Fenomena analisis reaksi fotokimia penglihatan optik informasi. Fotokimia

Di bawah aksi cahaya pada retina, perubahan kimia terjadi pada pigmen yang terletak di segmen luar batang dan kerucut. Sebagai akibat reaksi fotokimia fotoreseptor dirangsang retina.

Pigmen peka cahaya ditemukan di retina hewan pada akhir 70-an abad terakhir, dan ditunjukkan bahwa zat ini memudar dalam cahaya. Batang retina manusia dan banyak hewan mengandung pigmen rhodopsin, atau ungu visual, komposisi, sifat, dan transformasi kimia yang telah dipelajari secara rinci dalam beberapa dekade terakhir (Wold et al.). Pigmen iodopsin ditemukan di kerucut burung. Rupanya, ada juga pigmen peka cahaya lainnya di kerucut. Rushton menunjukkan adanya pigmen dalam kerucut - chlorolab dan erythrolab; yang pertama menyerap sinar yang sesuai dengan hijau, dan yang kedua - bagian merah dari spektrum.

Rhodopsin adalah senyawa dengan berat molekul tinggi yang terdiri dari retinen - vitamin A aldehida - dan protein opsin. Di bawah aksi cahaya, siklus transformasi kimia zat ini terjadi. Dengan menyerap cahaya, retinena masuk ke isomer geometrisnya, ditandai dengan fakta bahwa rantai sampingnya diluruskan, yang menyebabkan terputusnya ikatan retinena dengan protein. Dalam hal ini, beberapa zat antara pertama kali dibentuk - lumprodopsin dan metarhodopsin, setelah itu retinen dipecah dari opsin. Di bawah pengaruh enzim yang disebut retinen reduktase, yang terakhir masuk ke vitamin A, yang berasal dari segmen luar batang ke dalam sel-sel lapisan pigmen.

Ketika mata menjadi gelap, regenerasi ungu visual terjadi, yaitu, resintesis rhodopsin. Proses ini mengharuskan retina menerima isomer cis vitamin A, dari mana retinen terbentuk. Dengan tidak adanya vitamin A dalam tubuh, pembentukan rhodopsin sangat terganggu, yang mengarah pada perkembangan rabun senja yang disebutkan di atas. Pembentukan retinen dari vitamin A adalah proses oksidatif yang terjadi dengan partisipasi sistem enzim. Di retina mamalia yang terisolasi, di mana proses oksidatif terganggu, rhodopsin tidak berkurang.

Proses fotokimia di retina terjadi sangat ekonomis, yaitu, di bawah pengaruh cahaya yang sangat terang sekalipun, hanya sebagian kecil rhodopsin yang ada dalam batang yang terbelah. Jadi, menurut Wald, di bawah aksi cahaya dengan intensitas 100 lux, setelah 5 detik, hanya 1200 molekul ungu visual yang terpecah di setiap batang dari 18 juta molekul zat ini yang ada di dalamnya, yaitu sekitar 0,005% rhodopsin terurai.

Penyerapan cahaya oleh rhodopsin dan pemecahannya berbeda tergantung pada panjang gelombang sinar cahaya yang bekerja padanya. Rhodopsin, diekstraksi dari retina manusia, menunjukkan penyerapan maksimum di bawah pengaruh sinar cahaya dengan panjang gelombang sekitar 500 mm k, yang terletak di bagian hijau dari spektrum. Sinar inilah yang tampak paling terang dalam kegelapan. Perbandingan kurva penyerapan dan perubahan warna rhodopsin di bawah aksi cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda dengan kurva penilaian subjektif kecerahan cahaya dalam gelap mengungkapkan kebetulan lengkap mereka ( Nasi. 215).

Jika retina diperlakukan dengan larutan tawas, yaitu, difiksasi, ini mencegah rhodopsin dari disintegrasi lebih lanjut, dan pada retina seseorang dapat melihat gambar objek yang sebelumnya dilihat (yang disebut optogram). Struktur iodopsin mirip dengan rhodopsin. Iodopsin juga merupakan kombinasi retinen dengan protein opsin, yang terbentuk dalam kerucut dan berbeda dari opsin batang. Penyerapan cahaya oleh rhodopsin dan iodopsin berbeda. Iodopsin menyerap sebagian besar sinar cahaya dengan panjang gelombang sekitar 560 mikron, terletak pada spektrum jam kuning. Beras. 215. Perbandingan kepekaan mata manusia dalam gelap dengan spektrum serapan ungu visual. Titik menunjukkan sensitivitas.

