A látásoptika jelensége az információ fotokémiai reakcióinak elemzése. Fotokémia

A retinát érő fény hatására a rudak és kúpok külső szegmenseiben elhelyezkedő pigmentekben kémiai változások következnek be. Ennek eredményeként fotokémiai reakció a fotoreceptorokat stimulálják retina.

Fényérzékeny pigmenteket fedeztek fel az állatok retinájában a múlt század 70-es éveinek végén, és kimutatták, hogy ezek az anyagok elhalványulnak a fényben. Az emberek és számos állat retinális pálcái tartalmazzák a rodopszin, vagyis vizuális bíbor pigmentet, amelynek összetételét, tulajdonságait és kémiai átalakulásait az elmúlt évtizedekben részletesen tanulmányozták (Wold et al.). A jodopszin pigmentet a madarak kúpjaiban találták meg. Nyilvánvalóan más fényérzékeny pigmentek is vannak a kúpokban. Rushton jelzi a pigmentek jelenlétét a kúpokban - chlorolab és eritrolab; az első elnyeli a zöldnek megfelelő sugarakat, a második pedig a spektrum vörös részét.

Rhodopszin egy nagy molekulatömegű vegyület, amely retinénből - A-vitamin aldehidből - és opszin fehérjéből áll. A fény hatására ennek az anyagnak a kémiai átalakulásának ciklusa megy végbe. A fény elnyelésével a retinén átmegy geometriai izomerjébe, amelyet az a tény jellemez, hogy oldallánca kiegyenesedett, ami a retinén és a fehérje kötés megszakadásához vezet. Ebben az esetben először képződik néhány köztes anyag - lumprodopszin és metarhodopszin, majd a retinén lehasad az opszinból. Ez utóbbi a retinén-reduktáz nevű enzim hatására A-vitaminná alakul, amely a rudak külső szegmenseiből kerül a pigmentréteg sejtjeibe.

Amikor a szem elsötétül, a vizuális lila regenerálódása következik be, azaz a rodopszin újraszintézise. Ez a folyamat megköveteli, hogy a retina megkapja az A-vitamin cisz-izomerjét, amelyből retinén képződik. Az A-vitamin hiányában a szervezetben a rodopszin képződése élesen megzavarodik, ami a fent említett éjszakai vakság kialakulásához vezet. A retinén képződése az A-vitaminból oxidatív folyamat, amely az enzimrendszer részvételével megy végbe. Az emlősök izolált retinájában, ahol az oxidatív folyamatok zavartak, a rodopszin nem redukálódik.

Fotokémiai folyamatok a retinában nagyon gazdaságosan fordulnak elő, azaz még nagyon erős fény hatására is a pálcikákban lévő rodopszinnak csak egy kis része hasad fel. Tehát Wald szerint 100 lux intenzitású fény hatására 5 másodperc elteltével minden pálcikában csak 1200 vizuális bíbormolekula hasad fel a benne lévő 18 millió molekulából, azaz kb. A rodopszin 0,005%-a lebomlik.

A rodopszin fényelnyelése és felosztása a rá ható fénysugarak hullámhosszától függően eltérő. Az emberi retinából kivont rodopszin maximális abszorpciót mutat a spektrum zöld részén fekvő, körülbelül 500 mm k hullámhosszúságú fénysugarak hatására. Ezek a sugarak tűnnek a legfényesebbnek a sötétben. A rodopszin abszorpciós és elszíneződési görbéjének összehasonlítása különböző hullámhosszú fény hatására a fény fényerejének sötétben szubjektív értékelésének görbéjével megmutatja ezek teljes egybeesését ( rizs. 215).

Ha a retinát timsóoldattal kezeljük, azaz rögzítjük, ez megakadályozza a rodopszin további szétesését, és a retinán az előzőleg megnézett tárgy képe látható (ún. optogram). A jodopszin szerkezete közel áll a rodopszin szerkezetéhez. A jodopszin a retinén és az opszin fehérje kombinációja is, amely kúpokban képződik, és különbözik a rúd-opszintól. A rodopszin és a jodopszin fényelnyelése eltérő. A jodopszin a legnagyobb mértékben elnyeli a körülbelül 560 mikron hullámhosszúságú fénysugarakat, amelyek a spektrum sárga órájában helyezkednek el. Rizs. 215. Az emberi szem érzékenységének összehasonlítása a sötétben a vizuális lila abszorpciós spektrumával. A pontok az érzékenységet jelzik.

