šviesai jautrų elementą sumažėja, tačiau yra išgaunama neįtikėtai ryški bei detali nuotrauka. Jei diafragmos plyšys yra didelis, lęšis yra beveik neuždengtas. Tokiais atvejais šviesos srautas yra didelis bei nuotrauka padaroma greičiau nei su mažesne diafragma, tačiau prieš paveiksluojamą objektą bei už jo esantys daiktai atrodo išblukę.

Diafragma keičia fotoobjektyvo ryškio gylį.
Diafragma keičia fotokameros objektyvo ryškio gylį.

Bendru idealaus lęšio atveju, ryškumo gylis priklauso nuo visų fotoaparato parametrų – lęšio židinio nuotolio, fotoelementų matricos dydžio ir fotografuojamo daikto padėties, tačiau realioje situacijoje tenka dar įskaičiuot šviesos difrakciją, lęšio netobulumus bei skirtingą stiklo lūžio rodiklį skirtingų spalvų šviesai.  Gyvuosiuose organizmuose didžia dalimi galioja tie patys dėsningumai, kadangi vyzdys optikos požiūriu yra ta pati diafragma. Tarkime, žmogaus akies atveju, jau paminėtas F-skaičius kinta nuo f/8.3 šviesioje aplinkoje iki f/2.1 tamsoje.

Žmogaus akies ryškio gylis mažiau priklauso nuo vyzdžio skersmens bei nuo erdvinių kampų nei idealaus lęšio atveju.
Žmogaus akies ryškio gylis mažiau priklauso nuo vyzdžio skersmens bei nuo erdvinių kampų nei idealaus lęšio atveju.

Žmogaus akies lęšiukas nėra idealus lęšis bei gali keisti savo židinio nuotolį, taip keisdamas savo laužiamąją gebą (tai dar yra vadinama akomodacija). Dėl šių ir kitų priežasčių žmogaus akies ryškio gylis ne taip stipriai priklauso nuo akies vyzdžio diametro. Mažesnė yra ir priklausomybė nuo erdvinių kampų, kai mes mūsų akį lyginame su stikliniu lęšiu. Žmogui gimus bei augant, keičiasi ir vidiniai akies matmenys, ir lęšiuko plastiškumas, dėl šios priežasties kūdikių ir vaikų akių ryškio laukas yra didesnis negu suaugusio žmogaus.

Gyvūnų pasaulyje akies vyzdžiai turi įvairiausias formas.
Gyvūnų pasaulyje akies vyzdžiai turi įvairiausias formas.

Jei mūsų akių vyzdžiai, kaip ir mūsų fotokamerų diafragmos, turi apskritimo pavidalą, gyvūnų pasaulyje stebima stulbinantį įvairovė: vertikalūs arba horizontalūs ir pailgi vyzdžiai, lotyniškų raidžių “w”, “u” formų arba dar sudėtingesni. Niekada nepastebėdavote, kad jūsų katės akis kitokia nei šuns? Jei auginate reptiliją arba turite akvariumą su žuvelėmis, turėjote pastebėti dar kitokias akių vyzdžių formas. Geras klausimas būtų, kodėl to gamtai prireikė?

Gyvūnų akies vyzdžio formos pasiskirstymas pagal mitybą (žoliaėdžiai, mėsėdžiai) bei aktyvumo langą (naktiniai, dieniniai).
Gyvūnų akies vyzdžio formos pasiskirstymas pagal mitybą (žoliaėdžiai, mėsėdžiai) bei aktyvumo langą (naktiniai, dieniniai).

Būtent šis klausimas sudomino mokslininkų grupę iš Kalifornijos universiteto. Tyrėjai išanalizavo 214 gyvūnų akių sandarą ir vyzdžių formą, o tyrimo rezultatus paskelbė praeitą savaitę “Science Advances” žurnale. Statistinę sausumos gyvūnų analizė parodė, kad katės akys su vertikaliu plyšiu yra būdingos daugiausiai naktiniams bei ištisą parą iš pasalų bemedžiojantiems plėšriems gyvūnams. Ožkos tipo akys su horizontaliu plyšiu yra visų pirma būdingos žoliaėdžiams gyvūnams, nors tarp dieninių plėšrūnų taip pat pasitaikydavo tokių formų vyzdžiai. Žmogaus tipo akys pasirodė esą būdingiausios plėšriems aktyviems gyvūnams, nors tokios pat formos akys pasitaikė ir pas žoliaėdžius, ir pas iš pasalų puolančius plėšrūnus.

Iš pasalų puolančių gyvūnų vertikalūs vyzdžiai padidindavo ryškio lauka lygiagrečiai horizontui.
Iš pasalų puolančių gyvūnų vertikalūs vyzdžiai padidindavo ryškio lauka lygiagrečiai horizontui.