Proses fotokimia di retina terdiri dari fakta bahwa ungu visual (rhodopsin) yang terletak di segmen luar batang dihancurkan oleh cahaya dan dipulihkan dalam gelap. Baru-baru ini, Rushton (1967) dan Weale (1962) telah mempelajari secara luas peran warna ungu visual dalam proses kerja cahaya pada mata.

Perangkat yang dibuat oleh mereka memungkinkan untuk mengukur ketebalan lapisan rhodopsin yang hancur di bawah pengaruh cahaya di retina mata manusia yang hidup. Hasil penelitian yang dilakukan memungkinkan penulis untuk menyimpulkan bahwa tidak ada hubungan langsung antara perubahan sensitivitas cahaya dan jumlah ungu visual yang hancur.

Ini mungkin menunjukkan proses yang lebih kompleks yang terjadi di retina di bawah aksi radiasi yang terlihat di atasnya, atau, seperti yang tampak bagi kita, ketidaksempurnaan teknik metodologis (penggunaan atropin, penggunaan pupil buatan, dll.).

Aksi cahaya tidak dijelaskan semata-mata oleh reaksi fotokimia. Secara umum diterima bahwa ketika cahaya mengenai retina, arus aksi muncul di saraf optik, yang ditetapkan oleh pusat korteks serebral yang lebih tinggi.

Ketika arus aksi dicatat dalam waktu, retinogram diperoleh. Seperti yang ditunjukkan oleh analisis elektroretinogram, ini ditandai dengan periode laten awal (waktu dari saat paparan fluks cahaya hingga pulsa pertama muncul), maksimum (peningkatan jumlah pulsa) dan penurunan yang mulus. dengan sedikit peningkatan awal (periode laten dari efek akhir).

Jadi, pada kecerahan stimulus yang sama, frekuensi impuls tergantung pada sifat adaptasi awal mata; jika mata telah beradaptasi dengan cahaya, maka ia berkurang, dan jika disesuaikan dengan kegelapan, ia meningkat. .

Selain reaksi terhadap cahaya, penganalisis visual melakukan pekerjaan visual tertentu. Namun, kemungkinan besar, mekanisme yang terlibat dalam proses persepsi cahaya, dan detail objek saat melakukan pekerjaan visual, tidak akan sepenuhnya identik.

Jika penganalisa merespons fluktuasi tingkat fluks cahaya dengan menambah atau mengurangi area bidang reseptif retina, maka pada komplikasi objek persepsi - dengan mengubah sistem optik mata (konvergensi, akomodasi, papillomotor) reaksi, dll).

Radiasi yang terlihat mempengaruhi berbagai fungsi penganalisa visual: pada sensitivitas dan adaptasi cahaya, sensitivitas kontras dan ketajaman visual, stabilitas penglihatan yang jelas dan kecepatan diskriminasi, dll.

"Klinik penyakit, fisiologi, dan kebersihan pada masa remaja", G.N. Serdyukovskaya

Otot-otot pupil, setelah menerima sinyal D, berhenti merespons sinyal G, yang dilaporkan oleh sinyal E. Mulai saat ini, pupil mengambil semua bagian yang mungkin dalam meningkatkan kejelasan gambar objek pada retina, sedangkan peran utama dalam proses ini adalah lensa. Pada gilirannya, "pusat untuk mengatur kekuatan stimulus retina", setelah menerima sinyal E, mentransmisikan informasi ke pusat lain, di ...

E. S. Avetisov menganggap perkembangan miopia sebagai konsekuensi dari "peraturan yang berlebihan", ketika proses "bijaksana" untuk mengadaptasi mata dengan kemampuan akomodatif yang lemah untuk bekerja dalam jarak dekat berubah menjadi kebalikannya. Dari apa yang telah dikatakan di atas, menjadi jelas betapa pentingnya pencahayaan rasional yang memadai bagi kinerja mata. Ini memperoleh arti khusus bagi remaja yang menggabungkan pekerjaan dengan studi. Namun, saat ini…

Intensitas cahaya dan iluminasi permukaan dihubungkan oleh persamaan berikut: I=EH2; E=I/H2; E=I*cos a/H2. di mana E adalah iluminasi permukaan dalam lux; H adalah ketinggian pemasangan luminer di atas permukaan yang diterangi dalam meter; I - intensitas cahaya dalam lilin; a adalah sudut antara arah intensitas cahaya dan sumbu luminer. Kecerahan (B) - intensitas cahaya yang dipantulkan dari permukaan ke arah ...