Fotokémiai folyamatok a retinában abból áll, hogy a rudak külső szegmenseiben található vizuális lila (rodopszin) a fény hatására elpusztul, és a sötétben helyreáll. A közelmúltban Rushton (1967) és Weale (1962) nagyon széles körben tanulmányozta a vizuális lila szerepét a szemre ható fény folyamatában.

Az általuk épített készülékek lehetővé teszik az élő emberi szem retinájában a fény hatására szétesett rodopszin réteg vastagságának mérését. Az elvégzett vizsgálatok eredményei alapján a szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy nincs közvetlen kapcsolat a fényérzékenység változása és a szétesett vizuális lila mennyisége között.

Ez utalhat a retinában a látható sugárzás hatására végbemenő összetettebb folyamatokra, vagy, ahogy nekünk úgy tűnik, a módszertani technika tökéletlenségére (atropin alkalmazása, műpupilla használata stb.).

A fény hatását nem csak fotokémiai reakció magyarázza. Általánosan elfogadott, hogy amikor fény éri a retinát, a látóidegben akciós áramok keletkeznek, amelyeket az agykéreg magasabb központjai rögzítenek.

Ha a hatásáramokat időben regisztráljuk, retinogramot kapunk. Amint az elektroretinogram elemzése mutatja, egy kezdeti látens periódus (a fényáramnak való kitettség pillanatától az első impulzusok megjelenéséig eltelt idő), a maximum (az impulzusok számának növekedése) és egy egyenletes csökkenés jellemzi. előzetes enyhe növekedéssel (a végső hatás látens periódusa).

Tehát az inger azonos fényessége mellett az impulzusok gyakorisága a szem előzetes alkalmazkodásának jellegétől függ, ha a szem fényhez alkalmazkodott, akkor csökken, ha pedig sötétséghez alkalmazkodott, akkor nő. .

A fényre adott reakción kívül a vizuális elemző bizonyos vizuális munkát végez. Azonban minden valószínűség szerint a fényérzékelés folyamatában részt vevő mechanizmusok és a tárgy részletei a vizuális munka során nem lesznek teljesen azonosak.

Ha az analizátor a fényáram szintjének ingadozására a retina receptív mezőinek növelésével vagy csökkentésével reagál, akkor az észlelési objektum szövődményére - a szem optikai rendszerének megváltoztatásával (konvergencia, akkomodáció, papillómotoros reakció stb.).

A látható sugárzás befolyásolja a vizuális analizátor különféle funkcióit: a fényérzékenységről és az alkalmazkodásról, a kontrasztérzékenységről és a látásélességről, a tiszta látás stabilitásáról és a megkülönböztetés sebességéről stb.

"Betegségek, fiziológia és higiénia klinikája serdülőkorban", G. N. Serdyukovskaya

A pupilla izmai, miután megkapták a D jelet, nem reagálnak a G jelre, amelyet az E jel jelez, ettől a pillanattól kezdve a pupilla minden tőle telhetőt megtesz abban, hogy a tárgy képének tisztaságát javítsa. a retina, míg a fő szerep ebben a folyamatban a lencséé. A "retina inger erejét szabályozó központ" viszont, miután megkapta az E jelet, információt továbbít más központoknak, ...

E. S. Avetisov a myopia progresszióját a „túlszabályozás” következményeként tekinti, amikor a gyengült akkomodatív képességű szem „célszerű” adaptációs folyamata a közeli munkavégzésre az ellenkezőjébe fordul. A fent elmondottakból világossá válik, hogy mennyire fontos a megfelelő ésszerű megvilágítás a szem teljesítményéhez. Különös jelentőséget kap azon serdülők számára, akik a munkát a tanulással kombinálják. Jelenleg azonban…

A fényintenzitás és a felületi megvilágítás a következő egyenlettel függ össze: I=EH2; E=I/H2; E=I*cos a/H2. ahol E a felület megvilágítása lux-ban; H a lámpatest beépítési magassága a megvilágított felület felett méterben; I - a fény intenzitása a gyertyákban; a a fényintenzitás iránya és a lámpatest tengelye közötti szög. Fényerő (B) - a felületről visszaverődő fény intenzitása ...

