ดินแดนมหัศจรรย์แห่งการมองเห็น: วิทยาศาสตร์การมองเห็นจากโฟตอนสู่ปรัชญา

ตาที่มองเห็น: ความหลากหลายของวิสัยทัศน์

ที่น่าอัศจรรย์ในธรรมชาติ Michael F. Land สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด (2018)

หอยเชลล์หลายตาใช้กระจกสะท้อนแสง บางอย่างเช่นกล้องโทรทรรศน์ กุ้งตั๊กแตนตำข้าวมีตัวรับสี 12 คลาสสำหรับ 3 ตัวของเรา การค้นพบนี้ในวิทยาศาสตร์การมองเห็นเป็นเพียงสองเหตุการณ์สำคัญในหลาย ๆ เหตุการณ์ในเส้นทางของนักประสาทวิทยา Michael Land ที่คดเคี้ยวผ่านหัวข้อในภาคสนาม ตั้งแต่ฟิสิกส์เชิงแสงของการทำงานของตาไปจนถึงประสาทชีววิทยาของวิธีที่สมองตีความปรากฏการณ์ทางแสง . Eyes to See คือการเดินทางของนักวิทยาศาสตร์ที่เดินตามจมูก (และตา) ของเขาไปยังสิ่งที่ทำให้เขาหลงใหล

หนังสือเล่มนี้ได้รับการจัดระเบียบอย่างอิสระเกี่ยวกับอาชีพของ Land เปิดตัวด้วยการค้นพบกลไกการสะท้อนที่แปลกประหลาดของดวงตาหอยเชลล์ในปี 1960 Land เปลี่ยนไปสู่วิวัฒนาการของดวงตาในวัยแรกรุ่นอย่างรวดเร็ว ที่นี่ เขาสรุปการสังเคราะห์เชิงฟังก์ชันของ Dan-Eric Nilsson นักสัตววิทยาอย่างชัดแจ้ง ซึ่งเชื่อมโยงความต้องการต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพของการจับแสงเข้ากับนวัตกรรมด้านการมองเห็น เช่น การทำรายละเอียดเพิ่มเติมของเยื่อหุ้มเซลล์ นวัตกรรมเหล่านี้รองรับวิวัฒนาการของดวงตาสี่ขั้นตอนหลัก: การมองเห็นแบบไม่มีทิศทาง ทิศทาง ความละเอียดต่ำ และความละเอียดสูง

ดำดิ่งสู่ประวัติศาสตร์ เช่น การมีส่วนร่วมของนักวิทยาศาสตร์จากศตวรรษที่ 19 ซิกมุนด์ เอ็กซ์เนอร์ พร้อมด้วยเกร็ดเล็กเกร็ดน้อยสนุกๆ และหลักการเกี่ยวกับการมองเห็นที่อธิบายไว้อย่างชัดเจน เขาเล่าถึงวิธีที่เขาและเพื่อนร่วมงานยิงพริกไทย มันฝรั่ง และถั่วลันเตาเป็นชิ้นๆ เข้าหาแมลงวันตัวผู้ ซึ่งเข้าใจผิดคิดว่าเป็นวัตถุสำหรับตัวเมีย ขณะที่เพื่อนร่วมงานอีกคนนอนหงายเพื่อบันทึกภาพการไล่ตามของแมลงวัน Land อธิบายถึงทัศนศาสตร์ของดวงตาประกบของสัตว์ขาปล้อง ซึ่งรวมถึงตาซ้อนและตาซ้อน ทั้งสองแบบสะท้อน (ค้นพบร่วมกันโดย Land) และการหักเหของแสง ดวงตาซ้อนรวมแสงจากหลายแง่มุมไปยังตัวรับเดียวและพบได้ในแมลงออกหากินเวลากลางคืนจำนวนมาก

ตั๊กแตนตำข้าวสีสันสดใสโผล่หัวออกมาจากรูที่จุดดำน้ำในอินโดนีเซีย

ตั๊กแตนตำข้าวมีตัวรับ 12 สีในดวงตา มนุษย์มีเพียง 3.Credit: Colin Marshall/FLPA

สิ่งมหัศจรรย์ใต้น้ำ

เพื่อศึกษาดวงตาของสัตว์น้ำลึก แลนด์ใช้เวลากับเรือวิจัย เขาเขียนลายพราง ตัวอย่างเช่น ปลาด้านเงินจะสะท้อนภาพแนวนอนที่เป็นเนื้อเดียวกันของทะเลเปิดเพื่อผสมผสานเข้าด้วยกัน การเรืองแสงทางชีวภาพมักถูกปรับใช้เพื่อให้เข้ากับแสงที่ตกต่ำและหลีกเลี่ยงการทำให้เกิดเงา ที่ส่วนลึกนี้ เรายังพบกับสิ่งมีชีวิตที่น่าทึ่งอื่นๆ เช่น ไฮเปอร์อิดแอมฟิพอดและปลาสปุ๊กฟิช Dolichopteryx longipes ซึ่งมีตาสองชั้นแปลกประหลาดที่มองตรงขึ้นและลงเพื่อใช้ประโยชน์จากแสงในแนวตั้งของสิ่งแวดล้อม