Pencahayaan buatan Karakteristik berikut diambil sebagai dasar untuk normalisasi, yang menentukan tingkat ketegangan dalam karya visual. Keakuratan karya visual, ditandai dengan ukuran terkecil dari bagian yang bersangkutan. Yang dimaksud dengan “detail” dalam norma bukan berarti produk yang diolah, melainkan “objek” yang harus diperhatikan dalam proses pengerjaan, misalnya benang pada kain, goresan pada permukaan produk, dan lain-lain. Derajat kecerahan latar belakang terhadap objek yang dianggap ....

Penurunan iluminasi satu langkah diperbolehkan untuk tempat industri dengan kunjungan singkat orang, serta di tempat di mana ada peralatan yang tidak memerlukan perawatan konstan. Saat memasang pencahayaan gabungan pada permukaan kerja, pencahayaan dari perlengkapan pencahayaan umum harus setidaknya 10% dari norma pencahayaan gabungan, tetapi untuk remaja, tentu saja, harus setidaknya 300 lux ....

Batang retina manusia dan banyak hewan mengandung pigmen rodopsin, atau ungu visual, komposisi, sifat dan transformasi kimia yang telah dipelajari secara rinci dalam beberapa dekade terakhir. Pigmen ditemukan di kerucut iodopsin. Kerucut juga mengandung pigmen chlorolab dan erythrolab; yang pertama menyerap sinar yang sesuai dengan hijau, dan yang kedua - bagian merah dari spektrum.

Rhodopsin adalah senyawa bermolekul tinggi (berat molekul 270.000), terdiri dari retinal - vitamin A aldehida dan protein opsin. Di bawah aksi kuantum cahaya, siklus transformasi fotofisika dan fotokimia zat ini terjadi: isomerisasi retina, rantai sampingnya diluruskan, ikatan antara retina dan protein terputus, dan pusat enzim dari molekul protein diaktifkan. Retina kemudian dibelah dari opsin. Di bawah pengaruh enzim yang disebut reduktase retinal, yang terakhir diubah menjadi vitamin A.

Ketika mata digelapkan, regenerasi ungu visual terjadi, mis. resintesis rodopsin. Proses ini mengharuskan retina menerima cis-isomer vitamin A, dari mana retinal terbentuk. Jika vitamin A tidak ada dalam tubuh, pembentukan rhodopsin sangat terganggu, yang mengarah pada perkembangan rabun senja yang disebutkan di atas.

Proses fotokimia di retina sangat jarang terjadi; di bawah pengaruh cahaya yang bahkan sangat terang, hanya sebagian kecil rhodopsin yang ada di batang yang terbelah.

Struktur iodopsin mirip dengan rhodopsin. Iodopsin juga merupakan senyawa retinal dengan protein opsin, yang diproduksi di sel kerucut dan berbeda dengan opsin batang.

Penyerapan cahaya oleh rhodopsin dan iodopsin berbeda. Iodopsip paling banyak menyerap cahaya kuning dengan panjang gelombang sekitar 560 nm.

penglihatan warna

Di tepi gelombang panjang dari spektrum yang terlihat adalah sinar merah (panjang gelombang 723-647 nm), pada panjang gelombang pendek - ungu (panjang gelombang 424-397 nm). Pencampuran sinar dari semua warna spektral menghasilkan putih. Warna putih juga dapat diperoleh dengan mencampurkan dua yang disebut warna komplementer berpasangan: merah dan biru, kuning dan biru. Jika Anda mencampur warna yang diambil dari pasangan yang berbeda, Anda bisa mendapatkan warna perantara. Sebagai hasil dari pencampuran tiga warna primer spektrum - merah, hijau dan biru - warna apa pun dapat diperoleh.

Teori persepsi warna. Ada sejumlah teori persepsi warna; Teori tiga komponen menikmati pengakuan terbesar. Ini menyatakan keberadaan di retina dari tiga jenis fotoreseptor persepsi warna yang berbeda - kerucut.

Keberadaan mekanisme tiga komponen untuk persepsi warna juga disebutkan oleh M.V. Lomonosov. Teori ini kemudian dirumuskan pada tahun 1801. T. Muda dan kemudian dikembangkan G. Helmholtz. Menurut teori ini, kerucut mengandung berbagai zat fotosensitif. Beberapa kerucut mengandung zat yang peka terhadap merah, yang lain terhadap hijau, dan yang lain lagi terhadap ungu. Setiap warna memiliki efek pada ketiga elemen penginderaan warna, tetapi pada tingkat yang berbeda-beda. Eksitasi ini dirangkum oleh neuron visual dan, setelah mencapai korteks, memberikan sensasi satu warna atau lainnya.

