БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗРИТЕЛЬНОЙ РЕЦЕПЦИИ.
1. Оптическая система глаза. Аккомодация.
Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, занимающим в разделе геометрической оптики особое место. Это объясняется тем, что многие оптические инструменты рассчитаны на зрительное восприятие их показаний. С другой стороны глаз человека (и животных) как усовершенствованная в процессе эволюции биологическая система, даёт некоторые идеи по конструированию и улучшению оптических систем. Рассмотрим строение глаза. Глазное яблоко имеет почти шарообразную форму с диаметром в осевом направлении 24 – 25 мм. Оно содержит светопроводящий и световоспринимающий аппарат глаза. Стенки глаза состоят из трёх концентрически расположенных оболочек – наружной, средней и внутренней. Наружная оболочка – склера в передней части глаза переходит в прозрачную выпуклую роговую оболочку (роговица). Отделённая от склеры роговица имеет форму сферической чашечки диаметром около 12 мм и толщиной около 1 мм. Радиус кривизны её 7-8 мм, показатель преломления – 1,38. К склере прилегает сосудистая оболочка, внутренняя поверхность которой выстлана слоем пигментных клеток, препятствующих внутреннему диффузному рассеиванию света в глазу. В передней части сосудистая оболочка переходит в радужную, окрашенную у различных людей по-разному и имеющую в центре небольшое круглое отверстие – зрачок. Радужная оболочка является своеобразной диафрагмой, регулирующей диаметр зрачка (от 2-3 мм при ярком, до 6-8 мм при слабом освещении) и тем самым световой поток, попадающий в глаз. Пространство между радужной оболочкой и роговицей (передняя камера) заполнено прозрачной жидкостью, близкой по оптическим свойствам к воде. Непосредственно за зрачком расположен хрусталик – упругое прозрачное тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы (п-1,4). Диаметр хрусталика 8-10 мм, радиус кривизны передней поверхности 10 мм, задней – 6 мм. С помощью круговой ресничной мышцы кривизна хрусталика может меняться. Вся внутренняя полость глаза заполнена прозрачной студенистой жидкостью – стекловидным телом (п=1,33). К сосудистой оболочке в задней части, называемой дном глаза, прилегает сетчатая оболочка, или ретина, содержащая световоспринимающий аппарат глаза (рецепторный аппарат). Он состоит из мельчайших рецепторных клеток-палочек и колбочек, обеспечивающих сумеречное и цветовое зрение. Сетчатка служит световоспринимающим экраном, на котором получается действительное и уменьшенное изображение предмета, рассматриваемого глазом. Преломляющая система глаза: роговица, влага передней камеры, хрусталик, стекловидное тело – представляют центрированную оптическую систему с оптической осью, проходящей через геометрические центры хрусталика, зрачка и роговицы. Для оптической системы глаза, как и для любой оптической системы, можно указать шесть кардинальных точек, с Здоровый глаз приспосабливается к рассмотрению предметов, расположенных от него на расстоянии от 10-15 см до бесконечности. Эта способность глаза называется аккомодацией. Аккомодация – это способность глаза изменять оптическую силу за счёт изменения кривизны хрусталика, что позволяет получать чёткие изображения предметов на сетчатке. При этом изменяется оптическая сила (D). У взрослого человека (здорового) при приближении предмета к глазу до расстояния 25 см аккомодация совершается без напряжения, и, благодаря привычке рассматривать предметы, находящиеся в руках, глаз чаще всего аккомодирует на этом расстоянии, называемом расстоянием наилучшего зрения. Минимальное расстояние до предмета, соответствующее максимальной аккомодации, определяет положение так называемой ближней точки ясного видения (ближняя точка глаза). Положение ближней точки зависит от возраста человека. С возрастом это расстояние увеличивается, а аккомодация уменьшается.
2. Разрешающая способность глаза. Недостатки оптической системы глаза.
Размер изображения на сетчатке зависит не только от размера предмета, но и от удаления от глаза, т.е. от угла, под которым виден предмет.
