Category Archives: biology

วิทย์ประถม: รู้จักผิวหนัง, วัดอุณหภูมิด้วยมือเชื่อถือไม่ได้

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้ทำความรู้จักกับผิวหนัง และทำการทดลองจุ่มมือในน้ำร้อนและน้ำเย็นให้สังเกตว่าเมื่อมือทั้งสองไปจุ่มในน้ำอุณหภูมิห้อง มือจะรู้สึกร้อนเย็นต่างกันทั้งๆที่อยู่ในที่อุณหภูมิเท่ากัน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้คือผ้าเช็ดหน้าล่องหนและมอเตอร์ไซค์ล่องหน:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นเราคุยกันเรื่องผิวหนัง ผมก็เริ่มโดยถามเด็กก่อนว่าอวัยวะอะไรในร่างกายใหญ่ที่สุด เด็กๆก็เดาไปต่างๆนาๆมีทั้งสมอง ตับ กระเพาะ ปอด ก้น ขา จนในที่สุดผมก็เฉลยว่าผิวหนังเป็นอวัยวะใหญ่สุดในร่างกาย ถ้าลอกออกมาชั่งก็จะหนักประมาณ 1-2 กิโลกรัมสำหรับเด็ก และ 3-4 กิโลกรัมสำหรับผู้ใหญ่

ผมเริ่มถามเด็กๆว่าผิวหนังมีไว้ทำไม เด็กๆก็ตอบกันว่ามีไว้ห่อหุ้มตัว มีไว้รับแสง (เพราะเราจะสังเคราะห์วิตามิน D เมื่อแสงแดดโดนผิว) มีไว้กันเชื้อโรค มีไว้กันน้ำเข้าตัว ผมจึงเสริมอีกว่าผิวหนังใช้ควบคุมอุณหภูมิร่างกายเราด้วย เพราะเราเป็นสัตว์เลือดอุ่น ถ้าร้อนไปหรือหนาวไปเราจะตาย เราจึงใช้เหงื่อทำให้ตัวเราเย็นเวลาร่างกายเราร้อน นอกจากนี้เรายังมีเส้นประสาทที่ผิวหนังเพื่อส่งสัญญาณต่างๆไปยังสมองว่าเราจับอะไรหรือตัวเราไปโดนอะไร

ผมบอกเด็กๆว่าบนผิวหนังเรามีสิ่งมีชีวิตเล็กๆที่ตามองไม่เห็น คือแบคทีเรีย รา และยีสต์ประเภทต่างๆ  สิ่งมีชีวิตเหล่านี้อยู่ร่วมกับเรามาตลอดชีวิต ปกติจะไม่เป็นโทษกับเรา และจะช่วยป้องกันไม่ให้สิ่งมีชีวิตเล็กๆอื่นๆที่อาจจะมีโทษเข้ามาแพร่พันธุ์บนร่างกายเรา นอกจากนี้ถ้าดูร่างกายเราทั้งหมด จำนวนเซลล์แบคทีเรียจะมีมากกว่าจำนวนเซลล์มนุษย์เลยทีเดียว (แบคทีเรียขนาดเล็กกว่าเซลล์มนุษย์มาก และปกติส่วนใหญ่จะไม่เป็นอันตรายกับเรา ส่วนน้อยเป็นอันตรายและเราเรียกพวกนั้นว่าเชื้อโรค)

จากนั้นผมก็เอารูปภาพภาคตัดของผิวหนังให้เด็กๆดู อธิบายว่าผิวหนังจะหนาประมาณ 2-3 มิลลิเมตร (เอาไม้บรรทัดให้เด็กๆดูว่า 2-3 มิลลิเมตรมันใหญ่แค่ไหน) ผิวส่วนนอกสุดเรียกว่า epidermis (อิปิ๊ เดอร์มิส, epi = บน, dermis = ผิวหนัง) จะมีเซลล์ที่ผลัดเปลี่ยนกันขึ้นมาตายที่ข้างบนสุดเรื่อยๆ เป็นด่านสำคัญในการป้องกันไม่ให้สิ่งแปลกปลอมจากภายนอกเข้ามาในร่างกายเราได้ ใต้ชั้น epidermis จะเป็นชั้น dermis ซึ่งจะมีเนื้อเยื่อยืดหยุ่นต่อกันทำให้ผิวหนังเป็นชิ้นเดียวกัน ใต้ลงไปอีกก็จะเป็นชั้นไขมันและกล้ามเนื้อ ถ้าผิวหนังเสียหายเช่นมีดบาด มีแผล หรือโดนไฟลวก เชื่อโรคและสิ่งแปลกปลอมอื่นๆจากภายนอกก็จะสามารถเข้าไปในร่างกาย ทำให้เราป่วยหรือตายได้

