วิทย์ประถม: การรับรู้ความสว่างและสี, เซลล์ร็อด, เซลล์โคน

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้สังเกตว่าสิ่งที่เรามองเห็น เกิดจากการตีความและวาดขึ้นด้วยความคิดในสมอง ได้รู้จักเซลล์ร็อดและเซลล์โคนที่รับรู้ความสว่างและสีที่ตกในลูกตา ได้ดูปรากฎการณ์ที่เซลล์ล้าจากการมองสิ่งเดิมนานๆแล้วเห็นสีหรือความสว่างตรงข้ามเมื่อมองไปที่อื่น

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เดินทะลุแผ่นเหล็ก:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นเรามาดูภาพลวงตานี้กัน:

ทุกคนเห็นได้ชัดเจนว่าสี่เหลี่ยมข้างบนมืดกว่าสี่เหลี่ยมข้างล่างมาก แต่ถ้าเอาอะไรไปบังตรงกลาง เราจะพบว่าทั้งสองที่สีใกล้เคียงกันมาก (ลองเอานิ้วทาบจอดูครับ)

เด็กๆได้ดูภาพลวงตาจำพวกนี้ที่สีเดียวกันแต่เราเห็นสว่างต่างกันเพราะมีส่วนประกอบรอบๆต่างกัน:

สีไหนเข้มกว่ากันระหว่าง A และ B

ตาเราจะเห็นว่า A เข้มกว่า B แต่ถ้าพิมพ์ออกมาแล้วตัดชิ้น A, B ออกมา จะพบว่ามันมีสีเดียวกัน สลับที่ A กับ B แล้วจะมองเห็น B สีเข้มกว่า A ครับ 

มีคลิปการทดลองที่คนตัดสลับให้ดู:

ผมมาทำให้เด็กๆดูสดๆโดยตัดกระดาษมาบังส่วนอื่นๆไว้ให้เห็นเฉพาะสี่เหลี่ยมสองอันที่จริงๆมีสีเดียวกันแต่เรามองเห็นต่างกัน:

สาเหตุที่เราเห็นอย่างนี้ก็เพราะว่าการมองเห็นของเรา เกิดจากการวาดภาพประมวลผลในสมอง สมองพิจารณาสิ่งแวดล้อมหลายอย่างก่อนที่จะเดาว่าภาพที่เราเห็นควรจะเป็นอย่างไร แสงและเงาต่างๆมีส่วนสำคัญที่เราจะคิดว่าควร”เห็น”อะไรครับ เราไม่ได้เห็นสิ่งที่เป็นจริงๆ แต่เห็นอย่างที่สมองคิดว่าควรจะเป็น

จากนั้นเราดูภาพขาวดำที่มีแถบสีบางๆพาดทับ เราจะเห็นเป็นภาพสีได้ด้วย:

ถ้าเราขยายภาพ เราจะเห็นว่าภาพเป็นภาพขาวดำที่มีแถบสีพาดผ่าน

วิดีโอขาวดำที่มีแถบสีพาดก็ทำให้เราเห็นเป็นสีต่างๆได้เหมือนกัน:

เว็บของผู้สร้างภาพลวงตาแบบนี้อยู่ที่นี่ครับ: Color Assimilation Grid Illusion

ถ้าอยากทดลองเล่นกับภาพของตัวเอง เข้าไปที่เว็บ Grid Illusion นี้ได้ครับ หน้าตาเว็บจะเป็นแบบนี้:

ต่อจากนั้นเด็กๆได้ดูภาพนักเต้นรำว่าหมุนทวนเข็มหรือตามเข็มนาฬิกากัน:

เราสามารถเห็นว่าเธอหมุนได้ทั้งตามเข็มและทวนเข็มเลยครับ เพราะสมองพยายามแปลการเคลื่อนที่ของเงาแบนๆให้เป็นสิ่งของสามมิติ ภาพแสงเงาที่เคลื่อนไหวบนจอแบนๆสามารถตีความเป็นการหมุนในสามมิติได้ทั้งตามเข็มและทวนเข็มนาฬิกา

มีคนทำภาพนักเต้นรำโดยใส่เส้นสีต่างๆให้บอกใบ้สมองว่าควรตีความว่าหมุนแบบไหน วิธีดูคือพยายามมองไปที่รูปซ้ายหรือขวา แล้วค่อยมองคนตรงกลาง คนตรงกลางจะหมุนตามรูปซ้ายหรือขวาที่เรามองครับ:

จากนั้นเราก็ดูภาพลวงตาที่เกิดจากการล้าของเซลล์รับแสงในตาครับ รูปแรกเป็นรูปขาวดำของในหลวง ร.9:

ก่อนอื่นเราจะขยายภาพให้ใหญ่ๆเต็มๆจอแล้วเราจะมองภาพนี้โดยไม่กระพริบตาและไม่ขยับหัวไปมา ให้ตาโฟกัสไปที่จุดๆเดียวกลางๆภาพ (เช่นตาหรือคางในภาพ) มองอยู่สัก 10-30 วินาที แล้วเราก็หันไปมองเพดานหรือผนังสีอ่อนๆ แล้กระพริบตาถี่ๆ เราจะเห็นภาพในหลวงที่มีสีกลับกับภาพที่เรามองในตอนแรก (คือเส้นสีขาวก็เห็นเป็นสีดำ พื้นสีดำก็เห็นเป็นพื้นสีขาว)

ต่อไปผมให้เด็กๆดูภาพกลับสี (ภาพเนกาตีฟ) นี้ประมาณ 15-30 วินาที (ขยายภาพให้เต็มจอ แล้วให้เด็กๆจ้องมองตรงกลางรูป ไม่กระพริบตา ไม่ขยับหัว):

ภาพกลับสี

แล้วเปลี่ยนภาพเป็นภาพนี้ทันทีครับ:

ภาพขาวดำ

สามารถลองดูที่ภาพนี้ก็ได้ครับ ภาพจะสลับระหว่างรูปสองแบบทุก 15 วินาที ตอนเห็นภาพสีกลับให้จ้องมองตรงกลางรูปเอาไว้

ภาพจะเปลี่ยนทุก 15 วินาทีครับ ตอนเป็นสีกลับให้จ้องมองตรงกลางไว้

ตอนภาพเปลี่ยน เราจะเห็นสีที่ดูเหมือนปกติ (แต่ซีดๆ) ทั้งๆที่ภาพที่แสดงเป็นภาพขาวดำครับ ถ้าเราขยับตาภาพจะกลายเป็นขาวดำทันที ถ้าเราจ้องตรงกลางไว้ เราจะเห็นภาพสีอยู่แป๊บนึง

มีภาพสลับให้ดูอีกสองชุดครับ ภาพจะสลับเปลี่ยนกันทุก 15 วินาที ตอนเป็นสีกลับให้จ้องมองตรงกลางไว้:

เราอธิบายปรากฎการณ์นี้ได้โดยเข้าใจว่าในเรตินาของตาเราจะมีเซลล์รับแสงอยู่สองประเภทคือเซลร็อดหรือเซลล์แท่ง หน้าตามันเป็นแท่งๆทรงกระบอก และเซลล์โคนหรือเซลล์กรวย หน้าตามันจะเป็นกรวยแหลม โดยที่เซลล์ร็อดจะรับความสว่างของแสงภายนอกแต่จะไม่แยกเแยะสีต่างๆ ส่วนเซลล์โคนจะรับสีต่างๆโดยที่เซลล์โคนจะแบ่งย่อยออกเป็นสามประเภทที่รับแสงแถบๆสีแดง สีเขียว สีน้ำเงินได้ดี

ภาพวาดหน้าตาของเซลล์ร็อดและเซลล์โคน
ภาพจาก http://webvision.med.utah.edu
เซลล์ร็อดและเซลล์โคนอยู่บนจอรับภาพข้างหลังลูกตาของเราครับ
ภาพจาก https://www.sciencenews.org/article/how-rewire-eye
ภาพถ่ายเซลล์ร็อดและเซลล์โคนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอน แล้วระบายสีให้เห็นชัดขึ้น
ภาพจาก https://fineartamerica.com/featured/rods-and-cones-in-the-eye-omikron.html

เจ้าเซลล์รับแสงนี้เมื่อโดนแสงหรือสีเดิมๆนานๆ (เช่นเกิดจากการจ้องภาพเดิมนานๆโดยไม่กระพริบตาและไม่ขยับหัว) จะส่งสัญญาณไฟฟ้าไปที่สมองว่าได้รับแสงหรือสีอะไรโดยการเปลี่ยนสารเคมีในเซลล์ พอโดนแสงหรือสีเดิมนานๆสารเคมีก็จะร่อยหรอลงไปเรื่อยๆ ปกติเวลาเรากระพริบตาหรือไปมองภาพอื่นๆเซลล์จะมีโอกาสได้พักและเติมเต็มสารเคมีขึ้นมาใหม่ ในกรณีของเราที่ไม่กระพริบตาและดูภาพเดิมสารเคมีจะเหลือน้อย พอเราหันไปดูภาพขาวดำ เจ้าเซลล์ที่อ่อนล้าสารเคมีร่อยหรอก็จะส่งสัญญาณอ่อนกว่าปกติไปยังสมอง สมองจึงตีความว่าแสงหรือสีที่ตกลงบนเซลล์เหล่านั้นเป็นสีตรงข้าม ทำให้เราเห็นเป็นภาพลวงตาที่มีสีตรงข้ามกับภาพที่เราจ้องมองตอนแรกนั่นเอง

