Redzes optikas fenomens, informācijas fotoķīmisko reakciju analīze. Fotoķīmija

Gaismas iedarbībā uz tīkleni notiek ķīmiskas izmaiņas pigmentos, kas atrodas stieņu un konusu ārējos segmentos. Rezultātā fotoķīmiskā reakcija tiek stimulēti fotoreceptori tīklene.

Pagājušā gadsimta 70. gadu beigās dzīvnieku tīklenē tika atklāti gaismas jutīgie pigmenti, un tika pierādīts, ka šīs vielas gaismā izbalē. Cilvēku un daudzu dzīvnieku tīklenes nūjiņas satur pigmentu rodopsīnu jeb vizuāli purpursarkanu, kura sastāvs, īpašības un ķīmiskās pārvērtības ir detalizēti pētītas pēdējās desmitgadēs (Wold et al.). Pigments jodopsīns tika atrasts putnu konusos. Acīmredzot čiekuros ir arī citi gaismas jutīgi pigmenti. Raštons norāda uz pigmentu klātbūtni konusos - hlorolabā un eritrolabā; pirmais no tiem absorbē zaļajam atbilstošos starus, bet otrais - sarkano spektra daļu.

Rodopsīns ir augstas molekulmasas savienojums, kas sastāv no retinēna - A vitamīna aldehīda - un opsīna proteīna. Gaismas iedarbībā notiek šīs vielas ķīmisko pārvērtību cikls. Absorbējot gaismu, retinēns pāriet savā ģeometriskajā izomērā, ko raksturo fakts, ka tā sānu ķēde ir iztaisnota, kā rezultātā tiek pārtraukta retinēna saite ar proteīnu. Šajā gadījumā vispirms veidojas dažas starpvielas - lumprodopsīns un metarodopsīns, pēc tam retinēns tiek atdalīts no opsīna. Retinēna reduktāzes enzīma ietekmē pēdējais nonāk A vitamīnā, kas no stieņu ārējiem segmentiem nonāk pigmenta slāņa šūnās.

Kad acis kļūst tumšākas, notiek vizuālā purpura atjaunošanās, t.i., rodopsīna resintēze. Šis process prasa, lai tīklene saņemtu A vitamīna cis-izomēru, no kura veidojas retinēns. Ja organismā nav A vitamīna, tiek strauji traucēta rodopsīna veidošanās, kas noved pie iepriekš minētā nakts akluma attīstības. Retinēna veidošanās no A vitamīna ir oksidatīvs process, kas notiek, piedaloties enzīmu sistēmai. Zīdītāju izolētajā tīklenē, kurā tiek traucēti oksidatīvie procesi, rodopsīns netiek samazināts.

Fotoķīmiskie procesi tīklenē rodas ļoti ekonomiski, t.i., pat ļoti spilgtas gaismas iedarbībā sadalās tikai neliela daļa no nūjās esošā rodopsīna. Tātad, pēc Valda teiktā, gaismas iedarbībā ar 100 luksi intensitāti pēc 5 sekundēm katrā kociņā no 18 miljoniem šīs vielas molekulu tiek sadalītas tikai 1200 vizuāli purpursarkanas molekulas, tas ir, aptuveni 0,005% rodopsīna sadalās.

Gaismas absorbcija ar rodopsīnu un tā sadalīšana ir atšķirīga atkarībā no gaismas staru viļņa garuma, kas uz to iedarbojas. Rodopsīns, kas iegūts no cilvēka tīklenes, uzrāda maksimālo absorbciju gaismas staru ietekmē ar viļņa garumu aptuveni 500 mm k, kas atrodas spektra zaļajā daļā. Tieši šie stari tumsā šķiet visspilgtākie. Rodopsīna absorbcijas un krāsas maiņas līknes salīdzinājums dažādu viļņu garumu gaismas ietekmē ar gaismas spilgtuma subjektīvā novērtējuma līkni tumsā atklāj to pilnīgu sakritību ( rīsi. 215).