Разрешающую способность глаза принято оценивать минимальным углом зрения βmin, под которым две соседние точки предмета видны раздельно. Этот угол в конечном итоге определяет размер изображения на сетчатке. В пределах жёлтого пятна при хорошем освещении глаз человека начинает воспринимать две точки, если β≥
показан ход лучей без линзы, сочетанием штриховой и сплошной линий – с линзой.
С возрастом происходит изменение эластичных свойств хрусталика и появляется возрастная дальнозоркость.
У человека оба глаза работают как согласованная система, формирующая единый образ видимого предмета. Способность формировать такой образ из изображений двух глаз называется бинокулярным зрением. Одновременно, бинокулярное зрение позволяет оценить удалённость окружающих предметов. Эта способность глаза называется стереоскопическим зрением. Место в пространстве, где пересекаются зрительные линии двух глаз, называется точкой фиксации. Нарушение бинокулярного зрения чаще всего проявляется в виде косоглазия. Косоглазие – это отклонение зрительной линии одного из глаз от совместной точки фиксации. По направлению отклонения зрительной линии глаза различают косоглазие сходящееся, расходящееся и вертикальное. Для компенсации косоглазия могут применяться очки с призматическими линзами. 3. Основы фотометрии. Обсуждение вопросов биофизических процессов зрительного восприятия требует знания основных понятий, относящихся к измерению световых величин. Этот круг вопросов изучает фотометрия. Одной из фотометрических величин является световой поток (Ф), который представляет энергию (dW) световой волны, проходящую в единицу времени через данную поверхность: Освещённость поверхности – это отношение светового потока к площади этой поверхности: Физиологическое действие света на человека в значительной степени зависит от освещённости. При малых освещённостях глаз с трудом различает мелкие предметы и быстро устаёт. При больших освещённостях свет оказывает вредное действие на сетчатку и возбуждающе действует на нервную систему. Поэтому установлены гигиенические нормы освещённости жилых и производственных помещений. Например, в аудитории (на уровне поверхности стола) освещённость должна быть 150 лк, в комнатах в общежитии – 50 лк и т.д. Сила света источника (I) – это отношение светового потока к величине телесного угла, внутри которого этот поток распространяется:
Яркость (L) – величина, численно равная отношению светового потока внутри телесного угла к величине этого угла и к площади излучающей площадки: Единицей измерения яркости является 1 Нит (нт)=
Свет, попадающий в глаз, фокусируется с помощью хрусталика на слой светочувствительных клеток сетчатки колбочек и палочек. Светочувствительные элементы сетчатки – колбочки расположены в жёлтом пятне. Палочки же располагаются по краям жёлтого пятна и по остальной поверхности сетчатой оболочки. Количество колбочек равно примерно 7 миллионам, а палочек примерно – 130 миллионам. Палочки не различают цвета и отвечают за чёрно-белое или сумеречное зрение (ахроматическое). Только световое раздражение колбочек вызывает ощущение цвета и, благодаря наличию колбочек, осуществляется дневное зрение. Колбочки сосредоточены в центре сетчатки, потому что цветовое зрение осуществляется в условиях яркого освещения при суженном зрачке, пропускающем свет в основном на центральную часть сетчатки. Чувствительность палочек значительно выше, чем колбочек, которые функционируют лишь при освещённостях выше 10-2 лк, тогда как палочки реагируют на свет даже при освещённости до 10-6 лк. В этом легко убедиться в сумерках, когда нам кажется, что все предметы теряют свою окраску. Восприятие света, так же как и восприятие звука, подчиняется закону Вебера-Фехнера, согласно которому прирост силы светового ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивности двух сравниваемых световых потоков. Светочувствительность глаза изменяется в широких пределах благодаря зрительной адаптации. Известно, что при входе в слабо освещённую комнату вначале человек не различает предметы и для их различия требуется определённое время, т.