แม้แต่ดวงตาที่วิจิตรบรรจงที่สุดก็ไม่มีประโยชน์หากไม่มีสมองในการตีความและใช้ข้อมูล ในการตรวจสอบประสาทชีววิทยา อันดับแรก Land จะพิจารณาว่าสัตว์รู้จักสิ่งต่างๆ อย่างไร เขาพบว่าจากการทดลองม้วนสำลีและรถของเล่นที่ควบคุมจากระยะไกล ปูไวโอลินใช้กฎง่ายๆ ในการตรวจจับคู่หูหรือผู้ล่าที่อาจเป็นไปได้ อะไรก็ตามที่มองเห็นได้เหนือขอบฟ้านั้นใหญ่กว่าปูและเป็นศัตรู ดังนั้น ปูจึงถูกหลอกได้ง่าย แม้กระทั่งโดยรูปร่างง่ายๆ ที่แสดงให้พวกมันเห็นโดยผู้ทดลอง Land ยังเล่าว่าในปี 1968 เขาได้พัฒนา ophthalmoscope สำหรับแมงมุมกระโดดตัวเล็ก เช่น Phidippus johnsoni เพื่อติดตามการเคลื่อนไหวของดวงตาในยุคก่อนวิดีโอ ด้วยเหตุนี้ เขาจึงค้นพบบางอย่างที่คล้ายกับโปรแกรมการเคลื่อนไหวของดวงตาที่แมงมุมใช้ตรวจหาคู่ครอง ตัวอย่างเช่น โดยการมองหาขา จักษุแมงมุมเป็นหนึ่งในเรื่องราวที่ชัดเจนที่สุดในหนังสือความเฉลียวฉลาดทางวิทยาศาสตร์ของแลนด์

ทิ้งสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังไว้เบื้องหลัง แผ่นดินเคลื่อนเข้าหามนุษย์ ในขณะที่เขาเขียน เราสามารถสื่อสารเกี่ยวกับสิ่งที่เราเห็น ทำให้บางแง่มุมของการมองเห็น — โดยเฉพาะอย่างยิ่งการรับรู้ — ศึกษาในมนุษย์ได้ง่ายกว่าใน (พูด) ตั๊กแตนตำข้าว เขาได้ใช้เครื่องมือติดตามการมองเพื่อเรียนรู้ว่าผู้คนมองไปทางไหนเมื่อขับรถเข้าโค้ง อ่านคำหรือเพลง หรือตีคริกเก็ต งานวิจัยนี้ขยายไปสู่ขอบเขตของจิตวิทยา – การตรวจสอบภาพจิตของสีและความลึก – และอื่น ๆ ไปจนถึงขอบเขตทางปรัชญาเช่นจิตสำนึก

ภาพระยะใกล้ของปากหอยเชลล์ธรรมดาที่มีดวงตาเหมือนลูกปัดสีเข้ม

นัยน์ตาของหอยเชลล์มีโครงสร้างคล้ายกล้องส่องทางไกล เครดิต: BSIP/Getty

หลังเลนส์

ฉันมีคำวิพากษ์วิจารณ์เล็กน้อย อย่างแรก ตัวอย่างของทุนการศึกษาที่ล้าสมัยพริกไทยหนังสือ ตัวอย่างหนึ่งคือการอภิปรายของ Land เกี่ยวกับเลนส์ดัชนีชี้วัดระดับสีในสัตว์น้ำ ซึ่งมีกำลังสูงโดยไม่มีความคลาดเคลื่อนของทรงกลม โดยใช้การเปลี่ยนจากกำลังการหักเหของแสงต่ำไปเป็นสูงอย่างราบรื่น Land แนะนำว่าการจัดเรียงโปรตีนของเลนส์ที่มีการจัดระดับนั้นยังคงเป็นปริศนา สิ่งนี้ละเว้นงานที่มีรายละเอียดสูงโดยนักชีวฟิสิกส์ Alison Sweeney และเพื่อนร่วมงานของเธอเกี่ยวกับเลนส์ปลาหมึกซึ่งแสดงให้เห็นว่าโปรตีน – ทำซ้ำและมีขนาดแตกต่างกันอย่างไร – บรรจุในความหนาแน่นต่างกันเพื่อสร้างการเปลี่ยนแปลงที่ราบรื่นในดัชนีการหักเหของแสง (AM Sweeney et al. JR Soc. อินเทอร์เฟซ 22 , 685–698 (2007); J. Cai และคณะ วิทยาศาสตร์ 357, 564–569; 2017)