Почему у коршуна острое зрение
Часто, восхищаясь превосходным зрением хищных птиц, мы задаёмся вопросом, какие же особенности глаза позволяют им так хорошо видеть. Даже с максимально точной и чувствительной матрицей глаза — сетчаткой — выследить мелкую добычу в траве может быть сложно. Ответ биологи нашли в молекулярном строении хрусталика.
В рамках информационного партнёрства с научно-популярным сайтом biomolecula.ru публикуем журнальный вариант статьи, которая была представлена на конкурс «Био/мол/текст»-2022/2023 в номинации «Своя работа».
«Глаз, как у орла» — говорят про людей с особо острым зрением, что не случайно. Коршуны и орлы способны разглядеть маленькую мышь с расстояния в несколько десятков и даже сотню метров — это необходимо для успешной охоты и выживания в целом. Строение глаза у этих птиц и впрямь уникально и заметно отличается от человеческого.
Если говорить об анатомии, то размер глаза птиц наибольший по отношению к величине тела среди всего царства животных, а сетчатка замощена фоторецепторными клетками с высочайшей плотностью. Цилиарные (ресничные) мышцы обеспечивают мгновенную аккомодацию хрусталика, а специальный глазной гребень позволяет значительно уменьшить количество кровеносных сосудов на сетчатке и повышает её чувствительность*. Сетчатка птиц так же, как и у большинства других животных, содержит два вида фоторецепторов — палочки и колбочки. Первые не чувствительны к цвету и отвечают прежде всего за ночное зрение, тогда как вторые полностью обеспечивают цветное зрение.
* Глазной гребень представляет собой гребенчатую структуру кровеносных сосудов, принадлежащих сосудистой оболочке глаза птицы. У других позвоночных сетчатка содержит большое количество сосудов, необходимых для транспорта питательных веществ, и прежде чем достигнуть фоторецептора, свет может рассеиваться на этих сосудах, что не очень хорошо сказывается на зрении. А у птиц, благодаря глазному гребню, эта проблема решается.
Яркое отличие глаза птицы — наличие не трёх, как у человека, а четырёх или даже пяти типов одинарных колбочек (рис. 1): «красные» (LWS), «зелёные» (MWS), «синие» (SWS), а также «фиолетовые» (VS) и «ультрафиолетовые» (UVS). Среди фоторецепторных клеток птиц есть ещё и двойные колбочки, но останавливаться на них мы не будем.
Палитра колбочек у птиц отличается от вида к виду: некоторые различают цвета так же, как человек, другие наблюдают больше оттенков фиолетового, а кто-то из них видит даже ультрафиолет (УФ). У последних УФ-излучение, а точнее его часть, наиболее близкая по энергии к видимому излучению (УФ-А), проникает через все оптические элементы глаза — роговицу, хрусталик, водянистую влагу и стекловидное тело — и беспрепятственно доходит до сетчатки (рис. 2). Там свет поглощается и преобразуется в нервный импульс. Такая картина характерна для большинства воробьиных, голубей, колибри и многих других видов птиц.
Восприятие ультрафиолета играет большую роль в жизни этих пернатых: при коммуникации, поиске пищи, обнаружении хищника и во время охоты. Но реальность такова, что сетчатка дневных хищных птиц, как правило, не настроена на ультрафиолет: максимум восприятия их «фиолетовых» колбочек приходится на 400 нм (рис. 1B). Но хотя максимум чувствительности и не попадает в УФ-область, ширина спектра всё же обеспечивает поглощение данного типа излучения колбочками. Кроме того, палочки тоже имеют достаточно широкий спектр восприятия: от 300 до 600 нм. Выходит, что у многих птиц, в частности у дневных хищников, сетчатка восприимчива к излучению, начиная с ближнего УФ-А-диапазона. Но всем ли птицам так необходимо видеть ультрафиолетовое излучение?
О хрусталике и хроматической аберраци
Итак, глаз птицы — почти идеальная оптическая система, но даже в ней есть недостатки. Например, дисперсия света в хрусталике приводит к хроматической аберрации. Что это такое и почему это плохо?
Хроматической аберрацией называется искажение изображения при прохождении света через преломляющие оптические элементы, вызванное зависимостью показателя преломления от длины волны излучения, то есть дисперсией. Представим пучок белого света. Этот свет полихроматический, то есть состоит из множества лучей разных цветов и, соответственно, длин волн. При прохождении через прозрачную призму каждый луч преломляется со своим коэффициентом преломления и белый световой пучок раскладывается на цветовой спектр (рис. 3). То же самое происходит при прохождении света через собирающую линзу: цветные лучи сфокусируются на разном расстоянии от линзы, и световой поток будет собран не в точку, а в пятно конечного размера.
Хрусталик глаза по сути ничем не отличается от обычной собирающей линзы. Соответственно, в хрусталике никуда не деться от дисперсии света. Поэтому после прохождения через все преломляющие элементы глаза изображение на сетчатке будет размытым (рис. 4). Наибольший вклад в хроматические аберрации и размытие изображения на сетчатке вносит ультрафиолетовое излучение, так как его показатель преломления наибольший, по сравнению со всеми цветами видимого диапазона. Это, конечно, относится только к тем животным, сетчатка которых воспринимает УФ, — таких в мире достаточно много, включая и некоторых птиц.