Ja tīkleni apstrādā ar alauna šķīdumu, t.i., fiksē, tas pasargā rodopsīnu no turpmākas sadalīšanās, un uz tīklenes var redzēt objekta attēlu, uz kuru acs iepriekš bija skatījies (tā sauktā optogramma). Jodopsīna struktūra ir tuva rodopsīna struktūrai. Jodopsīns ir arī retinēna un proteīna opsīna kombinācija, kas veidojas konusos un atšķiras no stieņa opsīna. Rodopsīna un jodopsīna gaismas absorbcija ir atšķirīga. Jodopsīns vislielākajā mērā absorbē gaismas starus, kuru viļņa garums ir aptuveni 560 mikroni, kas atrodas spektra dzeltenajā stundā. Rīsi. 215. Cilvēka acs jutīguma salīdzinājums tumsā ar vizuāli purpura absorbcijas spektru. Punkti norāda uz jutīgumu.

Fotoķīmiskie procesi tīklenē sastāv no tā, ka vizuāli violetais (rodopsīns), kas atrodas stieņu ārējos segmentos, tiek iznīcināts gaismā un atjaunots tumsā. Pēdējā laikā Raštons (1967) un Weale (1962) ļoti plaši pētījuši vizuālās purpursarkanās krāsas lomu gaismas iedarbībā uz aci.

To konstruētās ierīces ļauj izmērīt dzīvas cilvēka acs tīklenē gaismas iedarbībā sairtā rodopsīna slāņa biezumu. Veikto pētījumu rezultāti ļāva autoriem secināt, ka nav tiešas sakarības starp gaismas jutības izmaiņām un sairušās vizuālās purpursarkanās krāsas daudzumu.

Tas var liecināt par sarežģītākiem procesiem, kas notiek tīklenē, iedarbojoties uz to redzamā starojuma ietekmē, vai, kā mums šķiet, uz metodiskās tehnikas nepilnībām (atropīna lietošana, mākslīgā zīlītes lietošana utt.).

Gaismas darbība nav izskaidrojama tikai ar fotoķīmisku reakciju. Ir vispārpieņemts, ka, gaismai nonākot tīklenē, redzes nervā rodas darbības strāvas, kuras fiksē augstākie smadzeņu garozas centri.

Kad darbības strāvas tiek reģistrētas laikā, tiek iegūta retinogramma. Kā liecina elektroretinogrammas analīze, to raksturo sākotnējais latentais periods (laiks no gaismas plūsmas iedarbības brīža līdz pirmajiem impulsiem), maksimums (impulsu skaita pieaugums) un vienmērīgs samazinājums. ar iepriekšēju nelielu pieaugumu (galīgā efekta latentais periods).

Tātad pie tāda paša stimula spilgtuma impulsu biežums ir atkarīgs no acs sākotnējās adaptācijas rakstura, ja acs ir pielāgota gaismai, tad tā samazinās, un, ja tā ir pielāgota tumsai, palielinās. .

Papildus reakcijai uz gaismu vizuālais analizators veic noteiktu vizuālo darbu. Tomēr, visticamāk, gaismas uztveres procesā iesaistītie mehānismi un objekta detaļas, veicot vizuālo darbu, nebūs pilnīgi identiski.

Ja analizators reaģē uz gaismas plūsmas līmeņa svārstībām, palielinot vai samazinot tīklenes uztverošo lauku laukumu, tad uz uztveres objekta komplikāciju - mainot acs optisko sistēmu (konverģence, akomodācija). , papilomotora reakcija utt.).

Redzamais starojums ietekmē dažādas vizuālā analizatora funkcijas: par gaismas jutību un pielāgošanos, kontrastjutību un redzes asumu, skaidras redzes stabilitāti un diskriminācijas ātrumu utt.

