Недостатки оптической системы глаза

Ухудшение зрения может быть обусловлено различными причинами. Рассмотрим случай, когда в основе патологических процессов лежит нарушение оптических свойств биологических линз глаза. Наиболее важное практическое значение при этом имеет ухудшение прозрачности оптических сред и изменение рефракции (преломляющей способности).

По мере старения организма, а также при воздействии различных физических и химических факторов в оптически прозрачных средах наблюдается снижение коллоидной стабильности и выпадение в осадок крупномолекулярный соединений. Сначала это приводит к помутнению биологических линз (хрусталика, стекловидного тела, роговицы), а впоследствии они полностью теряют способность пропускать свет. Типичный пример такого процесса – развитие катаракты хрусталика. За последние годы созданы полимерные материалы, из которых возможно изготовить искусственную линзу и заменить патологически измененный хрусталик.

На практике часто приходится иметь дело с нарушением рефракции оптических сред, когда на сетчатке получается размытое изображение. Типичным примером таких состояний являются: близорукость, дальнозоркость и астигматизм.

При близорукости изображение фокусируется перед сетчаткой. Для получения резкого изображения необходимо использовать рассеивающие линзы, уменьшающие оптическую силу глаза. Наоборот, при дальнозоркости изображение формируется за сетчаткой и, чтобы исправить этот недостаток, приходится применять собирающие линзы, усиливающие преломляющую способность глаза.

При астигматизме в различных плоскостях, проходящих через главную оптическую ось преломляющая способность неодинакова, и поэтому на сетчатке образуется нерезкое изображение. Этот недостаток значительно труднее исправить, чем простую близорукость или дальнозоркость. Для коррекции астигматизма приходится использовать очки с линзами, имеющими сложную пространственную структуру.

11.6. МЕХАНИЗМЫ ФОТОРЕЦЕПЦИИ

Человек и большинство животных воспринимают световое излучение в диапазоне длин волн от 400 до 760 нм. Из квантовой оптики известно, что электромагнитное излучение взаимодействует с веществом, если квант поглощается атомами или молекулами вещества. Если молекулы, обеспечивающие зрительное восприятие, поглощают фотоны в диапазоне 400-760 нм, они должны быть окрашены. Действительно, такие химические соединения, обнаруженные в сетчатке, получили название зрительных пигментов. Ультрафиолетовое излучение сильно поглощается оптическими средами глаза, а инфракрасное излучение не воспринимается сетчаткой (мала энергия квантов).

Сетчатка глаза представляет собой сложно организованное световоспринимающее поле, в котором располагаются два типа фоторецепторов – палочки и колбочки. У человека число колбочек и достигает 7·10⁶, а палочек – 130·10⁶. Фоторецепторы (рис. 11-10) распределены неравномерно: периферическая часть сетчатки практически полностью заполнена палочками, число колбочек на единицу площади возрастает по мере приближения к центру глаза.

Экспериментально установлено, что палочки обладают наибольшей чувствительностью к свету, и при низкой освещенности (в сумерках) зрительное ощущение возникает за счет раздражения именно палочек. Колбочки менее чувствительны к световому воздействию (для их раздражения требуется больший световой поток), но зато эти фоторецепторы, в отличие от палочек, способны различать цвета.

Способность глаза воспринимать оптическое излучение оценивается абсолютной и спектральной чувствительностью. Абсолютной чувствительностью называется минимальная энергия излучения, воздействующая на сетчатку в единицу времени и способная вызывать ощущение света.

Рис. 11-10. На рисунке обозначено А – внешний, В – внутренний сегмент фоторецептора, Я – ядро, М – митохондрии, Акс – аксон фоторецептора, С – синапс, Р – молекулы родопсина в зрительном диске Д. Справа приведено увеличенное изображение участка внешнего сегмента фоторецептора. Направление распространения света показано направленной вверх стрелкой.

Как показывают количественные измерения, эта величина составляет Е = 4·10^-19 Дж/с. Такую высокую чувствительность к воздействию оптического раздражителя обеспечивают палочки, которые наиболее хорошо поглощают свет на длине волны 500 нм. Из квантовых представлений можно определить количество фотонов n, которые должны попасть на сетчатку в одну секунду, чтобы вызвать ощущение света:

Е = nhC / l и n = E l / hC = (4·10^-19 ·5·10^-7): (6,62·10^-34 · 3 ·10⁸) @ 1.

Приведенный расчет показывает, что глаз обладает максимально возможной абсолютной чувствительностью: один фотон, поглощенный одной молекулой родопсина, вызывает возбуждение фоторецептора.

