Феноменът на зрителната оптика, фотохимични реакции, анализ на информацията. фотохимия

Под действието на светлината върху ретината настъпват химични промени в пигментите, разположени във външните сегменти на пръчиците и конусите. Като резултат фотохимична реакцияфоторецепторите се стимулират ретината.

Светлочувствителните пигменти са открити в ретината на животните в края на 70-те години на миналия век и е показано, че тези вещества избледняват на светлината. Пръчиците на ретината на хора и много животни съдържат пигмента родопсин или визуално лилаво, чийто състав, свойства и химични трансформации са проучени подробно през последните десетилетия (Wold et al.). Пигментът йодопсин е открит в шишарките на птиците. Очевидно има и други светлочувствителни пигменти в шишарките. Ръштън посочва наличието на пигменти в шишарките – хлоролаб и еритролаб; първият от тях поглъща лъчите, съответстващи на зелената, а вторият - червената част на спектъра.

Родопсине съединение с високо молекулно тегло, състоящо се от ретинен - ​​витамин А алдехид - и опсин протеин. Под действието на светлината настъпва цикъл на химични трансформации на това вещество. Поглъщайки светлината, ретиненът преминава в своя геометричен изомер, характеризиращ се с това, че неговата странична верига е изправена, което води до нарушаване на връзката на ретинена с протеина. В този случай първо се образуват някои междинни вещества - лумпродопсин и метародопсин, след което ретиненът се отцепва от опсина. Под въздействието на ензим, наречен ретинен редуктаза, последният се превръща във витамин А, който идва от външните сегменти на пръчиците в клетките на пигментния слой.

Когато очите са потъмнени, настъпва регенерация на зрително лилаво, т.е. ресинтез на родопсин. Този процес изисква ретината да получи цис-изомера на витамин А, от който се образува ретинен. При липса на витамин А в организма, образуването на родопсин е рязко нарушено, което води до развитие на гореспоменатата нощна слепота. Образуването на ретинен от витамин А е окислителен процес, който протича с участието на ензимната система. В изолираната ретина на бозайниците, при които са нарушени окислителните процеси, родопсинът не се редуцира.

Фотохимични процеси в ретинатапротичат много икономично, т.е. под действието на дори много ярка светлина, само малка част от родопсина, присъстващ в пръчките, се разцепва. И така, според Валд, под действието на светлина с интензитет от 100 лукса, след 5 секунди, само 1200 молекули визуално лилаво се разделят във всяка пръчка от 18 милиона молекули от това вещество, присъстващи в нея, т.е. 0,005% родопсин се разлага.

Поглъщането на светлината от родопсин и нейното разделяне са различни в зависимост от дължината на вълната на светлинните лъчи, действащи върху него. Родопсинът, извлечен от човешката ретина, проявява максимална абсорбция под въздействието на светлинни лъчи с дължина на вълната около 500 mm k, които лежат в зелената част на спектъра. Именно тези лъчи изглеждат най-ярки в тъмното. Сравнението на кривата на абсорбция и обезцветяване на родопсин под действието на светлина с различни дължини на вълната с кривата на субективната оценка на яркостта на светлината в тъмното разкрива пълното им съвпадение ( ориз. 215).

Ако ретината се третира с разтвор на стипца, тоест фиксирана, това предотвратява по-нататъшното разпадане на родопсина и върху ретината може да се види изображение на обекта, който преди това е бил гледан (т.нар. оптограма). Структурата на йодопсина е близка до тази на родопсина. Йодопсинът също е комбинация от ретинен с протеина опсин, който се образува в конуси и е различен от пръчковия опсин. Поглъщането на светлина от родопсин и йодопсин е различно. Йодопсинът поглъща в най-голяма степен светлинните лъчи с дължина на вълната около 560 микрона, които се намират в жълтия час на спектъра. Ориз. 215. Сравнение на чувствителността на човешкото око в тъмното със спектъра на поглъщане на зрително лилаво. Точките показват чувствителност.

Фотохимични процеси в ретинатасе състоят във факта, че визуалното лилаво (родопсин), разположено във външните сегменти на пръчките, се разрушава от светлина и се възстановява на тъмно. Напоследък Rushton (1967) и Weale (1962) много широко изучават ролята на визуалното лилаво в процеса на действие на светлината върху окото.

Конструираните от тях устройства позволяват да се измери дебелината на слоя родопсин, разпаднал се под въздействието на светлината в ретината на живо човешко око. Резултатите от проведените изследвания позволиха на авторите да заключат, че няма пряка връзка между промяната в светлочувствителността и количеството на дезинтегрираното зрително лилаво.

Това може да показва по-сложни процеси, протичащи в ретината под действието на видима радиация върху нея, или, както ни се струва, несъвършенството на методичната техника (използване на атропин, използване на изкуствена зеница и др.).