"Slimību, fizioloģijas un higiēnas klīnika pusaudža gados", G.N. Serdjukovskaja

Skolēna muskuļi, saņemot D signālu, pārstāj reaģēt uz G signālu, par kuru ziņo E signāls. No šī brīža skolēns uzņemas visu iespējamo līdzdalību objekta attēla skaidrības uzlabošanā. tīklene, savukārt galvenā loma šajā procesā pieder lēcai. Savukārt "tīklenes stimula spēka regulēšanas centrs", saņēmis signālu E, pārraida informāciju citiem centriem, iekšā ...

E. S. Avetisovs tuvredzības progresēšanu uzskata par “pārmērīgas regulēšanas” sekām, kad “lietderīgais” acs ar novājinātu akomodatīvo spēju pielāgošanas process darbam no tuvuma pārvēršas pretstatā. No iepriekš teiktā kļūst skaidrs, cik svarīgs acs darbībai ir pietiekams racionāls apgaismojums. Īpašu nozīmi tas iegūst pusaudžiem, kuri apvieno darbu ar mācībām. Tomēr šobrīd…

Gaismas intensitāte un virsmas apgaismojums ir saistīti ar šādu vienādojumu: I=EH2; E = I/H2; E=I*cos a/H2. kur E ir virsmas apgaismojums luksos; H ir gaismekļa uzstādīšanas augstums virs apgaismotās virsmas metros; I - gaismas intensitāte svecēs; a ir leņķis starp gaismas intensitātes virzienu un gaismekļa asi. Spilgtums (B) - no virsmas atstarotās gaismas intensitāte virzienā ...

Mākslīgais apgaismojums Par pamatu normalizēšanai tiek ņemti šādi raksturlielumi, kas nosaka vizuālā darba spriedzes pakāpi. Vizuālā darba precizitāte, ko raksturo attiecīgās daļas mazākais izmērs. Termins “detaļa” normās neapzīmē apstrādājamo preci, bet gan “priekšmetu”, kas jāņem vērā darba procesā, piemēram, auduma pavediens, skrāpējums uz izstrādājuma virsmas utt. Fona gaišuma pakāpe, uz kuras tiek uzskatīts objekts ....

Apgaismojuma samazinājums par vienu soli pieļaujams industriālajām telpām ar īslaicīgu cilvēku uzturēšanos, kā arī telpās, kur ir iekārtas, kurām nav nepieciešama pastāvīga apkope. Uzstādot kombinēto apgaismojumu uz darba virsmas, apgaismojumam no vispārējā apgaismojuma ķermeņiem jābūt vismaz 10% no kombinētā apgaismojuma normām, bet pusaudžiem, acīmredzot, tam jābūt vismaz 300 luksi ....

Cilvēku un daudzu dzīvnieku tīklenes stieņi satur pigmentu rodopsīns, jeb vizuāli violeta, kuras sastāvs, īpašības un ķīmiskās pārvērtības ir detalizēti pētītas pēdējās desmitgadēs. Konusos atrodams pigments jodopsīns. Konusi satur arī pigmentus hlorolabu un eritrolabu; pirmais no tiem absorbē zaļajam atbilstošos starus, bet otrais - sarkano spektra daļu.

Rodopsīns ir lielmolekulārs savienojums (molekulārā masa 270 000), kas sastāv no tīklenes – A vitamīna aldehīda un opsīna proteīna. Gaismas kvanta iedarbībā notiek šīs vielas fotofizikālo un fotoķīmisko pārvērtību cikls: tīklene izomerizējas, tās sānu ķēde tiek iztaisnota, tiek pārtraukta saite starp tīkleni un proteīnu, tiek aktivizēti proteīna molekulas fermentatīvie centri. Pēc tam tīklene tiek atdalīta no opsīna. Fermenta, ko sauc par tīklenes reduktāzi, ietekmē tā tiek pārveidota par A vitamīnu.

