Fenomenul vederii optice reacții fotochimice analiza informațiilor. Fotochimie

Sub acțiunea luminii asupra retinei se produc modificări chimice în pigmenții localizați în segmentele exterioare ale tijelor și conurilor. Ca rezultat reacție fotochimică fotoreceptorii sunt stimulaţi retină.

Pigmenții sensibili la lumină au fost descoperiți în retina animalelor la sfârșitul anilor 70 ai secolului trecut și s-a demonstrat că aceste substanțe se estompează în lumină. Tijele retiniene ale oamenilor și ale multor animale conțin pigmentul rodopsina, sau violetul vizual, a cărui compoziție, proprietăți și transformări chimice au fost studiate în detaliu în ultimele decenii (Wold et al.). Pigmentul iodopsină a fost găsit în conurile păsărilor. Aparent, există și alți pigmenți sensibili la lumină în conuri. Rushton indică prezența pigmenților în conuri - chlorolab și erythrolab; primul dintre ele absoarbe razele corespunzătoare verdelui, iar al doilea - partea roșie a spectrului.

rodopsina este un compus cu greutate moleculară mare format din retinenă - aldehidă de vitamina A - și proteină opsină. Sub acțiunea luminii are loc un ciclu de transformări chimice ale acestei substanțe. Prin absorbția luminii, retinena trece în izomerul său geometric, caracterizat prin faptul că lanțul său lateral este îndreptat, ceea ce duce la întreruperea legăturii retinenei cu proteina. În acest caz, se formează mai întâi unele substanțe intermediare - lumprodopsin și metarhodopsin, după care retinena este scindată din opsină. Sub influența unei enzime numită retinen reductază, aceasta din urmă trece în vitamina A, care vine din segmentele exterioare ale tijelor în celulele stratului de pigment.

Când ochii sunt întunecați, are loc regenerarea violetului vizual, adică resinteza rodopsinei. Acest proces necesită ca retina să primească izomerul cis al vitaminei A, din care se formează retinena. În absența vitaminei A în organism, formarea rodopsinei este brusc perturbată, ceea ce duce la dezvoltarea orbirii nocturne menționate mai sus. Formarea retinenei din vitamina A este un proces oxidativ care are loc cu participarea sistemului enzimatic. În retina izolată a mamiferelor, în care procesele oxidative sunt perturbate, rodopsina nu este redusă.

Procese fotochimice în retină apar foarte economic, adică, sub acțiunea chiar și a luminii foarte puternice, doar o mică parte din rodopsina prezentă în bastoane este divizată. Deci, potrivit lui Wald, sub acțiunea luminii cu o intensitate de 100 de lux, după 5 secunde, doar 1200 de molecule de violet vizual sunt împărțite în fiecare stick din cele 18 milioane de molecule ale acestei substanțe prezente în el, adică aproximativ. 0,005% din rodopsina se descompune.

Absorbția luminii de către rodopsina și scindarea acesteia sunt diferite în funcție de lungimea de undă a razelor de lumină care acționează asupra acesteia. Rodopsina, extrasă din retina umană, prezintă o absorbție maximă sub influența razelor de lumină cu o lungime de undă de aproximativ 500 mm k, care se află în partea verde a spectrului. Aceste raze par cele mai strălucitoare în întuneric. Compararea curbei de absorbție și decolorare a rodopsinei sub acțiunea luminii de diferite lungimi de undă cu curba de evaluare subiectivă a luminozității luminii în întuneric dezvăluie coincidența lor completă ( orez. 215).

Dacă retina este tratată cu o soluție de alaun, adică fixată, aceasta previne dezintegrarea ulterioară a rodopsinei, iar pe retină se poate vedea o imagine a obiectului care a fost privit anterior (așa-numita optogramă). Structura iodopsinei este apropiată de cea a rodopsinei. Iodopsina este, de asemenea, o combinație de retinenă cu proteina opsina, care se formează în conuri și este diferită de opsina de tijă. Absorbția luminii de către rodopsina și iodopsina este diferită. Iodopsina absoarbe în cea mai mare măsură razele de lumină cu o lungime de undă de aproximativ 560 microni, aflate în ora galbenă a spectrului. Orez. 215. Comparația sensibilității ochiului uman în întuneric cu spectrul de absorbție al violetului vizual. Punctele indică sensibilitatea.

