Il fenomeno della visione ottica reazioni fotochimiche analisi delle informazioni. Fotochimica

Sotto l'azione della luce sulla retina, si verificano cambiamenti chimici nei pigmenti situati nei segmenti esterni dei bastoncelli e dei coni. Di conseguenza reazione fotochimica i fotorecettori sono stimolati retina.

I pigmenti fotosensibili sono stati scoperti nella retina degli animali alla fine degli anni '70 del secolo scorso ed è stato dimostrato che queste sostanze sbiadiscono alla luce. I bastoncelli retinici dell'uomo e di molti animali contengono il pigmento rodopsina, o viola visivo, la cui composizione, proprietà e trasformazioni chimiche sono state studiate in dettaglio negli ultimi decenni (Wold et al.). Il pigmento iodopsina è stato trovato nei coni degli uccelli. Apparentemente, ci sono anche altri pigmenti fotosensibili nei coni. Rushton indica la presenza di pigmenti nei coni: clorolab ed eritrolab; il primo assorbe i raggi corrispondenti al verde e il secondo - la parte rossa dello spettro.

rodopsinaè un composto ad alto peso molecolare costituito da retinene - vitamina A aldeide - e proteina opsina. Sotto l'azione della luce, si verifica un ciclo di trasformazioni chimiche di questa sostanza. Assorbendo la luce, il retinene passa nel suo isomero geometrico, caratterizzato dal fatto che la sua catena laterale è raddrizzata, il che porta alla rottura del legame del retinene con la proteina. In questo caso, si formano prima alcune sostanze intermedie: la lumprodopsina e la metarhodopsin, dopo di che il retinene viene scisso dall'opsina. Sotto l'influenza di un enzima chiamato retinene reduttasi, quest'ultima viene convertita in vitamina A, che proviene dai segmenti esterni dei bastoncelli nelle cellule dello strato di pigmento.

Quando gli occhi sono scuriti, si verifica la rigenerazione del viola visivo, cioè la risintesi della rodopsina. Questo processo richiede che la retina riceva l'isomero cis della vitamina A, da cui si forma il retinene. In assenza di vitamina A nel corpo, la formazione di rodopsina viene bruscamente interrotta, il che porta allo sviluppo della cecità notturna sopra menzionata. La formazione di retinene dalla vitamina A è un processo ossidativo che si verifica con la partecipazione del sistema enzimatico. Nella retina isolata dei mammiferi, in cui i processi ossidativi sono disturbati, la rodopsina non viene ridotta.

Processi fotochimici nella retina avvengono in modo molto economico, cioè, sotto l'azione di una luce anche molto forte, solo una piccola parte della rodopsina presente nei bastoncini viene scissa. Quindi, secondo Wald, sotto l'azione della luce con un'intensità di 100 lux, dopo 5 secondi, solo 1200 molecole di viola visivo si scindono in ogni bastoncino delle 18 milioni di molecole di questa sostanza in esso presenti, cioè circa Lo 0,005% della rodopsina si decompone.

L'assorbimento della luce da parte della rodopsina e la sua scissione sono differenti a seconda della lunghezza d'onda dei raggi luminosi che agiscono su di essa. La rodopsina, estratta dalla retina umana, mostra il massimo assorbimento sotto l'influenza di raggi luminosi con una lunghezza d'onda di circa 500 mm k, che si trovano nella parte verde dello spettro. Sono questi raggi che sembrano i più luminosi nell'oscurità. Il confronto della curva di assorbimento e scolorimento della rodopsina sotto l'azione della luce di diverse lunghezze d'onda con la curva della valutazione soggettiva della luminosità della luce nell'oscurità rivela la loro completa coincidenza ( Riso. 215).

Se la retina viene trattata con una soluzione di allume, cioè fissata, ciò impedisce alla rodopsina un'ulteriore disintegrazione, e sulla retina si può vedere un'immagine dell'oggetto che era stato precedentemente osservato (il cosiddetto ottogramma). La struttura della iodopsina è vicina a quella della rodopsina. La iodopsina è anche una combinazione di retinene con la proteina opsina, che si forma nei coni ed è diversa dall'opsina a bastoncello. L'assorbimento della luce da parte della rodopsina e della iodopsina è diverso. La iodopsina assorbe nella massima misura i raggi luminosi con una lunghezza d'onda di circa 560 micron, che si trovano nell'ora gialla dello spettro. Riso. 215. Confronto della sensibilità dell'occhio umano al buio con lo spettro di assorbimento del viola visivo. I punti indicano la sensibilità.