(*** สำหรับผู้ที่ใช้โปรแกรม Mathematica เป็น ผมมีโค้ดที่ใช้สร้างภาพกลับสีและภาพขาวดำแบบนี้ครับ เปิดรูปที่เราต้องการแล้วโปรแกรมจะสร้างไฟล์อีกสองไฟล์ที่เริ่มต้นด้วย inv_ สำหรับภาพกลับสี และ gray_ สำหรับภาพขาวดำ เผื่อเอาไปเล่นดูง่ายๆ:

Module[{file = SystemDialogInput["FileOpen"], 
   img, inv, gray, dir, basename, ext},
 If[file =!= $Canceled, img = Import[file];
  dir = DirectoryName[file];
  basename = FileBaseName[file];
  ext = FileExtension[file];
  inv = ColorNegate[img];
  Export[dir <> "inv_" <> basename <> "." <> ext, inv];
  gray = ColorConvert[img, "GrayScale"];
  Export[dir <> "gray_" <> basename <> "." <> ext, gray];
  ]]

(ถ้าสนใจหัดใช้ Mathematica ผมมีเขียนแนะนำไว้นิดหน่อยที่นี่นะครับ)

ถ้าไม่ใช้ Mathematica จะใช้วิธีอื่นๆก็ได้ครับ เช่น Pillow ในภาษา Python หรือใช้โปรแกรมตกแต่งภาพต่างๆก็ได้ ***)

Growing Up in the Universe – Richard Dawkins

A excellent series of lectures by Richard Dawkins. มารวมไว้บนหน้าเดียวกันเพราะลิงก์ในวิดีโอที่ไปหน้าหลักของซีรีส์ที่ Richard Dawkins Foundation for Reason & Science พัง (2022-06-08)

วิทย์ประถม: กล้องรูเข็มและวิวัฒนาการของตา

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมที่ศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้เห็นว่าตาของสัตว์มีหลากหลายแบบ เห็นตาของหอยงวงช้าง (หอยนอติลุส) ที่ไม่มีเลนส์แบบตาของเรา แต่เป็นรูที่น้ำเข้าได้ ทำงานแบบกล้องรูเข็มที่เรามาเล่นกันวันนี้ เด็กประถมปลายได้เริ่มรู้จักขบวนการวิวัฒนาการ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เรื่องสะกดจิตให้แขนแข็งแรง:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นเราคุยเรื่องตากันต่อจากสัปดาหที่แล้ว (วิทย์ประถม: แบบจำลองของดวงตา, เลนส์นูนเลนส์เว้า) เด็กๆได้เห็นความหลากหลายของตาแบบต่างๆของสัตว์:

เด็กประถมปลาย ได้ดูคลิปอธิบายการวิวัฒนาการของตา จากเซลล์ที่รับแสงได้อยู่บนผิวแบนๆรู้แต่ว่ามืดและสว่าง กลายเป็นเซลล์รับแสงอยู่ในรอยบุ๋มลงไปที่รับรู้ทิศทางของแสง จนกระทั้งเป็นตาแบบกล้องรูเข็มและตาที่มีเลนส์อยู่ด้านหน้าแบบตาพวกเราที่สามารถมองเห็นภาพได้ครับ:

ภาพนี้จาก https://en.wikipedia.org/wiki/Evolution_of_the_eye แสดงให้เห็นว่าตาแบบต่างๆมีความสามารถในการมองแบบต่างๆกัน:

ในภาพข้างบน สีเหลืองคือเซลล์รับแสง คือถ้ามีแสงมาตกที่เซลล์มันจะส่งสัญญาณไปตามเส้นประสาทไปที่สมองว่ามีแสงมาตกตรงนี้ ในภาพ a ตาแบบนี้มีเซลล์เรียงอยู่เป็นแผ่นแบนๆดังนั้นจะรับแสงได้ว่าสว่างหรือมืด แต่จะไม่เห็นภาพอะไรชัดเจน ภาพ b เซลล์รับแสงอยู่ในแอ่งลงไป จะดีกว่าแบบ a ตรงที่เริ่มจับทิศทางว่าแสงหรือเงาอยู่ทิศทางไหน ตัวอย่างตาแบบนี้คือหนอนแบนตัวเล็กที่เรียกว่าพลานาเรียน (Planarian ถ้ามากกว่าหนึ่งตัวเรียกว่าพลานาเรีย Planaria)