Mesterséges világítás A következő jellemzőket vesszük alapul a normalizáláshoz, amelyek meghatározzák a vizuális munka feszültségének mértékét. A vizuális munka pontossága, amelyet a szóban forgó alkatrész legkisebb mérete jellemez. A „részlet” kifejezés a normákban nem a feldolgozott terméket jelenti, hanem azt a „tárgyat”, amelyet a munkafolyamat során figyelembe kell venni, például egy szál szövet, egy karc a termék felületén stb. A háttér világosságának foka, amelyre az objektumot tekintjük...

A megvilágítás egy fokozattal történő csökkentése megengedett a rövid ideig tartózkodó ipari helyiségekben, valamint olyan helyiségekben, ahol olyan berendezések vannak, amelyek nem igényelnek állandó karbantartást. Amikor kombinált világítást szerelnek fel a munkafelületre, az általános világítótestek megvilágításának a kombinált világítási normák legalább 10% -ának kell lennie, de a tinédzsereknél nyilvánvalóan legalább 300 luxnak kell lennie.

Az emberek és sok állat retinális rudai pigmentet tartalmaznak rodopszin, vagy vizuális lila, amelynek összetételét, tulajdonságait és kémiai átalakulásait az elmúlt évtizedekben részletesen tanulmányozták. Kúpokban található pigment jodopszin. A kúpok klorolab és eritrolab pigmenteket is tartalmaznak; az első elnyeli a zöldnek megfelelő sugarakat, a második pedig a spektrum vörös részét.

Rhodopszin egy nagy molekulatömegű vegyület (molekulatömege 270 000), amely retina - A-vitamin aldehidből és opszin fehérjéből áll. A fénykvantum hatására ennek az anyagnak a fotofizikai és fotokémiai átalakulásának ciklusa megy végbe: a retina izomerizálódik, oldallánca kiegyenesedik, a retina és a fehérje közötti kötés megszakad, és a fehérjemolekula enzimatikus központjai aktiválódnak. Ezután a retina leválik az opszinról. A retina reduktáz nevű enzim hatására ez utóbbi A-vitaminná alakul.

Amikor a szem elsötétül, megtörténik a vizuális lila regenerációja, azaz. a rodopszin újraszintézise. Ez a folyamat megköveteli, hogy a retina megkapja az A-vitamin cisz-izomerjét, amelyből retina képződik. Ha az A-vitamin hiányzik a szervezetből, akkor a rodopszin képződése élesen megszakad, ami a fent említett éjszakai vakság kialakulásához vezet.

A retinában a fotokémiai folyamatok nagyon ritkán fordulnak elő; még nagyon erős fény hatására is a pálcikákban lévő rodopszinnak csak egy kis része hasad fel.

A jodopszin szerkezete közel áll a rodopszin szerkezetéhez. A jodopszin a retina és az opszin fehérje vegyülete is, amely kúpokban termelődik, és különbözik a rúd-opszintól.

A rodopszin és a jodopszin fényelnyelése eltérő. A Iodopsip körülbelül 560 nm hullámhosszú sárga fényt nyel el a legnagyobb mértékben.

színlátás

A látható spektrum hosszú hullámú szélén vörös sugarak (hullámhossz 723-647 nm), a rövid hullámhosszon - ibolya (hullámhossz 424-397 nm). Az összes spektrális szín sugarának keverése fehéret eredményez. Fehér színt kaphatunk két úgynevezett páros kiegészítő szín keverésével is: piros és kék, sárga és kék. Ha különböző párokból vett színeket kever, akkor köztes színeket kaphat. A spektrum három alapszínének – piros, zöld és kék – keverésének eredményeként bármilyen színt kaphatunk.

A színérzékelés elméletei. A színérzékelésnek számos elmélete létezik; A háromkomponensű elmélet élvezi a legnagyobb elismerést. Azt állítja, hogy a retinában három különböző típusú színérzékelő fotoreceptor - kúp - létezik.

A színek érzékelésére szolgáló háromkomponensű mechanizmus létezését is említette M.V. Lomonoszov. Ezt az elméletet később, 1801-ben fogalmazták meg. T. Young majd fejlődött G. Helmholtz. Ezen elmélet szerint a kúpok különféle fényérzékeny anyagokat tartalmaznak. Egyes kúpok vörösre, mások zöldre, mások ibolyára érzékeny anyagokat tartalmaznak. Minden szín hatással van mindhárom színérzékelő elemre, de eltérő mértékben. Ezeket a gerjesztéseket vizuális neuronok összegzik, és a kéregbe jutva egy vagy másik szín érzetét keltik.