Menurut teori lain yang diajukan E. Goering, ada tiga zat fotosensitif hipotetis di kerucut retina: 1) putih-hitam, 2) merah-hijau, dan 3) kuning-biru. Pemecahan zat-zat ini di bawah pengaruh cahaya menyebabkan sensasi putih, merah atau kuning. Sinar cahaya lainnya menyebabkan sintesis zat hipotetis ini, menghasilkan sensasi hitam, hijau dan biru.

Konfirmasi paling meyakinkan dalam studi elektrofisiologi diterima oleh teori tiga komponen penglihatan warna. Dalam percobaan pada hewan, mikroelektroda digunakan untuk mengalihkan impuls dari sel ganglion tunggal retina ketika disinari dengan sinar monokromatik yang berbeda. Ternyata aktivitas listrik di sebagian besar neuron muncul di bawah aksi sinar dari panjang gelombang apa pun di bagian spektrum yang terlihat. Elemen retina seperti itu disebut dominator. Di sel ganglion lain (modulator), impuls muncul hanya ketika diterangi oleh sinar dengan panjang gelombang tertentu saja. 7 modulator telah diidentifikasi yang merespon secara optimal terhadap cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda (dari 400 hingga 600 nm.). R. Granit percaya bahwa tiga komponen persepsi warna, yang diusulkan oleh T. Jung dan G. Helmholtz, diperoleh dengan rata-rata kurva sensitivitas spektral modulator, yang dapat dikelompokkan menurut tiga bagian utama spektrum: biru-ungu , hijau dan oranye.

Ketika mengukur penyerapan sinar dengan panjang gelombang yang berbeda oleh satu kerucut dengan mikrospektrofotometer, ternyata beberapa kerucut menyerap sinar merah-oranye secara maksimal, yang lain - hijau, dan yang lain - sinar biru. Dengan demikian, tiga kelompok kerucut telah diidentifikasi di retina, yang masing-masing merasakan sinar yang sesuai dengan salah satu warna primer spektrum.

Teori tiga komponen penglihatan warna menjelaskan sejumlah fenomena psikofisiologis, seperti gambar warna berurutan, dan beberapa fakta patologi persepsi warna (kebutaan dalam kaitannya dengan warna individu). Dalam beberapa tahun terakhir, banyak yang disebut neuron lawan telah dipelajari di retina dan pusat visual. Mereka berbeda dalam hal aksi radiasi pada mata di beberapa bagian spektrum menggairahkan mereka, dan di bagian lain dari spektrum itu menghambat mereka. Dipercayai bahwa neuron semacam itu paling efektif mengkodekan informasi warna.

buta warna. Buta warna terjadi pada 8% pria, kejadiannya disebabkan oleh tidak adanya genetik gen tertentu pada kromosom X yang tidak berpasangan yang menentukan jenis kelamin pada pria. Untuk mendiagnosis buta warna, subjek ditawari serangkaian tabel polikromatik atau diizinkan untuk memilih objek yang sama dengan warna berbeda berdasarkan warna. Diagnosis buta warna penting dalam seleksi profesional. Penyandang buta warna tidak dapat menjadi pengemudi transportasi, karena mereka tidak dapat membedakan warna lampu lalu lintas.

Ada tiga jenis buta warna parsial: protanopia, deuteranopia, dan tritanopia. Masing-masing dicirikan oleh tidak adanya persepsi salah satu dari tiga warna primer. Orang yang menderita protanopia ("buta merah") tidak merasakan merah, sinar biru-biru tampak tidak berwarna bagi mereka. Orang yang menderita deuteranopia ("buta hijau") tidak membedakan hijau dari merah tua dan biru. Dengan tritanopia, anomali penglihatan warna yang langka, sinar biru dan ungu tidak dirasakan.