Однако эта характеристика определяет светочувствительность на одной длине волны. Глаз способен воспринимать излучение в некотором диапазоне длин волн и поэтому возникает необходимость оценить его спектральную чувствительность – зависимость светочувствительности от длины волны. Поглощение фотонов обеспечивается фоточувствительными зрительными пигментами, локализованными в палочках и колбочках. Относительная доля света, поглощенного палочками и колбочками заметно изменяется с длиной волны. Удобно отделять влияние длины волны от других факторов, влияющих на порог восприятия света. Чтобы сделать это, необходимо определить пороговые значения интенсивности света (минимальную мощность светового излучения, способного вызвать возбуждение сетчатки) при изменении только длины волны. Результаты измерений представляются с помощью нормирующего коэффициента в относительных единицах, при этом минимальное значение принимается за единицу. Величина обратная относительному порогу определяет относительную светочувствительность газа на различных длинах волн.

Как показывают оптические измерения, спектральная чувствительность глаза различна при высоких и низких интенсивностях света. Поэтому различают дневное (фотопическое) и сумеречное (скотопическое) зрение. На рисунке 11-11 приведены графики, характеризующие спектральную чувствительность глаза при высокой и низкой освещенности.

Рис. 11-11

Из этого рисунка следует, что низкой освещенности, когда функционируют только палочки, наибольшая светочувствительность наблюдается на длине волны 500 нм. При этом палочки не различают цвета и поэтому все окружающие предметы в сумерках кажутся окрашенными серовато-голубоватые тона ("ночью все кошки серы"). При дневном зрении максимум спектральной чувствительности лежит на длине волны 550 нм и здесь решающая роль принадлежит колбочкам.

В основе механизма световосприятия лежат фотохимические процессы – взаимодействие квантов оптического излучения с молекулами зрительных пигментов - окрашенных белков.

В палочках содержится зрительный пигмент – окрашенный в розовый цвет родопсин, который образован структурным белком - опсином и пигментной группой - хромофором, представляющим собой изомерную форму витамина А. Молекулы родопсина располагаются в зрительных дисках фоторецепторов, которые образованы (см. рис. 11-10) мембранными складками, расположенными перпендикулярно направлению распространения луча света. Оптическая плотность упаковки родопсина в зрительных дисках такова, что приблизительно 99% падающего света поглощается слоев вещества толщиной всего 40 мкм. При поглощении светового кванта наблюдается изменение пространственной структуры хромоформной группы (фотоизомеризация), и она отщепляется от структурного белка. Фотодеструкция сопровождается изменение цвета зрительного пигмента (выцветанием) и изменением проницаемости мембраны фоторецептора для электрогенных ионов. В плазматической мембране внешнего сегмента А фоторецептора (см. рис. 11-10) имеются каналы, по которым ионы Na⁺ переносятся внутрь. Эти каналы открыты в темноте. При стимуляции палочек светом каналы закрываются, и происходит выключение темнового тока, гиперполяризация палочек, мембранный потенциал которой изменяется от -30 мВ до -70 мВ. Отметим, что фоторецептор один из немногих примеров клеток, при стимуляции которых проницаемость мембраны для иона натрия снижается. Внешний сегмент палочек содержит 10³ зрительных дисков, в каждом из которых находится около 10⁶ молекул родопсина. Поглощение одного фотона, вызывающего фотоизомеризацию хромофорной группы, изменяет поток ионов на 1-2%, т.е. один фотон управляет 10⁶-10⁷ ионами. Это оказывается возможным в результате того, что одна измененная молекула родопсина с помощью каскадных химических превращений уменьшает концентрацию вещества в мембране, способствующего повышению ее проницаемости для ионов натрия. Если принять в качестве коэффициента усиления k принять отношение молекул расщепленных в мембране к 1 (количеству расщепленных молекул родопсина), то величина k оказывается равной 10⁵. Именно за счет такого высокого коэффициента усиления сопряжённых биофизических и биохимических процессов фоторецептор обладает абсолютно максимальной фоточувствительностью.

Как следует из описанного механизма, величина биопотенциала зависит от количества расщепленных в зрительных дисках молекул родопсина, и, следовательно, от количества падающих на сетчатку квантов. Рецепторный потенциал способствует возникновению электрических импульсов в окончаниях нервных волокон зрительного нерва. С помощью этих нервных импульсов информация об оптических свойствах изображения на сетчатке передается в центральный отдел зрительного анализатора.

Восприятие цветного зрения осуществляется с помощью колбочек. В соответствии с существующими теориями в этих фоторецепторах содержатся зрительные пигменты, поглощающие свет в различных участках оптического диапазона. Исследование спектров поглощения выявляют три максимума: на длинах волн 447 нм (сине-фиолетовый), 540 нм (зеленый) и 577 нм (желтый).

Дата добавления: 2014-01-15