Egy másik javasolt elmélet szerint E. Göring, három hipotetikus fényérzékeny anyag található a retina kúpjaiban: 1) fehér-fekete, 2) vörös-zöld és 3) sárga-kék. Ezeknek az anyagoknak a fény hatására történő lebomlása fehér, vörös vagy sárga érzetet okoz. Más fénysugarak ezeknek a feltételezett anyagoknak a szintézisét idézik elő, ami fekete, zöld és kék érzetet eredményez.

Az elektrofiziológiai vizsgálatokban a legmeggyőzőbb megerősítést a színlátás háromkomponensű elmélete kapta. Állatkísérletek során mikroelektródákat használtak az impulzusok elterelésére a retina egyes ganglionsejtjeiről, amikor azt különböző monokromatikus sugarakkal világították meg. Kiderült, hogy az elektromos aktivitás a legtöbb neuronban a spektrum látható részén bármilyen hullámhosszú sugarak hatására keletkezett. A retina ilyen elemeit dominátoroknak nevezzük. Más ganglionsejtekben (modulátorokban) impulzusok csak akkor keletkeztek, ha csak egy bizonyos hullámhosszú sugarak világították meg őket. 7 modulátort azonosítottak, amelyek optimálisan reagálnak a különböző hullámhosszúságú (400-600 nm) fényre. R. Granit úgy véli, hogy a színérzékelés T. Jung és G. Helmholtz által javasolt három összetevőjét a modulátorok spektrális érzékenységi görbéinek átlagolásával kapjuk meg, amelyek a spektrum három fő része szerint csoportosíthatók: kék-ibolya. , zöld és narancs.

Amikor a különböző hullámhosszú sugarak abszorpcióját egyetlen kúppal mérjük mikrospektrofotométerrel, kiderült, hogy egyes kúpok maximálisan elnyelik a vörös-narancssárga, mások zöld, mások pedig kék sugarakat. Így három kúpcsoportot azonosítottak a retinában, amelyek mindegyike a spektrum egyik elsődleges színének megfelelő sugarakat érzékel.

A színlátás háromkomponensű elmélete számos pszichofiziológiai jelenséget magyaráz meg, mint például a szekvenciális színes képeket, és a színérzékelés patológiájának (az egyes színekkel kapcsolatos vakság) néhány tényét. Az elmúlt években számos úgynevezett ellenfél neuront tanulmányoztak a retinában és a látóközpontokban. Abban különböznek egymástól, hogy a sugárzás hatása a szemre a spektrum egy részében gerjeszti, a spektrum más részein pedig gátolja őket. Úgy gondolják, hogy az ilyen neuronok kódolják a leghatékonyabban a színinformációkat.

színvakság. A színvakság a férfiak 8%-ánál fordul elő, előfordulása a férfiak nemét meghatározó párosítatlan X kromoszómában egyes gének genetikai hiánya miatt következik be. A színvakság diagnosztizálása érdekében az alanynak felkínálnak egy sor polikromatikus táblázatot, vagy lehetővé teszik, hogy ugyanazokat a különböző színű objektumokat szín szerint válassza ki. A színvakság diagnózisa fontos a szakmai kiválasztás során. A színvak ember nem lehet közlekedési eszköz sofőrje, mivel nem tudja megkülönböztetni a közlekedési lámpák színeit.

A részleges színvakságnak három típusa van: protanopia, deuteranopia és tritanopia. Mindegyikükre jellemző a három alapszín egyikének észlelésének hiánya. A protanópiában („vörös-vak”) szenvedők nem érzékelik a vöröset, a kék-kék sugarak színtelennek tűnnek számukra. A deuteranópiában („zöld-vak”) szenvedők nem különböztetik meg a zöldet a sötétvöröstől és a kéktől. A tritanopia, a színlátás ritka anomáliája esetén a kék és lila sugarakat nem érzékelik.

Szállás

Egy tárgy tiszta látásához szükséges, hogy a pontjaiból érkező sugarak a retina felszínére esjenek, azaz. ide koncentráltak. Amikor egy személy távoli tárgyakat néz, a képe a retinára fókuszál, és tisztán látja őket. Ugyanakkor a közeli tárgyak nem láthatók tisztán, a retinán lévő képük elmosódott, mivel a belőlük érkező sugarak a retina mögött gyűlnek össze. Lehetetlen a szemtől különböző távolságra lévő tárgyakat egyidejűleg egyformán tisztán látni. Ezt könnyű belátni: ha közelről távoli tárgyakra nézel, akkor nem látod tisztán.

