silmä | Tiedetuubi

Päivän kuva

Oletko koskaan katsonut vuohen silmiin? Jos olet, niin et ole voinut olla huomaamatta, että sen mustat pupillit ovat kovin omalaatuiset: neliskanttiset.

Silmä toimii vähän kuin kamera, missä on linssi, filmin tai kennon virkaa ajava verkkokalvo, sekä biologinen himmennin, eli pupilli. Samoin kuin himmennin kamerassa, silmän pupillin kokoa muuttamalla voidaan säätää verkkokalvolle pääsevän valon määrää, ja sen suhteellinen koko vaikuttaa kuvan syvyysterävyyteen niin, että pienemmällä aukolla saavutetaan suurempi syvyysterävyysalue.

Tarkalleen ottaen silmän "himmentimeen" kuuluu pupillin, eli mustuaisen lisäksi värikalvo ja siinä olevat lihakset, jotka muuttavat pupillin kokoa. Pupilli on värikalvon keskellä oleva aukko, joka näyttää mustalta, koska siihen saapuva valo absorboituu suurimmaksi osaksi silmän sisäosan kudoksiin.

Pupilli suurenee hämärässä valaistuksessa, jotta verkkokalvolle saataisiin kerättyä suurempi määrä valoa. Kirkkaassa valaistuksessa pupilli taas pienenee.

Eläinten pupillien toimintaperiaatteet ovat yleensä samanlaisia, mutta pupillin muoto on kehittynyt ajan kuluessa hieman erilaiseksi eri olosuhteissa oleville eläimille. Pupilli on yksi luonnon erinomaisista todisteista siitä, miten evoluutio toimii ja muokkaa ominaisuuksia.

Ihmisen silmän pyöreä pupilli on omiaan vaihtelevissa olosuhteissa, sillä se toimii mainiosti päivällä ja vaihtelevissa valaistusolosuhteissa.

Tosin pimeässä se ei ole kaikkein parhaimmillaan, joten esimerkiksi päivällä ja yöllä saalistavien kissaeläinten pupillit ovat tyypillisesti pystyssä oleva rako. Ne erottavat hämärässä hyvin ylhäällä ja alhaalla olevia kohteita, kuten esimerkiksi lintuja puissa ja päästäisiä pensaissa. Kissojen lisäksi mm. käärmeillä ja krokotiileilla on pystyssä olevat viirumaiset pupillit.

Useiden kasvissyöjien pupillit ovat taas vaakasuoraan soikeita tai jopa neliskulmaisia, koska silloin pupillin kokoa pystysuunnassa muuttamalla silmä sopeutuu valon muutoksiin, mutta pystyy pitämään raon vaakatasossa leveänä. Tällöin silmä on herkkä, mutta sen syvätarkkuus horisontin suunnassa on parempi, mistä on suurta apua esimerkiksi vuohille ja lampaille, jota laiduntavat yleensä vuoristossa tai hankalassa maastossa.

Alpakoilla ja laamoilla pupilli voi supistua niin paljon, että kulmion sijaan niissä voi olla lopulta vain pienet aukot pupillin päissä. Tämä johtuu todennäköisesti siitä, että korkealla vuoristossa Auringon valo on hyvin kirkasta.

Lisäys klo 10:15
Myös mustekaloilla on neliskulmaiset pupillit, seepioilla jopa viirumaiset. Muutamilla muilla merenelävillä on myös omalaatuisia pupilleja, kuten helmiveneillä (Nautiloidea), joiden neulanreikämäisen silmän aukko on muodoltaan kuin laiha, pystysuora pisara.

Kuvakäsitelty kuva silmästä mikroskoopissa

Jari Mäkinen

Päivän kuva Netissä ja sen tiedettä huutomerkeillä esittelevillä sivuilla näkee kaikenlaisia hauskoja ja upealta näyttäviä kuvia. Ja hyvä niin, sillä upeita kuvia on tieteen maailma pullollaan.

Mutta mukana on varsin paljon myös tällaisia yllä olevan kuvan kaltaisia kuvia, jotka valehtelevat.

Kuvatekstin mukaan tässä on näky mikroskoopin alapuolelta otettuna siten, että sieltä – tutkittavan kohteen paikalta – voisi katsoa ylös mikroskooppiin ikään kuin väärästä päästä. Kuva antaa ymmärtää, että sieltä näkyisi silmä, joka katsoo alas mikroskooppiin.

Silmä voikin olla katsomassa mikroskooppiin, mutta se ei näkyisi kyllä näin. Ensinnäkin mikroskoopin optiikka on sellainen, että kuva silmästä olisi hyvin, hyvin pieni; periaate on sama kuin kiikareihin "väärältä" puolelta katsoessa, jolloin kaikki näkyy kovin pienenä. Toiseksi ihmisen silmän sisällä ei ole valoa, joka toisi näkyviin iiriksen ja pupillin näin hyvin. Koska mikroskoopin sisälläkään ei ole valoa, joka valaisisi ne ulkoapäin, näkyisi silmä mikroskoopin läpi mustana. Oikeasti kuva olisi siis musta.