Akomodasi

Untuk penglihatan yang jelas dari suatu objek, sinar dari titik-titiknya harus jatuh pada permukaan retina, mis. difokuskan di sini. Ketika seseorang melihat objek yang jauh, bayangannya terfokus pada retina dan terlihat jelas. Pada saat yang sama, objek dekat tidak terlihat jelas, bayangannya di retina buram, karena sinar darinya dikumpulkan di belakang retina. Tidak mungkin untuk melihat objek secara sama jelas pada jarak yang berbeda dari mata pada waktu yang sama. Sangat mudah untuk melihat ini: ketika Anda melihat dari dekat ke objek yang jauh, Anda berhenti melihatnya dengan jelas.

Adaptasi mata untuk melihat dengan jelas objek pada jarak yang berbeda disebut akomodasi . Selama akomodasi ada perubahan kelengkungan lensa dan, akibatnya, kekuatan biasnya. Saat melihat benda dekat, lensa menjadi lebih cembung, yang karenanya sinar yang menyimpang dari titik bercahaya bertemu di retina. Mekanisme akomodasi direduksi menjadi kontraksi otot siliaris, yang mengubah konveksitas lensa. Lensa tertutup dalam kapsul transparan tipis, melewati sepanjang tepi ke dalam serat ligamen zinn yang melekat pada badan siliaris. Serat-serat ini selalu mengencangkan dan meregangkan kapsul, yang menekan dan meratakan lensa. Badan siliaris mengandung serat otot polos. Dengan kontraksi mereka, traksi ligamen zinn melemah, yang berarti bahwa tekanan pada lensa berkurang, yang, karena elastisitasnya, mengambil bentuk yang lebih cembung. Dengan demikian, otot siliaris adalah otot akomodatif. Mereka dipersarafi oleh serat parasimpatis dari saraf okulomotor. Pengenalan atropin ke mata menyebabkan pelanggaran transmisi eksitasi ke otot ini, dan, oleh karena itu, membatasi akomodasi mata saat mempertimbangkan objek dekat. Sebaliknya, zat parasimpatomimetik - pilocarpine dan ezerin - menyebabkan kontraksi otot ini.

Presbiopia. Lensa menjadi kurang elastis seiring bertambahnya usia, dan ketika ketegangan ligamen zinn melemah, kecembungannya tidak berubah, atau hanya meningkat sedikit. Oleh karena itu, titik terdekat dari penglihatan yang jelas menjauh dari mata. Keadaan ini disebut rabun jauh pikun atau presbiopia.

Penampang penyerapan molekul

Transformasi fotokimia primer adalah proses kuantum molekuler. Untuk memahami keteraturannya, mari kita perhatikan proses penyerapan cahaya pada tingkat molekuler. Untuk melakukan ini, kami menyatakan konsentrasi molar kromofor C dalam hal konsentrasi "sepotong" molekulnya (n = N/V adalah jumlah molekul per satuan volume):

Beras. 30.3. Interpretasi geometris penyerapan penampang

Dalam hal ini, persamaan (28.4) mengambil bentuk berikut:

Rasio indeks penyerapan molar alami terhadap konstanta Avogadro memiliki dimensi [m 2 ] dan disebut Penyerapan penampang molekul:

Penampang melintang adalah molekuler karakteristik dari proses penyerapan. Nilainya tergantung pada struktur molekul, panjang gelombang cahaya dan memiliki interpretasi geometris berikut. Bayangkan sebuah lingkaran dengan luas s, di tengahnya terdapat molekul jenis ini. Jika lintasan foton yang mampu menyebabkan fotoeksitasi molekul melewati lingkaran ini, maka foton diserap (Gbr. 30.3).

Sekarang kita dapat menulis persamaan untuk mengubah intensitas cahaya dalam bentuk yang memperhitungkan sifat molekuler dari penyerapan:

Sebuah molekul hanya menyerap satu kuantum cahaya. Untuk memperhitungkan fotonik sifat penyerapan, kami memperkenalkan nilai khusus - intensitas fluks foton(Jika).

Intensitas fluks foton- jumlah foton yang datang sepanjang garis normal ke permukaan suatu satuan luas per satuan waktu:

Jumlah foton juga berubah karena penyerapannya:

Hasil kuantum dari reaksi fotokimia

Untuk menghubungkan jumlah foton yang diserap dengan jumlah molekul yang masuk ke dalam reaksi fotokimia, kita temukan: Apa terjadi pada molekul setelah penyerapan foton. Molekul semacam itu dapat masuk ke dalam reaksi fotokimia atau, setelah mentransfer energi yang diterima ke partikel tetangga, kembali ke keadaan tidak tereksitasi. Transisi dari eksitasi ke transformasi fotokimia adalah proses acak yang terjadi dengan probabilitas tertentu.