Kad acis ir aptumšotas, notiek vizuālā purpura atjaunošanās, t.i. rodopsīna resintēze. Šis process prasa, lai tīklene saņemtu A vitamīna cis-izomēru, no kura veidojas tīklene. Ja organismā nav A vitamīna, tiek strauji traucēta rodopsīna veidošanās, kas noved pie iepriekš minētā nakts akluma attīstības.

Fotoķīmiskie procesi tīklenē notiek ļoti reti; pat ļoti spilgtas gaismas iedarbībā tiek sadalīta tikai neliela daļa no nūjās esošā rodopsīna.

Jodopsīna struktūra ir tuva rodopsīna struktūrai. Jodopsīns ir arī tīklenes savienojums ar proteīnu opsīnu, kas tiek ražots konusos un atšķiras no stieņa opsīna.

Rodopsīna un jodopsīna gaismas absorbcija ir atšķirīga. Jodopsips vislielākajā mērā absorbē dzelteno gaismu ar viļņa garumu aptuveni 560 nm.

krāsu redze

Uz redzamā spektra garo viļņu malas ir sarkanie stari (viļņa garums 723-647 nm), uz īsviļņu garuma - violets (viļņa garums 424-397 nm). Sajaucot visu spektrālo krāsu starus, iegūst balto krāsu. Baltu krāsu var iegūt arī, sajaucot divas tā sauktās sapārotas papildkrāsas: sarkanu un zilu, dzeltenu un zilu. Ja sajaucat krāsas, kas ņemtas no dažādiem pāriem, varat iegūt starpkrāsas. Trīs spektra pamatkrāsu - sarkanās, zaļās un zilās - sajaukšanas rezultātā var iegūt jebkuru krāsu.

Krāsu uztveres teorijas. Ir vairākas krāsu uztveres teorijas; Trīskomponentu teorija bauda vislielāko atzinību. Tas norāda, ka tīklenē pastāv trīs dažādu veidu krāsu uztveres fotoreceptori - konusi.

Trīskomponentu krāsu uztveres mehānisma esamību minēja arī M.V. Lomonosovs. Šī teorija vēlāk tika formulēta 1801. gadā. T. Jangs un pēc tam attīstījās G. Helmholcs. Saskaņā ar šo teoriju konusi satur dažādas gaismjutīgas vielas. Daži konusi satur vielu, kas ir jutīga pret sarkanu, citi pret zaļu un vēl citi pret violetu. Katrai krāsai ir ietekme uz visiem trim krāsu uztveršanas elementiem, bet dažādās pakāpēs. Šos ierosinājumus apkopo vizuālie neironi un, sasniedzot garozu, rada vienas vai citas krāsas sajūtu.

Saskaņā ar citu piedāvāto teoriju E. Gērings, tīklenes konusos ir trīs hipotētiskas gaismjutīgas vielas: 1) balti melna, 2) sarkanzaļa un 3) dzelteni zila. Šo vielu sadalīšanās gaismas ietekmē izraisa baltu, sarkanu vai dzeltenu sajūtu. Citi gaismas stari izraisa šo hipotētisko vielu sintēzi, kā rezultātā rodas melnas, zaļas un zilas krāsas sajūta.

Vispārliecinošāko apstiprinājumu elektrofizioloģiskajos pētījumos saņēma trīskomponentu krāsu redzes teorija. Eksperimentos ar dzīvniekiem tika izmantoti mikroelektrodi, lai novirzītu impulsus no atsevišķām tīklenes ganglija šūnām, kad tā tika apgaismota ar dažādiem monohromatiskiem stariem. Izrādījās, ka elektriskā aktivitāte lielākajā daļā neironu radās jebkura viļņa garuma staru ietekmē redzamajā spektra daļā. Šādus tīklenes elementus sauc par dominatoriem. Citās gangliju šūnās (modulatoros) impulsi radās tikai tad, ja tos apgaismoja tikai noteikta viļņa garuma stari. Ir identificēti 7 modulatori, kas optimāli reaģē uz gaismu ar dažādu viļņu garumu (no 400 līdz 600 nm.). R. Granīts uzskata, ka trīs krāsu uztveres komponentes, ko ierosināja T. Jungs un G. Helmholcs, iegūst, vidēji aprēķinot modulatoru spektrālās jutības līknes, kuras var grupēt pēc trim galvenajām spektra daļām: zili violets. , zaļa un oranža.