Processi fotochimici nella retina consistono nel fatto che la porpora visiva (rodopsina) situata nei segmenti esterni delle aste viene distrutta dalla luce e ripristinata nell'oscurità. Recentemente, Rushton (1967) e Weale (1962) hanno studiato molto ampiamente il ruolo del viola visivo nel processo della luce che agisce sull'occhio.

I dispositivi da loro costruiti consentono di misurare lo spessore dello strato di rodopsina disintegrato sotto l'influenza della luce nella retina di un occhio umano vivente. I risultati degli studi condotti hanno permesso agli autori di concludere che non esiste una relazione diretta tra il cambiamento nella sensibilità alla luce e la quantità di viola visivo disintegrato.

Ciò può indicare processi più complessi che si verificano nella retina sotto l'azione della radiazione visibile su di essa o, come ci sembra, l'imperfezione della tecnica metodologica (l'uso dell'atropina, l'uso di una pupilla artificiale, ecc.).

L'azione della luce non è spiegata esclusivamente da una reazione fotochimica. È generalmente accettato che quando la luce colpisce la retina, nel nervo ottico sorgono correnti d'azione, che sono fissate dai centri superiori della corteccia cerebrale.

Quando le correnti d'azione sono registrate nel tempo, si ottiene un retinogramma. Come mostra l'analisi dell'elettroretinogramma, è caratterizzato da un periodo di latenza iniziale (il tempo dall'istante di esposizione al flusso luminoso fino alla comparsa dei primi impulsi), un massimo (un aumento del numero di impulsi) e una graduale diminuzione con un preliminare lieve aumento (il periodo di latenza dell'effetto finale).

Quindi, a parità di luminosità dello stimolo, la frequenza degli impulsi dipende dalla natura dell'adattamento preliminare dell'occhio; se l'occhio è stato adattato alla luce, allora diminuisce, e se è adattato all'oscurità, aumenta .

Oltre alla reazione alla luce, l'analizzatore visivo esegue determinati lavori visivi. Tuttavia, con ogni probabilità, i meccanismi coinvolti nel processo di percezione della luce e i dettagli dell'oggetto durante l'esecuzione del lavoro visivo non saranno completamente identici.

Se l'analizzatore risponde alle fluttuazioni del livello del flusso luminoso aumentando o diminuendo l'area dei campi recettivi retinici, allora alla complicazione dell'oggetto di percezione - modificando il sistema ottico dell'occhio (convergenza, accomodazione, papillomotoria reazione, ecc.).

La radiazione visibile influisce sulle varie funzioni dell'analizzatore visivo: su sensibilità e adattamento alla luce, sensibilità al contrasto e acuità visiva, stabilità della visione chiara e velocità di discriminazione, ecc.

"Clinica delle malattie, fisiologia e igiene nell'adolescenza", G.N. Serdyukovskaya

I muscoli della pupilla, ricevuto il segnale D, smettono di rispondere al segnale G, che è riportato dal segnale E. Da questo momento in poi, la pupilla si impegna a migliorare la nitidezza dell'immagine dell'oggetto sul retina, mentre il ruolo principale in questo processo spetta al cristallino. A sua volta, il "centro per la regolazione della forza dello stimolo retinico", dopo aver ricevuto il segnale E, trasmette informazioni ad altri centri, in ...

E. S. Avetisov considera la progressione della miopia come una conseguenza della "regolazione eccessiva", quando il processo "opportuno" di adattamento di un occhio con una capacità accomodativa indebolita di lavorare a distanza ravvicinata si trasforma nel suo opposto. Da quanto detto sopra, diventa chiaro quanto sia importante un'illuminazione razionale sufficiente per le prestazioni dell'occhio. Acquisisce un significato speciale per gli adolescenti che conciliano il lavoro con lo studio. Tuttavia, allo stato attuale…

L'intensità della luce e l'illuminazione della superficie sono correlate dalla seguente equazione: I=EH2; E=I/H2; E=I*cos a/H2. dove E è l'illuminazione della superficie in lux; H è l'altezza di installazione dell'apparecchio sopra la superficie illuminata in metri; I - intensità della luce nelle candele; a è l'angolo tra la direzione dell'intensità luminosa e l'asse dell'apparecchio. Luminosità (B) - l'intensità della luce riflessa dalla superficie nella direzione ...

