Fenomen vidne optike fotokemijske reakcije analiza informacij. fotokemija

Pod vplivom svetlobe na mrežnico pride do kemičnih sprememb v pigmentih, ki se nahajajo v zunanjih segmentih palic in stožcev. Kot rezultat fotokemična reakcija fotoreceptorji so stimulirani mrežnica.

Svetlobno občutljive pigmente so odkrili v mrežnici živali v poznih 70-ih letih prejšnjega stoletja in pokazalo se je, da te snovi na svetlobi zbledijo. Retinalne palice ljudi in mnogih živali vsebujejo pigment rodopsin ali vizualno vijolično, katerega sestavo, lastnosti in kemične transformacije so v zadnjih desetletjih podrobno preučevali (Wold et al.). Pigment jodopsin so našli v stožcih ptic. Očitno so v stožcih tudi drugi svetlobno občutljivi pigmenti. Rushton kaže na prisotnost pigmentov v stožcih - klorolab in eritrolab; prvi od njih absorbira žarke, ki ustrezajo zelenemu, drugi pa rdeči del spektra.

Rodopsin je spojina z visoko molekulsko maso, sestavljena iz retinena - aldehida vitamina A - in proteina opsina. Pod vplivom svetlobe pride do cikla kemičnih transformacij te snovi. Z absorpcijo svetlobe retinen preide v svoj geometrijski izomer, za katerega je značilno, da se njegova stranska veriga izravna, kar vodi do prekinitve vezi retinena z beljakovino. V tem primeru najprej nastanejo nekatere vmesne snovi - lumprodopsin in metarodopsin, nato pa se iz opsina odcepi retinen. Pod vplivom encima, imenovanega retinen reduktaza, se slednja pretvori v vitamin A, ki prihaja iz zunanjih segmentov palic v celice pigmentne plasti.

Ko so oči zatemnjene, pride do regeneracije vidne vijolične barve, to je resinteza rodopsina. Ta proces zahteva, da mrežnica prejme cis-izomer vitamina A, iz katerega nastane mrežnica. Ob pomanjkanju vitamina A v telesu je tvorba rodopsina močno motena, kar vodi v razvoj zgoraj omenjene nočne slepote. Tvorba retinena iz vitamina A je oksidativni proces, ki poteka s sodelovanjem encimskega sistema. V izolirani mrežnici sesalcev, pri kateri so moteni oksidativni procesi, se rodopsin ne reducira.

Fotokemični procesi v mrežnici poteka zelo ekonomično, to pomeni, da se pod delovanjem celo zelo močne svetlobe razcepi le majhen del rodopsina, ki je prisoten v palčkah. Torej, po Waldu, se pod vplivom svetlobe z jakostjo 100 luksov po 5 sekundah v vsaki palici od 18 milijonov molekul te snovi, ki je prisotna v njej, razcepi le 1200 molekul vizualne vijolične barve, to je približno 0,005 % rodopsina se razgradi.

Absorpcija svetlobe z rodopsinom in njena cepitev sta različni glede na valovno dolžino svetlobnih žarkov, ki delujejo nanj. Rodopsin, ekstrahiran iz človeške mrežnice, izkazuje največjo absorpcijo pod vplivom svetlobnih žarkov z valovno dolžino okoli 500 mm k, ki ležijo v zelenem delu spektra. Prav ti žarki se zdijo najsvetlejši v temi. Primerjava krivulje absorpcije in razbarvanja rodopsina pod vplivom svetlobe različnih valovnih dolžin s krivuljo subjektivne ocene svetlosti svetlobe v temi razkrije njihovo popolno sovpadanje ( riž. 215).

Če mrežnico obdelamo z raztopino galuna, torej fiksiramo, s tem preprečimo nadaljnji razpad rodopsina, na mrežnici pa lahko vidimo sliko predmeta, ki smo ga predhodno gledali (ti optogram). Struktura jodopsina je podobna strukturi rodopsina. Jodopsin je tudi kombinacija retinena z beljakovino opsinom, ki se tvori v stožcih in se razlikuje od paličastega opsina. Absorpcija svetlobe z rodopsinom in jodopsinom je različna. Jodopsin v največji meri absorbira svetlobne žarke z valovno dolžino okoli 560 mikronov, ki ležijo v rumeni uri spektra. riž. 215. Primerjava občutljivosti človeškega očesa v temi z absorpcijskim spektrom vidne vijolične. Pike označujejo občutljivost.

Fotokemični procesi v mrežnici sestoji iz dejstva, da se vidna vijolična (rodopsin), ki se nahaja v zunanjih segmentih palic, uniči svetloba in se obnovi v temi. V zadnjem času sta Rushton (1967) in Weale (1962) zelo široko preučevala vlogo vizualne vijolične v procesu svetlobe, ki deluje na oko.

Naprave, ki so jih izdelali, omogočajo merjenje debeline plasti rodopsina, ki je razpadla pod vplivom svetlobe v mrežnici živega človeškega očesa. Rezultati opravljenih študij so avtorjem omogočili sklep, da ni neposredne povezave med spremembo svetlobne občutljivosti in količino razpadle vizualne vijolične.

To lahko kaže na bolj zapletene procese, ki se pojavljajo v mrežnici pod vplivom vidnega sevanja nanjo, ali, kot se nam zdi, na nepopolnost metodološke tehnike (uporaba atropina, uporaba umetne zenice itd.).

Delovanja svetlobe ni mogoče razložiti le s fotokemično reakcijo. Splošno sprejeto je, da ko svetloba zadene mrežnico, v vidnem živcu nastanejo akcijski tokovi, ki jih fiksirajo višji centri možganske skorje.

Ko se tokovi delovanja pravočasno registrirajo, dobimo retinogram. Kot kaže analiza elektroretinograma, je zanj značilno začetno latentno obdobje (čas od trenutka izpostavljenosti svetlobnemu toku do pojava prvih impulzov), maksimum (povečanje števila impulzov) in gladko zmanjšanje s predhodnim rahlim povečanjem (latentno obdobje končnega učinka).

Torej, pri enaki svetlosti dražljaja je frekvenca impulzov odvisna od narave predhodne prilagoditve očesa; če je bilo oko prilagojeno svetlobi, se zmanjša, če pa je prilagojeno temi, se poveča. .

Poleg reakcije na svetlobo vizualni analizator opravlja določeno vizualno delo. Vendar pa po vsej verjetnosti mehanizmi, vključeni v proces zaznavanja svetlobe, in podrobnosti predmeta pri opravljanju vizualnega dela ne bodo popolnoma enaki.

Če se analizator na nihanja ravni svetlobnega toka odzove s povečanjem ali zmanjšanjem površine receptivnih polj mrežnice, potem na zaplet predmeta zaznavanja - s spremembo optičnega sistema očesa (konvergenca, akomodacija, papilomotorična). reakcija itd.).

Vidno sevanje vpliva na različne funkcije vizualnega analizatorja: na svetlobno občutljivost in prilagajanje, kontrastno občutljivost in ostrino vida, stabilnost jasnega vida in hitrost diskriminacije itd.

"Klinika bolezni, fiziologije in higiene v adolescenci", G.N. Serdyukovskaya

Mišice zenice, ko prejmejo signal D, se prenehajo odzivati ​​na signal G, ki ga sporoča signal E. Od tega trenutka zenica v celoti sodeluje pri povečanju jasnosti slike predmeta na mrežnice, medtem ko ima glavna vloga v tem procesu leča. Po drugi strani pa "center za uravnavanje moči dražljaja mrežnice", ki je prejel signal E, posreduje informacije drugim centrom, v ...

E. S. Avetisov meni, da je napredovanje miopije posledica "prekomerne regulacije", ko se "primerni" proces prilagajanja očesa z oslabljeno akomodacijsko sposobnostjo za delo na bližino spremeni v svoje nasprotje. Iz zgoraj povedanega postane jasno, kako pomembna je zadostna racionalna osvetlitev za delovanje očesa. Poseben pomen pridobi za mladostnike, ki delo združujejo s študijem. Vendar pa trenutno…

Intenzivnost svetlobe in površinska osvetlitev sta povezani z naslednjo enačbo: I=EH2; E=I/H2; E=I*cos a/H2. kjer je E površinska osvetlitev v luksih; H višina vgradnje svetilke nad osvetljeno površino v metrih; I - jakost svetlobe v svečah; a je kot med smerjo jakosti svetlobe in osjo svetilke. Svetlost (B) - intenzivnost svetlobe, ki se odbija od površine v smeri ...

Umetna razsvetljava Za osnovo za normalizacijo so vzete naslednje značilnosti, ki določajo stopnjo napetosti pri vizualnem delu. Natančnost vizualnega dela, za katero je značilna najmanjša velikost zadevnega dela. Izraz "detajl" v normativih ne pomeni izdelka, ki se obdeluje, ampak "predmet", ki ga je treba upoštevati v procesu dela, na primer nit blaga, prasko na površini izdelka itd. Stopnja lahkotnosti ozadja, na katerem se predmet obravnava ....

Zmanjšanje osvetlitve za en korak je dovoljeno za industrijske prostore s kratkim bivanjem ljudi, pa tudi v prostorih, kjer je oprema, ki ne zahteva stalnega vzdrževanja. Pri nameščanju kombinirane razsvetljave na delovno površino mora biti osvetlitev s splošnimi svetlobnimi napravami vsaj 10% kombiniranih svetlobnih norm, za najstnike pa mora biti očitno najmanj 300 luksov ....

Retinalne paličice ljudi in mnogih živali vsebujejo pigment rodopsin, ali vizualno vijolična, katere sestava, lastnosti in kemične transformacije so bili v zadnjih desetletjih podrobno raziskani. Pigment najdemo v storžkih jodopsin. Stožci vsebujejo tudi pigmenta klorolab in eritrolab; prvi od njih absorbira žarke, ki ustrezajo zelenemu, drugi pa rdeči del spektra.

Rodopsin je visokomolekularna spojina (molekulska masa 270.000), sestavljena iz mrežnice - aldehida vitamina A in proteina opsin. Pod delovanjem svetlobnega kvanta pride do cikla fotofizičnih in fotokemičnih transformacij te snovi: mrežnica se izomerizira, njena stranska veriga se izravna, vez med mrežnico in beljakovino se prekine in aktivirajo se encimski centri beljakovinske molekule. Retina se nato odcepi od opsina. Pod vplivom encima, imenovanega retinalna reduktaza, se slednja pretvori v vitamin A.

Ko so oči zatemnjene, pride do regeneracije vizualne vijolične, t.j. resinteza rodopsina. Ta proces zahteva, da mrežnica prejme cis-izomer vitamina A, iz katerega nastane mrežnica. Če v telesu ni vitamina A, je tvorba rodopsina močno motena, kar vodi v razvoj zgoraj omenjene nočne slepote.

Fotokemični procesi v mrežnici se pojavljajo zelo redko; pod delovanjem celo zelo močne svetlobe se razcepi le majhen del rodopsina, ki je prisoten v palčkah.

Struktura jodopsina je podobna strukturi rodopsina. Jodopsin je tudi spojina mrežnice z beljakovino opsin, ki se proizvaja v stožcih in se razlikuje od paličastega opsina.

Absorpcija svetlobe z rodopsinom in jodopsinom je različna. Iodopsip v največji meri absorbira rumeno svetlobo z valovno dolžino okoli 560 nm.

barvni vid

Na dolgovalovnem robu vidnega spektra so rdeči žarki (valovna dolžina 723-647 nm), na kratkovalovnem - vijolični (valovna dolžina 424-397 nm). Mešanje žarkov vseh spektralnih barv daje belo. Belo barvo lahko dobimo tudi z mešanjem dveh tako imenovanih parnih komplementarnih barv: rdeče in modre, rumene in modre. Če mešate barve, vzete iz različnih parov, lahko dobite vmesne barve. Kot rezultat mešanja treh osnovnih barv spektra - rdeče, zelene in modre - lahko dobimo katero koli barvo.

Teorije zaznavanja barv. Obstajajo številne teorije zaznavanja barv; Trikomponentna teorija uživa največje priznanje. Navaja obstoj v mrežnici treh različnih vrst fotoreceptorjev, ki zaznavajo barve - stožcev.

Obstoj trikomponentnega mehanizma za zaznavanje barv je omenil tudi M.V. Lomonosov. Ta teorija je bila kasneje oblikovana leta 1801. T. Young in se nato razvil G. Helmholtz. Po tej teoriji stožci vsebujejo različne fotoobčutljive snovi. Nekateri stožci vsebujejo snov, ki je občutljiva na rdečo, drugi na zeleno, tretji na vijolično. Vsaka barva vpliva na vse tri barvno zaznavne elemente, vendar v različni meri. Ta vzbujanja povzemajo vizualni nevroni in, ko dosežejo skorjo, dajejo občutek ene ali druge barve.

Po drugi predlagani teoriji E. Goering, so v stožcih mrežnice tri hipotetične fotosenzitivne snovi: 1) belo-črna, 2) rdeče-zelena in 3) rumeno-modra. Razpad teh snovi pod vplivom svetlobe vodi do občutka bele, rdeče ali rumene barve. Drugi svetlobni žarki povzročijo sintezo teh hipotetičnih snovi, kar povzroči občutek črne, zelene in modre barve.

Najbolj prepričljivo potrditev v elektrofizioloških študijah je prejela trikomponentna teorija barvnega vida. V poskusih na živalih so bile mikroelektrode uporabljene za preusmeritev impulzov iz posameznih ganglijskih celic mrežnice, ko je bila osvetljena z različnimi monokromatskimi žarki. Izkazalo se je, da je električna aktivnost v večini nevronov nastala pod delovanjem žarkov katere koli valovne dolžine v vidnem delu spektra. Takšni elementi mrežnice se imenujejo dominatorji. V drugih ganglijskih celicah (modulatorjih) so se impulzi pojavili šele, ko so bili osvetljeni z žarki le določene valovne dolžine. Identificiranih je 7 modulatorjev, ki se optimalno odzivajo na svetlobo z različnimi valovnimi dolžinami (od 400 do 600 nm.). R. Granit meni, da so tri komponente zaznavanja barv, ki sta jih predlagala T. Jung in G. Helmholtz, pridobljene s povprečenjem krivulj spektralne občutljivosti modulatorjev, ki jih lahko združimo glede na tri glavne dele spektra: modro-vijolično. , zelena in oranžna.

Ko smo z mikrospektrofotometrom merili absorpcijo žarkov različnih valovnih dolžin z enim stožcem, se je izkazalo, da nekateri stožci maksimalno absorbirajo rdeče-oranžne žarke, drugi - zelene, tretji pa modre žarke. Tako so bile v mrežnici identificirane tri skupine stožcev, od katerih vsaka zaznava žarke, ki ustrezajo eni od primarnih barv spektra.

Trikomponentna teorija barvnega vida pojasnjuje številne psihofiziološke pojave, kot so zaporedne barvne slike in nekatera dejstva o patologiji barvnega zaznavanja (slepota glede na posamezne barve). V zadnjih letih so v mrežnici in vidnih centrih preučevali številne tako imenovane nasprotne nevrone. Razlikujejo se po tem, da jih delovanje sevanja na oko na nekem delu spektra vzbuja, na drugih delih spektra pa jih zavira. Menijo, da takšni nevroni najbolj učinkovito kodirajo barvne informacije.

barvna slepota. Barvna slepota se pojavi pri 8% moških, njen pojav je posledica genetske odsotnosti določenih genov v neparnem kromosomu X pri moških, ki določa spol. Za diagnosticiranje barvne slepote je subjektu ponujena serija polikromatskih tabel ali pa je dovoljeno izbrati iste predmete različnih barv po barvi. Diagnoza barvne slepote je pomembna pri strokovni izbiri. Osebe z barvno slepoto ne morejo biti vozniki prevoza, saj ne razlikujejo barv semaforja.

Obstajajo tri vrste delne barvne slepote: protanopija, devteranopija in tritanopija. Za vsako od njih je značilna odsotnost zaznavanja ene od treh osnovnih barv. Ljudje, ki trpijo za protanopijo ("rdeče-slepi"), ne zaznajo rdeče, modro-modri žarki se jim zdijo brezbarvni. Osebe, ki trpijo za devteranopijo ("zeleno-slepi"), ne razlikujejo zelene od temno rdeče in modre. Pri tritanopiji, redki anomaliji barvnega vida, se modri in vijolični žarki ne zaznajo.

Namestitev

Za jasno vizijo predmeta je potrebno, da žarki iz njegovih točk padejo na površino mrežnice, t.j. so bili osredotočeni tukaj. Ko človek gleda oddaljene predmete, je njegova slika osredotočena na mrežnico in se jasno vidijo. Hkrati bližnji predmeti niso jasno vidni, njihova slika na mrežnici je zamegljena, saj se žarki iz njih zbirajo za mrežnico. Nemogoče je istočasno videti predmete enako jasno na različnih razdaljah od očesa. To je enostavno videti: ko pogledate od bližnjih do oddaljenih predmetov, jih prenehate videti jasno.

Imenuje se prilagoditev očesa, da jasno vidi predmete na različnih razdaljah namestitev . Med akomodacijo pride do spremembe ukrivljenosti leče in posledično njene lomne moči. Pri gledanju bližnjih predmetov leča postane bolj konveksna, zaradi česar se žarki, ki odstopajo od svetleče točke, konvergirajo na mrežnico. Mehanizem akomodacije je zmanjšan na krčenje ciliarnih mišic, ki spremenijo konveksnost leče. Leča je zaprta v tanki prozorni kapsuli, ki prehaja vzdolž robov v vlakna zinnovega ligamenta, pritrjenega na ciliarno telo. Ta vlakna so vedno napeta in raztegnejo kapsulo, ki stisne in splošči lečo. Ciliarno telo vsebuje gladka mišična vlakna. Z njihovo krčenjem se oslabi vlečnost cinovih vezi, kar pomeni, da se zmanjša pritisk na lečo, ki zaradi svoje elastičnosti dobi bolj konveksno obliko. Tako so ciliarne mišice akomodacijske mišice. Inervirajo jih parasimpatična vlakna okulomotoričnega živca. Vnos atropina v oko povzroči kršitev prenosa vzbujanja na to mišico in zato omejuje namestitev oči pri gledanju bližnjih predmetov. Nasprotno, parasimpatomimetične snovi - pilokarpin in ezerin - povzročajo krčenje te mišice.

Prezbiopija. S starostjo leča postane manj elastična, in ko je napetost cinkovih vezi oslabljena, se njena konveksnost bodisi ne spremeni ali pa se le rahlo poveča. Zato se najbližja točka jasnega vida odmakne od oči. To stanje se imenuje senilna daljnovidnost ali prezbiopija.

Prerez absorpcije molekule

Primarne fotokemične transformacije so molekularni kvantni procesi. Da bi razumeli njihove zakonitosti, si oglejmo proces absorpcije svetlobe na molekularni ravni. Če želite to narediti, izrazimo molsko koncentracijo kromofora C s koncentracijo "kosa" njegovih molekul (n = N/V je število molekul na enoto prostornine):

riž. 30.3. Geometrijska interpretacija prečni prerez absorpcije

V tem primeru ima enačba (28.4) naslednjo obliko:

Razmerje med naravnim molarnim absorpcijskim indeksom in Avogadrovo konstanto ima dimenzijo [m 2 ] in se imenuje absorpcijski prerez molekule:

Prerez je molekularno značilnost procesa absorpcije. Njegova vrednost je odvisna od strukture molekule, valovne dolžine svetlobe in ima naslednjo geometrijsko interpretacijo. Predstavljajte si krog s površino s, v središču katerega je molekula te vrste. Če pot fotona, ki lahko povzroči fotovzbujanje molekule, poteka skozi ta krog, se foton absorbira (slika 30.3).

Zdaj lahko zapišemo enačbo za spreminjanje jakosti svetlobe v obliki, ki upošteva molekularno naravo absorpcije:

Molekula absorbira samo en svetlobni kvant. Da bi upoštevali fotonski naravo absorpcije, uvajamo posebno vrednost - intenzivnost fotonskega toka(I f).

Intenzivnost fotonskega toka- število fotonov, ki padejo vzdolž normale na površino enote površine na enoto časa:

Število fotonov se ustrezno spreminja tudi zaradi njihove absorpcije:

Kvantni izkoristek fotokemijske reakcije

Da bi povezali število absorbiranih fotonov s številom molekul, ki so vstopile v fotokemično reakcijo, ugotovimo kaj se zgodi z molekulo po absorpciji fotona. Takšna molekula lahko vstopi v fotokemično reakcijo ali se po prenosu prejete energije na sosednje delce vrne v nevzbujeno stanje. Prehod iz vzbujanja v fotokemične transformacije je naključen proces, ki se zgodi z določeno verjetnostjo.