Кристофер смит восприятие света сетчаткой глаза. Восприятие цвета человеком

В статье приводятся данные о функционировании зрительного цикла у высших животных и человека. Рассмотрен фотоцикл хромофорного ретинальсодержащего трансмембранного рецепторного белка родопсина, ответственного за функции восприятия света при поглощении его молекулой кванта света и последующих биохимических реакций, связанных с закрытием катионных (Na + /Са 2+) каналов и гиперполяризации мембраны. Показан механизм взаимодействия родопсина с рецепторным G-белком трансдуцином, являющийся ключевым биохимическим этапом в зрительном процессе, заключающимся в активации трансдуцина при его взаимодействии с активированным родопсином и обмене в связанном состоянии ГТФ на ГДФ. Затем комплекс диссоциирует и активирует фосфодиэстеразу путем замещения ее ингибиторной субъединицы. Также рассмотрен механизм восприятия цвета зрительным аппаратом, обладающим способностью анализировать определенные диапазоны оптического спектра, как цвета. Смешение зеленого и красного цвета не производит никакого среднего цвета: мозг воспринимает его, как желтый цвет. При излучении электромагнитных волн, соответствующих зеленому и красному цвету, мозг воспринимает «среднее решение» – желтый цвет.

ВВЕДЕНИЕ

Зрение (зрительное восприятие) - процесс психофизиологической обработки изображения объектов окружающего мира, осуществляемое зрительной системой, и позволяющий получать представление о величине, форме и цвете окружающих предметов, их взаимном расположении и расстоянии между ними. Посредством зрения человек получает 90 % всей поступающей в мозг информации. Не случайно так огромна роль зрения в жизнедеятельности человека. С помощью зрения человек получат не только огромное количество информации об окружающем внешнем мире, а также может наслаждаться красотами природы и великими произведениями искусства. Источником зрительного восприятия является свет, излучаемый или отражаемый от предметов внешнего мира.

Функция зрения осуществляется благодаря сложной системе различных взаимосвязанных структур - зрительного анализатора, состоящего из периферического отдела (сетчатка, зрительный нерв, зрительный тракт) и центрального отдела, объединяющего подкорковые и стволовые центры среднего мозга, а также зрительную область коры полушарий большого мозга. Человеческий глаз воспринимает световые волны лишь определенной длины - от 380 до 770 нм . Световые лучи от рассматриваемых предметов проходят через оптическую систему глаза (роговицу, хрусталик и стекловидное тело) и попадают на сетчатку, в которой расположены светочувствительные клетки - фоторецепторы (колбочки и палочки). Свет, попадая на фоторецепторы, вызывает каскад биохимических реакций содержащихся в них зрительных пигментов (в частности, наиболее изученного из них родопсина, ответственного за восприятие электромагнитного излучения видимого диапазона), и в свою очередь, - возникновение нервных импульсов, которые передаются в следующие нейроны сетчатки и далее в зрительный нерв. По зрительным нервам, затем по зрительным трактам нервные импульсы поступают в латеральные коленчатые тела - подкорковый центр зрения, а оттуда в корковый центр зрения, расположенный в затылочных долях головного мозга, где происходит формирование зрительного образа.

За последнее десятилетие российскими и зарубежными учеными были получены новые данные, раскрывающие молекулярные основы зрительного восприятия. Идентифицированы зрительные молекулы, принимающие участие в реакции на свет и раскрыт механизм их действия. В данной статье рассмотрены основные биохимические механизмы, связанные со зрительным восприятием и эволюцией зрительных молекул.

Молекулярные основы зрения.

Процесс восприятия света имеет определенную локализацию в фоторецепторных клетках сетчатки глаза, чувствительных к свету. Сетчатка по своему строению представляет собой многослойный слой нервной ткани, чувствительной к свету, который выстилает внутреннюю заднюю часть глазного яблока. Сетчатка расположена на пигментированной мембране, обозначаемой как пигментированный эпителий сетчатки (ПЭС), который поглощает свет, проходящий сквозь сетчатку. Это предотвращает обратное отображение света сквозь сетчатку и новое реагирование, что не разрешает зрению расплываться.

Свет проникает сквозь глаз и создает сложную биохимическую реакцию в клетках фоторецепторов сетчатки, чувствительных к свету . Фоторецепторные клетки подразделяются на два типа, которые за их характерную форму называют палочками и колбочками (рис. 1). Палочки расположены в окрашенном слое сетчатки глаза, в котором синтезируется ответственный за цветовое восприятие фотохромный белок родопсин, и являются рецепторами света низкой интенсивности. Колбочки выделяют группу зрительных пигментов (йодопсин), и приспособлены различать цвета. Палочки позволяют видеть черно-белые изображения при тусклом свете; колбочки осуществляют цветовое зрение при ярком свете. Сетчатка человека содержит около 3 млн. колбочек и 100 млн. палочек. Размеры их очень невелики: длина около 50 мкм, диаметр - от 1 до 4 мкм.

Электрические сигналы, генерируемые колбочками и палочками, обрабатываются другими клетками сетчатки – биполярнымм и ганглиозными клетками, прежде чем они передаются в мозг по зрительному нерву. Дополнительно существуют ещё два слоя промежуточных нейронов. Горизонтальные клетки передают сообщения туда и обратно между клетками фоторецепторов, биполярным клеткам и друг другу. Аамакринные клетки (клетки сетчатки) взаимосвязаны с биполярными клетками, ганглиозными клетками, а также друг с другом. Оба вида таких промежуточных нейронов играют главную роль в обработке визуальной информации на уровне сетчатки перед тем, как она передаются в мозг для конечной обработки.

Колбочки приблизительно в 100 раз менее чувствительны к свету, чем палочки, но гораздо лучше воспринимают быстрые движения. Палочка может быть возбуждена одним фотоном - наименьшим возможным количеством света. Каскад молекулярных взаимодействий усиливает этот «квант» информации в химический сигнал, который затем воспринимается нервной системой. Степень усиления сигнала изменяется в зависимости от фонового освещения: палочки более чувствительнее при тусклом свете, чем при ярком. В результате они эффективно функционируют в широком диапазоне фонового освещения. Сенсорная система палочек упакована в хорошо различимые клеточные субструктуры, которые можно легко выделять и исследовать in vitro .

Колбочки и палочки сходны по строению и состоят из четырех участков. В их строении принято различать:

наружный сегмент, содержащий мембранные полудиски;

внутренний сегмент, содержащий митохондрии;

связующий отдел – перетяжка;

синаптическую область.

По строению палочка представляет собой длинную тонкую клетку, разграниченную на две части. Наружный сегмент клетки содержит большую часть молекулярного механизма, детектирующего свет и инициирующего нервный импульс. Внутренний сегмент ответствен за генерацию энергии и обновление молекул в наружном сегменте. Помимо этого, внутренний сегмент формирует синаптическое окончание, которое служит для связи с другими клетками. Если изолированную сетчатку слегка потрясти, наружные сегменты палочек отпадают и весь аппарат возбуждения можно исследовать in vitro в высокоочищенном виде. Это свойство палочек делает их незаменимым объектом исследования для биохимиков.

Наружный сегмент палочки представляет собой узкую трубку, заполненную стопкой тонких мембранных дисков; образованными цитоплазматической мембраной и отделившимися от нее. В одной клетке их примерно 2 тысячи. И трубка, и диски образованы двухслойной цитоплазматической мембраной одного и того же типа. Но наружная (плазматическая) мембрана палочки и мембрана дисков имеют различные функции в фоторецепции света и генерации нервного импульса. Диски содержат большинство белковых молекул, участвующих в поглощении света и инициации возбуждающего ответа. Наружная мембрана служит для преобразования химического сигнала в электрический.

Связь между двумя сегментами осуществляется через цитоплазму и пару ресничек, переходящих из одного сегмента в другой. Реснички содержат только 9 периферических дублетов микротрубочек: пара центральных микротрубочек, характерных для ресничек, отсутствует. Внутренний сегмент палочек - это область активного метаболизма; она заполнена митохондриями, доставляющими энергию для процессов зрения, и полирибосомами, на которых синтезируются белки, участвующие в образовании мембранных дисков и зрительного пигмента родопсина.

РОДОПСИН И ЕГО СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

К числу наиболее важных интегральных молекул трансмембранных рецепторных G белков, связанных с мембраной дисков, относится родопсин . Он представляет собой фоторецепторный хромофорный белок палочек, который поглощает фотон и создает ответ, составляющий первую стадию в цепи событий, обеспечивающих зрение. Родопсин состоит из двух компонентов - бесцветного белка опсина, функционирующим как фермент и ковалентно связанного хромофорного компонента – производного витамина А, 11-цис -ретиналя, акцептирующего свет (рис. 2). Поглощение фотона света 11-цис -ретиналем «включает» ферментативную активность опсина и приводит в действие биохимический каскад фоточувствительных реакций, ответственных за зрительное восприятие.

Родопсин принадлежит к семейству G-рецепторов (GPCR-рецепторов), ответственных за механизм трансмембранной передачи сигнала, основанный на взаимодействии с внутриклеточными мембранными G-белками – сигнальными G-белками, являющимися универсальными посредниками при передаче гормональных сигналов от рецепторов клеточной мембраны к эффекторным белкам, вызывающим конечный клеточный ответ. Установление его пространственной структуры является важным в биологии и медицине, так как родопсин как «родоначальник» семейства GPCR-рецепторов является «моделью» структуры и функций множества других рецепторов, чрезвычайно важных с научно-фундаментальной и практической (фармакологической) точек зрения.

Пространственная структура родопсина долго не поддавалась изучению «прямыми» методами – рентгеноструктурным анализом и спектроскопией ЯМР, в то время как молекулярная структура другого родственного родопсину трансмембранного белка бактериородопсина с аналогичной структурой, выполняющего функции АТФ-зависимой транслоказы в мембранах клеток галофильных микроорганизмов, перекачивающему протоны через цитоплазматическую мембрану клетки и участвующему в анаэробном фотосинтетическом фосфорилировании (бесхлорофилльном синтезе), была определена еще в 1990-м году. Структура зрительного родопсина оставалась неизвестной вплоть до 2003 года .

