수중에서 맨눈으로 보기 힘든 이유

수중에서 물체가 흐릿하게 보이는 이유

물안경을 사용하지 않고 물 속에 잠수하면, 수중 보는 물체가 흐릿하게 보입니다. 왜 수중에서는 눈이 잘 보이지 않게 될까요. 그림은 인간의 안구 단면도입니다. 안구는 불투명한 공막으로 둘러싸여 있습니다. 눈 앞에는 투명한 각막과 수정체가 있으며 각막과 수정체 사이의 안방은 투명한 안방수로 채워져 있습니다. 안구의 내부는 투명한 유리체로 채워져 있습니다. 각막의 굴절률은 약 1.38, 수정체의 굴절률은 약 1.4, 안방수의 굴절률은 약 1.34, 유리체의 굴절률은 약 1.34입니다. 우리가 물체를 볼때 눈에 닿은 빛은 먼저 공기와의 경계에 존재하는 각막에서 크게 굴절되어 눈 속으로 들어갑니다. 이때 눈은 물체의 거리에 따라 섬모체를 신축시켜 수정체의 두께를 조절하여 정확한 초점을 잡습니다. 수정체에서 굴절된 빛은 유리체를 통과하여 망막에 상이 맺히게 됩니다. 공기 중에서 빛이 공기와 각막의 경계에서 크게 굴절하는 것은 공기의 굴절률 약 1.0과 각막의 굴절률 약 1.38의 차이가 크기 때문입니다. 반면에 물속에서는 빛이 눈에 들어오기전에 통과하는 매질이 공기에서 물로 바뀝니다. 물의 굴절률은 약 1.33이므로 각막의 굴절률 약 1.38과 가까운 값이 되어 굴절률의 차이가 작아집니다. 따라서 물과 각막의 경계에서 빛의 굴절은 공기와 각막의 경계보다 훨씬 작습니다. 각막을 통과한 빛은 안방수를 통과하여 수정체에 들어갑니다. 인간의 눈의 수정체는 볼록 렌즈의 형태를 하고 있는데, 수정체의 두께의 조정은 공기 중에서 잘 볼 수 있는 범위에서만 할 수 있습니다. 그러므로 눈은 빛을 충분히 굴절시킬 수 없기 때문에 망막에 상을 잘 맺히게 할 수 없습니다. 이 때 빛은 망막보다 뒤쪽에 초점이 생기게 됩니다. 이것은 원시의 상태와 동일합니다. 그 때문에 수중에서는 물체가 흐리게 보여 잘 보이지 않게 됩니다.

수중 생물이 물속에서 잘 볼 수 있는 이유

물고기와 수생 포유류는 수중에서도 잘 볼 수 있습니다. 그러나 어류와 수생 포유류가 사람에 비해 굴절률이 큰 각막이나 수정체를 특별히 가지고 있는 것은 아닙니다. 유기체의 투명한 세포의 굴절률은 물의 굴절률에 가까운 값을 가집니다. 그러므로 수중에서의 인간의 눈과 마찬가지로 빛은 물과 각막의 경계에서 크게 굴절하지 않고 눈으로 들어갑니다. 인간의 눈과 어류나 수생의 포유류의 눈의 큰 차이는, 인간의 눈의 수정체가 볼록 렌즈의 형태를 하고 있는 것에 비해, 어류나 수생의 포유류의 수정체가 구형을 하고 있다는 것 입니다. 수정체가 구형을 하고 있으면 빛은 수정체에서 크게 굴절합니다. 따라서 어류와 수생 포유류의 눈은 수중에서 상을 망막에 잘 맺을 수 있습니다. 대신 물고기와 수생 포유류의 눈은 수정체의 두께를 조절할 수 없습니다. 그러면 어떻게 망막에 초점을 맞추고 있는가 하면, 바로 수정체를 앞뒤로 움직여서 맞추고 있습니다. 또, 수정체가 구형을 하고 있으므로, 어류나 수생 포유류는 공기중에서는 빛의 굴절이 지나치게 커지기 때문에, 극도의 근시인 상태가 됩니다. 그러나 갯벌에서 생활하는 망둥어 등은 육상 생활에 적합한 얇은 수정체를 가지고 있습니다. 또, 네눈박이송사리과의 물고기는 수정체의 형태가 긴 원형을 하고 있습니다. 이 긴 원형의 수정체가 눈 속에서 비스듬하게 배치되어 있어, 눈의 상부와 하부에서 빛의 굴절의 크기가 다르게 되어 있습니다. 따라서 상부에서 수상, 하부에서 수중을 잘 볼 수 있습니다. 이는 마치 상하를 반대로 한 원근 양용 안경을 쓴 것 같은 느낌입니다. 네눈박이송사리과 물고기의 눈은 수륙 양용의 수정체를 가지고 있는 것입니다. 덧붙여 네눈박이송사리과라고 해서 눈을 4개 가지고 있는 것은 아닙니다.