Действието на светлината не се обяснява само с фотохимична реакция. Общоприето е, че когато светлината удари ретината, в зрителния нерв възникват потоци на действие, които се фиксират от висшите центрове на мозъчната кора.

Когато теченията на действие се регистрират във времето, се получава ретинограма. Както показва анализът на електроретинограмата, той се характеризира с начален латентен период (времето от момента на излагане на светлинния поток до появата на първите импулси), максимум (увеличаване на броя на импулсите) и плавно намаляване с предварително леко увеличение (латентният период на крайния ефект).

И така, при една и съща яркост на стимула честотата на импулсите зависи от естеството на предварителната адаптация на окото; ако окото е било адаптирано към светлина, тогава тя намалява, а ако е адаптирано към тъмнина, тя се увеличава .

В допълнение към реакцията на светлината, зрителният анализатор извършва определена визуална работа. Въпреки това, по всяка вероятност механизмите, участващи в процеса на възприемане на светлината, и детайлите на обекта при извършване на визуална работа, няма да бъдат напълно идентични.

Ако анализаторът реагира на колебания в нивото на светлинния поток чрез увеличаване или намаляване на площта на рецептивните полета на ретината, тогава на усложняване на обекта на възприятие - чрез промяна на оптичната система на окото (конвергенция, акомодация, папиломоторна реакция и др.).

Видимата радиация засяга различните функции на зрителния анализатор:върху светлочувствителност и адаптация, контрастна чувствителност и зрителна острота, стабилност на ясното зрение и скорост на дискриминация и др.

"Клиника по болести, физиология и хигиена в юношеството", Г. Н. Сердюковская

Мускулите на зеницата, получавайки сигнала D, престават да реагират на сигнала G, който се съобщава от сигнала E. От този момент нататък зеницата взема всички възможни участия в подобряването на яснотата на изображението на обекта върху ретината, докато основната роля в този процес принадлежи на лещата. От своя страна "центърът за регулиране на силата на стимула на ретината", след като е получил сигнал E, предава информация на други центрове, в ...

E. S. Avetisov разглежда прогресията на късогледството като следствие от „свръхрегулация“, когато „целесъобразният“ процес на адаптиране на окото с отслабена акомодационна способност да работи от близко разстояние се превръща в своята противоположност. От казаното по-горе става ясно колко важно е достатъчно рационално осветление за работата на окото. Тя придобива особено значение за подрастващите, които съчетават работата с ученето. Въпреки това, в момента…

Интензитетът на светлината и повърхностната осветеност са свързани със следното уравнение: I=EH2; E=I/H2; E=I*cos a/H2. където E е повърхностната осветеност в лукс; H е монтажната височина на осветителното тяло над осветената повърхност в метри; I - интензитет на светлината в свещи; a е ъгълът между посоката на интензитета на светлината и оста на осветителното тяло. Яркост (B) - интензитетът на светлината, отразена от повърхността в посока ...

Изкуствено осветление Следните характеристики са взети като основа за нормализиране, които определят степента на напрежение при визуалната работа. Точността на визуалната работа, характеризираща се с най-малкия размер на въпросната част. Терминът „детайл“ в нормите не означава продукта, който се обработва, а „обекта“, който трябва да се вземе предвид в процеса на работа, например нишка от плат, драскотина по повърхността на продукта и т.н. Степента на осветеност на фона, на който се разглежда обектът ....

Допуска се намаляване на осветеността с една стъпка за промишлени помещения с кратък престой на хора, както и в помещения, където има оборудване, което не изисква постоянна поддръжка. При инсталиране на комбинирано осветление на работната повърхност, осветеността от общите осветителни тела трябва да бъде най-малко 10% от комбинираните светлинни норми, но за тийнейджъри, очевидно, трябва да бъде най-малко 300 лукса ....

Пръчиците на ретината на хората и много животни съдържат пигмент родопсин, или визуално лилаво, чийто състав, свойства и химични трансформации са проучени подробно през последните десетилетия. Пигмент, открит в шишарките йодопсин. Шишарките съдържат и пигментите хлоролаб и еритролаб; първият от тях поглъща лъчите, съответстващи на зелената, а вторият - червената част на спектъра.

Родопсине високомолекулно съединение (молекулно тегло 270 000), състоящо се от ретинал – витамин А алдехид и опсин протеин. Под действието на светлинен квант възниква цикъл от фотофизични и фотохимични трансформации на това вещество: ретината изомеризира, нейната странична верига се изправя, връзката между ретината и протеина се прекъсва и се активират ензимните центрове на протеиновата молекула. След това ретината се отцепва от опсина. Под въздействието на ензим, наречен ретинална редуктаза, последната се превръща във витамин А.