По своему строению молекула опсина представляет собой полипептидную цепь из 348 остатков аминокислот. Аминокислотная последовательность опсина была определена российскими учеными в лаборатории Ю.А. Овчинникова в Институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина в Москве . В этих исследованиях получена важная информация о трехмерной структуре этого важного белка, пронизывающего мембрану диска. Полипептидная цепь опсина образует семь трансмембранных участков α-спирали, расположенные поперек мембраны и соединенные между собой короткими неспиральными участками. При этом N -конец находится во внеклеточной области, а C -конец α-спирали - в цитоплазматической. С одной из α-спиралей связана молекула 11-цис -ретиналя, расположенная вблизи от середины мембраны так, что ее длинная ось параллельна поверхности мембраны (рис. 3). Также было установлено место локализации 11-цис -ретиналя, связанного альдиминной связью с ε-аминогруппой остатка Lys-296, расположенного в седьмой α-спирали. Таким образом, 11-цис -ретиналь вмонтирован в центр сложного, высокоорганизованного белкового окружения в составе клеточной мембраны палочек. Это окружение обеспечивает фотохимическую «подстройку» ретиналя, влияя на спектр его поглощения. Сам по себе свободный 11-цис -ретиналь в растворенном виде имеет максимум поглощения в ультрафиолетовой области спектра - при длине волны 380 нм, в то время как родопсин поглощает зеленый свет при 500 нм . Этот сдвиг в световых длинах волн важен с функциональной точки зрения: благодаря ему спектр поглощения родопсина приводится в соответствие со спектром света, попадающего в глаз.

Спектр поглощения родопсина определяется как свойствами хромофора – остатка 11-цис -ретиналя, так и опсина. Этот спектр у позвоночных имеет два максимума - один в ультрафиолетовой области (278 нм), обусловленный опсином, и другой - в видимой области (около 500 нм) - поглощение хромофора (рис. 4). Превращение при действии света зрительного пигмента до конечного стабильного продукта состоит из ряда очень быстрых промежуточных стадий. Исследуя спектры поглощения промежуточных продуктов в экстрактах родопсина при низких температурах, при которых эти продукты стабильны, удалось подробно описать весь фотопроцесс обесцвечивания зрительного пигмента .

При поглощении молекулой 11-цис -ретиналя фотона света его молекула изомеризуется в 11-all -транс -ретиналь (квантовый выход 0,67), а сам родопсин обесцвечивается (фотолиз). При этом происходит вращение вокруг связи между 11-м и 12-м атомами углерода молекулы 11-цис -ретиналя, в результате чего изменяется геометрия молекулы и образуется изомерная форма - all -транс -ретиналь без изгиба, а спустя 10 мс происходит аллостерический переход родопсина в его активную форму (рис. 5). Энергия поглощенного фотона света распрямляет изгиб цепи между 11-м и 12-м атомами углерода. В этой форме 11-цис- ретиналь существует в темноте. У позвоночных фотолиз родопсина заканчивается отрывом хромофора от опсина; у беспозвоночных хромофор остается связанным с белком на всех стадиях фотолиза. У позвоночных родопсин регенерируется обычно в результате взаимодействия опсина с 11-цис -ретиналем, у беспозвоночных - при поглощении второго фотона света.

Молекула родопсина, встроенная в мембрану палочек, очень чувствительна к световому воздействию (рис. 6). Установлено, что поглощение фотона света молекулой в половине случаев вызывает изомеризацию 11-цис -ретиналя . Спонтанная изомеризация молекулы ретиналя в темноте происходит очень редко - приблизительно раз в 1000 лет. Такое различие имеет важное следствие для зрения. Когда один фотон попадает на сетчатку глаза, поглотившая его молекула родопсина реагирует с ним с высокой эффективностью, в то время как миллионы других молекул родопсина в сетчатке глаза остаются “молчащими”.

Последующие циклы фотохимического превращения родопсина и его активации приводят к возбуждению зрительного нерва за счет изменения ионного транспорта в фоторецепторе. Впоследствии родопсин восстанавливается (регенерирует) в результате синтеза 11-цис -ретиналя и опсина или в процессе синтеза новых дисков наружного слоя сетчатки.

ЗРИТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ РОДОПСИНА

В настоящее время достигнут определенный прогресс в понимании того, что происходит на последнем этапе каскада возбуждения - на наружной мембране палочек. Цитоплазматическая мембрана клетки избирательно проницаема для электрически заряженных ионов (Na + , Ca 2+), вследствие чего образуется разность электрических потенциалов между внутренней и наружной стороной клеточной мембраны. В состоянии покоя внутренняя часть мембраны клетки несет отрицательный заряд около 40 мВ по отношению к наружной. В 1970 годах учеными было показано, что после освещения клетки светом, разность потенциалов на мембране палочки увеличивается . Это увеличение зависит от интенсивности стимула и фонового освещения; максимальная разность потенциалов при этом составляет - 80 мВ.

Увеличение разности потенциалов - гиперполяризация происходит вследствие уменьшения проницаемости мембраны для катионов натрия Na + , несущих положительный заряд. После того как была установлена природа гиперполяризации, было установлено, что поглощение одного фотона приводит к тому, что в плазматической мембране палочки закрываются сотни натриевых каналов, блокируя вход миллионов ионов натрия Na + внутрь клетки . Возникнув под действием светового облучения, гиперполяризация затем распространяется по наружной мембране палочки на другой конец клетки к синаптическому окончанию, где возникает нервный импульс, передающийся в мозг.

Эти фундаментальные исследования позволили дать представление о том, что происходит в начале и в конце фотохимического каскада зрительного восприятия света, но оставили нерешенным вопрос: а что же происходит посередине? Каким образом изомеризация молекулы ретиналя в мембране диска палочек приводит к закрыванию натриевых каналов в наружной клеточной мембране? Как известно, в палочках плазматическая мембрана не соприкасается с мембраной дисков. Это означает, что передача сигнала от дисков к наружной мембране должна осуществляться с помощью внутриклеточного посредника-медиатора возбуждающего сигнала. Поскольку один фотон может вызывать закрытие сотен натриевых каналов, каждый акт поглощения фотона должен сопровождаться образованием множества молекул посредника.

В 1973 г. было выдвинуто предположение, что в темноте в дисках накапливаются ионы кальция Ca + , а при освещении они высвобождаются и, достигая путем диффузии плазматической мембраны, закрывают натриевые каналы. Эта привлекательная гипотеза вызвала большой интерес и породила множество экспериментов. Однако последующие эксперименты показали, что, хотя ионы кальция Ca + и играют большую роль в зрении, они не являются возбуждающим медиатором. Роль медиатора, как выяснилось, играет 3", 5"-циклический гуанозинмонофосфат (cGMP) (рис. 7).

Способность сGMP функционировать в качестве медиатора определяется его химической структурой. cGMP - это нуклеотид класса гуаниловых нуклеотидов, представленных в РНК. Как и другие нуклеотиды, он состоит из двух компонентов: азотистого основания - гуанина, и остатка пятиуглеродного сахара рибозы, атомы углерода в котором в положениях 3" и 5", соединены посредством фосфатной группы. Фосфодиэфирная связь замыкает молекулу сGMP в кольцо. Когда это кольцо целое, cGMP способен поддерживать натриевые каналы мембраны в открытом состоянии, а когда фосфодиэфирная связь расщепляется ферментом фосфодиэстеразой, натриевые каналы спонтанно закрываются, в результате чего электрические свойства мембраны изменяются и возникает нервный импульс (рис. 8).

Между возбуждением родопсина и ферментативным расщеплением cGMP лежит несколько промежуточных стадий. Когда молекула 11-цис -ретиналя поглощает фотон и активируетcя опсин, родопсин в свою очередь активирует фермент, называемый трансдуцином . Взаимодействие активированной формы родопсина с G-белком трансдуцином является ключевой биохимическим стадией в зрительном процессе. Трансдуцин является ключевым интермедиатом в каскаде возбуждения. Этот рецепторный G-белок активирует специфическую фосфодиэстеразу, которая раскрывает кольцо cGMP, присоединяя к нему молекулу воды, осуществляя гидролиз cGMP. Хотя схему этого процесса описать несложно, но выяснение и понимание его физиологической роли потребовали множества различных экспериментов.

Впоследствии было обнаружено, что на свету концентрация cGMP в наружных сегментах палочек уменьшается . Последующие эксперименты показали, что это уменьшение является следствием гидролиза cGMP под действием фосфодиэстеразы, специфичной к данному нуклеотиду. В то время кальциевая гипотеза была еще очень популярна, но уже не вызывало сомнений и то, что cGMP обладает значительным прямым влиянием на возбуждающий ответ.

На конференции, проходившей в 1978 г., П. Либман из Пенсильванского университета сообщил, что в суспензии наружных сегментов палочек один фотон может инициировать активацию сотен молекул фосфодиэстеразы в секунду. В более ранних работах в присутствии другого нуклеотида - аденозинтрифосфата (АТP) наблюдалось гораздо меньшее усиление, чем в присутствии гуанозинтрифосфата (GTP).

Гуанозинтрифосфат (GTP) имеет такую же структуру, как нециклическая форма GMP, но в GMP с 5" -углеродным атомом связана не одна фосфатная группа, а цепочка из трех фосфатов, соединенных друг с другом фосфодиэфирными связями. Энергия, запасенная в этих связях, используется во многих клеточных функциях. Например, при отщеплении от GTP одной фосфатной группы (при этом образуется гуанозиндифосфат, GDP) выделяется значительное количество энергии. Таким путем клетка получает энергию, позволяющую осуществлять химические реакции, которые в ином случае энергетически невыгодны. Также важно то, что этот процесс имеет место при активации фосфодиэстеразы, где GTP служит необходимым кофактором.

В 1994 г. удалось инъецировать cGMP в наружный сегмент интактной палочки, и результаты этого оказались впечатляющими . Как только циклический гуанозинмонофосфат попадал внутрь клетки, быстро уменьшалась разность потенциалов на плазматической мембране и резко увеличивалась задержка между подачей светового импульса и гиперполяризацией мембраны. Это объясняется тем, что cGMP открывает натриевые каналы и они остаются открытыми до тех пор, пока cGMP не распадется под действием активированной светом фосфодиэстеразы на GMP. Эта гипотеза казалась весьма привлекательной, но прямых ее доказательств не было.

Существенное значение в механизме передачи светового сигнала имеет тот факт, что для активации фосфодиэстеразы необходим GTP. Это позволило предположить, что важным интермедиатом активации может быть какой-то белок, связывающий GTP. Нужно было тщательно исследовать, что происходит с GTP в палочках. Целью первых экспериментов было обнаружить связывание GTP и его производных в наружных сегментах палочек. Меченный радиоактивным изотопом углерода 14 С GTP инкубировали с палочками и фрагментами их наружных сегментов. После нескольких часов препарат промывали на фильтре, задерживающем фрагменты мембран и крупные молекулы, такие, как белки, и пропускающем мелкие молекулы, в том числе GTP и метаболически близкие ему соединения. Оказалось, что значительная часть радиоактивности остается связанной с мембранной фракцией. В дальнейшем выяснилось, что в мембране остается не GTP, a GDP.

Эти опыты показали, что в мембранах палочек содержится белок, способный связывать GTP и отщеплять от него одну фосфатную группу с образованием GDP. Казалось все более очевидным, что такой белок - ключевой интермедиат и что превращение GTP в GDP может приводить в действие процесс активации.