Illuminazione artificiale Le seguenti caratteristiche sono prese come base per la normalizzazione, che determinano il grado di tensione nel lavoro visivo. L'accuratezza del lavoro visivo, caratterizzato dalla più piccola dimensione della parte in questione. Con il termine “particolare” nelle norme non si intende il prodotto in lavorazione, ma l'”oggetto” che deve essere considerato nel processo di lavorazione, ad esempio un filo di stoffa, un graffio sulla superficie del prodotto, ecc. Il grado di leggerezza dello sfondo rispetto al quale viene considerato l'oggetto ....

È consentita una diminuzione dell'illuminazione di un gradino per i locali industriali con una breve permanenza di persone, nonché nei locali in cui sono presenti apparecchiature che non richiedono una manutenzione costante. Quando si installa l'illuminazione combinata sulla superficie di lavoro, l'illuminazione degli apparecchi di illuminazione generale dovrebbe essere almeno il 10% delle norme di illuminazione combinate, ma per gli adolescenti, ovviamente, dovrebbe essere di almeno 300 lux ....

I bastoncelli retinici dell'uomo e di molti animali contengono pigmento rodopsina, o viola visivo, la cui composizione, proprietà e trasformazioni chimiche sono state studiate in dettaglio negli ultimi decenni. Pigmento trovato nei coni iodopsina. I coni contengono anche i pigmenti chlorolab ed erythrolab; il primo assorbe i raggi corrispondenti al verde e il secondo - la parte rossa dello spettro.

rodopsinaè un composto ad alto peso molecolare (peso molecolare 270.000), costituito da retina - vitamina A aldeide e proteina opsina. Sotto l'azione di un quanto di luce, si verifica un ciclo di trasformazioni fotofisiche e fotochimiche di questa sostanza: la retina si isomerizza, la sua catena laterale viene raddrizzata, il legame tra retina e proteina viene rotto e vengono attivati ​​i centri enzimatici della molecola proteica. La retina viene quindi scissa dall'opsina. Sotto l'influenza di un enzima chiamato reduttasi retinica, quest'ultimo viene convertito in vitamina A.

Quando gli occhi sono scuriti, si verifica la rigenerazione del viola visivo, ad es. risintesi della rodopsina. Questo processo richiede che la retina riceva l'isomero cis della vitamina A, da cui si forma la retina. Se la vitamina A è assente nel corpo, la formazione di rodopsina viene bruscamente interrotta, il che porta allo sviluppo della cecità notturna sopra menzionata.

I processi fotochimici nella retina si verificano molto raramente; sotto l'azione di una luce anche molto intensa si spacca solo una piccola parte della rodopsina presente nei bastoncini.

La struttura della iodopsina è vicina a quella della rodopsina. La iodopsina è anche un composto della retina con la proteina opsina, che è prodotta nei coni ed è diversa dall'opsina del bastoncello.

L'assorbimento della luce da parte della rodopsina e della iodopsina è diverso. Iodopsip assorbe la luce gialla con una lunghezza d'onda di circa 560 nm nella misura massima.

visione dei colori

Sul bordo dell'onda lunga dello spettro visibile ci sono raggi rossi (lunghezza d'onda 723-647 nm), sulla lunghezza d'onda corta - viola (lunghezza d'onda 424-397 nm). Mescolando i raggi di tutti i colori spettrali si ottiene il bianco. Il colore bianco può essere ottenuto anche mescolando due cosiddetti colori complementari accoppiati: rosso e blu, giallo e blu. Se mescoli i colori presi da coppie diverse, puoi ottenere colori intermedi. Come risultato della miscelazione dei tre colori primari dello spettro - rosso, verde e blu - è possibile ottenere qualsiasi colore.

Teorie della visione dei colori. Esistono numerose teorie sulla percezione del colore; La teoria delle tre componenti gode del massimo riconoscimento. Afferma l'esistenza nella retina di tre diversi tipi di fotorecettori che percepiscono il colore: i coni.