Šioje vietoje turiu gerą klausimą skaitytojui, norinčiam trumpos protinės mankštos bei jaučiančiam malonumą išsprendus rebusą. Kaip Jus galvojate, koks bus katės akies vyzdžio ryškio laukas? Sunku atsakyti? Prisiminkite, ką jau esate perskaitęs. Vis dar sunku? Gerai, tuomet pasufleruosiu: paimkite didžiausią pjūvį (vertikalų) ir mažiausią (horizontalų) bei įsivaizduokite, jog akies vyzdys arba diafragma yra apvali. Jei vis dar galvojate, turite laiko atsakymui iki sekančios pastraipos pabaigos.

Katės akies diafragma turi didelį plyšį vertikalia kryptimi ir mažą – horizontalia kryptimi. Didelis F-skaičius vertikaliai kryptimi reiškia, kad vertikaliai katės ryškio laukas yra mažas, tačiau horizontaliai jis yra milžiniškas dėl mažo horizontalaus F-skaičiaus. Žmonių kalba tai reiškia, kad katė mato pasaulį kaip ryškią horizontalią liniją ir išblukusią vertikalią. Atrodo gana protingai, nes pelės ir kiti medžiojami gyviai laksto horizontaliu paviršiumi, todėl katei yra svarbu toli matyt būtent šioje plokštumoje. Pelės nešokinėja labai aukštai ir, šiaip, katės grobis visuomet įsitelkia į mažą vertikalų ryškio lauką, tad ir būtinybės ryškiai matyti vertikalia kryptimi tokiems plėšrūnams nėra. Tarp grobuonių su tokiais akių plyšiais yra krokodilai, kurie turi visuomet natūraliai horizontalią vandens paviršiaus ribą, ir gyvatės, kurios irgi juda palei žemės paviršių.

Regėjimo pobūdis pas plėšrūną (pelėda) ir žoliaėdį (balandis).
Regėjimo pobūdis pas plėšrūną (pelėda) ir žoliaėdį (balandis).

Plėšrūnai su katės tipo vertikaliais vyzdžiais vertikalios padėties nustatymui naudoja binokuliarumu pagrįsta stereoefektą. Tokių plėšrūnų akis yra prekinėje snukio pusėje. Horizontalią aukos padėtį šie gyvūnai nustato pagal vaizdo ryškumo praradimą. Anot tyrėjų, ryškio praradimas, kaip padėties nustatymo metodas, yra ypač efektyvus pas tuos plėšrūnus, kurių akys yra žemame aukštyje. Dėl šios priežasties grobuoniui su katės tipo akimis mažesnis vertikalus ryškio laukas yra net naudingas.

Gyvūnų su apskritiminiais ir horizontaliais vyzdžiais šviesos laidumo skirtingomis kryptimis palyginimas.
Gyvūnų su apskritiminiais ir horizontaliais vyzdžiais šviesos laidumo skirtingomis kryptimis palyginimas.

Žoliaėdžiams gyvūnas svarbiausia išgyvenimo strategija yra laiku pastebėti grobuonį. Kadangi žolės maistingumas yra gerokai menkesnis nei mėsos, tokie gyvūnai yra priversti pastoviai žiaumoti žolę ir tuo pačiu metu stebėti aplinką. Dėl šios priežasties jų akys yra išdėliotos ne prekinėje snukio dalyje, o snukio šonuose, tad bendras regos laukas yra stulbinamai didelis, tačiau pati rega lieka monokuline.

Dėl vyzdžio formos šių gyvūnų ryškio laukas nėra didelis horizontalia kryptimi, tačiau nereikia pamiršti, kad skirtingai nuo naktinių grobuonių, žoliaėdžiams tenka saugotis ir nuo akinančio saulės, todėl horizontalūs akių vyzdžiai ne tik užtikrina panoraminį vaizdą bet ir pagerina regėjimą dienos metu. Dėl horizontalios diafragmos formos, potencialioms plėšrūnų aukoms yra lengviau matyti kur jiems reiktų sprukti nuo persekiojimo: tokia vyzdžio forma užtikrina ryškesnį žemės paviršiaus vaizdą bei leidžia geriau matyti artėjantį paviršiaus profilį.

Kaip matome, evoliucija yra neįtikėtinai gabus optikos inžinierius: plėšrūnai gavo savo akis tam, kad tiksliau ir geriau medžiotų, o jų aukos gavo geresnes akis tam, kad galėtų sėkmingai nuo jų pasprukti.

6 thoughts on “Ką bendro turi fotokameros ir akys arba gamta mokslininko vaidmenyje”

Leave a Reply