Одним из поразительных фактов было то, что мембраны палочек не только связывают гуаниловые нуклеотиды, но при освещении из них высвобождается GDP причем этот процесс значительно усиливается в присутствии GTP в растворе. Сформировалась гипотеза, объясняющая эти явления. По-видимому, какой-то этап процесса активации включает обмен GTP на GDP в мембране. Поэтому высвобождение GDP так сильно и увеличивается при добавлении GTP: GTP должен замещаться GDP. В дальнейшем GTP превращается в GDP.

Установлено, что обмен GTP на GDP имеет отношение к центральному событию процесса активации. Исследовалось действие света на поглощение GDP мембранами палочек и обнаружилось, что фотовозбуждение одной молекулы родопсина приводит к связыванию около 500 молекул GTP. Открытие этого усиления стало важным этапом на пути к объяснению усиления, присущего каскаду возбуждения.

Этот фундаментальный результат привел к важному выводу, что в каскаде возбуждения участвует белковый интермедиат, существующий в двух состояниях. В одном состоянии он связывает GDP, в другом - GTP. Обмен GDP на GTP, служащий сигналом к активации белка, инициируется молекулой родопсина и в свою очередь активирует специфическую фосфодиэстеразу. Фосфодиэстераза расщепляет циклический GMP, вследствие чего закрываются натриевые каналы в плазматической мембране. Вскоре этот белок был выделен. Он получил название трансдуцин, так как опосредует трансдукцию - преобразование света в электрический сигнал. Было установлено, что трансдуцин состоит из трех белковых субъединиц –альфа (α), бета (β) , и гамма (γ).

Сигнал передается от активированного родопсина к трансдуцину и от его GTP-формы к фосфодиэстеразе. Если такая картина верна, следует ожидать, во первых, что трансдуцин может переходить в GTP-форму в отсутствие фосфодиэстеразы, и, во-вторых, что фосфодиэстераза способна активироваться от возбужденного светом родопсина. Для проверки этого предположения использовалась синтетическая мембранная система, не содержащая фосфодиэстеразы. На искусственную мембрану наносили очищенный трансдуцин в GDP-форме, а затем добавляли активированный родопсин. В этих опытах было установлено, что каждая молекула родопсина катализирует захват мембраной 71 молекул аналога GTP. Значит, активируя трансдуцин, каждая молекула родопсина катализирует обмен GDP на GTP во множестве молекул трансдуцина. Таким образом удалось обнаружить усилительный эффект родопсина, для проявления которого, была выделена очищенная активная форма трансдуцина - в виде его комплекса с GTP. Здесь исследователей ожидал сюрприз. В неактивной GDP-форме молекула трансдуцина целая - все три ее субъединицы находятся вместе. Оказалось, что при переходе в GTP-форму трансдуцин диссоциирует: α-субъединица отделяется от β- и γ-субъединицы белка, а GTP связывается со свободной α -субъединицей.

Необходимо было выяснить, какая субъединица трансдуцина - α- (с присоединенным GTP) или β-, γ-субъединица активирует фосфодиэстеразу. Было установлено, что фосфодиэстеразу активирует α-субъединица в комплексе с GTP; остающиеся вместе β- и γ-субъединицы не влияют на работу фермента. Более того, α-субъединица вызывала активацию трансдуцина и без родопсина; это объясняло предположение о том, что трансдуцин может активировать фосфодиэстеразу без присутствия родопсина.

Механизм активации специфической фосфодиэстеразы трансдуцином в настоящее время детально изучен. В темноте фосфодиэстераза мало активна, поскольку находится в инактивированном состоянии. Добавление небольшого количества трипсина - фермента, расщепляющего белки активирует фосфодиэстеразу. Молекула фосфодиэстеразы состоит из трех полипептидных цепей; как и у трансдуцина, они обозначаются соответственно α-, β- и γ- субъединицы. Т рипсин разрушает γ- субъединицу, но не α- и β -субъединицу. Таким образом, выяснилось, что ингибитором фосфодиэстеразы служит γ-субъединица.

Позже удалось выделить γ-субъединицу в чистом виде, добавили ее к активному комплексу α, β-субъединиц и обнаружилось, что γ-субъединица подавляет каталитическую активность трансдуцина более чем на 99% . Кроме того, скорость разрушения γ- субъединицы трипсином хорошо соответствует скорости активации фосфодиэстеразы в каскаде возбуждения. Трансдуцин в GTP-форме может связываться с γ- субъединицей фосфодиэстеразы, образуя комплекс.

Все эти данные складываются в следующую картину. После воздействия света α-субъединица трансдуцина с присоединенным GTP связывается с фосфодиэстеразой и ингибируюшая ее γ-субъединица отделяется. В результате этого трансдуцин активируется и проявляется каталитическая активность фосфодиэстеразы. Эта активность велика: каждая активированная молекула фермента может осуществить гидролиз 4200 молекул циклического гуанозинмонофосфата за 1 секунду. Итак, стала ясной большая часть биохимических реакций зрительного цикла (рис. 9). Начальный этап каскада возбуждения - поглощение фотона родопсином. Затем активированный родопсин взаимодействует с трансдуцином, что приводит к обмену GDP на GТР, происходящему на α-субъединице трансдуцина. В результате α-субъединица отделяется от остальной части фермента, активируя фосфодиэстеразу. Последняя расщепляет множество молекул сGМР. Этот процесс длится всего около миллисекунды. Через некоторое время «встроенный таймер» α-субъединицы трансдуцина расщепляет GTP с образованием GDP и α-субъединица воссоединяется с β- и γ-субъединицами. Фосфодиэстераза также восстанавливается. Родопсин инактивируется и затем переходит в форму, готовую к активации.

В результате действия одной молекулы родопсина образуется несколько сотен активных комплексов α- субъединицы трансдуцина GTP, что является первой ступенью усиления. Затем α-субъединица трансдуцина, несущая GTP, активирует фосфодиэстеразу. На этой стадии усиления нет; каждая молекула α-субъединицы трансдуцина связывает и активирует одну молекулу фосфодиэстеразы. Следующую стадию усиления обеспечивает пара трансдуцин-фосфодиэстераза, действующая как одно целое. α-субъединица трансдуцина остается связанной с фосфодиэстеразой до тех пор, пока та не расщепит 3"-5"-связь в циклическом гуанозинмонофосфате. Каждая активированная молекула фермента может осуществить превращение нескольких тысяч молекул GMP. Это усиление, обеспечиваемое родопсином, лежит в основе замечательного по своей эффективности преобразования, благодаря которому один единственный фотон вызывает интенсивный нервный импульс.

Однако организм способен воспринимать свет многократно, значит, этот цикл должен и выключаться. Оказывается трансдуцин играет ключевую роль не только в активации, но и в деактивации. Его α-субъединица имеет встроенный механизм - “таймер”, который прерывает активированное состояние, превращая связанный GTP в GDP. Механизм действия этого “таймера” не совсем ясен. Известно, что гидролиз GTP с образованием GDP в фазе деактивации играет важную роль в осуществлении всего цикла. Реакции, ведущие к активации, энергетически выгодны. Напротив, некоторые реакции деактивации невыгодны; без превращения GTP в GDP система не может быть приведена в исходное состояние для новой активации.

Когда GTP расщепляется и образуется GDP, α-субъединица трансдуцина освобождает ингибирующую γ-субъединицу фосфодиэстеразы. Затем γ-субъединица опять связывается с фосфодиэстеразой, возвращая ее в состояние покоя. Трансдуцин восстанавливает свою доактивационную форму благодаря воссоединению субъединиц α и β, γ. Родопсин деактивируется с помощью фермента - киназы, распознающей его специфическую структуру. Этот фермент присоединяет фосфатные группы к нескольким аминокислотам на одном конце полипептидной цепи опсина. Родопсин затем образует комплекс с белком арестином, который блокирует связывание трансдуцина и возврашает систему назад в темновое состояние.

Исследования зрительного каскада в середине 1980-х начале 1990-х гг. опирались в значительной мере на предположение о том, что циклический гуанозинмонофосфат открывает натриевые каналы в наружной мембране палочки и что его гидролиз приводит к их закрыванию. Однако о механизмах этих процессов было известно немного. Действует ли cGMP на каналы прямо или же через какие-то промежуточные стадии? Определенный ответ на этот вопрос был получен в 1985 г. российским ученым Е.Е. Фесенко из Института биологической физики в Москве. В экспериментах использовалась микропипетка, в которую затягивался маленький участок плазматической мембраны палочки. Он плотно прилипал к кончику пипетки и та сторона, которая в норме была обращена внутрь клетки, оказывалась наружной. Эту сторону мембраны омывали различными растворами и определяли их влияние на натриевую проводимость. Результаты были получены совершенно однозначные: натриевые каналы открываются непосредственно cGMP; другие вещества, включая ионы кальция Ca + , на них не влияют.

Блестящие эксперименты российских учёных опровергли представления об ионах кальция Ca + как о медиаторе возбуждения и установили последнее звено в каскаде возбуждения. Стал понятен и общий контур цепи возбуждения. Как и предполагалось, поток информации направлен от родопсина к трансдуцину, затем к фосфодиэстеразе и, наконец, к cGMP.

Хотя изучение путей и механизмов каскада возбуждения добилось больших успехов, ряд важных вопросов все еще остается без ответа. В частности, не ясно, каким образом регулируется усилительный ответ каскада. Палочки значительно менее чувствительны на ярком свету, чем в темноте. Фоновое освещение должно как-то влиять на общий результат действия системы, т. е. на суммарное усиление, создаваемое на двух стадиях - при передаче сигнала от родопсина к трансдуцину и от фосфодиэстеразы к cGMP. Многое свидетельствует об участии ионов кальция в этом процессе, однако детали этого механизма полностью не изучены. В связи с этим важно было также установить структуру натриевых каналов и механизмы, предотвращающие истощение циклического гуанозинмонофосфата в клетке. Большой вклад в изучение этого внесли группы Б. Кауппа из института нейробиологии при Оснабрюкском университете (ФРГ) и Либмана: они выделили управляемые cGMP каналы и реконструировали их функцию на модельных мембранах. Ключевой элемент - гуанилатциклаза - фермент, синтезирующий cGMP. В клетке существует регуляция концентрации сGMP по типу обратной связи, которая обеспечивает после ответа на световой стимул восстановление концентрации cGMP до исходного уровня. Не будь этого, клетка имела бы возможность сработать лишь несколько раз и тем надолго исчерпала бы способность к ответу.

Результаты последних исследований каскада зрительных реакций в палочках, имеют отношение и к другим типам клеток. Система преобразования светового сигнала в других фоторецепторных клетках - колбочках - сходна с таковой палочек. Известно, что в колбочках содержатся три аналогичных родопсину зрительных пигмента, отвечающих на свет определенной длины волны - красный, зеленый либо синий. В состав всех трех пигментов входит 11-цис -ретиналь. С применением методов молекулярной генетики было установлено, что структура у колбочковых пигментов такая же, как у родопсина. Трансдуцин, фосфодиэстераза и каналы, контролируемые cGMP, в колбочках и в палочках очень похожи.