L'esistenza di un meccanismo a tre componenti per la percezione dei colori è stata anche menzionata da MV Lomonosov. Questa teoria è stata successivamente formulata nel 1801. T. Young e poi sviluppato G. Helmholtz. Secondo questa teoria, i coni contengono varie sostanze fotosensibili. Alcuni coni contengono una sostanza sensibile al rosso, altri al verde e altri ancora al viola. Ogni colore ha un effetto su tutti e tre gli elementi di rilevamento del colore, ma in misura diversa. Queste eccitazioni sono riassunte dai neuroni visivi e, una volta raggiunta la corteccia, danno la sensazione di un colore o dell'altro.

Secondo un'altra teoria proposta E. Goering, ci sono tre ipotetiche sostanze fotosensibili nei coni della retina: 1) bianco-nero, 2) rosso-verde e 3) giallo-blu. La scomposizione di queste sostanze sotto l'influenza della luce porta a una sensazione di bianco, rosso o giallo. Altri raggi luminosi provocano la sintesi di queste ipotetiche sostanze, determinando una sensazione di nero, verde e blu.

La conferma più convincente negli studi elettrofisiologici è stata ricevuta dalla teoria a tre componenti della visione dei colori. Negli esperimenti sugli animali, i microelettrodi sono stati utilizzati per deviare gli impulsi dalle singole cellule gangliari della retina quando è stata illuminata con diversi fasci monocromatici. Si è scoperto che l'attività elettrica nella maggior parte dei neuroni è sorta sotto l'azione di raggi di qualsiasi lunghezza d'onda nella parte visibile dello spettro. Tali elementi della retina sono chiamati dominatori. In altre cellule gangliari (modulatori), gli impulsi si manifestavano solo quando illuminati da raggi di una certa lunghezza d'onda. Sono stati individuati 7 modulatori che rispondono in modo ottimale alla luce con diverse lunghezze d'onda (da 400 a 600 nm.). R. Granit ritiene che le tre componenti della percezione del colore, proposte da T. Jung e G. Helmholtz, siano ottenute mediando le curve di sensibilità spettrale dei modulatori, che possono essere raggruppate secondo le tre parti principali dello spettro: blu-viola , verde e arancione.

Misurando l'assorbimento di raggi di diverse lunghezze d'onda da parte di un singolo cono con un microspettrofotometro, si è scoperto che alcuni coni assorbono al massimo i raggi rosso-arancio, altri - verdi e altri ancora - i raggi blu. Così, nella retina sono stati identificati tre gruppi di coni, ognuno dei quali percepisce i raggi corrispondenti ad uno dei colori primari dello spettro.

La teoria a tre componenti della visione dei colori spiega una serie di fenomeni psicofisiologici, come immagini a colori sequenziali e alcuni fatti della patologia della percezione del colore (cecità in relazione ai singoli colori). Negli ultimi anni, molti cosiddetti neuroni avversari sono stati studiati nella retina e nei centri visivi. Differiscono in quanto l'azione delle radiazioni sull'occhio in alcune parti dello spettro li eccita e in altre parti dello spettro li inibisce. Si ritiene che tali neuroni codifichino in modo più efficace le informazioni sul colore.

daltonismo. Il daltonismo si verifica nell'8% degli uomini, il suo verificarsi è dovuto all'assenza genetica di alcuni geni nel cromosoma X spaiato che determina il sesso negli uomini. Al fine di diagnosticare il daltonismo, al soggetto viene offerta una serie di tabelle policromatiche o viene permesso di selezionare gli stessi oggetti di colori diversi per colore. La diagnosi di daltonismo è importante nella selezione professionale. Le persone con daltonismo non possono essere conducenti di trasporto, poiché non possono distinguere i colori dei semafori.

Esistono tre tipi di daltonismo parziale: protanopia, deuteranopia e tritanopia. Ognuno di essi è caratterizzato dall'assenza di percezione di uno dei tre colori primari. Le persone che soffrono di protanopia ("cieche rosse") non percepiscono i raggi rossi, blu-blu sembrano loro incolori. Le persone che soffrono di deuteranopia ("non vedenti") non distinguono il verde dal rosso scuro e dal blu. Con la tritanopia, una rara anomalia della visione dei colori, i raggi blu e viola non vengono percepiti.

