Глаз представляет здесь в разрезе. Лучи света попадает в зрачок через роговицу-переднюю прозрачную часть наружной оболочки глаза. Роговица является сильной преломляющей линзой. Радужная оболочка регулирует количество проникающего в глаз света, что позволяет видеть кА при тусклом так, и при ярком свете. Хрусталик фокусирует на сетчатке свет от ближних и дальних предметов. Центральная ямка сетчатки – область наибольшей остроты зрения.
2. Строение глаза и мышечного аппарата
Природа создала глаз шарообразным. Он легко вращается вокруг трех осей: вертикальной (влево — вправо), горизонтальной (вверх — вниз) и оптической. Вокруг глаза расположены три пары глазодвигательных мышц. Мышцами управляют сигналы, поступающие из мозга.
Глазодвигательные мышцы, пожалуй, самые быстродействующие в организме человека. При осмотре, например, картины плаз совершает огромное количество микродвижений, причем одно Движение совершается всего за несколько сотых долей 1 с. Помимо этого, глаз непрерывно совершает небольшие, но очень быстрые колебания (до 120 в с). Они крайне важны при рассматривании мелких предметов. Как только пристальное рассматривание прекращается, исчезают и колебания. Приемник световых волн
Когда про глаз говорят, что это часть мозга, вынесенная на периферию, имеют в виду, прежде всего сетчатку. По существу, это самостоятельный анализатор, первый приемник всех его световых волн и импульсов. Именно в сетчатке глаза происходит переработка, трансформация световой энергии в электрический импульс, направляющийся в зрительные центры мозга.
Устройство сетчатки у разных живых существ неодинаково. У позвоночных, от рыб до обезьян, и у человека световоспринимающая поверхность глаза представляет собой исключительно сложное, как по структуре, так и по функциям, нервное образование. Толщина сетчатки весьма мала — 0,14 мм. Одним из самых важных ее участков является так называемое желтое пятно местонаилучшего зрения. В области желтого пятна сосредоточена основная часть колбочковых фоторецепторов, ответственных за цветовое зрение.
Весьма существенное значение имеет вопрос о месте расположения сетчатки по оси глаза. Дело в том, что любой зрительный образ может быть рассмотрен как совокупность точек. Каждая из них фиксируется на сетчатке именно в виде точки, причем благодаря некоторым оптическим явлениям (дифракции света, аберрации и др.) ее изображение оказывается несколько размытым. Как показали расчеты, сетчатка расположена как раз в том месте (примерно на расстоянии 0,4 мм впереди фокуса глаза), где все оптические дефекты имеют наименьшее значение. Благодаря этому и достигается наиболее четкое зрение.
В сетчатке позвоночных животных обычно различают 10 слоев нервных элементов, связанных между собою не только морфологически, но и функционально. Общее число воспринимающих свет рецепторов сетчатки — 130 млн., и всего 7 млн. из них — колбочковые рецепторы, участвующие в цветовом зрении. От каждой светочувствительной клетки — палочки или колбочки — отходит нервное волокно, соединяющее рецепторы с центральной нервной системой. При этом у каждой колбочки — отдельное волокно, тогда как у палочек одно волокно обслуживает целую их группу. Зрительные нервы перекрещиваются, причем у человека и высших обезьян перекрещивается лишь половина волокон каждого зрительного нерва. Мозговой, или центральный конец зрительного анализатора располагается в задней части затылочной доли коры мозга, где сходятся нервные волокна центра и периферии сетчатки.
Свет представляет собой поток особых частиц — фотонов (квантов). Фотоны поглощаются и отражаются веществами, из которых состоят окружающие нас предметы, и от числа фотонов зависит яркость воспринимаемого нами зрительного образа. Какое же число фотонов проникает через оптические среды глаза и достигает сетчатки? Специальные расчеты показали, что в сумерки или ночью (в условиях слабой освещенности) в сетчатку проникает очень малое число фотонов. В каждую светочувствительную клетку в среднем за 20 мин. попадает один фотон, а при дневном освещении — множество.
Возникает вопрос: сколько же их требуется, чтобы сетчатка пришла в возбужденное состояние, то есть каково минимальное число фотонов, необходимых для зрительного процесса? Этот вопрос детально исследовали академик С. И. Вавилов и его сотрудники. Они установили, что достаточно весьма небольшого числа фотонов, а в отдельных случаях хватает даже одного. Таким образом, чувствительность глаза к свету предельно высока.
«Этажи» зрения
Внутренняя поверхность сетчатки — это светочувствительная мозаика. Она состоит из более чем 130 млн. воспринимающих и перерабатывающих свет фоторецепторов — палочек и колбочек, плотно прилегающих друг к другу. Размеры их чрезвычайно малы (около 2 мкм в диаметре); это обеспечивает невиданную даже для современной микроэлектронной техники плотность «упаковки» нервных элементов. Так, в макулярной зоне сетчатки человека насчитывается 140 тыс. колбочек на 1 кв. мм.У орла плотность клеток еще больше, соответственно, выше и острота зрения.
