В материале «На пазорях и матка дурит» я рассказывал о природе и спектре полярных сияний. Сама статья была навеяна впечатлениями от трилогии Филипа Пулмана «Тёмные начала», которую я прочитал в течение 2020-2021 года. При подготовке вышеупомянутой статьи меня особенно заинтересовал факт, что цвет некоторых полярных сияний простирается и в ультрафиолетовую часть. Тогда я задумал как-нибудь написать и о границах зрения (человеческого и не только), а также о возможностях эти границы расширить. Вот и настал час этой публикации.

UPD: 25 января команда «Биореактор» опубликовала в корпоративном блоге компании FirstVDS пост «Кибернетические глаза — реальность? ARGUS-II, или второе зрение». Этот пост рассказывает не столько о расширении видимого спектра, сколько о технологических способах борьбы со слепотой, но наверняка заинтересует и читателей моей сегодняшней статьи.

Пределы видимого спектра обусловлены эволюционными и физическими (оптическими) факторами. В оптическом отношении глаз всех млекопитающих устроен очень схоже, отличия прослеживаются преимущественно в количестве светочувствительных клеток — колбочек и палочек — но не в их устройстве. Колбочки отвечают за цветное («дневное») зрение, а палочки — за различение объектов в сумерках и почти полной темноте. В глазу человека содержится 4-5 миллионов колбочек и более 90 миллионов палочек. Колбочки сосредоточены в жёлтом пятне за сетчаткой, которое и отвечает за цветное зрение, а палочки рассредоточены по всему глазному дну, и именно в жёлтом пятне их меньше всего. Фасеточный глаз членистоногих устроен существенно иначе, нежели выпуклый глубокий глаз хордовых, так как насекомому, по-видимому, эволюционно важно не столько «рассмотреть», сколько «заметить» что-либо. Подробнее я писал об этом в статье о фасеточном зрении.

Сегодня уже известно, что расширить видимый спектр человека в ближний инфракрасный диапазон можно как биохимическими, так и бионическими методами, а увидеть ультрафиолет человеку значительно сложнее. Тем не менее, и ультрафиолет, вероятно, доступен для восприятия в результате хирургического вмешательства или мутации. Рассмотрим эти аспекты подробнее.

Биохимия зрения

Итак, глаз оснащён клетками-колбочками, отвечающими за цветовосприятие. У нас три типа колбочек, но большинство млекопитающих обходятся двумя, и поэтому палитра их зрения значительно беднее, чем у нас. Вот, например, как видят одну и ту же сцену человек и собака:

У других животных, например у колибри, видимый спектр шире нашего или сдвинут по сравнению с нашим. Колибри видит гораздо дальше в ультрафиолетовую часть спектра, но не так хорошо воспринимает красные и оранжевые оттенки. Вот как соотносится видимый спектр у человека и у птицы.

Диапазон человеческого цветовосприятия начинается с красного (длина волны около 750 нм) и заканчивается фиолетовым (380 нм). Инфракрасные волны длиннее красных, часть из них мы воспринимаем как тепло. Ультрафиолетовые волны здоровый человек вообще не воспринимает, однако реагирует на поток ультрафиолета, вырабатывая меланин (загорает).

Монохромные цвета радуги часто именуются спектральными. Цвет «возникает», когда свет стимулирует преимущественно один из трёх типов колбочек либо колбочки двух «смежных» типов. Цвета, не входящие в радугу, возникают при стимуляции колбочек «несмежных» типов. Например, человек видит пурпурный цвет, когда свет воздействует одновременно на «красные» и «синие» колбочки, а на «жёлто-зелёные» при этом почти не воздействует. Но у птиц имеется и четвёртый тип колбочек, благодаря чему птичье цветовосприятие гораздо богаче человеческого и допускает различные комбинации ультрафиолетового с красным и ультрафиолетового с зелёным.

Такая расширенная полоса и тонкая фрагментация зрения даёт птицам эволюционное преимущество, поскольку позволяет с большей точностью различать цветы и ягоды. Среди птиц дальше всех в ультрафиолетовый спектр способны заглянуть колибри, питающиеся нектаром и, подобно насекомым, отличающие цветы со «вкусным» и «невкусным» наполнителем. Именно поэтому зрение бабочек и пчёл развито ещё лучше, чем у птиц. Многие бабочки, кажущиеся нам белыми, в ультрафиолетовом спектре сильно отличаются. У них на крыльях проступают узоры, указывающие не только на видовую принадлежность, но и на половой диморфизм.