ЭВОЛЮЦИЯ G-БЕЛКОВ

Значение каскада с участием циклического гуанозинмонофосфата не ограничивается зрением. Каскад возбуждения в палочках имеет заметное сходство с механизмом действия некоторых гормонов. Например, действие адреналина начинается с того, что он активирует фермент, называемый аденилатциклазой. Аденилатциклаза катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (сАМР), который служит внутриклеточным посредником для многих гормонов. Обнаружилось поразительное сходство этой реакции с функционированием каскада возбуждения в палочках. Подобно тому как каскад возбуждения начинается с поглоще­ния фотона родопсином, гормональный каскад начинается со связывания гормона специфическим белковым рецептором, расположенным на поверхности клетки. Комплекс рецептор-гормон взаимодействует с так называемым G-белком, напоминающим трансдуцин. Такой же обмен связанных молекул, какой активирует трансдуцин (GTP на GDP), активирует и G-белок, когда он взаимодействует с комплексом рецептор-гормон. G-белок, как и трансдуцин, состоит из трех субъединиц. Аденилатциклаза активируется его α-субъединицей, снимающей ингибирующее влияние. Стимулирующее действие G-белка тоже прекращается благодаря встроенному “таймеру”, превращающему GTP в GDP.

Сходство трансдуцина и G-белков относится не только к активности, но и к структуре. Трансдуцин и G-белки принадлежат к одному семейству - семейству рецепторных мембранных белков, передающих те или иные сигналы. Все идентифицированные к настоящему времени представители этой группы имеют практически одинаковую α-субъединицу. Кроме того, α-субъединица выполняет одну и ту же функцию, что показано на молекулярном уровне. Недавно в нескольких лабораториях были установлены нуклеотидные последовательности ДНК, кодирующие α-субъединицы трансдуцина и трех G-белков. Судя по ДНК, аминокислотные последовательности этих четырех полипептидных цепей примерно на половине своей длины идентичны или почти идентичны друг другу.

При сравнительном анализе генетической информации обнаружилось, что в составе α-субъединиц трансдуцина и G-белков имеются как участки, оставшиеся неизменными в ходе эволюции, так и сильно дивергировавшие области . В каждом белке имеются три места связывания: одно для гуаниловых нуклеотидов, одно для активированного рецептора (родопсина или комплекса гормон-рецептор) и одно для эффекторного белка - фосфодиэстеразы или аденилатциклазы. Места связывания GTP и GDP, как и следовало ожидать, исходя из их решающей роли в каскаде возбуждения, оказались наиболее консервативными.

Кроме того, оказалось, что GTP-связывающие участки этих белков напоминают одну область функционально совершенно иного белка; так называемого фактора элонгации Tu. Этот белок играет важную роль в синтезе белков: он образует комплекс с GTP и с молекулами аминоацил-тРНК, а затем связывается с рибосомой, т. е. обеспечивает процесс элонгации - доставку аминокислот к месту роста синтезируемой полипептидной цепи. Цикл событий, происходящих с белком Tu в процессе его функционирования подобен трансдуциновому циклу. Цикл начинается расщеплением GTP. На молекуле Тu есть место связывания GTP, причем по аминокислотной последовательности оно очень сходно с участками связывания гуаниловых нуклеотидов в трансду-цине и различных G-белках.

Синтез белков - один из основных аспектов метаболизма клетки, и вероятно, что фактор элонгации Тu, участвующий в этом фундаментальном процессе, в ходе эволюции возник раньше, чем G-белки или родственный им трансдуцин. Этот интересный белок может быть предком и трансдуцина и G-белков. Контролируемое высвобождение и связывание белков, связанное с обменом GTP на GDP сформировалось на ранних этапах эволюции и фактор элонгации Тu, возможно, представляет один из первых эволюционных вариантов такого цикла.

Одна из удивительных особенностей эволюции заключается в том, что механизм, возникший применительно к определенной функции, может в дальнейшем изменяться и использоваться для совершенно иных функций. Именно это, и произошло с механизмом действия Тu. Сформировавшись в ходе эволюции для осуществления синтеза белка, он сохранялся на протяжении миллиардов лет и впоследствии вошел в систему передачи гормональных и сенсорных сигналов. В последние несколько лет одна из его функций - трансдуциновый цикл - изучен до мельчайших деталей. Результаты этих исследований имеют большое научное значение, поскольку удалось на молекулярном уровне понять один из наиболее удивительных сенсорных механизмов - механизм передачи света и зрительного возбуждения.

Возможно, вскоре будут раскрыты и новые представления о цветном зрении. Все еще неясно, является ли зеленый цвет, который мы видим, средним эффектом между желтым и синим цветом, или в некоторых случаях он соответствует длине волн, соответствующих зеленому цвету спектра.

Наш мозг может регистрировать зеленый цвет, как спектрометр, т.е., при определенной длине электромагнитных волн. Он также может регистрировать зеленый цвет и как смесь желтого и синего цветов. Восприятие цветов зрительным анализатором не может быть определено, как спектрометром.

В качестве примера смешивания электромагнитных волн, которые соответствуют зеленому и красному цвету, приводится желтый цвет. Считается, что при зрительном акте, действуют пары сине-желтый и зелено-красный цвет. Зрительный анализатор обладает свойством анализировать определенные диапазоны оптического спектра, как цвета. Смешение зеленого и красного цвета не производит никакого среднего цвета. Мозг воспринимает его, как желтый цвет. Когда происходит излучение электромагнитных волн, которые соответствуют зеленому и красному цвету, мозг воспринимает «среднее решение» – желтый цвет.

Таким же образом синий и желтый цвет воспринимаются, как зеленый. Это означает, что между парами - синий-желтый и зелено-красный цвет происходит спектральное смешивание цвета. Это относится и к положению, когда зрительный анализатор «принимает решение» о цветах, к которым он более чувствителен. Аналогично зеленый и синий цвет воспринимаются, как циан. Например, зрительный анализатор всегда воспринимает апельсин в оранжевом цвете, поскольку от него отражаются электромагнитные волны, которые соответствуют желтому и красному цвету. Ниже всего проявляется зрительная чувствительность к фиолетовому, синему и красному цвету. Причем смешение электромагнитных волн, которые соответствуют синему и красному цвету, воспринимается, как фиолетовый цвет. При смешении электромагнитных волн, которые соответствуют большему количеству цветов, мозг не воспринимает их, как отдельные цвета, или как «среднее» решение, а как белый цвет. Эти данные свидетельствуют о том, что представление о цвете не определяется однозначно длиной волны. Анализ производится «биокомпьютером» - мозгом, и представление о цвете, по своей сущности, является продуктом нашего сознания .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Структурные исследования родопсина и других родственных ему ретинальсодержащих хромофорных белков (йодопсин, бактериородопсин), а также выявление глазных патологий, связанных с его функционированием, продолжаются в НИЦМБ (Болгария) последние 10 лет, и среди вопросов, требующих скорейшего разрешения, можно выделить следующие:

Какие структурные превращения сопровождают активацию родопсина и придают ему способность взаимодействовать с рецепторными G-белками (трансдуцин, белки-киназы и аррестин)?

Каковы пространственные структуры комплексов активированного родопсина и трансдуцина?

Каков механизм клеточного «созревания» и деградации родопсина?

Дальнейшее исследование родопсина имеет не только научно-фундаментальное, но и прикладное значение, и может быть использовано для лечения или предотвращения биохимических нарушений зрения. Родопсин является наиболее исследованным белком из семейства GPCR-рецепторов, и вышеизложенные выводы, полученные для него, могут быть использованы для изучения структуры и функциональных свойств других трансмембранных белков этого семейства, например бактериородопсина .

ЛИТЕРАТУРА

1. Д. Хьюбел. Глаз, мозг, зрение / под ред. А. Л. Бызова., Мир, Москва (1990), 172 с.

2. M. J. Hogan, J. A Alvarado, J. E. Weddell. Histology of the Human Eye , Saunders, Philadelphia (1971), 115 p.

3. J. Nathans, D. Thomas, D. S. Hogness. “Molecular genetics of human color vision: the genes encoding blue, green, and red pigments”, Science , 232(47), 193–202 (1986).

4. R. Henderson, J. M. Baldwin, T. A. Ceska, F. Zemlin, E. Beckmann, K. H. Downing. “Model for the structure of bacteriorhodopsin based on high-resolution electron cryo-microscopy”, J. Mol. Biol ., 212 , 899–29 (1991).

5. K. Palczewski, T. Kumasaka, T. Hori, C. A. Behnke, H. Motoshima, B. A. Fox, I. Le Trong, D. C. Teller, T. Okada, R.E. Stenkamp, M. Yamamoto, M. Miyano, “Crystal Structure of Rhodopsin: A G-Protein-Coupled Receptor”, Science , 289 , 739–745 (2000).

6. Ю. А Овчинников, Н. Г. Абдулаев, М. Ю. Фейгина, И. Д. Артамонов, А. С. Богачук. “Зрительный родопсин: Полная аминокислотная последовательность и топология в мембране”, Биоорганическая химия , 10 , 1331–1340 19830.

7. P.A. Hargrave, J.H. McDowell, D.R. Curtis, J. K. Wang, E. Juszczak, S. L. Fong, J. K. Rao, P. Argos, “The structure of bovine rhodopsin”, Biophys. Struct. Mech ., 9 , 235–244 (1983).

8. G. F. Schertler, P. A. Hargrave, “Projection structure of frog rhodopsin in two crystal forms”, Proc. Natl. Acad . Sci . U . S . A ., 9 2, 11578–11582 (1995).

9. В. М. Липкин. “Зрительная система. Механизмы передачи и усиления зрительного сигнала в сетчатке глаза”, Соросовский образовательный журнал , 9 , 2–8 (2001).

10. Y. Shichida, H. Imai. “Visual pigment: G-protein-coupled receptor for light signals”, Cell. Mol. Life Sci ., 54 , 1299–1315 (1998).

11. А. Б. Рубин. Фотопревращения бактериородопсина и родопсина, Биофизика , т.2., Москва, Наука (2004), 87 с.

12. Y. Liang, D. Fotiadis, T. Maeda, A. Maeda, A. Modzelewska, S. Filipek, D. A. Saperstein, A. Engel, K. Palczewski. “Rhodopsin signaling and organization in heterozygote rhodopsin knockout mice”, J. Biol. Chem., 279 , 48189–48196 (2004).

13. J. M. Baldwin, G. F. Schertler, V. M. Unger. “An α carbon template for the transmembrane helices in the rhodopsin family of G-protein-coupled receptors”, J. Mol. Biol ., 272 , 144–164 (1997).

14. J. Fitzgibbon, B. Appukuttan, S. Gayther, D. Wells, J. Delhanty, D. M. Hunt. “Localisation of the human blue cone pigment gene to chromosome band 7q31.3-32”, Human Genetics , 93 (1), 79–80 (1994).