е. переход от дневного к сумеречному зрению требует определённого времени. Этот процесс называется адаптацией. Адаптация – это способность глаза приспосабливаться к различным яркостям. До полной адаптации иногда необходимо время 30-40 минут. Адаптация позволяет глазу нормально функционировать в диапазоне яркости 10-5-105 кд/м2. Исследования показали, что минимальное количество света, которое должно падать на поверхность глаза для создания светового ощущения, составляет от 60 до 150 фотонов жёлто-зелёного света. До сетчатки доходит ещё меньше фотонов. Около 50% поглощается хрусталиком, около 4% отражается от роговицы. Таким образом, на долю фоторецепторов остаётся всего несколько процентов от числа фотонов, падающих на роговицу. Исследования показали, что порог чувствительности глаза, адаптированного к темноте, для жёлто-зелёного света составляет всего 2-3 фотона. Фоторецепторы преобразуют световую энергию в электрическую с коэффициентом усиления 105-106. Такое большое усиление позволяет даже единичным фотонам создать нервный импульс и соответственно световое ощущение. Таким образом, глаз является одним из чувствительнейших приборов. Глаз человека реагирует на электромагнитные волны с длиной волны примерно от 400 до 780 нм. Причём даже в указанном интервале чувствительность глаза к различным длинам волн неодинакова. Чувствительность глаза для более длинных и более коротких волн резко снижается. Наибольшей чувствительностью глаз обладает к длине волны λmax=555 нм, т.е. к зелёному цвету. Если взять несколько источников различного цвета, обладающих одинаковой мощностью, то они будут представлены глазу не одинаково яркими. Например, чтобы красный свет казался столь же ярким, как и зелёный, необходимо, чтобы его мощность превышала мощность зелёного в несколько раз. Поэтому, для характеристики спектральной чувствительности глаза вводят величину, которая равна отношению мощности излучения с длиной волны λmax=555 нм к мощности излучения с длиной волны λ, вызывающей ощущение такой же яркости, как и излучение с длиной волны λmax. Эта величина называется относительной спектральной световой эффективностью Vλ (иногда пользуются старым названием – относительная видность): График зависимости Vλ от длины волны λ называется спектральной чувствительностью глаза.
Не следует, однако, думать, что глаз не чувствителен к излучениям, лежащим за пределами диапазона 400-780 нм. Человек может воспринимать излучение в ультрафиолетовой области до 300 нм и инфракрасной области до 950 нм, но чувствительность глаза к этим волнам в миллиард раз меньше, чем для λmax=555 нм. Хрусталик и стекловидное тело почти полностью поглощают ультрафиолет. Поэтому при удалении хрусталика (по поводу катаракты), чувствительность глаза к ультрафиолету значительно возрастает. Максимум кривой видности дневного зрения соответствует максимуму солнечного излучения, прошедшего через атмосферу и попавшего на поверхность Земли. В этом проявляется целесообразность организации глаза как светочувствительного аппарата.
5. Биофизические основы зрительной рецепции. Свет, попадающий в глаз, фиксируется оптической системой глаза на сетчатке, которая представляет собой многослойную клеточную систему. Фоторецепторные клетки находятся в заднем слое сетчатки, опираясь своими светочувствительными сегментами в поглощающий фотоны слой эпителиальных клеток, окрашенных тёмным пигментом. Для того чтобы попасть в фоторецепторы свету приходится предварительно проходить через слой нервных клеток, что, однако, не снижает чувствительности глаза, так как эти клетки прозрачны для видимого света. Такое расположение фоторецепторов лучше охраняет эти клетки от внешних воздействий и предотвращает попадание на них фотонов, отражённых и рассеянных другими участками глаза, а это улучшает остроту зрения. Каждая палочка и колбочка состоит из наружного и внутреннего сегмента, содержащего ядро и митохондрии, обеспечивающие энергетические процессы в фоторецепторной клетке. В конце внутреннего сегмента, обращенного к свету, находится синоптический контакт с нервным волокном. Рассмотрим строение и функции палочек. Наружный сегмент палочек состоит из стопки светочувствительных дисков, в которые встроен зрительный пигмент родопсин красного цвета. Каждый диск толщиной примерно 20 нм, напоминающий собой расплющенный