ผมก็เอารูปวาดขยายว่าผิวหนังมีหน้าตาอย่างไรเมื่อมองใกล้ๆ มีขน มีรากขน มีต่อมเหงื่อ มีเส้นประสาท มีกล้ามเนื้อ มีต่อมน้ำมัน และเส้นเลือด (ภาพเอามาจาก https://3dprintingindustry.com/news/postech-university-develops-3d-bioprinting-technique-grows-human-skin-just-2-weeks-115372/)

ผมชี้ส่วนประกอบของผิวหนังให้เด็กๆดู เริ่มจากรากขนที่เป็นกลุ่มเซลล์มีชีวิตที่สร้างขน (หรือผม ถ้าเป็นขนบนศีรษะ)ให้งอกยาวออกไปเรื่อยๆ โดยส่วนประกอบของขนจะเป็นโปรตีนพวกคล้ายๆเปลือกกุ้ง เล็บ และนอแรด ขณะที่สร้างถ้ามีเม็ดสีใส่เข้าไปในเส้นผม ผมก็จะมีสีต่างๆกัน ถ้าไม่มีเม็ดสี ผมก็จะเป็นสีขาวๆเรียกว่าผมหงอกนั่นเอง เด็กๆถามว่าทำไมผู้ชายผมสั้นกว่าผู้หญิง ผมก็บอกว่าจริงๆแล้วถ้าปล่อยให้ผมยาวไปเรื่อยๆ ผมผู้ชายก็ยาวได้เหมือนกัน แม้ว่าอาจจะช้ากว่าผู้หญิงบ้าง มีเด็กถามว่าหัวล้านเกิดจากอะไร ผมก็บอกว่าถ้าเซลล์ที่รากผมตาย เส้นผมก็จะไม่มี หรือถ้าเซลล์ผลิตผมเส้นเล็กๆ เส้นผมก็จะบางๆ เป็นอาการเริ่มของหัวล้าน

ใกล้ๆรากขนจะมีกล้ามเนื้อเล็กๆติดอยู่ เวลาเราหนาว กล้ามเนื้อจะหดตัว ทำให้ขนลุก คาดว่าเป็นขบวนการรักษาความอบอุ่นของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ซึ่งจะเห็นผลมากในสัตว์ที่มีขนมากๆ เพราะขนลุกแล้วขนจะพองเป็นเสื้อหนาวฟูๆกักอากาศไว้กันความร้อนรั่วไหล แต่คนเราขนน้อยเลยไม่รู้สึกอบอุ่นขึ้น

ในผิวหนังจะมีเส้นเลือดเยอะแยะ เพื่อส่งอาหาร อากาศและสิ่งจำเป็นอื่นๆให้เซลล์ผิวหนัง และนำของเสียจากเซลล์ผิวหนังไปทิ้ง เลือดที่วิ่งอยู่ในเส้นเลือดจะมีสีแดงสดถ้ามีออกซิเจนอยู่มาก เราเรียกว่าเลือดแดง ถ้าออกซิเจนถูกใช้ไป เลือดก็จะมีออกซิเจนน้อยและมีสีแดงคล้ำกว่า เราเรียกว่าเลือดดำ เวลามีดบาดแล้วเลือดไหลก็เป็นเพราะว่าผิวหนังมีเส้นเลือดเยอะแยะเต็มไปหมด พอมีดเข้าไปในผิวหนังจึงตัดโดนเส้นเลือดด้วย ทำให้เลือดไหล เวลากระทบกระแทกแรงๆแต่ผิวหนังไม่ขาดเราก็อาจมีรอยช้ำได้ รอยช้ำเกิดจากเส้นเลือดใต้ผิวหนังแตก เลือดไหลออกมานองใต้ผิดหนัง ถ้ารอนานพอ เลือดเหล่านี้ก็จะถูกย่อยสลายด้วยเซลล์เม็ดเลือดขาวและรอยช้ำก็จะหายไป

