obliczeniowego.
Dlaczego sokół ma sokoli wzrok
Pomoże nam lepiej to zrozumieć wyprawa do innego zakątka świata zwierzęcego. Wyobraźmy sobie ściernisko po żniwach: jest koniec lata i liście roślin są wypłowiałe. Na ziemi, między uciętymi łodygami, buszuje mysz polna, szukając niezebranych kłosów pszenicy. Wysoko nad nią majestatycznie szybuje sokół; ptak ledwo porusza skrzydłami, utrzymując wysokość 100 metrów. Nagle składa skrzydła i pikuje, a gdy po chwili znów wzbija się w powietrze, w szponach trzyma mysz.
Jak z tej wysokości ptak mógł zobaczyć mysz, bure zwierzątko długości pięciu centymetrów ukryte pod źdźbłami na polu, tym bardziej że szybował wysoko i z dużą prędkością? Nie na darmo mówimy o kimś, kto doskonale widzi, że ma „sokoli wzrok”. Od dawna zastanawiano się, na czym polega tajemnica wzroku ptasich drapieżników, i poczyniono wiele interesujących spostrzeżeń. Na przykład odkryto, że czopki w oku sokoła – światłoczułe neurony siatkówkowe „z pierwszej linii frontu” – są bardzo zagęszczone, a możliwe jest to dlatego, że są cieńsze niż u większości zwierząt. Sokoły mają też bardzo szerokie pole widzenia (aż 290 stopni, podczas gdy u człowieka zaledwie 180 stopni) i ogromne oczy, znacznie większe w stosunku do wielkości głowy niż u ludzi i innych ssaków. Duże oko to dobra rzecz – wiemy przecież, że im większe są soczewki obiektywu fotograficznego, tym ostrzejsze powstają zdjęcia. Fotografowie okupujący linie boczne boisk sportowych mają obiektywy z tak ogromnymi soczewkami, że muszą używać statywów; sprzęt jest zbyt ciężki, by pewnie trzymać go w rękach.
Trzeba jednak przyznać, że większość osób wypowiadających się o sokolim wzroku nie jest bezstronna – autorzy prac na ten temat to głównie miłośnicy ptaków, którzy po prostu wiedzą, że sokoły widzą doskonale. Tak więc zamiast obiektywnie badać oko ptaka, szukają prostych odpowiedzi na pytanie, dlaczego sokoły widzą lepiej niż my. To sprawia, że niektóre ich wyjaśnienia nie wytrzymują rzetelnej analizy. Podam przykład: czopki w oczach sokoła są rzeczywiście bardzo małe i bardzo gęsto upakowane, ale tylko o mniej więcej 60 procent gęściej niż u człowieka. Co więcej, oko sokoła jest duże jak na małe zwierzę (12 milimetrów), lecz wciąż o połowę mniejsze od oka ludzkiego (24 milimetry). Oczywiście ludzie mają większe głowy, nie zmienia to jednak fizyki światła; z naszą optyką jesteśmy daleko przed sokołami.
Na koniec porównajmy rozdzielczość optyczną oka sokoła i oka człowieka[9]. Przy odrobinie cierpliwości można ułożyć sokoła tak, by wybierał między przedmiotami gwarantującymi mu nagrodę w postaci przekąski (obiekty w prążki) a przedmiotami, które nie gwarantują mu nagrody (obiekty w szerokie pasy). Teraz możemy sprawdzić, jak cienkie prążki sokół potrafi rozróżnić. Okazało się, że u pustułki amerykańskiej, gatunku rodziny sokołowatych najczęściej poddawanego tej próbie, rozdzielczość optyczna jest nieco gorsza niż u człowieka.
Ale zaraz! Co się stało z tym sokołem, który zapolował na pięciocentymetrową, zlewającą się z tłem mysz polną na ściernisku? Nie ma wątpliwości, że sokół widzi lepiej od nas – a już na pewno lepiej ode mnie. Jak zatem rozwiążemy tę pozorną sprzeczność?
Nie wątpię w prawdziwość spostrzeżeń ornitologów, więc tłumaczę sobie to wszystko następująco: sokół ma sokoli wzrok przede wszystkim dlatego, że widzi doskonale niemal w całym zakresie pola widzenia, a nie tylko w jego centralnej części. Dowodzą tego zarówno liczba, jak i rozmieszczenie neuronów siatkówki. Jak zauważyliśmy wcześniej, czopki w oku sokoła nie mogą być upakowane znacznie gęściej niż w moim – na ograniczonej powierzchni neuronów nie da się wciskać jeden obok drugiego w nieskończoność. Jednak najważniejszym czynnikiem ograniczającym ostrość widzenia nie jest zagęszczenie czopków, lecz komórek zwojowych.