Struttura ricettiva

Per una visione chiara di un oggetto, è necessario che i raggi provenienti dai suoi punti cadano sulla superficie della retina, ad es. erano concentrati qui. Quando una persona guarda oggetti distanti, la sua immagine è focalizzata sulla retina e sono visti chiaramente. Allo stesso tempo, gli oggetti vicini non sono chiaramente visibili, la loro immagine sulla retina è sfocata, poiché i loro raggi vengono raccolti dietro la retina. È impossibile vedere contemporaneamente oggetti ugualmente nitidi a distanze diverse dall'occhio. È facile vederlo: quando guardi da oggetti vicini a quelli distanti, smetti di vederlo chiaramente.

Viene chiamato l'adattamento dell'occhio per vedere chiaramente oggetti a diverse distanze struttura ricettiva . Durante l'accomodazione si ha una variazione della curvatura della lente e, di conseguenza, del suo potere rifrattivo. Quando si osservano oggetti vicini, la lente diventa più convessa, a causa della quale i raggi divergenti dal punto luminoso convergono sulla retina. Il meccanismo di accomodamento si riduce alla contrazione dei muscoli ciliari, che modificano la convessità del cristallino. La lente è racchiusa in una sottile capsula trasparente, che passa lungo i bordi nelle fibre del legamento zinn attaccato al corpo ciliare. Queste fibre sono sempre tese e allungano la capsula, che comprime e appiattisce la lente. Il corpo ciliare contiene fibre muscolari lisce. Con la loro contrazione, la trazione dei legamenti zinn si indebolisce, il che significa che diminuisce la pressione sulla lente che, a causa della sua elasticità, assume una forma più convessa. Pertanto, i muscoli ciliari sono muscoli accomodativi. Sono innervati dalle fibre parasimpatiche del nervo oculomotore. L'introduzione dell'atropina nell'occhio provoca una violazione della trasmissione dell'eccitazione a questo muscolo e, quindi, limita l'accomodazione degli occhi quando si considerano oggetti vicini. Al contrario, le sostanze parasimpaticomimetiche - pilocarpina ed ezerin - provocano la contrazione di questo muscolo.

Presbiopia. La lente diventa meno elastica con l'età e quando la tensione dei legamenti zinn si indebolisce, la sua convessità non cambia o aumenta solo leggermente. Pertanto, il punto di visione nitida più vicino si allontana dagli occhi. Questo stato è chiamato lungimiranza senile o presbiopia.

Sezione d'urto di assorbimento della molecola

Le trasformazioni fotochimiche primarie sono processi quantistici molecolari. Per comprendere le loro regolarità, consideriamo il processo di assorbimento della luce a livello molecolare. Per fare ciò, esprimiamo la concentrazione molare del cromoforo C in termini di concentrazione "pezzo" delle sue molecole (n = N/V è il numero di molecole per unità di volume):

Riso. 30.3. Interpretazione geometrica assorbimento della sezione trasversale

In questo caso, l'equazione (28.4) assume la seguente forma:

Il rapporto tra l'indice di assorbimento molare naturale e la costante di Avogadro ha la dimensione [m 2 ] ed è chiamato sezione di assorbimento della molecola:

La sezione trasversale è molecolare caratteristica del processo di assorbimento. Il suo valore dipende dalla struttura della molecola, dalla lunghezza d'onda della luce e ha la seguente interpretazione geometrica. Immagina un cerchio di area s, al centro del quale si trova una molecola di questo tipo. Se la traiettoria di un fotone in grado di provocare la fotoeccitazione di una molecola passa attraverso questo cerchio, allora il fotone viene assorbito (Fig. 30.3).

Ora possiamo scrivere l'equazione per modificare l'intensità della luce in una forma che tenga conto della natura molecolare dell'assorbimento:

Una molecola assorbe solo un quanto di luce. Per tener conto fotonico la natura dell'assorbimento, introduciamo un valore speciale - intensità del flusso di fotoni(Se).

Intensità del flusso fotonico- il numero di fotoni incidenti lungo la normale sulla superficie di un'unità di area per unità di tempo:

Anche il numero di fotoni cambia di conseguenza a causa del loro assorbimento:

Resa quantistica di una reazione fotochimica

Per mettere in relazione il numero di fotoni assorbiti con il numero di molecole che sono entrate in una reazione fotochimica, lo scopriamo che cosa accade a una molecola dopo l'assorbimento di un fotone. Tale molecola può entrare in una reazione fotochimica o, dopo aver trasferito l'energia ricevuta alle particelle vicine, tornare allo stato non eccitato. Il passaggio dall'eccitazione alle trasformazioni fotochimiche è un processo casuale che si verifica con una certa probabilità.