Procese fotochimice în retină consta in faptul ca violetul vizual (rodopsina) situat in segmentele exterioare ale tijelor este distrus de lumina si restabilit in intuneric. Recent, Rushton (1967) și Weale (1962) au studiat pe scară largă rolul violetului vizual în procesul de acțiune a luminii asupra ochiului.

Dispozitivele construite de ei fac posibilă măsurarea grosimii stratului de rodopsina dezintegrat sub influența luminii în retina unui ochi uman viu. Rezultatele studiilor efectuate au permis autorilor să concluzioneze că nu există o relație directă între modificarea sensibilității la lumină și cantitatea de violet vizual dezintegrat.

Acest lucru poate indica procese mai complexe care apar în retină sub acțiunea radiației vizibile asupra acesteia sau, după cum ni se pare, imperfecțiunea tehnicii metodologice (utilizarea atropinei, utilizarea unei pupile artificiale etc.).

Acțiunea luminii nu se explică doar printr-o reacție fotochimică. Este în general acceptat că atunci când lumina lovește retina, în nervul optic apar curenți de acțiune, care sunt fixați de centrii superiori ai cortexului cerebral.

Când curenții de acțiune sunt înregistrate în timp, se obține o retinogramă. După cum arată analiza electroretinogramei, aceasta se caracterizează printr-o perioadă latentă inițială (timpul din momentul expunerii la fluxul luminos până la apariția primelor impulsuri), un maxim (o creștere a numărului de impulsuri) și o scădere lină. cu o ușoară creștere preliminară (perioada latentă a efectului final).

Deci, la aceeași luminozitate a stimulului, frecvența impulsurilor depinde de natura adaptării preliminare a ochiului; dacă ochiul a fost adaptat la lumină, atunci scade, iar dacă este adaptat la întuneric, crește. .

Pe lângă reacția la lumină, analizatorul vizual efectuează anumite lucrări vizuale. Cu toate acestea, după toate probabilitățile, mecanismele implicate în procesul de percepție a luminii și detaliile obiectului atunci când se efectuează lucrări vizuale nu vor fi complet identice.

Dacă analizorul răspunde la fluctuațiile nivelului fluxului luminos prin creșterea sau scăderea zonei câmpurilor receptive retiniene, atunci la complicarea obiectului percepției - prin schimbarea sistemului optic al ochiului (convergență, acomodare, papilomotor). reacție etc.).

Radiațiile vizibile afectează diferitele funcții ale analizorului vizual: privind sensibilitatea și adaptarea la lumină, sensibilitatea la contrast și acuitatea vizuală, stabilitatea vederii clare și viteza de discriminare etc.

„Clinica de boli, fiziologie și igienă în adolescență”, G.N. Serdyukovskaya

Mușchii pupilei, după ce au primit semnalul D, încetează să mai răspundă la semnalul G, care este raportat de semnalul E. Din acest moment, pupila participă la sporirea clarității imaginii obiectului de pe retinei, în timp ce rolul principal în acest proces revine cristalinului. La rândul său, „centrul de reglare a puterii stimulului retinian”, după ce a primit semnalul E, transmite informații altor centri, în ...

E. S. Avetisov consideră progresia miopiei ca o consecință a „suprareglării”, atunci când procesul „rapid” de adaptare a unui ochi cu o capacitate acomodativă slăbită de a lucra la distanță apropiată se transformă în opusul său. Din cele spuse mai sus, devine clar cât de importantă este iluminarea rațională suficientă pentru performanța ochiului. Ea capătă o semnificație deosebită pentru adolescenții care îmbină munca cu studiul. Cu toate acestea, în prezent…

Intensitatea luminii și iluminarea suprafeței sunt legate prin următoarea ecuație: I=EH2; E=I/H2; E=I*cos a/H2. unde E este iluminarea suprafeței în lux; H este înălțimea de instalare a corpului de iluminat deasupra suprafeței iluminate în metri; I - intensitatea luminii în lumânări; a este unghiul dintre direcția intensității luminii și axa corpului de iluminat. Luminozitate (B) - intensitatea luminii reflectate de la suprafață în direcția ...

Iluminat artificial Următoarele caracteristici sunt luate ca bază pentru normalizare, care determină gradul de tensiune în munca vizuală. Precizia lucrării vizuale, caracterizată prin cea mai mică dimensiune a piesei în cauză. Termenul „detaliu” din norme nu înseamnă produsul în curs de prelucrare, ci „obiectul” care trebuie luat în considerare în procesul de lucru, de exemplu, un fir de țesătură, o zgârietură pe suprafața produsului etc. . Gradul de luminozitate al fundalului pe care este considerat obiectul ....

O scădere a iluminării cu o treaptă este permisă pentru spațiile industriale cu o ședere scurtă de oameni, precum și în spațiile în care există echipamente care nu necesită întreținere constantă. Când instalați iluminat combinat pe suprafața de lucru, iluminarea de la corpurile de iluminat general ar trebui să fie de cel puțin 10% din normele de iluminat combinat, dar pentru adolescenți, evident, ar trebui să fie de cel puțin 300 de lux ....

Tijele retiniene ale oamenilor și ale multor animale conțin pigment rodopsina, sau violet vizual, ale căror compoziție, proprietăți și transformări chimice au fost studiate în detaliu în ultimele decenii. Pigment găsit în conuri iodopsină. Conurile conțin și pigmenții chlorolab și erythrolab; primul dintre ele absoarbe razele corespunzătoare verdelui, iar al doilea - partea roșie a spectrului.

rodopsina este un compus cu greutate moleculară înaltă (greutate moleculară 270.000), format din retinină - aldehidă de vitamina A și proteină opsină. Sub acțiunea unui cuantum de lumină are loc un ciclu de transformări fotofizice și fotochimice ale acestei substanțe: retina izomerizează, lanțul său lateral este îndreptat, legătura dintre retină și proteină este ruptă, iar centrii enzimatici ai moleculei proteice sunt activați. Retina este apoi scindată din opsină. Sub influența unei enzime numită reductază retiniană, aceasta din urmă este transformată în vitamina A.

Când ochii sunt întunecați, are loc regenerarea violetului vizual, adică. resinteza rodopsinei. Acest proces necesită ca retina să primească izomerul cis al vitaminei A, din care se formează retina. Dacă vitamina A este absentă în organism, formarea rodopsinei este brusc perturbată, ceea ce duce la dezvoltarea orbirii nocturne menționate mai sus.

Procesele fotochimice din retină apar foarte puțin; sub acțiunea chiar și a luminii foarte puternice, doar o mică parte din rodopsina prezentă în bastoane este divizată.

Structura iodopsinei este apropiată de cea a rodopsinei. Iodopsina este, de asemenea, un compus al retinei cu proteina opsina, care este produsă în conuri și este diferită de opsina de tijă.

Absorbția luminii de către rodopsina și iodopsina este diferită. Iodopsip absoarbe lumina galbenă cu o lungime de undă de aproximativ 560 nm în cea mai mare măsură.

viziunea culorilor

Pe marginea undei lungi a spectrului vizibil sunt razele roșii (lungime de undă 723-647 nm), pe lungimea de undă scurtă - violet (lungime de undă 424-397 nm). Amestecarea razelor tuturor culorilor spectrale dă alb. Culoarea albă poate fi obținută și prin amestecarea a două așa-numite culori complementare pereche: roșu și albastru, galben și albastru. Dacă amesteci culori luate din perechi diferite, poți obține culori intermediare. Ca rezultat al amestecării celor trei culori primare ale spectrului - roșu, verde și albastru - se poate obține orice culoare.

Teorii ale percepției culorilor. Există o serie de teorii ale percepției culorilor; Teoria cu trei componente se bucură de cea mai mare recunoaștere. Afirmă existența în retină a trei tipuri diferite de fotoreceptori care percep culorile - conuri.

Existența unui mecanism cu trei componente pentru perceperea culorilor a fost menționată și de M.V. Lomonosov. Această teorie a fost formulată mai târziu în 1801. T. Young si apoi dezvoltate G. Helmholtz. Conform acestei teorii, conurile conțin diverse substanțe fotosensibile. Unele conuri conțin o substanță sensibilă la roșu, altele la verde și altele la violet. Fiecare culoare are un efect asupra tuturor celor trei elemente de detectare a culorii, dar în grade diferite. Aceste excitații sunt rezumate de neuronii vizuali și, ajungând în cortex, dau senzația de o culoare sau alta.

Conform unei alte teorii propuse E. Goering, există trei substanțe fotosensibile ipotetice în conurile retinei: 1) alb-negru, 2) roșu-verde și 3) galben-albastru. Descompunerea acestor substanțe sub influența luminii duce la o senzație de alb, roșu sau galben. Alte raze de lumină provoacă sinteza acestor substanțe ipotetice, rezultând o senzație de negru, verde și albastru.

Cea mai convingătoare confirmare în studiile electrofiziologice a fost primită de teoria cu trei componente a vederii culorilor. În experimentele pe animale, microelectrozii au fost folosiți pentru a devia impulsurile de la celulele ganglionare unice ale retinei atunci când aceasta a fost iluminată cu diferite fascicule monocromatice. S-a dovedit că activitatea electrică în majoritatea neuronilor a apărut sub acțiunea razelor de orice lungime de undă din partea vizibilă a spectrului. Astfel de elemente ale retinei se numesc dominatori. În alte celule ganglionare (modulatoare), impulsurile au apărut numai atunci când sunt iluminate de raze de doar o anumită lungime de undă. Au fost identificați 7 modulatori care răspund optim la lumină cu lungimi de undă diferite (de la 400 la 600 nm.). R. Granit consideră că cele trei componente ale percepției culorilor, propuse de T. Jung și G. Helmholtz, sunt obținute prin mediarea curbelor de sensibilitate spectrală ale modulatorilor, care pot fi grupate în funcție de cele trei părți principale ale spectrului: albastru-violet. , verde și portocaliu.

La măsurarea absorbției razelor de diferite lungimi de undă de către un singur con cu un microspectrofotometru, s-a dovedit că unele conuri absorb maxim razele roșii-portocalii, altele - verzi, iar altele - razele albastre. Astfel, în retină au fost identificate trei grupuri de conuri, fiecare dintre ele percepând raze corespunzătoare uneia dintre culorile primare ale spectrului.

Teoria cu trei componente a vederii culorilor explică o serie de fenomene psihofiziologice, cum ar fi imaginile color secvențiale și unele fapte ale patologiei percepției culorilor (orbire în raport cu culorile individuale). În ultimii ani, mulți așa-numiți neuroni adversari au fost studiați în retină și în centrii vizuali. Ele diferă prin faptul că acțiunea radiațiilor asupra ochiului într-o anumită parte a spectrului îi excită, iar în alte părți ale spectrului îi inhibă. Se crede că astfel de neuroni codifică cel mai eficient informațiile de culoare.

daltonism. Daltonismul apare la 8% dintre bărbați, apariția ei se datorează absenței genetice a anumitor gene în cromozomul X nepereche care determină sexul la bărbați. Pentru a diagnostica daltonismul, subiectului i se oferă o serie de tabele policromatice sau i se permite să selecteze aceleași obiecte de culori diferite după culoare. Diagnosticul daltonismului este important în selecția profesională. Persoanele cu daltonism nu pot fi șoferi de transport, deoarece nu pot distinge culorile semafoarelor.

Există trei tipuri de daltonism parțial: protanopia, deuteranopia și tritanopia. Fiecare dintre ele se caracterizează prin absența percepției uneia dintre cele trei culori primare. Persoanele care suferă de protanopie („roșu-orb”) nu percep roșu, razele albastre-albastre li se par incolore. Persoanele care suferă de deuteranopie („verde-orb”) nu disting verdele de roșu închis și albastru. Cu tritanopia, o anomalie rară a vederii culorilor, razele de albastru și violet nu sunt percepute.

Cazare

Pentru o vedere clară a unui obiect, este necesar ca razele din punctele sale să cadă pe suprafața retinei, adică. s-au concentrat aici. Când o persoană se uită la obiecte îndepărtate, imaginea sa este focalizată pe retină și sunt văzute clar. În același timp, obiectele apropiate nu sunt clar vizibile, imaginea lor pe retină este neclară, deoarece razele de la ele sunt colectate în spatele retinei. Este imposibil să vezi obiectele la fel de clar la diferite distanțe de ochi în același timp. Este ușor să vezi asta: când te uiți de la obiecte apropiate la cele îndepărtate, nu mai vezi clar.

Se numește adaptarea ochiului pentru a vedea clar obiectele la distanțe diferite cazare . În timpul acomodării are loc o modificare a curburii lentilei și, în consecință, a puterii sale de refracție. La vizualizarea unor obiecte apropiate, lentila devine mai convexă, datorită faptului că razele divergente de la punctul luminos converg spre retină. Mecanismul de acomodare se reduce la contracția mușchilor ciliari, care modifică convexitatea cristalinului. Lentila este închisă într-o capsulă subțire și transparentă, trecând de-a lungul marginilor în fibrele ligamentului zinn atașat de corpul ciliar. Aceste fibre sunt întotdeauna întinse și întind capsula, care comprimă și aplatizează cristalinul. Corpul ciliar conține fibre musculare netede. Odată cu contracția lor, tracțiunea ligamentelor de zinn este slăbită, ceea ce înseamnă că presiunea asupra cristalinului scade, care, datorită elasticității sale, capătă o formă mai convexă. Astfel, mușchii ciliari sunt mușchi acomodativi. Sunt inervați de fibre parasimpatice ale nervului oculomotor. Introducerea atropinei în ochi provoacă o încălcare a transmiterii excitației către acest mușchi și, prin urmare, limitează acomodarea ochilor atunci când se iau în considerare obiectele apropiate. Dimpotrivă, substanțele parasimpatomimetice - pilocarpina și ezerina - provoacă contracția acestui mușchi.

prezbiopie. Cristalinul devine mai puțin elastic odată cu vârsta, iar atunci când tensiunea ligamentelor zinn este slăbită, convexitatea sa fie nu se modifică, fie crește doar ușor. Prin urmare, cel mai apropiat punct de vedere clară se îndepărtează de ochi. Această stare se numește hipermetropie senilă sau prezbiopie.

Secțiune transversală de absorbție a moleculei

Transformările fotochimice primare sunt procese cuantice moleculare. Pentru a înțelege regularitățile lor, să luăm în considerare procesul de absorbție a luminii la nivel molecular. Pentru a face acest lucru, exprimăm concentrația molară a cromoforului C în termeni de concentrație „bucata” a moleculelor sale (n = N/V este numărul de molecule pe unitate de volum):

Orez. 30.3. Interpretare geometrică absorbția secțiunii transversale

În acest caz, ecuația (28.4) ia următoarea formă:

Raportul dintre indicele natural de absorbție molar și constanta Avogadro are dimensiunea [m 2 ] și se numește secțiunea transversală de absorbție a moleculei:

Secțiunea transversală este molecular caracteristice procesului de absorbţie. Valoarea sa depinde de structura moleculei, de lungimea de undă a luminii și are următoarea interpretare geometrică. Imaginează-ți un cerc cu suprafața s, în centrul căruia se află o moleculă de acest tip. Dacă traiectoria unui foton capabil să provoace fotoexcitarea unei molecule trece prin acest cerc, atunci fotonul este absorbit (Fig. 30.3).

Acum putem scrie ecuația pentru modificarea intensității luminii într-o formă care ține cont de natura moleculară a absorbției:

O moleculă absoarbe doar un cuantic de lumină. Pentru a lua în considerare fotonic natura absorbției, introducem o valoare specială - intensitatea fluxului de fotoni(Dacă).

Intensitatea fluxului de fotoni- numărul de fotoni incidenti de-a lungul normalei pe suprafața unei unități de suprafață pe unitatea de timp:

Numărul de fotoni se modifică, de asemenea, în consecință datorită absorbției lor:

Randamentul cuantic al unei reacții fotochimice

Pentru a raporta numărul de fotoni absorbiți de numărul de molecule care au intrat într-o reacție fotochimică, aflăm ce se întâmplă unei molecule după absorbția unui foton. O astfel de moleculă poate intra într-o reacție fotochimică sau, după ce a transferat energia primită către particulele învecinate, poate reveni la starea neexcitată. Trecerea de la excitație la transformările fotochimice este un proces aleatoriu care are loc cu o anumită probabilitate.