Stosowna reguła brzmi następująco: „Rozdzielczość dowolnego systemu przekazywania informacji jest ograniczona gęstością upakowania najmniej zagęszczonych elementów systemu”. W siatkówce – ludzkiej czy sokolej – reguła ta będzie dotyczyć komórek zwojowych, które stanowią zaledwie kilka procent całkowitej liczby jej neuronów. Wiemy już, że u większości gatunków zwierząt zagęszczenie tych komórek dramatycznie maleje na obrzeżach siatkówki. U sokołów tymczasem ów spadek gęstości jest znacznie mniejszy. W istocie sokoły mają o wiele więcej komórek zwojowych niż ludzie – około ośmiu milionów w każdej siatkówce, podczas gdy u nas na siatkówkę przypada ich średnio zaledwie milion. Na dodatek ta znacznie większa liczba neuronów upakowana jest w dwukrotnie mniejszym oku. I, jak można się było spodziewać, nerw wzrokowy sokoła jest bardzo gruby, lecz nie stanowi to większego problemu, ponieważ ptaki te nie poruszają zbyt wiele oczami, lecz raczej całą głową.
Na co sokołom tyle komórek zwojowych? Trzeba zacząć od tego, że mają one na każdej siatkówce dwa punkty centralnego widzenia (dwa przesunięte wobec siebie w poziomie dołki środkowe), podczas gdy my mamy tylko jeden. Najważniejsze jest jednak ogólne rozmieszczenie neuronów. Jeżeli przyjąć, że zagęszczenie komórek zwojowych w strefie centralnego widzenia wynosi 100 procent, to ich zagęszczenie na obrzeżu siatkówki wynosi już tylko 1 procent u przeciętnego człowieka, natomiast u pustułki amerykańskiej – aż 75 procent. W części peryferyjnej siatkówki na milimetr kwadratowy powierzchni przypada 15 tysięcy komórek zwojowych u sokoła i zaledwie 500 u człowieka. Na obrzeżach naszego pola widzenia jesteśmy praktycznie ślepi, czego nie można powiedzieć o ptakach. Mysz nie ukryje się na ściernisku, bo sokół widzi bardzo ostro kilkumetrowe pasma pola naraz.
Nieco wcześniej stwierdziłem, że gdybyśmy widzieli w całym polu widzenia tak ostro jak w środkowej części siatkówki, nasze mózgi nie byłyby w stanie przetworzyć mnóstwa zalewających je informacji. Wydaje się, że sokoły są właśnie w takiej sytuacji, można więc zapytać, jak im się to udaje. Przypuszczalnie ich mózgi skrywają rewelacyjny komputer do obróbki obrazów. Struktura zwana wzgórkiem górnym, którą mamy też my, wypełnia zdumiewająco dużą część czaszki tych ptaków. Nie potrafimy sobie nawet wyobrazić, do czego jest zdolne tak potężne urządzenie – nasze podkorowe obwody wzrokowe to przy nim prosta zabawka dla dzieci. Kiedy pewnego dnia rozwikłamy w końcu zagadkę przetwarzania obrazów w układzie wzrokowym sokoła, z pewnością poznamy nowe, fascynujące metody poprawiania rozdzielczości zdjęć. Photoshop może się jeszcze wiele nauczyć od ptaków.
Rozdział 3
Mikroprocesor w oku
Pochylił się nad swą gitarą.
Niby postrzygacz. Dzień był zielony.
„Twoja gitara niebieska” – orzekli,
„Ty nie grasz rzeczy jakimi one są”.
Mężczyzna odparł: „Rzeczy jakie są
Doznają przemiany na niebieskiej gitarze”.
– Wallace Stevens[10]
Tak więc rozumiemy już, że widzimy wyraźnie tam, gdzie nasze neurony siatkówkowe są gęsto upakowane. Trzeba jednak pamiętać, że nie wszystkie komórki zwojowe są takie same; nie są to wyłącznie fotokomórki podobne do tych, które wykrywają włamania i nie pozwalają na zamknięcie drzwi windy, gdy w nich stoimy. Komórki zwojowe w siatkówce reagują na rozmaite rzeczy – na takiej samej zasadzie, jak różne neurony czuciowe informują o tym, że coś dotknęło twojej skóry – i rozbijają świat zewnętrzny na wiązki sygnałów o określonej charakterystyce. Ten wstępny etap przetwarzania obrazu ma wpływ na to, że widzimy wschód słońca, odskakujemy przed nadjeżdżającym samochodem, machamy swoim najbliższym i zachwycamy się van Goghiem.
Przetwarzanie obrazu, część 1. Siatkówka rozkłada obraz
Zaczniemy od najprostszego rodzaju kodowania, czyli od różnicy między komórkami zwojowymi „trwałymi” a