С другой стороны, эволюция не предусмотрела чисто оптических адаптаций, которые позволяли бы заглянуть в инфракрасный спектр. Однако у многих змей есть специальные теплочувствительные органы, расположенные в углублениях на морде. Особенно развиты такие точки у питонов и гремучих змей; кстати, отряд, к которому относятся гремучие змеи, называется «ямкоголовые». На рисунке, взятом отсюда, показано, как гремучая змея чует мышь. Визуальный и зрительный сенсорные пути у неё отличаются. Фактически, когда мышь находится в поле зрения гремучей змеи, та видит сразу два изображения мыши: оптическое и тепловое.

Вернёмся к человеческому зрению. Чувствительный пигмент колбочек называется йодопсин, а чувствительный пигмент палочек — родопсин. Родопсин на свету быстро выцветает, поэтому работает только в сумерках или полутьме. Пик цветовосприятия йодопсина относится к диапазону 530-560 нм (жёлтые и зелёные оттенки), а с удлинением длины волны активность восприятия монотонно ослабевает.

В 2014 году было опубликовано исследование, согласно которому человеческий глаз при определённых условиях может воспринимать ближний инфракрасный спектр, и ключ к этому заключается именно в устройстве родопсина. Опсин — это белковая составляющая родопсина, а кроме опсина в его молекулу входит также остаток под названием 11-цис-ретиналь. При ровной стимуляции теплом родопсин изомеризуется в случае правильного попадания двух фотонов. Тогда, по данным этого исследования, человек улавливает вспышки инфракрасного света длиной до 1050 нм (человеку они кажутся бледно-зелёными). С воспроизводимостью эксперимента позже возникали проблемы, но, как бы то ни было, такой эффект вряд ли достижим вне лаборатории. Поток более длинных инфракрасных волн станет «шумом», в котором описанный «сигнал» просто утонет.   

Сe6 и A2

Но в 2012 году за дело взялся биохакер Габриэль Лисина. Он решил во что бы то ни стало «накатить» человеку инфракрасное зрение и начал с себя.

Под контролем врача ему закапали в глаза по 50 микролитров хлорина-6 (Ce6) – это тёмно-зелёный пигмент, аналог хлорофилла. Данное вещество выглядит как тонкий почти чёрный порошок и применяется при лечении рака. Около 2012 года у него был обнаружен интересный побочный эффект: оказалось, что хлорин-6 улучшает ночное и сумеречное зрение. Привыкнув к действию препарата и дождавшись темноты, Лисина в компании с «контрольной группой» попробовал распознавать в полутьме различные фигуры, символы и людей на расстоянии 10, 25 и 50 метров. Люди из контрольной группы давали 33% правильных ответов, а Лисина не ошибся ни разу.  

Об опытах Лисины узнал биохакер Джеффри Тиббетс, предположивший, что острота ночного зрения может быть усилена другим биохимическим способом (диетически). Он решил, что витамин А (содержится в молочных продуктах и овощах) можно заменить похожим веществом -  витамином A2; этот препарат люди, как правило, не употребляют. В течение 25 дней Лисина и Тиббетс не принимали никакой пищи, в которой может содержаться обычный витамин А, употребляли, в основном, арахис и белый лук. По их гипотезе, витамин А2 должен был сдвинуть вниз границу видимого спектра.

В 2014 году они достигли успеха (на Хабре об этом даже публиковалась новость). Методом электроретинографии было показано, что человек на описанной диете уже через две недели видит вспышки света с длиной волны 960 нм, после чего можно забраться в инфракрасный спектр вплоть до 1200 нм.

Тем не менее, такой опыт кажется безопасным, лишь если он краткосрочный. В среднесрочной перспективе у человека серьёзно улучшается ночное зрение, но падает дневное. Если придерживаться диеты на витамине А2 около года, то возможны необратимые патологические изменения иммунитета. Тем не менее, когда это биохакеров останавливали такие мелочи?

Нанодобавки и микрохирургия глаза

По-видимому, расширять спектр зрения значительно удобнее при помощи нанотехнологий, чем при помощи биотехнологий. В 2019 году группа из Научно-технологического университета Китая под руководством Сю и Цзинь Бао совместно с Ган Ханем из Медицинской школы при Массачусетском технологическом институте закрепляли на клетках сетчатки у подопытных мышей. Хань предположил, что фоторецептор сетчатки просто не успевает уловить инфракрасную волну; она настолько длинная, что фоторецептор успевает «сброситься».

