1. 개요
야간 시력 (night vision)이란 눈으로 저조도 상태에서 희미한 빛을 감지해 시각 정보를 얻는 기능이다.2. 동물
주로 경쟁을 피해 밤에 활동하거나 어두운 조건을 활용하여 사냥을 하는 야행성 동물들에게 특히 발달되어 있다.야행성 포유 동물은 야간 시력을 향상시키는 독특한 특성을 가진 막대세포를 가지고 있다. 기존의 간상체 와 달리 역간상체 는 핵 중앙에 이질염색질 경계를 따라 진염색질 및 기타 전사 인자가 있다. 또한 망막에 있는 세포의 외핵층의 경우 더 낮은 광도를 처리하기 위해 존재하는 수백만 개의 막대 세포로 인해 두껍고 이 층의 해부학적 구조는 개별 세포의 간상핵이 물리적으로 쌓여 빛이 세포의 광수용체 부분에 도달하기 전에 8개에서 10개의 핵을 통과하도록 한다. 빛은 산란되지 않고 핵 역전으로 인한 강력한 렌즈 효과에 의해 각 핵에 개별적으로 전달되어 핵 스택에서 나와 10개의 광수용 외부 세그먼트 스택으로 전달된다 이 해부학적 변화의 순 효과는 초점의 손실 없이 망막의 광 감도를 8에서 10배까지 증가시킨다
망막은 시력 세포에서 눈 밖으로 확산되어 혈액을 통해 간으로 순환하여 재생된다. 밝은 조명 조건에서 망막의 대부분은 광수용체에 있지 않고 눈 밖에 있고 모든 광수용체 단백질이 활성 레티날로 재충전되는 데 약 45분이 소요되지만 대부분의 야간 시력 적응은 어둠 속에서 처음 5분 이내에 발생한다 최대 30분후 빛에 대한 감도를 최대화하여 어두운 조건에서는 간상 세포만이 반응하고 시각 정보를 얻을수 있다.
흔히 야간 시력하면 고양이를 떠올리지만 이는 잘못된 인식이다. 고양이의 야간 시력은 인간에 비해선 뛰어나긴 하나, 야행성동물에 비하면 형편없는 수준이다.[1] 고양이는 인간보다 야간 시력이 6~8배 더 좋지만, 진정한 야행성 동물인 올빼미는 인간보다 35~100배 더 좋은 야간 시력을 보여준다.
2.1. 사람
사람의 눈에는 대부분의 포유류가 가지고 있는 휘판이 없다. 사람은 희미한 빛을 감지하는 간상체보다 열매의 색을 구분하는 원추체의 색각력이 필요했기에 원뿔 세포가 발달되어 야간 시력을 포기하고 시력과 색각력이 발달되었다. 흔히들 하는 오해가 영장류는 야간 시력이 매우 안 좋다는 것이다. 이는 충분히 사실이나 밤에 아무것도 못 보는 장님이 된다느니 하는 과장들이 넘쳐난다. 사람을 포함한 모든 포유류는 완전한 어둠에서 아무것도 볼 수 없다. 완전한 어둠은 빛이 없다는 것을 의미하며 사람의 눈도 동물의 눈도 빛에 의존하여 본다 즉, 밤에 완전한 암흑 상태에 있는 경우는 매우 드물다. 구름에 반사된 도시의 불빛, 자동차 헤드램프, 달빛, 별빛 그리고 밤하늘의 공기광까지 모두 희미한 빛으로 밤을 채운다. 약간의 빛이 아직 존재하는 곳에선 시간이 충분하면 사람의 눈은 부분적 어둠에 존재하는 낮은 수준의 빛에 적응하고 볼 수 있다.사람의 눈은 어둠에 완전히 적응하고 저조도 조건에서 최적의 감도에 도달하는 데 몇 시간이 걸린다. 시력 감도의 가장 빠른 증가는 어둠에 노출된 후 처음 몇 분 안에 이루어진다. 이러한 이유로 많은 사람들은 불과 몇 분만에 눈의 감도가 최고에 도달했다고 생각하나 어둠에 노출된 몇 시간 동안 사람의 눈은 계속 적응하고 감도에서 약간의 이득을 얻는다.