A szemnek a különböző távolságra lévő tárgyak tisztán látására való alkalmazkodását nevezzük szállás . Az akkomodáció során megváltozik a lencse görbülete, és ennek következtében a törőereje. Közeli tárgyak megtekintésekor a lencse domborúbbá válik, aminek következtében a fényponttól eltérő sugarak a retinán konvergálnak. Az akkomodációs mechanizmus a ciliáris izmok összehúzódására redukálódik, ami megváltoztatja a lencse domborúságát. A lencse egy vékony átlátszó kapszulába van zárva, amely a szélek mentén halad át a csillótesthez kapcsolódó cinkszalag rostjaiba. Ezek a szálak mindig feszesek és megfeszítik a kapszulát, ami összenyomja és lelapítja a lencsét. A ciliáris test simaizomrostokat tartalmaz. Összehúzódásukkal a cinkszalagok vonóereje gyengül, ami azt jelenti, hogy a lencsére nehezedő nyomás csökken, ami rugalmassága miatt domborúbb formát ölt. Így a ciliáris izmok alkalmazkodó izmok. Az oculomotoros ideg paraszimpatikus rostjai beidegzik őket. Az atropin szembejutása megsérti a gerjesztés átvitelét erre az izomra, és ezért korlátozza a szemek alkalmazkodását a közeli tárgyak figyelembevételekor. Éppen ellenkezőleg, a paraszimpatomimetikus anyagok - pilokarpin és ezerin - ennek az izomnak az összehúzódását okozzák.

Távollátás. A lencse az életkor előrehaladtával kevésbé rugalmas, és ha a cinkszalagok feszessége gyengül, domborúsága vagy nem változik, vagy csak kismértékben növekszik. Ezért a tiszta látás legközelebbi pontja eltávolodik a szemtől. Ezt az állapotot ún szenilis távollátás vagy presbyopia.

Molekula abszorpciós keresztmetszete

Az elsődleges fotokémiai átalakulások molekuláris kvantumfolyamatok. Törvényszerűségük megértéséhez vegyük figyelembe a molekuláris szintű fényelnyelés folyamatát. Ehhez a C kromofor moláris koncentrációját a molekuláinak „darab” koncentrációjában fejezzük ki (n = N/V az egységnyi térfogatra jutó molekulák száma):

Rizs. 30.3. Geometriai értelmezés keresztmetszet abszorpciója

Ebben az esetben a (28.4) egyenlet a következő formában jelenik meg:

A természetes moláris abszorpciós index és az Avogadro-állandó aránya [m 2 ], és ún. A molekula abszorpciós keresztmetszete:

A keresztmetszet az molekuláris az abszorpciós folyamatra jellemző. Értéke függ a molekula szerkezetétől, a fény hullámhosszától, és a következő geometriai értelmezése van. Képzeljünk el egy s területű kört, amelynek középpontjában egy ilyen típusú molekula található. Ha egy molekula fotogerjesztését előidézni képes foton pályája ezen a körön halad át, akkor a foton elnyelődik (30.3. ábra).

Most felírhatjuk a fény intenzitásának változtatásának egyenletét olyan formában, amely figyelembe veszi az abszorpció molekuláris természetét:

Egy molekula csak egy fénykvantumot nyel el. Annak érdekében, hogy figyelembe vegyük fotonikus a felszívódás jellege, különleges értéket vezetünk be - fotonfluxus intenzitása(I f).

Fotonfluxus intenzitása- egységnyi terület felületére a normál mentén beeső fotonok száma egységnyi idő alatt:

A fotonok száma is ennek megfelelően változik abszorpciójuk miatt:

Fotokémiai reakció kvantumhozama

Ahhoz, hogy az elnyelt fotonok számát a fotokémiai reakcióba lépő molekulák számával összefüggésbe hozzuk, megtudjuk, mit foton abszorpciója után történik a molekulával. Egy ilyen molekula fotokémiai reakcióba léphet, vagy a kapott energiát a szomszédos részecskékre átadva visszatérhet gerjesztetlen állapotba. A gerjesztésből a fotokémiai átalakulásokba való átmenet véletlenszerű folyamat, amely bizonyos valószínűséggel megy végbe.