Erilaisia linssisysteemejä viritelleet friikit huomaavat vielä yhden virheen: pupilli ei ole aivan keskellä, ja jotta tällainen kuva edes periaatteessa olisi mahdollista ottaa, pitäisi alla olevan kameran, mikroskoopin linssien ja silmän olla aivan samalla suoralla.

Kyse on siis kuvasta, missä on mikroskoopin alapuolelta otettu kuva ja käsitelty kuva silmästä on laitettu yhteen – mutta mitä siitä, kuva on kaunis! On hienoa nähdä tällaisia kuvia, kuten vielä hurjempiakin kuvamanipulaatioita, mutta niitä esiteltäessä olisi mukavaa kertoa, että kyse ei ole "todellisesta" kuvasta. Oikeita, upeita ja todellisia kuviankin on tarjolla vaikka kuinka...

Silmien laserleikkauksen ovat nykyisin hyvin tavallisia, mutta harva tulee ajatelleeksi, että leikkauksen aikana lasersäteen tarkkaan ohjaamiseen käytettävä silmien liikkeiden tunnistuslaitteisto kehitettiin aikanaan avaruuslentoja varten.

Kun katsot tiettyyn suuntaan tai johonkin kohteeseen, ja käännät tai puistelet päätäsi, niin silmäsi kääntyvät ylös, alas ja sivuille automaattisesti siten, että ne katsovat aina mahdollisimman suoraan alkuperäiseen paikkaan. Tämä luonnollinen reaktio tapahtuu refleksinomaisesti, emmekä kiinnitä siihen lainkaan huomiota.

Vaikka et tee tietoisesti mitään silmien kääntämiseksi, aivosi ottavat kuitenkin koko ajan vastaan havaintotietoa tasapainoelimiltäsi korvien sisällä ja kääntävät silmiä sen mukaisesti. Painovoima toimii tässä referenssisuuntana; tasapainoaisti käyttää sitä hyväkseen määrittääkseen pään asentoa. Samaan tapaan käytännössä kaikki eläimet Maan päällä aina dinosauruksiin saakka ovat sopeutuneet käyttämään painovoimaa kertomaan itselleen mikä suunta on ”alaspäin” ja mikä ”ylöspäin”.

Tämä painovoiman mukaan silmiä kääntävä kykymme kiinnosti berliiniläistä professori Andrew Clarkea, joka ryhtyi tutkimaan asiaa työryhmineen Kansainvälisellä avaruusasemalla olevien astronauttien kanssa.

He kehittivät erityisen kypärää muistuttavan päähineen, joka pystyi seuraamaan astronauttien silmien liikkeitä hyvin tarkasti siten, että laitteisto tai sen toiminta ei haitannut astronauttien normaalia työntekoa. Laitteisto käytti hyväkseen tavallisissa digikameroissa olevia kuvakennoja ja pystyi käsittelemään tietoa reaaliajassa.

Kymmenen vuotta sitten ensimmäiset astronautit käyttivät laitetta avaruusasemalla ja sen jälkeen laitteella kerättiin tietoja rutiininomaisesti neljän vuoden ajan.

Tulokset osoittivat selvästi, että tasapainoaistimme ja silmien hallinta muuttuvat olennaisesti painottomuudessa. Silmät ja tasapaino toimivat läheisesti toistensa kanssa täällä Maan päällä, mutta avaruuden olosuhteissa ne alkavat toimia vähitellen erikseen – mikä on täysin ymmärrettävää, koska tasapainoaisti ei voi käyttää enää painovoimaa suunnan määrittämiseen.

Itse asiassa tutkimuksen perusteella huomattiin, että ihmisen koko aisti- ja motorinen järjestelmä sekä tilanhahmotus käyttävät painovoimaa apunaan. Palattuaan takaisin avaruudesta Maahan, astronautilta kestää useita päiviä oppia käyttämään uudelleen painovoimaa hyväkseen referenssisuuntana.

Samalla kun insinöörit kehittivät laitetta avaruudessa käytettäväksi, he rakensivat siitä myös maanpäälisissä sovelluksissa toimivan version. Samalla he huomasivat, että samalla tekniikalla voisi olla käyttöä silmäleikkauksissa. Niissä potilaan silmän asennon määrittäminen tarkasti ja ilman lääkärin toimien häiritsemistä on hyvin tärkeää. Astronauttien käyttämä järjestelmä osoittautui ylivoimaiseksi.

”Suurimmassa osassa maailmassa tehtävistä silmien laserleikkauksista käytetään nyt tätä silmien asentoa määrittävää laitteistoa”, kertoo professori Clarke.

”Lisäksi tästä on kehitetty kevyempi, myynnissä oleva versio, jota käytetään monissa laboratorioissa Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa silmien asennon mittaamiseen.”