Mērot dažāda viļņa garuma staru absorbciju ar vienu konusu ar mikrospektrofotometru, atklājās, ka daži konusi maksimāli absorbē sarkanoranžos, citi - zaļos, bet vēl citi - zilos starus. Tādējādi tīklenē ir identificētas trīs konusu grupas, no kurām katra uztver starus, kas atbilst vienai no spektra primārajām krāsām.

Trīskomponentu krāsu redzes teorija izskaidro vairākas psihofizioloģiskas parādības, piemēram, secīgus krāsu attēlus un dažus krāsu uztveres patoloģijas faktus (aklums attiecībā pret atsevišķām krāsām). Pēdējos gados tīklenē un redzes centros ir pētīti daudzi tā sauktie pretinieku neironi. Tie atšķiras ar to, ka starojuma iedarbība uz aci kādā spektra daļā tos uzbudina, bet citās spektra daļās nomāc. Tiek uzskatīts, ka šādi neironi visefektīvāk kodē krāsu informāciju.

krāsu aklums. Krāsu aklums rodas 8% vīriešu, tā rašanās iemesls ir noteiktu gēnu ģenētiskā neesamība dzimumu noteicošajā nepāra X hromosomā vīriešiem. Lai diagnosticētu daltonismu, subjektam tiek piedāvāta virkne polihromatisko tabulu vai atļauts pēc krāsas atlasīt vienus un tos pašus dažādu krāsu objektus. Krāsu akluma diagnostika ir svarīga profesionālajā atlasē. Cilvēki ar daltonismu nevar būt transporta vadītāji, jo viņi nevar atšķirt luksoforu krāsas.

Ir trīs daļēja krāsu akluma veidi: protanopija, deuteranopija un tritanopija. Katram no tiem ir raksturīgs vienas no trīs pamatkrāsu uztveres trūkums. Cilvēki, kas cieš no protanopijas ("sarkanais akls"), neuztver sarkano, zili zilie stari viņiem šķiet bezkrāsaini. Personas, kas cieš no deuteranopijas ("zaļi akls"), neatšķir zaļo no tumši sarkanas un zilas. Ar tritanopiju, retu krāsu redzes anomāliju, zilie un violetie stari netiek uztverti.

Izmitināšana

Priekšmeta skaidram redzējumam ir nepieciešams, lai stari no tā punktiem nokristu uz tīklenes virsmu, t.i. tika koncentrēti šeit. Kad cilvēks skatās uz attāliem objektiem, viņa attēls tiek fokusēts uz tīkleni un tie ir skaidri redzami. Tajā pašā laikā tuvu objekti nav skaidri redzami, to attēls uz tīklenes ir izplūdis, jo stari no tiem tiek savākti aiz tīklenes. Nav iespējams vienlīdz skaidri redzēt objektus dažādos attālumos no acs vienlaikus. To ir viegli redzēt: skatoties no tuviem objektiem uz attāliem objektiem, jūs pārtraucat to skaidri redzēt.