Микроскоп дает нам возможность проникнуть внутрь фоторецептора. Удивительно! Фоторецептор напоминает небоскреб, причем колбочка имеет острый шпиль. Пусть воображаемый лифт пронесет нас снизу вверх по палочковому фоторецептору (его длина — 50 мкм). Мы будем пересекать многочисленные «этажи» из сложенных в правильную стопку зрительных мембран, которых в каждой клетке — несколько тысяч.
Давайте задержимся на одном из этажей и внимательно присмотримся к его удивительной архитектуре. Перед нами открывается ажурный «архитектурный ансамбль» из молекул жиров и светочувствительных белков, главным из которых является родопсин, или зрительный пурпур.
Каждый из 1 тыс. этажей палочки имеет свыше 1 тыс. мембран (в колбочке их около 750); этаж — «трехслойный пирог», в середине которого—двойной слой жиров (толщиной всего 80 ангстрем), а сверху и снизу—тончайшие слои родопсина (90% от всего количества белка, образующего мембрану); его молекулярные превращения под действием света «запускают» начальные этапы процесса зрения.
Оказавшись внутри колбочки, мы заметили бы, что здесь зрительные мембраны контактируют с наружной мембраной клетки, чего нет в палочке. Хотя пока и не найден ответ на вопрос о причинах различия внутренней структуры фоторецепторов двух типов, но очевидно, чтооно как-то связано с различием их функций: палочкам приходится работать ночью, когда фотоны попадают на сетчатку довольно редко, и светочувствительная клетка приходит в возбуждение даже при поглощении единичных фотонов; колбочка же, напротив, работает днем, при ярком солнечном свете, и ее буквально пронизывает обильный поток квантов света.
В последние годы английские и американские ученые использовали для изучения ультратонкого строения зрительных мембран рентгеноструктурный анализ. Он и результаты исследований с помощью электронного микроскопа позволили выявить даже распределение молекул родопсина в мембране: 90% всего их количества располагается перпендикулярно длинной оси палочек, 10% — параллельно. Такое их расположение обеспечивает максимальное поглощение света, а следовательно, и очень высокую чувствительность фоторецептора.
Для чего же фоторецепторам такое многоэтажное строение? Как известно, небоскребы возникли из-за дефицита площади, но что заставило природу создать мозаику из «небоскребов» внутри глаза? Чтобы попытаться ответить на этот далеко нелегкий вопрос, обратимся к молекулярным механизмам начальных этапов процесса зрения.
Основные светочувствительные элементы сетчатки — палочки и колбочки — состоят из внешних и внутренних сегментов. Внешние сегменты более узкие и вытянутые, диаметр палочки — 2 мкм, длина — 5 мкм, диаметр и длина колбочки несколько меньше. При попадании нескольких квантов света на сетчатку глаза она возбуждается, но только 7 из 10 попадающих на нее фотонов способны возбудить ее.
Учитывая, что возбудить мембрану способны не все молекулы родопсина, поглощающие фотоны, а лишь те из них, которые непосредственно прилегают к ней, английские ученые установили, что палочки фоторецептора способны реагировать на 1 фотон, поглощенный молекулой, лежащей непосредственно на мембране. Такая сверхчувствительность может быть объяснена только наличием усилительного или множительного механизма в самом фоторецепторе.
Химическая структура органов зрения животных и человека формировалась в процессе эволюции, а также под влиянием их образа жизни. При всех различиях зрительных систем у них есть и много общего, в частности — зрительные пигменты, которые поглощают свет и запускают сложнейший фотохимический механизм зрения. Пигменты для зрения играют ту же роль, что хлорофилл для фотосинтеза. Главными среди них являются родопсин — пигмент палочек сетчатки и йодопсин — пигмент колбочек. Родопсин и йодопсин состоят из хромофорнойгруппы и белка — опсина. Область максимального поглощения света у родопсина находится в зеленой части спектра (500 нм), у йодопси-на — в желто-зеленой (550 нм).
Соответственно в этих же участках спектра отмечается наиболее высокая чувствительность глаза днем, когда в основном работают колбочки, и ночью, когда функционируют палочки.
Под действием света в родопсине и йодопсине протекают сложные фотохимические процессы, в результате которых часть молекул зрительных пигментов распадается. Их восстановление происходит в темноте с участием витамина А, который доставляется к рецепторам по кровеносной системе глаза.
Между палочковым и колбочковым зрением имеется существенная разница. При помощи колбочек мы различаем цвета предметов, тогда как палочки ответственны за черно-белое зрение.