ตัวพลานาเรีย

ภาพ c และ d แอ่งลึกลงไปและรูรับแสงมีขนาดเล็กเหมือนกล้องรูเข็ม ตาแบบนี้จะเริ่มเห็นภาพแต่ภาพจะมืดๆเพราะแสงเข้าไปได้น้อย ภาพ c จะไม่มีอะไรปิดรูรับแสง หอยงวงช้าง (Nautilus) จะมีตาแบบนี้ ภาพ d จะมีเยื่อใสๆปิดกันน้ำกันฝุ่นและมีของเหลวอยู่ภายในตา

หอยงวงช้างนอติลุสครับ สังเกตตามันที่มีรูเล็กๆเหมือนรูเข็ม
ตาหอยงวงช้างครับ

งูบางชนิดจะมีรูรับแสงอินฟราเรด (คลื่นความร้อน) ทำหน้าที่เหมือนตาแบบรูเข็มสำหรับล่าเหยื่อเลือดอุ่นในที่มืดด้วยครับ

รูรับแสงอินฟราเรดของงูเหลือมและงูหางกระดิ่งครับ (ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_sensing_in_snakes):

งูมีอวัยวะที่ใช้ “มอง” คลื่นความร้อนหรือแสงอินฟราเรดที่เรามองไม่เห็นครับ มันเลยล่าสัตว์เลือดอุ่นในที่มืดได้

ภาพ e และ f คือตาที่มีเลนส์รวมแสงแทนที่จะเป็นรูเล็กๆ จะเห็นภาพได้ชัดและสว่างกว่า แบบ f มีม่านตาคอยขยายหรือหุบเพื่อปรับปริมาณแสงที่เข้าไปในตาด้วยครับ ตาของคนและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเป็นแบบ f

พวกเราเล่นกล้องรูเข็มซึ่งทำงานเหมือนกับตาของหอยงวงช้าง ผมให้เด็กๆดูรูปนี้:

แล้วบอกว่าสมมุติว่ากล่องสี่เหลี่ยมนั้นคือตาของหอยงวงช้าง มีรูเล็กๆอยู่ข้างหนึ่ง และมีแผงเซลล์รับแสงอยู่ด้านตรงข้าม แสงที่ตกกระทบวัตถุ(รูปต้นไม้หัวตั้ง)จะสะท้อนจากวัตถุและแสงส่วนหนึ่งก็วิ่งผ่านรูเล็กๆแล้วไปตกที่เซลล์รับแสง แล้วเซลล์รับแสงก็จะส่งสัญญาณไฟฟ้าไปให้สมองแปลผล รูยิ่งเล็กเท่าไรแสงก็เข้าได้น้อยเท่านั้น แต่แสงที่วิ่งผ่านในแต่ละทิศทางจะไม่ปนกับแสงจากทิศทางอื่นๆ ทำให้แสงที่ตกบนแผงเซลล์รับแสง(รูปต้นไม้กลับหัว-กลับซ้ายขวา)มีความคมชัด ไม่เบลอจากการผสมของแสงจากหลายๆทิศทาง ข้อเสียก็คือตาที่เป็นรูเล็กๆต้องการแสงสว่างมากๆ ถ้าแสงภายนอกน้อย แสงก็ผ่านรูน้อย ตาก็มองไม่เห็น ถ้าจะให้ตาไวแสง รูก็ต้องใหญ่ขึ้นให้แสงผ่านมากขึ้น แต่แสงที่วิ่งเข้ามาก็ปนกับแสงจากทิศทางใกล้ๆกันมากขึ้น ทำให้ภาพที่ตกที่แผงเซลล์รับแสงไม่คมชัด

จากนั้นผมก็เอากล้องรูเข็มสองแบบมาให้เด็กๆเล่นกัน วิธีทำดังในคลิปนี้ครับ:

บันทึกกิจกรรมวิทยาศาสตร์สำหรับเด็กๆ อยากให้คุณพ่อคุณแม่คุณครูเอาไปประยุกต์เล่นกับเด็กๆเยอะๆครับ :-)