Когато очите са потъмнени, настъпва регенерацията на визуално лилаво, т.е. ресинтеза на родопсин. Този процес изисква ретината да получи цис-изомера на витамин А, от който се образува ретината. Ако витамин А липсва в организма, образуването на родопсин рязко се нарушава, което води до развитие на гореспоменатата нощна слепота.

Фотохимичните процеси в ретината протичат много пестеливо; под действието на дори много ярка светлина, само малка част от родопсина, присъстващ в пръчките, се разцепва.

Структурата на йодопсина е близка до тази на родопсина. Йодопсинът също е съединение на ретината с протеина опсин, който се произвежда в шишарки и е различен от пръчковия опсин.

Поглъщането на светлина от родопсин и йодопсин е различно. Йодопсипът абсорбира в най-голяма степен жълта светлина с дължина на вълната около 560 nm.

цветно зрение

На дълговълновия ръб на видимия спектър са червени лъчи (дължина на вълната 723-647 nm), на късовълновия - виолетов (дължина на вълната 424-397 nm). Смесването на лъчи от всички спектрални цветове дава бяло. Бял цвят може да се получи и чрез смесване на два така наречени сдвоени допълващи се цвята: червено и синьо, жълто и синьо. Ако смесите цветове, взети от различни двойки, можете да получите междинни цветове. В резултат на смесването на трите основни цвята от спектъра - червен, зелен и син - може да се получи всеки цвят.

Теории за цветното зрение. Съществуват редица теории за цветовото възприятие; Трикомпонентната теория се радва на най-голямо признание. В него се посочва съществуването в ретината на три различни вида цветоулавящи фоторецептори – колбички.

Съществуването на трикомпонентен механизъм за възприемане на цветовете беше споменато и от М.В. Ломоносов. Тази теория е формулирана по-късно през 1801 г. Т. Йънги след това се развива Г. Хелмхолц. Според тази теория шишарките съдържат различни фоточувствителни вещества. Някои шишарки съдържат вещество, което е чувствително към червено, други към зелено, а трети към виолетово. Всеки цвят има ефект и върху трите цветово-чувствителни елемента, но в различна степен. Тези възбуждения се сумират от зрителните неврони и, достигайки до кората, дават усещане за един или друг цвят.

Според друга предложена теория Е. Гьоринг, има три хипотетични фоточувствителни вещества в конусите на ретината: 1) бяло-черно, 2) червено-зелено и 3) жълто-синьо. Разграждането на тези вещества под въздействието на светлината води до усещане за бяло, червено или жълто. Други светлинни лъчи предизвикват синтеза на тези хипотетични вещества, което води до усещане за черно, зелено и синьо.

Най-убедителното потвърждение в електрофизиологичните изследвания е получено от трикомпонентната теория на цветното зрение. При експерименти върху животни са използвани микроелектроди за отклоняване на импулси от единични ганглийни клетки на ретината, когато тя е осветена с различни монохроматични лъчи. Оказа се, че електрическата активност в повечето неврони възниква под действието на лъчи с всякаква дължина на вълната във видимата част на спектъра. Такива елементи на ретината се наричат ​​доминатори. В други ганглийни клетки (модулатори) импулсите възникват само когато са осветени от лъчи само с определена дължина на вълната. Идентифицирани са 7 модулатора, които реагират оптимално на светлина с различни дължини на вълната (от 400 до 600 nm.). Р. Гранит смята, че трите компонента на цветовото възприятие, предложени от Т. Юнг и Г. Хелмхолц, се получават чрез осредняване на кривите на спектралната чувствителност на модулаторите, които могат да бъдат групирани според трите основни части на спектъра: синьо-виолетов , зелено и оранжево.

При измерване на поглъщането на лъчи с различни дължини на вълната от един конус с микроспектрофотометър се оказа, че някои конуси поглъщат максимално червено-оранжеви лъчи, други - зелени, а трети - сини лъчи. Така в ретината са идентифицирани три групи конуси, всяка от които възприема лъчи, съответстващи на един от основните цветове на спектъра.

Трикомпонентната теория на цветното зрение обяснява редица психофизиологични явления, като последователни цветни изображения и някои факти за патологията на цветовото възприятие (слепота по отношение на отделните цветове). През последните години се изследват много така наречени противникови неврони в ретината и зрителните центрове. Различават се по това, че действието на радиацията върху окото в една част от спектъра ги възбужда, а в други части от спектъра ги потиска. Смята се, че такива неврони най-ефективно кодират информация за цвета.

цветна слепота. Цветната слепота се среща при 8% от мъжете, нейната поява се дължи на генетичното отсъствие на определени гени в определящата пола несдвоена Х хромозома при мъжете. За да се диагностицира цветната слепота, на субекта се предлага серия от полихроматични таблици или му се позволява да избира едни и същи обекти с различни цветове по цвят. Диагнозата на цветната слепота е важна при професионалния подбор. Хората с цветна слепота не могат да бъдат шофьори на транспорт, тъй като не могат да различават цветовете на светофарите.