15. K. Palczewski “G-Protein-Coupled Receptor Rhodopsin”, Annu. Rev. Biochem ., 7 5, 743–767 (2006).

16. P. S. Park, S. Filipek, J. W. Wells, K. Palczewski. “Oligomerization of G-protein-coupled receptors: past, present, and future”, Biochemistry , 43 , 15643–15656 (2004).

17. I. Ignatov, M. Marinov. Color Kirlian Spectral Analysis. Color Observation with Visual Analyzer, EUROMEDICA, Hanover, (2008), 32 p.

18. О.В. Мосин, И. И. Игнатов. “Природный фотопреобразующий наноматериал бактериородопсин из галофильной бактерии Halobacterium halobium”, Наноматериалы и наноструктуры, 2 , 47-58 (2012).

Цвет существует, только если представлены три его компонента: зритель, предмет и освещение. Несмотря на то, что чисто белый свет воспринимается как бесцветный, в действительности он содержит все цвета видимого спектра. Когда белый свет достигает объекта, поверхность избирательно поглощает одни цвета и отражает другие; только отражённые цвета создают у зрителя восприятие цвета.

Человеческое цветовосприятие: глаза и зрение

Человеческий глаз воспринимает этот спектр, используя для зрения комбинацию из клеток-палочек и клеток-колбочек. Палочки имеют более высокую светочувствительность, но различают только интенсивность света, тогда как колбочки могут также различать цвета, но лучше всего функционируют при ярком свете. В каждом нашем глазе есть три типа колбочек, каждый из которых более чувствителен к коротким (К), средним (С) или длинным (Д) световым волнам. Комбинация сигналов, возможных во всех трёх колбочках, описывает диапазон цвета, который мы можем видеть своими глазами. Нижеприведенный пример иллюстрирует относительную чувствительность каждого типа колбочек ко всему видимому спектру приблизительно от 400 до 700 нм.

Заметьте, что каждый из типов клеток воспринимает не единственный цвет, а имеет различную степень чувствительности в широком диапазоне длин волн. Наведите курсор на «Освещённость», чтобы увидеть, какие цвета вносят наибольший вклад в наше восприятие яркости. Заметьте также, что человеческое восприятие цвета максимально чувствительно к свету в жёлто-зелёном диапазоне спектра; этот факт используется матрицей Байера в современных цифровых камерах.

Аддитивный и субтрактивный синтез цвета

Практически все различимые нами цвета могут быть составлены из некоторого сочетания трёх первичных цветов, посредством аддитивного (суммирующего) либо субтрактивного (разностного) процессов синтеза. Аддитивный синтез создаёт цвет, добавляя свет к тёмному фону, а субтрактивный синтез использует пигменты или красители, чтобы избирательно блокировать свет. Понимание сути каждого из этих процессов создаёт основы понимания воспроизведения цветов.

Цвета трёх внешних кругов называются первичными, и они различны для каждой из диаграмм. Устройства, которые используют эти первичные цвета, могут воспроизвести максимальный диапазон цветов. Мониторы излучают свет, чтобы воспроизвести цвет в аддитивном режиме, в то время как принтеры используют пигменты или красители, чтобы поглотить свет и синтезировать субтрактивные цвета. Вот почему практически все мониторы используют комбинацию красных (R), зелёных (G) и синих (B) пикселей, а большинство цветных принтеров используют по меньшей мере голубые(C), пурпурные (M) и жёлтые (Y) чернила. Во многих принтерах в дополнение к цветным чернилам также применяются чёрные (CMYK), поскольку простое сочетание цветных чернил неспособно создать достаточно глубокие тени.

Субтрактивный синтез более чувствителен к изменению рассеянного света, поскольку именно избирательное блокирование света приводит к появлению цветов. Вот почему цветные отпечатки требуют определённого типа рассеянного освещения, чтобы точно воспроизвести цвета.

Свойства цвета: тон и насыщенность

Цвет имеет два уникальных компонента, которые отличают его от ахроматического света: тон (оттенок) и насыщенность. Визуальное описание цвета основывается на каждом из этих терминов и может быть весьма субъективно, однако каждый из них может быть более объективно описан путём анализа его спектра.

Естественные цвета в действительности не являются светом определённой длины волны, но на самом деле содержат полный спектр длин волн. «Тон» описывает, какая длина волны является наиболее мощной. Полный спектр показанного ниже объекта мог бы восприниматься как синий, несмотря на то, что он содержит волны по всей длине спектра.

Несмотря на то, что максимум данного спектра находится в той же области, что и тон объекта, это не обязательное условие. Если бы у объекта присутствовали отдельные выраженные пики только в красном и зелёном диапазонах, его тон воспринимался бы как жёлтый (см. таблицу аддитивного цветосинтеза).

Насыщенность цвета - это степень его чистоты. Высоконасыщенный цвет будет содержать очень узкий набор длин волн и будет выглядеть гораздо более выраженным, чем аналогичный, но менее насыщенный цвет. Следующий пример иллюстрирует спектры насыщенного и ненасыщенного синего.

В процессе зрения происходит восприятие параметров потока света. В светочувствительном рецепторе сходятся процессы из разных сфер действительности – взаимодействуют квантовые объекты (фотоны), рецепторы, как измерительные приборы, оценивающие параметры квантовых объектов, и нейроны, относящиеся к элементам, осуществляющим процессы высшей нервной деятельности.

Эта проблема интересна еще и тем, что эта сфера знания недостаточно изучена, причем от нее отказываются как физики, так и биологи. Кроме того, проблема восприятия света входит в состав проблем восприятия информации человеком, рассмотренных в статье «Восприятие информации» как часть решения психофизической проблемы -

Непосредственно сопряжение электромагнитного излучения и вещества осуществляется в зрительных рецепторах сетчатки глаза живого организма, здесь свет преобразуется в нервные сигналы в виде пачек электрических импульсов, из которых уже в мозгу создается образ видимых предметов. Светочувствительные рецепторы выступают в качестве границы, разделяющей (и соединяющей) квантовые и нервные процессы, на которой сопрягаются разные сферы реальности - излучение, вещество и нервная деятельность.

Исследования показывают, что энергия воздействующего на рецептор фотона воспринимается конкретным электроном фоточувствительного белка. Этот электрон не просто находится в составе конкретного белка, но и белок, в свою очередь, вмонтирован в тело определенного светочувствительного рецептора, а рецептор имеет вполне определенное местоположение на сетчатке глаза и связан с конкретными нейронами. На сетчатке глаза имеется специальное место, которое принимается за центр общей системы отсчета всех рецепторов.

Рецепторы имеют строение в виде столбика из пластин (порядка 2000 шт.), на каждой пластине располагаются порядка 60 тыс. светочувствительных белков. Рецепторы располагаются на сетчатке сплошным массивом, закрывают все поле сетчатки. Различают цветоразличающие рецепторы – колбочки, и черно-белые рецепторы – палочки. Количество цветных колбочек оценивается в 6 – 10 млн., колбочки располагаются преимущественно вокруг центра зрения. Палочек насчитывается порядка 100 млн. Они располагаются по всему полю сетчатки.

Зрительная система воспринимает свет в диапазоне 400 - 780 нм, ультрафиолетовое излучение (волны меньшие 360) поглощает хрусталик, большие не воспринимаются рецепторами, к тому же инфракрасные волны (1000 нм и больше) излучаются самим телом и являлись бы засветкой зрительной системы.

Для зрительной информации естественно важен спектр излучения, однако светочувствительный рецептор не просто принимает излучение, но и определяет различия между локальными характеристиками потока света. Существуют специальные горизонтальные клетки в рецепторе и между рецепторами, определяющие градиент потока света по интенсивности, длине волны и насыщенности доминантного цвета - соответственно информация передается не только о цвете, но и о яркости и насыщенности цвета на фоне белого. Необходимо также отметить, что рецептор не только воспринимает характеристики потока света и передает их в мозг, но и управляет общей и раздельно локальной прозрачностью вещества до рецептора, чтобы можно было видеть различия в потоке света даже при различной его интенсивности и контрастности.

Вследствие поглощения фотонов в рецепторе происходят электрохимические процессы, вызывающие срабатывание последующих нейронов. В целях рецепции, фотон может быть воспринят только в том случае, если воспринявший его светочувствительный белок встроен в измерительную цепь рецептора. Если белок, воспринявший фотон находится вне измерительной схемы рецептора, то поглощение фотона произойдет, но не вызовет необходимых для рецепции химических воздействий и такое поглощение окажется бесполезным, поскольку информация о таком фотоне не дойдет до следующих нейронов. Из этого можно сделать вывод, что поглощение фотонов в рамках процедур, происходящих в сенсорных системах, носит не случайный характер.

В соответствии с трехкомпонентной теорией строения цветочувствидельных рецепторов (колбочек) считается, что светочувствительная колбочка реагирует только на фотоны определенной длины волны. Однако данная теория вызывает сомнения в достоверности. Электрон в белке (или сам белок) должен сначала как-то определиться с тем - реагировать ему, если у фотона соответствующая длина волны, и не реагировать, если длина волны чуть больше (или меньше). Он же не знает длину волны, которая попадет в этот белок, не знает, на сколько длина волны отличается от той, которую он может принять. Причем неважно, на сколько отличается от "своей". В любом случае электрон (или кто-то из участников поглощения) каким-то образом должен "почувствовать", поглощать или пропустить фотон. Офтальмологи на эти вопросы не смогли ответить мне. А физики вообще отказались рассматривать проблему восприятия света глазом, под предлогом, что в этой ситуации им невозможно осуществить какие-либо измерения, а без достоверных измерений они не вправе что-либо утверждать и делать какие-либо умозаключения.

Ситуация еще больше запуталась от мысли, что цветное зрение способно воспринимать цвет (длину волны фотона) и одновременно определять его местоположение на сетчатке. Как вообще возможно определение длины волны фотона, если локализация электрона, который реагирует на фотон, составляет единицы Ангстрем (0,1 нм), а длина волны фотона примерно в пять тысяч раз больше (от 400 до 770 нм)? Ведь поглощаемая энергия фотона должна быть размазана случайным образом по несоизмеримо большему пространству, чем локализация электрона.

Возникают и другие вопросы. Какова природа энергии фотона (кинетическая, электрическая, магнитная, еще какая-то)? Что происходит с энергией фотона при поглощении его электроном? Какие происходят преобразования энергии?

Желание получить ответы на возникающие вопросы заставляет углубляться в подробности процесса поглощения света веществом. Физика утверждает, что для возбуждения электрона необходимо затратить не какую-то там энергию, а вполне конкретную величину - разницу между двумя энергетическими состояниями, что вполне определенно подтверждается в физических экспериментах. Поглощение происходит в виде определенной полосы поглощения в электронном спектре молекулы. Однако это всего лишь констатация факта поглощения конкретной порции энергии, эмпирическое его подтверждение, но еще не объяснение механизма поглощения.