ในผิวหนังมีต่อมเหงื่อที่จะสร้างเหงื่อออกมาเพื่อให้ระเหยเป็นไอ พาความร้อนของร่างกายออกไปทิ้ง นอกจากนี้ยังมีเส้นประสาทหลายชนิดคอยส่งสัญญาณความรู้สึกต่างๆไปให้สมองแปลผล

จากนั้นผมก็อธิบายเรื่องการรักษาอุณหภูมิของร่างกายด้วยผิวหนัง โดยผมบอกว่าเราเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ถ้าตัวเราร้อนเกินไปหรือเย็นเกินไปเราจะตาย ดังนั้นร่างกายต้องมีขบวนการรักษาอุณหภูมิของร่างกายให้พอเหมาะ ถ้าร่างกายเราร้อนเกินไป เส้นเลือดบริเวณผิวหนังจะขยายตัว ให้เลือดไหลผ่านได้จำนวนมาก เลือดจะพาความร้อนจากส่วนลึกๆของร่างกายมายังผิว และทิ้งความร้อนออกไปนอกร่างกาย โดยอาจไปที่อากาศหรือน้ำรอบๆตัวโดยตรง หรือเกิดจากการที่เหงื่อระเหยเป็นไอ (ซึ่งเป็นขบวนการที่ต้องการความร้อน คือเหงื่อจะดูดความร้อนจากร่างกายออกไปทำเหงื่อให้เป็นไอ) เวลาเส้นเลือดขยายตัวเราจะเห็นผิวหนังมีสีแดงเข้มขึ้น นั่นทำให้เวลาเราร้อน หน้าเราจะแดง  (หลักการที่ของกลายเป็นไอจะดูดความร้อนนี้เป็นหลักการเดียวกับเครื่องปรับอากาศนั่นเอง โดยในเครื่องปรับอากาศ น้ำยาแอร์จะกลายเป็นไอแล้วดูดความร้อนจากอากาศรอบๆไปใช้ ทำให้อากาศรอบๆเย็น)

เวลาร่างกายเราหนาว เส้นเลือดบริเวณผิวหนังจะหดตัวเพื่อจำกัดให้เลือดไหลผ่านให้น้อยๆ จะได้ไม่เสียความร้อนทางผิวหนัง เวลาเส้นเลือดหดตัว เลือดแถวผิวหนังมีน้อย ผิวจึงมีสีซีด หน้าก็ซีด นอกจากนี้ถ้าพื้นที่ผิวมากๆ ร่างกายก็สามารถถ่ายเทความร้อนเข้าออกได้เร็ว ดังนั้นเวลาอากาศหนาว เราจึงมักจะขดตัวให้พื้นที่ผิวที่ถูกอากาศน้อยลง หรือไม่ก็กอดกันให้กลมๆเพื่อลดพื้นที่ผิวที่ถูกอากาศ

ผมอธิบายว่าทำไมเวลาเราร้อนเราถึงเหงื่อออก โดยบอกว่าเวลาร่างกายรู้สึกร้อน ผิวหนังจะปล่อยเหงื่อออกมา เมื่อเหงื่อเปลี่ยนจากน้ำเป็นไอ (ระเหย) เหงื่อก็จะดูดความร้อนรอบๆหยดเหงื่อไป ทำให้ร่างกายเราทิ้งความร้อนออกไปให้อากาศรอบๆ และร่างกายก็จะเย็นลง ถ้ามีลมพัด ก็จะทำให้เหงื่อระเหยได้ไวขึ้นเราจึงรู้สึกเย็นเร็วขึ้น