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| 어둠에 적응하는 사람의 눈의 전형적인 감도. |
동공은 눈 앞쪽 근처에 있는 어두운 구멍으로 빛이 눈으로 들어오도록 하여 빛이 뒤쪽( 망막)에 상을 형성할 수 있도록 동공을 둘러싸고 있는 홍채에는 동공의 크기를 조절하는 근육이 있다. 저조도 조건에 직면하면 홍채는 동공을 가능한 한 넓게 확장하여 가능한 한 많은 빛을 눈에 들어오게 하여 감도를 향상시킨다. 홍채가 암흑 적응하는데 몇 초에서 몇 분밖에 걸리지 않는다. 흔히들 하는 오해가 홍채의 색이 밝을수록 야간 시력이 좋아진다고 하는데 조금만 생각해봐도 바로 알 수 있듯 당연히 사실이 아니다. 애초에 빛은 홍채를 통과하지 않고 차라리 검은 홍채에 의해 빛이 흡수되어 야간 시력이 떨어진다고 하는 게 훨씬 현실적이다. 애초에 야행성 동물 중 초록눈이나 벽안을 가진 종은 거의 없다.[2] 눈이 초록, 파란색으로 보이는 이유는 레일리 산란때문이지 빛을 더 많이 흡수하기 위함이 아니다. 오히려 갈색 눈이 내부 차양 역할을 해 명암비 분별력을 향상시켜 야간 시력이 더 좋아진다. 미국에선 이러한 오해가 많이 커져 정설쯤으로 자리잡기 직전인데 심지어 대부분의 논문에서 조차도 이러한 허위정보를 기재한다는 것이다. 애초에 이런 주제가 사람들이 관심이 없다보니 연구가 안 이루어져서 그냥 생각해 봤을 때 더 그럴싸해 보이는 쪽으로 설명하는 것이다.
망막을 따라 있는 원뿔 세포는 색각과 시력을 담당한다. 담당디지털 카메라의 픽셀 격자와 유사하게 망막을 따라 배열된 광대한 원뿔 세포는 우리가 보고 있는 이미지를 구성하는 다양한 색상의 빛을 감지하고 사람의 눈에는 빨간색, 초록색, 파란색을 감지하는 원뿔 세포가 있다. 다른 노란색이나 보라색 같은 색상은 빨강, 녹색 및 파랑의 혼합물로 그 외에 색깔은 볼 수 없다. 원뿔 세포 자체는 부분적 어둠에 적응하는 기능이 있다. 원뿔 세포에는 많은 빛에 민감한 화학 물질 중 하나인 로돕신이 포함되어 있는데 로돕신은 빛에 매우 민감하며 저조도 조건에서 볼 때 원추체가 사용하는 주요 화학 물질이다. 문제는 로돕신이 빛에 너무 민감하여 정상적인 빛 수준에서 빛이 변형되어 이 화학 물질을 비활성화(광표백)한다는 것이다. 우리가 정상적인 빛에서 돌아다닐 때 눈의 로돕신은 비활성화되고 어둠에 노출되면 로돕신은 재생 및 재활성화되어 빛에 다시 민감해지고 야간 시력이 향상된다. 이 재생 과정에는 시간이 걸리는데 원추세포는 어둠에 완전히 적응하는 데 약 10분이 걸린다.
간상세포는 흑백 시력을 담당한다. 원추세포와 마찬가지로 간상세포에는 빛에 매우 민감한 화학물질인 로돕신이 들어 있는데 간상세포는 원추세포보다 로돕신에 더 많이 의존하기 때문에 각 단일 간상세포는 일단 완전히 적응되면 단일 원추세포보다 약 100~1000배 더 민감하다. 망막은 원추체(5백만 개)보다 훨씬 더 많은 간상체(1억 개)가 있다. 여러 막대가 모두 동일한 출력 신호 동일한 중간 뉴런에 연결되는데 이로 인해 이미지 해상도를 희생시키면서 더 낮은 수준의 빛을 감지한다. 막대세포는 빛에 천천히 반응한다. 장시간 동안 빛을 모아 급격한 변화를 감지하는 대신 낮은 수준의 빛을 감지할 수 있다.
요약하면, 어둠에 노출되면 동공은 몇 초 만에 확장되고 원추체는 10분 만에 적응하며 간상체는 몇 시간 후에 완전히 적응한다.
2.2. 돌연변이
야간 시력도 4색각처럼 선천적으로 남들보다 간상체가 발달하여 야간시력이 뛰어날 수 있다.이 소년은 매우 어두운 곳에서 수학문제를 푸는등 선천적으로 야간 시력이 매우 좋다.