Чтобы обострить проблему и показать ее физическую, а не физиологическую природу отметим, что именно из факта поглощения конкретным электроном конкретного фотона следует, что в процессе зрительной рецепции возможно одновременное и достаточно точное измерение энергии (импульса) фотона и местоположения этого фотона. Местоположение квантового объекта соответствует местоположению (месту локализации) электрона, поглотившего фотон, и это местоположение вполне определяемо на макроуровне, так как от него идет "ниточка" к приемнику сигнала, а энергия фотона соответствует разнице между энергиями состояний электрона - тоже вполне определима. Если энергия фотона соответствует разнице энергий, необходимых для изменения местоположения электрона, то поглощение происходит. Если не соответствует, то фотон проходит сквозь данную молекулу. Теперь посмотрим, что из этого получается.

Для фотона имеется уравнение

λ·P=ħ, где λ – длина волны, P – импульс фотона, а ħ – постоянная Планка. Это уравнение фотона очень похоже на соотношение неопределенности Гейзенберга:

ΔХ · ΔР >= ħ, где ΔХ - ошибка в определении местоположения квантового объекта, ΔР - ошибка в определении его импульса.

Есть возможность оценить ошибку измерения параметров фотона при его поглощении конкретным электроном конкретного светочувствительного белка сетчатки. Величину возникающей ошибки в измерении импульса можно установить по разрешительной способности зрительной системы в определении цвета. Экспериментально установлено, что чувствительность оценивается в 2 – 3 нм. Это составляет менее 1 % от длины волны света в видимом диапазоне - (0,3 – 0,5) %. По уравнению фотона λ·P=ħ определяем разницу в изменении импульса, фиксируемого зрительной системой: ΔР = ħ/λ – ħ/1,01·λ, что примерно = 0,01· ħ/λ

ΔР = 0,01· ħ/λ

Ошибку в измерении местоположения фотона (ΔХ) можно оценить, как размер области локализации самого электрона в молекуле белка. Если размер атома оценить примерно в 0,1 нм, то ошибку локализации электрона (с большим завышением) можно принять 0,5 нм. Эту величину целесообразно выразить в условных единицах, как долю от длины волны фотона (500 нм). В итоге получаем, что ошибка измерения местоположения фотона примерно (0,5/500) λ = 0,001· λ.

ΔХ = 0,001· λ

Подставляя относительные ошибки определения местоположения и импульса фотона в соотношение неопределенности, получаем:

ΔХ · ΔР = 0,001· λ · 0,01· ħ/λ = 0,00001· ħ.

В соответствии с произведенными оценками произведение ошибок измерения координат и импульса рецептором глаза оказывается в сто тысяч раз меньше, чем постоянная Планка. Причем следует учесть, что обе ошибки взяты с некоторым завышением, если взять реальные ошибки в определении ΔХ и ΔР, то их произведение будет примерно в миллион раз меньше постоянной Планка. А по соотношению неопределенностей Гейзенберга произведение этих ошибок не может быть меньше ħ. Что это: ошибка в приведенных рассуждениях или действительно с соотношением неопределенностей какая-то неувязка?

Попробуем разобраться.

Количественные значения ошибок измерения в приведенных рассуждениях можно считать соответствующими реальным, или завышенными, поэтому величина в 0,00001 - это еще заниженная степень нарушения соотношения неопределенности Гейзенберга. С другой стороны размер неувязки столь велик, что ошибки можно еще многократно завысить без ущерба для общего вывода о справедливости соотношения неопределенностей. Из чего можно сделать вывод, что если и есть ошибка в приведенных рассуждениях, то она не в количественных значениях, а в чем-то другом.

Может быть, одна из процедур (либо соотношение неопределенностей, либо рецепция света в зрительной системе) не относится к процедуре измерения? Ведь соотношение неопределенностей характеризует именно возможные ошибки измерения параметров квантового объекта.

Поскольку каждый фотон является квантовым объектом, то из этого следует, что каждый фотон поглощается индивидуально, хоть в зрительной системе, хоть в другом месте. Оценка характеристик фотона в рамках зрительной рецепции осуществляется самим актом его поглощения хромофором, а не различением характеристик фотонов нервными клетками. Если он поглотился, то уже самим фактом поглощения его энергия перешла конкретному электрону. А это значит, что в результате акта поглощения становятся известными и местоположение фотона (по исходному местоположению электрона), и энергия фотона (по величине изменения энергии электрона). И то, и другое о фотоне становится не просто "известным" конкретному электрону и белку, в котором он находится, но и известными измерительной схеме в целом. Физические и химические изменения в характеристиках электрона и белка, порождаемые поглощением, становятся известными определенному нейрону, который можно уже считать макро «наблюдателем». С другой стороны, место на сетчатке, в которое попал фотон, детерминируется пространственным местоположением предмета, который излучил этот фотон, и настройкой оптической части зрительной системы – линзой хрусталика и фокусировкой получаемого изображения.

Если же поглощения фотона не произошло, то, увы, не произошло и измерения параметров квантового объекта. Поглощение такого фотона произойдет пигментом задней стенки сетчатки, то есть вне измерительной схемы. В этом и заключается специфика электрона (хромофора, белка, рецептора в целом): они размещены в составе измерительной системы местоположения предмета, позволяющей не просто поглощать, а поглощать в рамках измерительной процедуры.

Из этого следует, что анализируемая процедура поглощения фотона в зрительной системе рассматривается именно в рамках процедуры измерения параметров фотона, а не просто его поглощения. Из этого следует, что предназначение рассматриваемой процедуры соответствует заявленному назначению и «области действия» соотношения неопределенностей.

Может быть, в процедуре измерения параметров фотонов в зрительной системе имеется какая-то уникальная специфика, порождающая столь существенное отклонение от соотношения неопределенностей?

Действительно, такие отличия имеются.

Во-первых, соотношение неопределенностей рассматривается применительно к процедуре измерения параметров квантового объекта, осуществляемой с сохранением самого квантового объекта. Например, Луи де Бройль в книге «Революция в физике» отмечает, что сама процедура измерения не должна вносить изменения в сами измеряемые параметры - вносимые измерительным прибором изменения в измеряемые параметры должны быть как можно меньше.

Суть идеи соотношения неопределенностей заключается в том, что для более точного измерения нужны фотоны с меньшей собственной локализацией, но такие фотоны являются и более энергичными. Специфика квантового объекта такова, что измерение местоположения квантового объекта с большей точностью требует применения, как указывает де Бройль, воздействия на измеряемый объект более коротких фотонов, но чем меньше длина волны фотонов, измеряющих местоположение квантового объекта, тем больше их энергия, тем большее изменение энергии происходит в измеряемом объекте. Сама процедура измерения вносит изменения в измеряемые параметры, поэтому и считается, что этого эффекта принципиально невозможно избежать. Ошибки одновременного измерения пространственных и энергетических характеристик квантового объекта подчинены рассматриваемому соотношению неопределенностей.

Итак, отличия измерений в рамках процедуры рецепции и рамках объяснения соотношения неопределенностей – имеются.

Во-первых, в отличие от измерительных процедур, описанных у де Бройля, в измерительной процедуре, осуществляемой в рамках зрительной рецепции, сам объект, параметры которого измеряются, не сохраняется , а погибает полностью в процессе измерительной процедуры. А если не погибает, то и не попадает в измерительную процедуру. В зрительной системе оцениваемый квантовый объект просто поглощается, проглатывается светочувствительным белком, в результате чего обе измеряемые величины (координата и импульс) становятся известными этому белку. Он «измеряет» указанные параметры с точностями, на несколько порядков не вписывающиеся в соотношение неопределенности. Правда, ценой уничтожения измеряемого объекта. Этот белок и есть тот измерительный прибор, который якобы невозможно построить в принципе.

Во-вторых, в процессе зрительной рецепции измерения местоположения фотона вообще-то не осуществляется. Местоположением фотона считается местоположение электрона, поглощающего фотон. Местоположение электрона является не измеряемым параметром, а априорно известным измерительной системе. Фотон «сам» натыкается на тот или иной светочувствительный белок, имеющий этот самый электрон. Но данное обстоятельство не меняет существа принципа неопределенности. В соответствии с этим принципом «невозможно построить измерительный прибор, который позволил бы нарушить ограничения, накладываемые неравенствами Гейзенберга». Невозможно построить в принципе .

В сущности, зрительная система просто обходит установленный запрет. В зрительной системе установлено огромное множество измерительных приборов. Куда бы ни попал фотон, он наткнется на «измерительный прибор», каковым является молекула светочувствительного белка. А от нее обязательно тянется ниточка к макро измерительному прибору – рецептору и далее к нейрону. Преобразование микро сигнала от квантового объекта в макро сигнал это уже другая проблема, которую целесообразно рассматривать отдельно. В данном аспекте следует сделать акцент на понимании светочувствительного белка в качестве измерительного прибора для оценки пространственных и энергетических параметров фотона, специфического измерительного прибора, который позволяет нарушить ограничения, накладываемые неравенствами Гейзенберга.

В-третьих, нужно разобраться с пониманием величин, входящих в соотношение неопределенностей. Вообще, имеет смысл задаться вопросом - в соотношении неопределенности, дельта икс, это что? Может быть, это вообще не ошибка измерения? Общность математической структуры уравнения фотона с соотношением неопределенности подсказывает, что дельта икс это вовсе не ошибка в измерении координаты местоположения частицы, а длина волны, так что это вовсе не ошибка измерения, размер частицы. Длина волны фотона жестко связана с импульсом фотона соответствующим уравнением. Поэтому само соотношение и включенные в него переменные в таком понимании приобретают иной смысл.

Это не мы не можем одновременно измерить пространственную и энергетическую характеристики фотона, а фотон не может иметь иных величин импульса и длины волны, кроме как соответствующих уравнению фотона (и совпадающему с ним по структуре соотношению неопределенности). У уравнения фотона и соотношения неопределенностей общая математическая структура. Соотношение неопределенностей применительно к фотону приобретает форму зависимости между длиной волны и импульсом. Правда при таком понимании неопределенность превращается в определенность . А ПНГ перестает иметь исключительное отношение к измерению параметров квантового объекта и начинает описывать соотношение не между ошибками измерения, а между собственными параметрами квантового объекта. Для фотона, как самого простого из квантовых объектов, связь между длиной волны и импульсом - естественным образом совпадает с соотношением "неопределенностей". При этом измерительный аспект (измерение координаты и импульса фотона) вовсе не исключается, а приобретает вполне здравый смысл: как же можно измерить местоположение квантового объекта точнее, чем его размер? Объект есть везде в пределах своего размера.

При этом размер квантового объекта, в данном случае фотона, жестко связан с энергетической характеристикой фотона. Чем энергичнее происходят электромагнитные колебания (чем больше частота) тем меньше длина волны и размер фотона, тем меньше общая локализация фотона.