Tiek saukta acs pielāgošanās, lai skaidri redzētu objektus dažādos attālumos naktsmītnes . Izmitināšanas laikā mainās lēcas izliekums un līdz ar to arī tā refrakcijas spēja. Aplūkojot tuvus objektus, objektīvs kļūst izliektāks, kā rezultātā stari, kas novirzās no gaismas punkta, saplūst uz tīklenes. Izmitināšanas mehānisms tiek samazināts līdz ciliāru muskuļu kontrakcijai, kas maina lēcas izliekumu. Lēca ir ievietota plānā caurspīdīgā kapsulā, kas gar malām nonāk cinna saites šķiedrās, kas piestiprinātas pie ciliārā ķermeņa. Šīs šķiedras vienmēr ir nostieptas un izstiepj kapsulu, kas saspiež un saplacina lēcu. Ciliārais ķermenis satur gludās muskuļu šķiedras. Ar to kontrakciju tiek vājināta cinna saišu vilkšana, kas nozīmē, ka samazinās spiediens uz lēcu, kas, pateicoties elastībai, iegūst izliektāku formu. Tādējādi ciliārie muskuļi ir pielāgojami muskuļi. Tos inervē okulomotorā nerva parasimpātiskās šķiedras. Atropīna ievadīšana acī izraisa ierosmes pārnešanas uz šo muskuļu pārkāpumu un tādējādi ierobežo acu pielāgošanos, apsverot tuvus objektus. Gluži pretēji, parasimpatomimētiskās vielas - pilokarpīns un ezerīns - izraisa šī muskuļa kontrakciju.

Presbiofija. Ar vecumu lēca kļūst mazāk elastīga, un, vājinot cinna saišu spriegojumu, tās izliekums vai nu nemainās, vai tikai nedaudz palielinās. Tāpēc tuvākais skaidras redzes punkts attālinās no acīm. Šo stāvokli sauc senila tālredzība vai tālredzība.

Molekulu absorbcijas šķērsgriezums

Primārās fotoķīmiskās pārvērtības ir molekulāri kvantu procesi. Lai izprastu to modeļus, apsveriet gaismas absorbcijas procesu molekulārā līmenī. Lai to izdarītu, mēs izsakām hromofora C molāro koncentrāciju tā molekulu “gabala” koncentrācijas izteiksmē (n = N/V ir molekulu skaits tilpuma vienībā):

Rīsi. 30.3.Ģeometriskā interpretācija šķērsgriezuma absorbcija

Šajā gadījumā vienādojumam (28.4) ir šāda forma:

Dabiskās molārās absorbcijas indeksa attiecībai pret Avogadro konstanti ir izmērs [m 2 ] un to sauc Molekulas absorbcijas šķērsgriezums:

Šķērsgriezums ir molekulārā raksturīgs absorbcijas procesam. Tās vērtība ir atkarīga no molekulas struktūras, gaismas viļņa garuma, un tai ir šāda ģeometriskā interpretācija. Iedomājieties apli ar apgabalu s, kura centrā ir šāda veida molekula. Ja fotona, kas spēj izraisīt molekulas fotouzbudinājumu, trajektorija iet caur šo apli, tad fotons tiek absorbēts (30.3. att.).

Tagad mēs varam uzrakstīt vienādojumu gaismas intensitātes maiņai tādā formā, kas ņem vērā absorbcijas molekulāro raksturu:

Molekula absorbē tikai vienu gaismas kvantu. Lai ņemtu vērā fotonisks absorbcijas raksturs, mēs ieviešam īpašu vērtību - fotonu plūsmas intensitāte(I f).

Fotonu plūsmas intensitāte- fotonu skaits, kas gar normālu krīt uz laukuma vienības virsmu laika vienībā:

Fotonu skaits attiecīgi mainās arī to absorbcijas dēļ:

Fotoķīmiskās reakcijas kvantu iznākums

Lai saistītu absorbēto fotonu skaitu ar molekulu skaitu, kuras ir iesaistījušās fotoķīmiskā reakcijā, mēs noskaidrojam kas notiek ar molekulu pēc fotona absorbcijas. Šāda molekula var nonākt fotoķīmiskā reakcijā vai, nododot saņemto enerģiju blakus esošajām daļiņām, atgriezties nesatrauktā stāvoklī. Pāreja no ierosmes uz fotoķīmiskām pārvērtībām ir nejaušs process, kas notiek ar noteiktu varbūtību.