воздушный шар, состоит из бислойных липидных мембран с пронизывающими их молекулами белков. Большое количество дисков в стопке увеличивает общую светочувствительную поверхность фоторецепторной клетки, что повышает вероятность поглощения ею фотона. Зрительные диски образуются на протяжении всей жизни человека. Они постепенно перемещаются по сегменту и на самом конце отделяются, после чего поглощаются клетками пигментного эпителия и разрушаются. Из-за низкой вязкости липидного бислоя молекулы пигмента могут совершать быструю латеральную диффузию, а после поглощения кванта света претерпевать значительные конформационные перестройки. Зрительный пигмент родопсин – это сложный белок. Он состоит из белка опсина и хромофорной группы – ретиналя (альдегидная группа витамина А). Если с пищей в организм поступает недостаточное количество витамина А, то нарушается процесс синтеза зрительных пигментов, что приводит к ухудшению сумеречного зрения, называемого «куриной слепотой». Ретиналь может находиться в двух изомерных конфигурациях: цис- или транс- конфигурации. Молекула транс-ретиналя имеет выпрямленную форму. Цис-ретиналь имеет изогнутую форму, поворот группы атомов начинается с одиннадцатого атома углерода, поэтому изомер называется 11-цис-ретиналем. Изогнутая молекула 11-цис-ретиналя в темноте образует комплекс с опсином и плотно входит в соответствующее углубление в молекуле опсина. При освещении цис-ретиналь переходит в более устойчивую транс-форму и выпрямленная молекула транс-ретиналя не помещается в углублении, выходит из него и отщепляется от опсина. Распад родопсина на ретиналь и опсин приводит к возбуждению рецепторной клетки и возникновению генераторного потенциала. Разрыв связи между опсином и ретиналем приводит к обесцвечиванию родопсина. Обратный процесс превращения транс-ретиналя в цис-ретиналь происходит под действием фермента ретинальизомеразы, после чего цис-ретиналь присоединяется к опсину. В сетчатке при постоянном освещении имеет место устойчивое равновесие, при котором скорость распада родопсина равна скорости его восстановления. В темноте скорость регенерации родопсина достигает максимума и глаз приобретает максимальную чувствительность. Такие перестройки родопсина впервые были исследованы Уолтом, получившим за это Нобелевскую премию в 1966 г. Регистрация электроретинограмм позволила установить, что сразу после освещения палочки короткой вспышкой света наблюдается ранний рецепторный потенциал (РРП), затем примерно через 1 мс развивается поздний рецепторный потенциал (ПРП). Природа этих потенциалов совершенно различна и ещё недостаточно изучена. По-видимому РРП связан с перемещением родопсина во время конформационных перестроек, а возникновение ПРП связано с движением ионов через мембрану, однако роль ионов в данном случае несколько иная, чем их роль в образовании потенциала действия в нервном аксоне.
Цветовое зрение обусловлено колбочками. Согласно теории Юнга-Гельгольца, существует три типа колбочек с различными кривыми спектральной чувствительности с максимумами 440, 540 и 590 нм (рис.10), где Kλ – монохроматический натуральный показатель поглащения. Каждый вид колбочек создаёт ощущение только одного цвета – красного, зелёного или синего. При одновременном возбуждении рецепторов в мозг поступают сигналы различной интенсивности, которые создают ощущение промежуточных цветов. Всё многообразие цветовых ощущений определяется соотношением между числом импульсов, посылаемых возбуждёнными колбочками. Пигмент колбочек содержит также 11-цис-ретиналь, как и родопсин, но белковая часть пигмента отличается, поэтому пигменты колбочек носят название йодопсинов, они имеют фиолетовую окраску. Каждая колбочка содержит только один вид йодопсина. Поглощение света йодопсинами, как и в случае с родопсином, приводит к появлению потенциалов в колбочках. Трёх компонентная теория цветного зрения объясняет большинство фактов из физиологии и патологии цветного зрения. При некоторых генетических заболеваниях нарушается синтез белков – йодопсинов, в результате чего не образуется тот или иной пигмент цветового зрения. Человек утрачивает способность различать цвета. Эта болезнь называется дальтонизмом.
ЛЕКЦИЯ №23
|