В результате подобного изменения интерпретации математическая составляющая соотношения полностью сохраняется. И это объясняет, почему соотношение так прекрасно подтверждается в экспериментах, на которые все ссылаются. Участвующие в соотношении величины имеют отношение не к процедуре измерения, а к собственным характеристикам самой частицы, в данном случае - фотона. И соотношение между собственными пространственными и энергетическими характеристиками имеет жесткую связь, описываемую этим соотношением.

В-четвертых, при обосновании необходимости введения принципа неопределенности специально указывается, что его введение есть следствие вероятностной интерпретации частиц. В частности де Бройль указывает: «Еще раз подчеркнем, что соотношение неопределенности – неизбежное следствие, с одной стороны, возможности сопоставить частице некоторую волну, с другой – общих принципов вероятностной интерпретации». Возникает закономерный вопрос: а является ли фотон, параметры которого оцениваются рецепторами зрительной системы, частицей с вероятностной природой?

Привлечение в рассматриваемое соотношение параметра «размер» частицы, оказывается, в рамках квантовой механики с вероятностной интерпретации частиц - вообще не имеет смысла. В существующей квантовой механике просто нет такого понятия и параметра, как "размер" частицы, и нет именно по причине вероятностной интерпретации самой частицы. У нее не может быть размера, поскольку при вероятностной интерпретации у частицы нет, и не может быть границ, они просто размыты. Но это только при вероятностной интерпретации. Для реального фотона "размером" частицы является длина волны. Один период электромагнитных колебаний, собственно, и есть фотон, квант света.

Таким пониманием, кстати, легко объясняется корпускулярно волновой дуализм. Внутри частицы - волна, а один период колебания - частица. Волновые свойства частицы это ее внутренние свойства, а при рассмотрении той же частицы снаружи – это корпускула, квант, частица, нечто дискретное.

Естественно, такое понимание не соответствует пониманию, принятому в квантовой механике. Когда создавалась квантовая механика, для квантовых объектов было принято матричное описание частиц. Под частицей, как правило, рассматривался электрон, и для него вывели все квантовые закономерности. Затем уже эти закономерности начали переносить и на электромагнитное излучение. В качестве фотона также стали понимать волновой пакет. Даже если волна монохроматическая, в реальных условиях она распадается на множество гармоник. Совокупность всех колебаний, связанных с основной монохроматической волной стали называть волновым пакетом, а пакет - фотоном. Для волнового пакета естественным образом подошло принятое для частиц вероятностное описание.

Однако, «что» в реальности поглощается зрительной системой человека, «какой» фотон поглощается рецептором - волновой пакет из совокупности гармоник, или один период монохроматического электромагнитного колебания?

Что является «зеленым», «красным» и т.д.?

Параметры «какого» объекта оценивает рецептор?

По моим представлениям – конечно же фотон как период электромагнитного колебания. Всякие там разбегания волнового пакета возможно и существуют, но они лишь мешает измерению и поэтому игнорируется или сглаживается измерительной системой, а оценивается основной параметр главной гармоники. Причем достаточно оценить лишь один параметр: либо импульс, либо длину волны, чтобы знать и то и другое. В силу наличия жесткой связи между длиной волны и импульсом – это же два взаимодополняющих параметра частицы по соотношению определенностей.

Особенности человеческого зрения

Человек не может видеть в полной темноте. Для того, чтобы человек увидел предмет, необходимо, чтобы свет отразился от предмета и попал на сетчатку глаза. Источники света могут быть естественные (огонь, Солнце) и искусственные (различные лампы).

глаз человека представляет собой радиоприемник, способный принимать электромагнитные волны определенного (оптического) диапазона частот. Первичными источниками этих волн являются тела, их излучающие (солнце, лампы и т.п.), вторичными – тела, отражающие волны первичных источников. Свет от источников попадает в глаз и делает их видимыми человеку. Таким образом, если тело является прозрачным для волн видимого диапазона частот (воздух, вода, стекло и т.п.), то оно не может быть зарегистрировано глазом.

Благодаря зрению мы получаем 90% информации об окружающем мире, поэтому глаз - один из важнейших органов чувств. Глаз можно назвать сложным оптическим прибором. Его основная задача - "передать" правильное изображение зрительному нерву.

Световая чувствительность человеческого глаза

Способность глаза воспринимать свет и распознавать различной степени его яркости называется светоощущением, а способность приспосабливаться к разной яркости освещения - адаптацией глаза; световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя. Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. Максимальная световая чувствительность достигается после достаточно длительной темновой адаптации.

В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (рецепторов): высоко чувствительные палочки, отвечающие за сумеречное (ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение.

В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра. Распределение типов колбочек в сетчатке неравномерно: «синие» колбочки находятся ближе к периферии, в то время как «красные» и «зеленые» распределены случайным образом. Соответствие типов колбочек трём «основным» цветам обеспечивает распознавание тысяч цветов и оттенков. Кривые спектральной чувствительности трёх видов колбочек частично перекрываются, что способствует явлению метамерии. Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета.

Равномерное раздражение всех трёх элементов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета. За цветовое зрение человека отвечают гены, кодирующие светочувствительные белки опсины. По мнению сторонников трёхкомпонентной теории, наличие трёх разных белков, реагирующих на разные длины волн, является достаточным для цветового восприятия. У большинства млекопитающих таких генов только два, поэтому они имеют черно-белое зрение.

Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв, хиазму, зрительные тракты в определенные области затылочных долей коры головного мозга, где формируется та картина внешнего мира, которую мы видим. Все эти органы и составляют наш зрительный анализатор или зрительную систему.[

Изменение зрения с возрастом

У новорожденных и детей дошкольного возраста хрусталик более выпуклый и более эластичный, чем у взрослого, его преломляющая способность выше. Это позволяет ребенку четко видеть предмет на меньшем расстоянии от глаза, чем взрослому. И если у младенца он прозрачный и бесцветный, то у взрослого человека хрусталик имеет легкий желтоватый оттенок, интенсивность которого с возрастом может усиливаться. Это не отражается на остроте зрения, но может повлиять на восприятие синего и фиолетового цветов. Сенсорные и моторные функции зрения развиваются одновременно. В первые дни после рождения движения глаз несинхронны, при неподвижности одного глаза можно наблюдать движение другого. Способность фиксировать взглядом предмет формируется в возрасте от 5 дней до 3–5 месяцев. Реакция на форму предмета отмечается уже у 5-месячного ребенка. У дошкольников первую реакцию вызывает форма предмета, затем его размеры и уже в последнюю очередь – цвет. Острота зрения с возрастом повышается, улучшается и стереоскопическое зрение. Стереоскопическое зрение (от греч. στερεός - твёрдый, пространственный) - вид зрения, при котором возможно восприятие формы, размеров и расстояния до предмета, например благодаря бинокулярному зрению Стереоскопическое зрение к 17–22 годам достигает своего оптимального уровня, причем с 6 лет у девочек острота стереоскопического зрения выше, чем у мальчиков. Поле зрения интенсивно увеличивается. К 7 годам его размер составляет приблизительно 80 % от размера поля зрения взрослого. После 40 лет наблюдается падение уровня периферического зрения, то есть происходит сужение поля зрения и ухудшение бокового обзора. Примерно после 50 лет сокращается выработка слезной жидкости, поэтому глаза увлажняются хуже, чем в более молодом возрасте. Чрезмерная сухость может выражаться в покраснении глаз, рези, слезотечении под действием ветра или яркого света. Это может не зависеть от обычных факторов (частые напряжения глаз или загрязненность воздуха). С возрастом человеческий глаз начинает воспринимать окружающее более тускло, с понижением контрастности и яркости. Также может ухудшиться способность распознавать цветовые оттенки, особенно близкие в цветовой гамме. Это напрямую связано с сокращением количества клеток сетчатой оболочки, воспринимающих оттенки цвета, контрастность, яркость. Некоторые возрастные нарушения зрения обусловлены пресбиопией, которая проявляется нечеткостью, размытостью картинки при попытке рассмотреть предметы, расположенные близко от глаз. Возможность фокусировки зрения на небольших предметах требует аккомодацию около 20 диоптрий (фокусировка на объекте в 50 мм от наблюдателя) у детей, до 10 диоптрий в возрасте 25 лет (100 мм) и уровни от 0,5 до 1 диоптрии в возрасте 60 лет (возможность фокусировки на предмете в 1-2 метрах). Считается, что это связано с ослаблением мышц, которые регулируют зрачок, при этом так же ухудшается реакция зрачков на попадающий в глаз световой поток. Поэтому возникают трудности с чтением при тусклом свете и увеличивается время адаптации при перепадах освещенности.

Так же с возрастом начинает быстрее возникать зрительное утомление и даже головные боли.

Психология восприятия цвета

Психология восприятия цвета - способность человека воспринимать, идентифицировать и называть цвета. Ощущение цвета зависит от комплекса физиологических, психологических и культурно-социальных факторов. Первоначально исследования восприятия цвета проводились в рамках цветоведения; позже к проблеме подключились этнографы, социологи и психологи. Зрительные рецепторы по праву считаются «частью мозга, вынесенной на поверхность тела». Неосознаваемая обработка и коррекция зрительного восприятия обеспечивает «правильность» зрения, и она же является причиной «ошибок» при оценке цвета в определенных условиях. Так, устранение «фоновой» засветки глаза (например, при разглядывании удаленных предметов через узкую трубку) существенно меняет восприятие цвета этих предметов. В силу природы глаза, свет, вызывающий ощущение одного и того же цвета (например белого), то есть одну и ту же степень возбуждения трёх зрительных рецепторов, может иметь разный спектральный состав. Человек в большинстве случаев не замечает данного эффекта, как бы «домысливая» цвет. Это происходит потому, что хотя цветовая температура разного освещения может совпадать, спектры отражённого одним и тем же пигментом естественного и искусственного света могут существенно отличаться и вызывать разное цветовое ощущение.

Периферическое зрение (поле зрения ) - определяют границы поля зрения при проекции их на сферическую поверхность (при помощи периметра).

Чтобы видеть, нам нужен свет. Это положение может показаться слишком очевидным, чтобы заслуживать упоминания, однако оно не всегда было столь банальным. Платон думал, что зрительное восприятие существует не потому, что свет проникает в глаз, а потому, что частицы, исходящие из глаз, обволакивают окружающие предметы. Трудно представить себе теперь, почему Платон не попытался разрешить проблему с помощью простых экспериментов. Хотя для философов вопрос о том, каким образом мы видим, всегда был излюбленной темой размышлений и теоретических построений, только за последнее столетие эта проблема стала предметом систематических исследований; это довольно странно, поскольку все научные наблюдения зависят от показаний человеческих органов чувств и главным образом от зрения.

В течение последних 300 лет существовали две соперничавшие теории относительно природы света. Исаак Ньютон (1642-1727) считал, что свет - это поток частиц, в то время как Христиан Гюйгенс (1629-1695) утверждал, что свет представляет собой, по всей видимости, колебание небольших эластичных сферических образований, соприкасающихся друг с другом и перемещающихся во всепроникающей среде - эфире. Любое возмущение этой среды, как он считал, будет распространяться во всех направлениях в виде волны, а эта волна и есть свет.