Но если к фоторецепторам прикрепляются наночастицы из тербия или иттербия, то частица действует в качестве светового преобразователя. В опытах китайских учёных удалось «показать» мышам инфракрасный свет с длиной волны 980 нм — он преобразовывался в волны с длиной 535 нм, то есть, казался зеленоватым. Мыши определённо реагировали на инфракрасный свет, в частности, у них сужались зрачки.

Преобразовать ультрафиолет в видимый свет несколько проще, поскольку существуют флуоресцентные молекулы, которые поглощают излучение в ближнем ультрафиолете, а испускают уже в видимом спектре, например дают зелёный свет. Для такой цели могут применяться многие лазерные красители (Stilbene-420), а также хорошо изученные белки, в частности, зелёный флуоресцентный белок (GFP). Эти вещества кажутся нам флуоресцирующими, так как рассеивают (удлиняя волну) ближний ультрафиолет. В 2020 году было опубликовано совместное американо-китайское исследование, по данным которого лазерные красители могут наноситься на светозащитные очки, блокирующие длинноволновой свет, а пропускающие коротковолновой и ультрафиолетовый. Флуоресцентные белки, в свою очередь, настолько безвредны, что могут наноситься на сетчатку (микродозы лазерных красителей также можно вводить в глаз в смеси с яичным белком или с бычьим сывороточным альбумином). Теоретически можно было бы вживлять человеку комбинированный светофильтр, который позволял бы одновременно воспринимать инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет.

В настоящее время существуют разработанные в Техасском университете очки-прототип, позволяющие увидеть такую картинку. Тем не менее, они дают эффект только при условии, что свет очень сильный, и плохо фильтруют визуальный шум.

Моне и хрусталик

По-видимому, в рамках человеческой изменчивости встречаются особи, улавливающие на грани зрения ближайший ультрафиолет. Он кажется человеку бледно-фиолетовым оттенком. Тем не менее, чтобы расширить человеку спектр зрения в ультрафиолет, достаточно удалить хрусталик. Одна из важнейших функций хрусталика заключается в блокировании ультрафиолета. При афакии (врождённом или приобретённом отсутствии хрусталика) острота зрения сильно снижается из-за того, что не работает аккомодация глаза, но видимый спектр измеримо расширяется.

Возможно, самый поразительный опыт такого рода пережил в старости Клод Моне (1840 – 1926). Зрение у великого художника начало падать в 1905 году: у него стала развиваться катаракта.

Катаракта возникает из-за накопления белков на хрусталике. Хрусталик становится мутным и желтоватым, часть света перестаёт в него попадать, а часть рассеивается. В старости катаракта — распространённый недуг, но Клода Моне болезнь настигла раньше обычного, возможно, из-за долгой и активной работой со свинцовыми красками.

По-видимому, вплоть до середины 1910-х Моне отчаянно игнорировал проблему. При катаракте зрение снижается из-за «бликов», поэтому художник пытался носить шляпу с полями и работать в сумерках, когда естественный свет был наиболее мягким.

Согласно некоторым данным, к 1920 году Моне уже ничего не видел правым глазом (только отличал свет от тьмы), а зрение левого глаза упало до 10% от нормы. Поэтому в 1923 году он решился на операцию по удалению катаракты.

Врач прооперировал ему всего один глаз (вероятно, правый) – на случай, если в результате глаз полностью ослепнет, старик что-то мог видеть другим глазом. Однако операция помогла, и Моне даже вернулся к живописи.   

А это картина «Кувшинки. Облака», законченная Моне в 1926 году. В конце жизни Моне старался править ранее начатые картины, серьёзно сдвигая их спектр в бледно-фиолетовый. В особенности его смущали цветы и их оттенки. Вполне возможно, что он видел цветы «по-пчелиному», поэтому пытался передать вновь открывшиеся оттенки. Цветовосприятие без хрусталика определённо заслуживает более тщательного изучения и клинических исследований.

Заключение

Расширение видимого спектра, очевидно, связано с его разграничением на видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый сегмент. Кроме естественного ночного зрения такие модификации вполне позволили бы человеку видеть текст, читаемый в ультрафиолетовом диапазоне, либо рассматривать узоры или капчи, не видимые невооружённым глазом. Возможно, все эти доработки зрения потребует совместить оптический глаз с фасеточным, но эти вопросы я предпочту вынести в комментарии.