ต่อไปเด็กๆก็ทำการทดลองเรื่องการระเหยที่ดูดความร้อนออกไปจากผิวหนังของเรา ทำให้รู้สึกเย็น ผมพ่นแอลกอฮอล์ที่แขนเด็กๆ ให้ดูว่าแอลกอฮอล์เหลวระเหยหายไปจากผิวหนังแล้วผิวหนังจะเย็น ยิ่งเป่าก็ยิ่งเย็น

ผมเล่าเรื่องต่อไปว่าถ้าอากาศหนาวเย็นมากๆ แบบมีหิมะและน้ำแข็ง เส้นเลือดอาจจะหดตัวมากจนเลือดๆไปหล่อเลี้ยงอวัยวะริมๆไม่พอ ก็จะเกิดอาการหูหลุด นิ้วหลุด เนื้อตาย ถ้าหนาวมากไปติดต่อกัน ร่างกายก็จะทนไม่ไหว หยุดทำงานแล้วเราก็ตาย

ผมแทรกว่าความร้อนต่างๆที่เกิดในร่างกายเรานั้นเกิดจากการเปลี่ยนอาหารและอากาศเป็นพลังงานให้ร่างกายทำงานได้ ถ้าเราทานอาหารไม่พอ ไม่มีแป้งหรือคาร์โบไฮเดรต ไม่มีไขมัน ร่างกายก็จะเริ่มย่อยโปรตีนที่เก็บไว้ตามกล้ามเนื้อ โดยอวัยวะที่มีกล้ามเนื้อมากๆอย่างหัวใจก็จะโดนไปด้วย ทำให้หัวใจวายตายได้เมื่อมีอายุมากขึ้น

ต่อไปเราก็ทำการทดลองให้รู้ว่าสมองเราตัดสินว่าอะไรร้อนอะไรเย็นอย่างไร อุปกรณ์ก็มีอ่างใส่น้ำสามใบ ใบที่หนึ่งใส่น้ำอุ่นค่อนข้างร้อน (เกือบๆ 50 องศา) ใบที่สองใส่น้ำอุณหภูมิปกติไม่ร้อนไม่เย็น (ประมาณ 30 องศา) ใบที่สามใส่น้ำเย็นมีน้ำแข็งลอย (ต่ำกว่า 10 องศา)  จากนั้นเราก็เอามือของเราข้างหนึ่งจุ่มในใบที่หนึ่ง (น้ำอุ่น) และจุ่มมืออีกข้างหนึ่งในใบที่สาม (น้ำเย็น) รอสัก 15 วินาที แล้วเอามือทั้งสองไปจุ่มในใบที่สอง (น้ำปกติ) ทิ้งไว้สักพักเราจะรู้สึกว่ามือสองข้างรู้สึกไม่เหมือนกัน โดยที่มือที่จุ่มน้ำเย็นมาก่อนแล้วมาจุ่มน้ำปกติ จะรู้สึกว่ากำลังจุ่มมือไปในน้ำร้อน ขณะที่มือที่จุ่มน้ำอุ่นมาก่อนแล้วมาจุ่มน้ำปกติ จะรู้สึกว่ากำลังจุ่มมือไปในน้ำเย็น ถ้าร่างกายเราสามารถวัดอุณหภูมิได้แม่นยำ ทั้งสองมือควรจะรู้สึกเหมือนกัน เพราะจุ่มไปในน้ำปกติพร้อมๆกัน

การทดลองนี้แสดงว่าร่างกายเราตัดสินว่าอะไรร้อนเย็นจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ มือที่เคยเย็นมาก่อนแล้วไปอยู่ในที่ที่อุ่นกว่าจะรู้สึกว่าอยู่ในที่ร้อน มือที่เคยร้อนมาก่อนแล้วไปอยู่ที่ที่เย็นกว่าจะรู้สึกว่าอยู่ในที่เย็น ทั้งๆที่ทั้งสองมืออยู่ในที่เดียวกันก็ตาม

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 ***)

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: