Феномен зору оптика фотохімічні реакції аналіз інформації. Фотохімія

При дії світла на сітківку відбуваються хімічні зміни пігментів, що у зовнішніх члениках паличок і колбочек. В результаті фотохімічної реакціївиникає збудження фоторецепторів сітківки.

У сітківці очей тварин ще наприкінці 70-х років минулого століття було відкрито світлочутливі пігменти і було показано, що ці речовини вицвітають на світлі. У паличках сітківки людини та багатьох тварин міститься пігмент родопсин, або зоровий пурпур, склад, властивості та хімічні перетворення якого докладно вивчені в останні десятиліття (Уолд та ін.). У колбочках птахів знайдено пігмент йодопсин. Очевидно, в колбочках є ще й інші світлочутливі пігменти. Раштон вказує на наявність у колбочках пігментів - хлоролабу та еритролабу; перший їх поглинає промені, відповідні зеленої, а другий - червоної частини спектра.

Родопсинє високомолекулярною сполукою, що складається з ретинена - альдегіду вітаміну А- і білка опсину. При дії світла відбувається цикл хімічних перетворень цієї речовини. Поглинаючи світло, ретинен перетворюється на свій геометричний ізомер, що характеризується тим, що його бічна ланцюг випрямляється, що призводить до порушення зв'язку ретинена з білком. При цьому спочатку утворюються деякі проміжні речовини - люмпродопсин та метародопсин, після чого ретин відщеплюється від опсину. Під впливом ферменту, названого редуктазою ретинена, останній перетворюється на вітамін А, який надходить із зовнішніх члеників паличок у клітини пігментного шару.

При затемненні очей відбувається регенерація зорового пурпуру, тобто ресинтез родопсину. Для цього процесу необхідно, щоб сітківка отримувала цис-ізомер вітаміну А, з якого утворюється ретин. За відсутності в організмі вітаміну А утворення родопсину різко порушується, що призводить до розвитку згаданої вище курячої сліпоти. Утворення ретинена з вітаміну А є окисним процесом, що відбувається за участю ферментної системи. В ізольованій сітківці ссавців, у якій порушені окисні процеси, немає відновлення родопсина.

Фотохімічні процеси у сітківцівідбуваються дуже економно, тобто при дії дуже яскравого світла розщеплюється тільки невелика частина наявного в паличках родопсину. Так, за даними Уолда, при дії світла інтенсивністю 100 люкс через 5 секунд розщеплюється в кожній паличці всього 1200 молекул зорового пурпуру з 18 млн. молекул цієї речовини, що є в ній, тобто розпадається близько 0,005% родопсину.

Поглинання світла родопсином та його розщеплення різні залежно від довжини хвилі світлових променів, що діють нею. Родопсин, екстрагований з сітківки ока людини, виявляє максимальне поглинання під впливом світлових променів з довжиною хвилі близько 500 мм, які лежать у зеленій частині спектру. Саме це проміння здається найбільш яскравим у темряві. Порівняння кривої поглинання та знебарвлення родопсину при дії світла різної довжини хвилі з кривою суб'єктивної оцінки яскравості світла в темряві виявляє повне їх збіг ( Рис. 215).

Якщо обробити сітківку розчином галунів, тобто фіксувати її, то це оберігає родопсин від подальшого розпаду і на сітківці можна побачити зображення предмета, на який перед цим оглядом очей (так звану оптограму). Структура йодопсину близька до родопсину. Йодопсин представляв собою також з'єднання ретинена з білком опсином, який утворює в колбочках і відрізняється від опсину паличок. Поглинання світла родопсином та йодопсином по-різному. Йодопсин найбільше поглащає промені світла з довжиною хвилі близько 560 ммк, що лежать у жовту годину спектра. Рис. 215. Порівняння чутливості ока людини, що знаходиться в темряві, зі спектром поглинання зорового пурпуру. Точками відзначено чутливість.

Фотохімічні процеси у сітківці окаполягають у тому, що у зовнішніх члениках паличок зоровий пурпур (родопсин) руйнується під впливом світла і відновлюється у темряві. Останнім часом вивченням ролі зорового пурпуру у процесі дії світла на око дуже широко займаються Rush ton (1967) та Weale (1962).

Сконструйовані ними прилади дозволяють виміряти товщину шару родопсину, що розпався під впливом світла, в сітківці живого людського ока. Результати проведених досліджень дозволили авторам зробити висновок про те, що між зміною світлової чутливості і кількістю зорового пурпуру, що розпався, пряма залежність відсутня.

Це може вказувати на складніші процеси, що відбуваються в сітківці при дії на неї видимої радіації або, як нам здається, на недосконалість методичного прийому (застосування атропіну, використання штучної зіниці тощо).

Дія світла не пояснюється лише виключно фотохімічною реакцією. Прийнято вважати, що при попаданні світла на сітківку в зоровому нерві з'являються струми дії, що фіксуються найвищими центрами кори мозку.

Під час реєстрації у часі струмів дії виходить ретинограма. Як показує аналіз електроретинограми, вона характеризується початковим прихованим періодом (час з моменту впливу світлового потоку до появи перших імпульсів), максимумом (зростання числа імпульсів) та плавним зниженням з попереднім невеликим збільшенням (прихований період кінцевого ефекту).

Так при одній і тій же яскравості подразника частота імпульсів залежить від характеру попередньої адаптації ока, якщо око було адаптоване до світла, то вона знижується, а якщо адаптоване до темряви - підвищується.

Крім реакції світ, зоровий аналізатор здійснює певну зорову роботу. Однак, ймовірно, механізми, що беруть участь у процесі сприйняття світла, і деталі об'єкта при виконанні зорової роботи будуть не зовсім ідентичні.

Якщо коливання рівня світлового потоку аналізатор відповідає збільшенням чи зменшенням площі рецептивних полів сітківки, то ускладнення об'єкта сприйняття — зміною оптичної системи ока (конвергенція, акомодація, папилломоторная реакція тощо. буд.).

Видима радіація впливає різноманітні функції зорового аналізатора:на світлову чутливість та адаптацію, контрастну чутливість та гостроту зору, стійкість ясного бачення та швидкість розрізнення тощо.

«Клініка захворювань, фізіологія та гігієна у підлітковому віці», Г.Н.Сердюковська

М'язи зіниці, отримавши сигнал Д, перестають реагувати на сигнал Г, про що і повідомляють сигналом Е. З цього моменту зіниця бере посильну участь у посиленні чіткості зображення предмета на сітківці, основна роль у цьому процесі належить кришталику. У свою чергу, «центр регуляції сили подразника сітківки», отримавши сигнал Е, передає інформацію до інших центрів, в…

Прогресування міопії Е. С. Аветісов розглядає як наслідок «перерегулювання», коли «доцільний» процес пристосування ока з ослабленою акомодаційною здатністю до роботи на близькій відстані перетворюється на свою протилежність. Зі сказаного вище стає зрозумілим, яке важливе значення для працездатності ока має достатнє раціональне освітлення. Особливого значення воно набуває для підлітків, які поєднують роботу з навчанням. Проте в даний час…

Сила світла та освітленість поверхні пов'язані наступною рівністю: I=EH2; E=I/H2; E = I * cos a/H2. де Е - освітленість поверхні в люксах; Н - висота установки світильника над освітлюваною поверхнею в метрах; I - сила світла у свічках; а — кут між напрямком сили світла та віссю світильника. Яскравість (В) — сила світла, яке відбивається від поверхні в напрямку.

Штучне освітлення В основу нормування приймаються такі характеристики, що визначають рівень напруги зорової роботи. Точність зорової роботи, що характеризується найменшим розміром деталі, що розглядається. Під терміном «деталь» в нормах мається на увазі не оброблюваний виріб, а «об'єкт», який доводиться розглядати в процесі роботи, наприклад, нитка тканини, подряпина на поверхні виробу і т. д. Ступінь світлоти фону, на якому розглядається об'єкт….

Зниження освітленості на один щабель допускається для виробничих приміщень з короткочасним перебуванням людей, а також у приміщеннях, де є обладнання, яке не потребує постійного обслуговування. При влаштуванні комбінованого освітлення на робочій поверхні освітленість від світильників загального освітлення повинна становити не менше ніж 10% норм комбінованого освітлення, але для підлітків, очевидно, вона повинна бути не менше ніж 300 лк.

У паличках сітківки людини та багатьох тварин міститься пігмент родопсин, або зоровий пурпур, склад, властивості та хімічні перетворення якого докладно вивчені в останні десятиліття. У колбочках знайдено пігмент йодопсин. У колбочках є також пігменти хлоролаб та ерітролаб; перший їх поглинає промені, відповідні зеленої, а другий - червоної частини спектра.

Родопсинє високомолекулярною сполукою (молекулярна маса 270 000), що складається з ретиналю - альдегіду вітаміну А і білка опсину. При дії кванта світла відбувається цикл фотофізичних та фотохімічних перетворень цієї речовини: ретиналь ізомеризується, його бічне коло випрямляється, зв'язок ретиналю з білком порушується, активуються ферментативні центри білкової молекули. Після чого ретиналь відщеплюється від опсину. Під впливом ферменту, названого редуктазою ретиналю, останній перетворюється на вітамін А.

При затемненні очей відбувається регенерація зорового пурпуру, тобто. ресинтез родопсину. Для цього процесу необхідно, щоб сітківка отримувала цис-ізомер вітаміну А, з якого утворюється ретиналь. Якщо ж вітамін А в організмі відсутня, освіта родопсину різко порушується, що призводить до розвитку згаданої вище курячої сліпоти.

Фотохімічні в сітківці відбуваються дуже економно, тобто. при дії навіть дуже яскравого світла розщеплюється лише невелика частина наявного в паличках родопсину.

Структура йодопсину близька до родопсину. Йодопсин є також з'єднанням ретиналю з білком опсином, який утворюється в колбочках і відрізняється від опсину паличок.

Поглинання світла родопсином та йодопсином по-різному. Йодопсіп найбільше поглинає жовте світло з довжиною хвилі близько 560 нм.

Колірний зір

На довгохвильовому краю видимого діапазону знаходяться промені червоного кольору (довжина хвилі 723-647 нм), на короткохвильовому - фіолетового (довжина хвилі 424-397 нм). Змішування променів усіх спектральних кольорів дає білий колір. Білий колір може бути отриманий і при змішуванні двох так званих додаткових парних кольорів: червоного і синього, жовтого і синього. Якщо змішати кольори, взяті з різних пар, то можна отримати проміжні кольори. В результаті змішування трьох основних кольорів спектру – червоного, зеленого та синього – можуть бути отримані будь-які кольори.

Теорії кольоровідчуття. Існує ряд теорій відчуття кольору; Найбільшим визнанням користується трикомпонентна теорія. Вона стверджує існування в сітківці трьох різних типів кольороприймаючих фоторецепторів - колб.

Про існування трикомпонентного механізму сприйняття кольорів говорив ще М.В. Ломоносов. Надалі ця теорія була сформульована у 1801 р. Т. Юнгомі потім розвинена Г. Гельмгольцем. Відповідно до цієї теорії, у колбочках знаходяться різні світлочутливі речовини. Одні колбочки містять речовину, чутливу до червоного кольору, інші – зеленого, треті – до фіолетового. Будь-який колір впливає на всі три кольорочутливі елементи, але різною мірою. Ці збудження підсумовуються зоровими нейронами і, дійшовши до кори, дають відчуття того чи іншого кольору.

Згідно з іншою теорією, запропонованою Е. Герінгом, у колбочках сітківки існують три гіпотетичні світлочутливі речовини: 1) біло-чорна, 2) червоно-зелена і 3) жовто-синя. Розпад цих речовин під впливом світла призводить до відчуття білого, червоного чи жовтого кольору. Інші світлові промені викликають синтез цих гіпотетичних речовин, унаслідок чого з'являється відчуття чорного, зеленого та синього кольору.

Найбільш вагомі підтвердження в електрофізіологічних дослідженнях отримала трикомпонентна теорія колірного зору. В експериментах на тваринах за допомогою мікроелектродів відводилися імпульси від одиночних гангліозних клітин сітківки при освітленні її різними монохроматичними променями. Виявилося, що електрична активність у більшості нейронів виникала при дії променів будь-якої довжини хвилі у видимій частині спектра. Такі елементи сітківки називають домінаторами. В інших же гангліозних клітинах (модуляторах) імпульси виникали лише при освітленні променями певної довжини хвилі. Виявлено 7 модульаторів, що оптимально реагують на світло з різною довжиною хвилі (від 400 до 600 нм.). Р. Граніт вважає, що три компоненти сприйняття кольору, що передбачалися Т. Юнгом і Г. Гельмгольцем, виходять в результаті усереднення кривих спектральної чутливості модуляторів, які можуть бути згруповані відповідно трьом основним частинам спектру: синьо-фіолетової, зеленої та помаранчевої.

При вимірі мікроспектрофотометром поглинання променів різної довжини хвилі одиночною колбочкою виявилося, що одні колбочки максимально поглинають червоно-жовтогарячі промені, інші - зелені, треті - сині промені. Таким чином, у сітківці виявлено три групи колб, кожна з яких сприймає промені, що відповідають одному з основних кольорів спектра.

Трикомпонентна теорія колірного зору пояснює ряд психофізіологічних феноменів, наприклад послідовні колірні образи, і деякі факти патології сприйняття кольору (сліпота по відношенню до окремих кольорів). В останні роки у сітківці та зорових центрах досліджено багато так званих опонентних нейронів. Вони відрізняються тим, що дія на око випромінювань у якійсь частині спектра їх збуджує, а в інших частинах спектра – гальмує. Вважають, що такі нейрони найефективніше кодують інформацію про колір

Колірна сліпота. Дальтонізм зустрічається у 8% чоловіків, виникнення його обумовлено генетичною відсутністю певних генів у визначальній підлозі непарної у чоловіків Х-хромосомі. З метою діагностики дальтонізму досліджуваному пропонують серію поліхроматичних таблиць або дають відібрати за кольором однакові предмети різних кольорів. Діагностика дальтонізму важлива за професійного відбору. Люди, які страждають на дальтонізм, не можуть бути водіями транспорту, оскільки вони не розрізняють кольори світлофорів.

Існують три різновиди часткової колірної сліпоти: протанопія, дейтеранопія та тританопія. Кожна з них характеризується відсутністю сприйняття одного із трьох основних кольорів. Люди, які страждають на протанопію («червоносліпі»), не сприймають червоного кольору, синьо-блакитні промені здаються їм безбарвними. Особи, які страждають на дейтеранопію («зеленосліпі»), не відрізняють зелені кольори від темно-червоних і блакитних. При тританопії - аномалії колірного зору, що рідко зустрічається, не сприймаються промені синього і фіолетового кольору.

Акомодація

Для ясного бачення предмета необхідно, щоб промені від точок потрапляли на поверхню сітківки, тобто. були тут сфокусовані. Коли людина дивиться на далекі предмети, їхнє зображення сфокусоване на сітківці, і їх видно ясно. При цьому близькі предмети видно неясно, їхнє зображення на сітківці розпливчасте, тому що промені від них збираються за сітківкою. Бачити одночасно однаково ясно предмети, віддалені від ока різну відстань, неможливо. У цьому легко переконатись: переводячи погляд із близького на далекі предмети, ви перестаєте його ясно бачити.

Пристосування ока до ясного бачення віддалених на різну відстань предметів називається акомодацією . При акомодації відбувається зміна кривизни кришталика і, отже, його заломлюючої здатності. При розгляді близьких предметів кришталик стає більш опуклим, завдяки чому промені, що розходяться від точки, що світиться, сходяться на сітківці. Механізм акомодації зводиться до скорочення війних м'язів, які змінюють опуклість кришталика. Кришталик укладено в тонку прозору капсулу, що переходить по краях у волокна цинової зв'язки, прикріпленої до війного тіла. Ці волокна завжди натягнуті та розтягують капсулу, що стискає та сплощує кришталик. У війному тілі знаходяться гладком'язові волокна. При їх скороченні тяга цинових зв'язок послаблюється, а значить зменшується тиск на кришталик, який унаслідок своєї еластичності набуває більш опуклої форми. Таким чином, вії м'язи є акомодаційними м'язами. Вони іннервуються парасимпатичними волокнами окорухового нерва. Введення в око атропіну викликає порушення передачі збудження до цього м'яза і, отже, обмежує акомодацію очей при розгляді близьких предметів. Навпаки, парасимпатоміметичні речовини – пілокарпін та езерин – викликають скорочення цього м'яза.

Стареча далекозорість.Кришталик з віком стає менш еластичним і при послабленні натягу цинових зв'язок його опуклість або не змінюється, або збільшується лише незначно. Тому найближча точка ясного бачення відсувається від очей. Цей стан називається старечою далекозорістю, чи пресбіопією.

Поперечний переріз поглинання молекули

Первинні фотохімічні перетворення це молекулярноквантові процеси. Щоб зрозуміти їх закономірності, розглянемо процес поглинання світла на молекулярному рівні. Для цього висловимо молярну концентрацію хромофора C через «штучну» концентрацію молекул (n = N/V - число молекул в одиниці об'єму):

Рис. 30.3.Геометрична інтерпретація поперечного перерізу поглинання

При цьому рівняння (28.4) набуває такого вигляду:

Відношення натурального молярного показника поглинання до постійної Авогадро має розмірність [м 2 ] поперечним перерізом поглинання молекули:

Поперечний переріз - це молекулярнахарактеристика процесу поглинання Його величина залежить від будови молекули, довжини світлової хвилі та має наступне геометричне тлумачення. Уявімо коло площі s, в центрі якого знаходиться молекула даного виду. Якщо траєкторія фотона, здатного викликати фотозбудження молекули, проходить через це коло, відбувається поглинання фотона (рис. 30.3).

Тепер ми можемо записати рівняння для зміни інтенсивності світла у вигляді, що враховує молекулярний характер поглинання:

Молекула поглинає лише один світловий квант. Для того, щоб врахувати фотоннийхарактер поглинання, введемо спеціальну величину - інтенсивність фотонного потоку(I ф).

Інтенсивність фотонного потоку- кількість фотонів, що падають за нормаллю на поверхню одиничної площі за одиницю часу:

Відповідним чином змінюється і число фотонів унаслідок їх поглинання:

Квантовий вихід фотохімічної реакції

Для того щоб зв'язати число поглинених фотонів з числом молекул, що вступили у фотохімічну реакцію, з'ясуємо, щовідбувається з молекулою після поглинання фотону. Така молекула може вступити у фотохімічну реакцію або, передавши отриману енергію сусіднім часткам, повернутись у збуджений стан. Перехід від збудження до фотохімічних перетворень - випадковий процес, що з певною ймовірністю.