Има три вида частична цветна слепота: протанопия, деутеранопия и тританопия. Всеки от тях се характеризира с липсата на възприемане на един от трите основни цвята. Хората, страдащи от протанопия („червено-слепи“) не възприемат червените, синьо-сините лъчи им изглеждат безцветни. Хората, страдащи от деутеранопия („зелено-слепи“) не различават зеленото от тъмночервеното и синьото. При тританопия, рядка аномалия на цветното зрение, не се възприемат сини и виолетови лъчи.

Настаняване

За ясно виждане на обект е необходимо лъчите от неговите точки да падат върху повърхността на ретината, т.е. бяха фокусирани тук. Когато човек гледа далечни обекти, образът му се фокусира върху ретината и те се виждат ясно. В същото време близките обекти не се виждат ясно, изображението им върху ретината е замъглено, тъй като лъчите от тях се събират зад ретината. Невъзможно е едновременно да се виждат обекти еднакво ясно на различни разстояния от окото. Лесно е да видите това: когато погледнете от близки към далечни обекти, вие преставате да го виждате ясно.

Приспособяването на окото да вижда ясно обекти на различни разстояния се нарича настаняване . По време на акомодацията има промяна в кривината на лещата и следователно в нейната пречупваща сила. При гледане на близки обекти лещата става по-изпъкнала, поради което лъчите, отклоняващи се от светещата точка, се събират върху ретината. Механизмът на акомодация се свежда до свиване на цилиарните мускули, които променят изпъкналостта на лещата. Лещата е затворена в тънка прозрачна капсула, преминаваща по ръбовете във влакната на цинковия лигамент, прикрепен към цилиарното тяло. Тези влакна винаги са опънати и разтягат капсулата, което притиска и изравнява лещата. Цилиарното тяло съдържа гладки мускулни влакна. С тяхното свиване сцеплението на циновите връзки се отслабва, което означава, че натиска върху лещата намалява, която поради своята еластичност придобива по-изпъкнала форма. По този начин цилиарните мускули са акомодационни мускули. Те се инервират от парасимпатиковите влакна на окуломоторния нерв. Въвеждането на атропин в окото причинява нарушение на предаването на възбуда към този мускул и следователно ограничава настаняването на очите при разглеждане на близки предмети. Напротив, парасимпатикомиметичните вещества - пилокарпин и езерин - предизвикват свиване на този мускул.

Пресбиопия.С възрастта лещата става по-малко еластична и когато напрежението на циновите връзки е отслабено, нейната изпъкналост или не се променя, или се увеличава само леко. Следователно най-близката точка на ясно виждане се отдалечава от очите. Това състояние се нарича старческо далекогледствоили пресбиопия.

Напречно сечение на абсорбция на молекула

Първичните фотохимични трансформации са молекулярни квантови процеси. За да разберем техните закономерности, нека разгледаме процеса на поглъщане на светлината на молекулярно ниво. За да направим това, ние изразяваме моларната концентрация на хромофора C по отношение на концентрацията на „парче“ на неговите молекули (n = N/V е броят на молекулите на единица обем):

Ориз. 30.3.Геометрична интерпретация абсорбция на напречното сечение

В този случай уравнението (28.4) приема следния вид:

Съотношението на естествения моларен индекс на абсорбция към константата на Авогадро има размерността [m 2 ] и се нарича абсорбционно напречно сечение на молекулата:

Напречното сечение е молекулярнохарактеристика на процеса на усвояване. Стойността му зависи от структурата на молекулата, дължината на вълната на светлината и има следната геометрична интерпретация. Представете си кръг с площ s, в центъра на който е молекула от този тип. Ако траекторията на фотон, способен да предизвика фотовъзбуждане на молекула, преминава през този кръг, тогава фотонът се абсорбира (фиг. 30.3).

Сега можем да напишем уравнението за промяна на интензитета на светлината във форма, която отчита молекулярната природа на абсорбцията:

Една молекула абсорбира само един светлинен квант. За да се вземе предвид фотоненестеството на усвояването, ние въвеждаме специална стойност - интензитет на фотонен поток(I е).

Интензитет на фотонен поток- броят на фотоните, попадащи по протежение на нормалата върху повърхността на единица площ за единица време:

Броят на фотоните също се променя съответно поради тяхното поглъщане:

Квантов добив на фотохимична реакция

За да свържем броя на погълнатите фотони с броя на молекулите, които са влезли във фотохимична реакция, ние откриваме Каквосе случва с молекула след поглъщане на фотон. Такава молекула може да влезе във фотохимична реакция или, след като прехвърли получената енергия към съседни частици, да се върне в невъзбудено състояние. Преходът от възбуждане към фотохимични трансформации е случаен процес, който се случва с определена вероятност.