Полемика относительно природы света - одна из наиболее впечатляющих и интересных в истории науки. Основным вопросом на ранних стадиях дискуссии был вопрос о том, распространяется ли свет с определенной скоростью или он достигает цели мгновенно. Ответ на этот вопрос был получен совершенно неожиданно датским астрономом Рёмером (1644-1710). Он изучал затмение четырех ярких спутников, вращающихся вокруг Юпитера, и обнаружил, что периоды между затмениями нерегулярны и зависят от расстояния между Юпитером и Землей.

В 1675 г. он пришел к заключению, что этот факт определяется временем, которое требуется, чтобы свет, исходящий от спутников Юпитера, достиг глаза экспериментатора; время возрастает с увеличением расстояния вследствие ограниченной скорости света. Действительно, расстояние от Земли до Юпитера равно примерно 299 274000 км - это в два раза больше, чем расстояние от Земли до Солнца; наибольшая временная разница, которую он наблюдал, равнялась 16 мин. 36 сек. -на этот отрезок времени раньше или позже, чем полагалось по расчету, начиналось затмение спутников. На основании несколько ошибочной оценки расстояния до Солнца он подсчитал, что скорость света равна 308 928 км/сек. Современные знания о диаметре земной орбиты позволяют нам уточнить эту величину и считать ее равной 299 274 км/сек, или Зх10 10 см/сек. Скорость света, таким образом, на небольших расстояниях от Земли измеряется очень точно, и теперь мы рассматриваем ее как одну из основных констант Вселенной.

Вследствие ограниченной скорости света и определенной задержки нервных импульсов, поступающих я мозг, мы всегда видим прошлое. Наше восприятие Солнца запаздывает на 8 мин.; всем известно, что наиболее отдаленный из видимых невооруженным глазом объектов - туманность Андромеды уже больше не существует и то, что мы видим, происходило за миллион лет до появления человека на Земле.

Скорость света, равная Зх10 10 см/сек, строго сохраняется только в полном вакууме. Когда свет проходит через стекло или воду или какую-нибудь другую пропускающую свет среду, его скорость уменьшается в соответствии с показателем преломления света (приблизительно в соответствии с плотностью этой среды). Это замедление скорости света исключительно важно, так как именно благодаря этому свойству света призма преломляет свет, а линзы создают изображение. Закон преломления (отклонение луча света в зависимости от изменения показателя преломления) был впервые установлен Снеллиусом, профессором математики, в Лейдене в 1621 году. Снеллиус умер в возрасте 35 лет, оставив свои работы неопубликованными. Декарт сформулировал Закон преломления одиннадцать лет спустя. Закон преломления гласит:

«При переходе света из среды А в среду В отношение синуса угла падения к синусу угла преломления света является константою».

Мы можем видеть, как это происходит, из простой диаграммы (рис. 2, 3): если АВ - луч, проходящий через плотную среду в вакуум (или воздух), то он появится в воздухе под углом i по линии BD.

Закон гласит, что sin i/sin r является постоянной величиной. Эта константа и есть индекс рефракции, или показатель преломления, обозначенный v.

Ньютон думал, что частицы света (корпускулы) притягиваются к поверхности плотной среды, Гюйгенс полагал, что преломление возникает вследствие того, что скорость света уменьшается в плотной среде. Эти предположения были высказаны задолго до того, как французский физик Фуко доказал прямыми измерениями, что скорость света в плотной среде действительно уменьшается. Некоторое время считали, что корпускулярная теория света Ньютона совершенно ошибочна и что свет - это только ряды волн, проходящих через среду, эфир; однако начало нынешнего столетия ознаменовалось важным доказательством того, что волновая теория света не объясняет всех световых явлений. Теперь считается, что свет - это и частицы и волны.

Свет состоит из единиц энергии - квантов. Они соединяют в себе свойства и частиц и волн. Коротковолновый свет содержит большее количество волн в каждом пучке, чем длинноволновый. Этот факт находит свое отражение в правиле, согласно которому энергия одного кванта является функцией частоты, иначе говоря, E = hv, где Е - это энергия в эрг/ сек; h - небольшая постоянная величина (константа Планка), а υ частота излучения.

Когда свет преломляется призмой, каждая частота отклоняется под несколько иным углом, так что из призмы пучок света выходит в виде веера лучей, окрашенных во все цвета спектра. Ньютон открыл, что белый свет состоит из всех цветов спектра, разложив солнечный луч на спектр и затем обнаружив, что он может вновь смешать цвета и получить белый свет, если пропускать спектр через вторую сходную призму, установленную в обратном положении.

Ньютон обозначил семь цветов своего спектра следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Никто в действительности не видит синий цвет в чистом виде, еще более сомнителен оранжевый. Подобное деление спектра на цвета объясняется тем, что Ньютон любил число 7, и он добавил оранжевый и синий, чтобы получить магическую цифру!

Теперь мы знаем то, чего не знал Ньютон, а именно, что каждый спектральный цвет, или оттенок, является светом определенной частоты. Мы знаем также, что так называемое электромагнитное излучение, по существу, ничем не отличается от светового. Физическое различие между радиоволнами, инфракрасным светом, видимым светом, ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами состоит в их частоте. Только очень узкий диапазон этих частот возбуждает глаз и дает изображение и ощущение цвета. Диаграмма (рис. 2, 5) показывает, как узка эта полоса в физической картине волн. Взгляните на этот рисунок, ведь мы почти слепы!

Если нам известна скорость света и его частота, то легко подсчитать длину волны, однако в действительности частоту света трудно измерить непосредственно. Легче измерить длину световых волн, чем их частоту, хотя это не относится к низкочастотным радиоволнам. Длина световой волны измеряется путем расщепления света не с помощью призмы, а с помощью специальной решетки из тонких тщательно начерченных по определенным правилам линий, в результате чего также возникают цвета спектра. (Это можно видеть, если держать диск светового поляризатора наклонно, под тупым углом к источнику света: тогда отражение будет состоять из ярких цветов.) Если даны расстояния между линиями, нанесенными по определенному образцу и составляющими решетку, и угол, благодаря которому возникает пучок света данного цвета, то длина волны может быть определена очень точно. Подобным путем можно установить, что голубой свет имеет длину волны приблизительно 1/100 000 см, в то время как длина волны красного света равна 1/175 000 см. Длина световой волны важна для установления границ разрешающей способности оптических инструментов.

Мы не можем невооруженным глазом видеть один квант света, тем не менее рецепторы сетчатки настолько чувствительны, что они могут стимулироваться одним квантом света. Однако, чтобы получить ощущение вспышки света, необходимо несколько (от пяти до восьми) квантов света. Отдельные рецепторы сетчатки настолько чувствительны, насколько это вообще возможно для какого-либо детектора света, поскольку квант - это наименьшее количество лучистой энергии, которое вообще может существовать. К сожалению, прозрачные проводящие среды глаза далеки от совершенства и скрадывают возможности сетчатки воспринимать свет. Только около 10% света, поступающего в глаз, достигают рецепторов, остальное теряется вследствие поглощения и расщепления внутри глаза прежде, чем свет достигнет сетчатки. Несмотря на эти потери, оказывается возможным при идеальных условиях видеть одну свечу на расстоянии 27 353 м.

Идея квантовой природы света имеет важное значение для понимания зрительного восприятия; эта идея вдохновила на ряд изящных экспериментов, направленных на выяснение физических свойств света и его восприятия глазом и мозгом. Первый эксперимент, посвященный изучению квантовой природы света, был проведен тремя физиологами - Гехтом, Шлером и Пиренном в 1942 г. Их работа является сейчас классической. Предполагая, что глаз должен обладать почти или целиком такой же чувствительностью, как это теоретически возможно, они задумали очень остроумный эксперимент, чтобы выяснить, сколько квантов света должно быть воспринято рецепторами, чтобы мы увидели вспышку света. Доказательство основывалось на использовании распределения Пуассона. Оно описывает ожидаемое распределение попаданий в цель. Идея состоит в том, что по крайней мере частично изменения чувствительности глаза во времени связаны не с состоянием самого глаза или нервной системы, а с колебаниями энергии слабого светового источника. Вообразите беспорядочный поток пуль, они не будут попадать в цель с постоянной скоростью, скорость будет варьировать, сходным образом наблюдаются колебания и в количестве квантов света, которые достигают глаза. Данная вспышка может содержать малое или большое число квантов света, и вероятность обнаружить ее будет тем выше, чем больше она превышает среднее число квантов во вспышке. Для яркого света этот эффект несуществен, однако, поскольку глаз чувствителен и к нескольким квантам, колебания энергии света важно учитывать при минимальных величинах этой энергии, необходимых для возникновения ощущения.

Представление о квантовой природе света важно также и для понимания способности глаза выделять тонкие детали. Одна из причин, почему мы можем читать при свете луны только крупный газетный шрифт, состоит в том, что количество квантов, попадающих на сетчатку, недостаточно, чтобы создать полный образ за тот короткий промежуток времени, который требуется глазу, чтобы интегрировать энергию, - это число порядка одной десятой секунды. В действительности это еще не все, что может быть сказано по этому поводу; чисто физический фактор, обусловленный квантовой природой света, способствует появлению хорошо известного зрительного феномена - ухудшению остроты зрения при тусклом свете. До последнего времени это явление трактовалось исключительно как свойство глаза. В самом деле часто довольно трудно установить, следует ли относить тот или иной зрительный феномен к области психологии, физиологии или физики.

Как возникают изображения? Проще всего изображение может быть получено с помощью булавочного отверстия. Рисунок показывает, как это делается. Луч от части предмета х может достигнуть только одной части экрана у - той части, которая расположена на прямой линии, проходящей через булавочное отверстие. Каждая часть предмета освещает соответствующую часть экрана, так что на экране создается перевернутое изображение предмета. Полученное с помощью булавочного отверстия изображение будет довольно тусклым, потому что для четкого изображения нужно еще меньшее отверстие (хотя, если отверстие слишком мало, изображение будет расплывчатым, поскольку нарушается волновая структура света).

Линза фактически представляет собой пару призм. Они направляют поток света от каждой точки объекта к соответствующей точке экрана, давая, таким образом, яркое изображение. В отличие от булавочного отверстия, линзы хорошо работают только тогда, когда соответствующим образом подобраны и правильно установлены. Хрусталик может быть неправильно настроен и не соответствовать глазу, в котором он находится. Хрусталик может фокусировать изображение спереди или сзади сетчатки, вместо того чтобы фокусировать его на самой сетчатке, что приводит к появлению близорукости или дальнозоркости. Поверхность хрусталика может быть недостаточно сферической и вызывать искажение или нарушение четкости изображения. Роговица может быть неправильной формы или иметь изъяны (возможно, вследствие повреждения металлической стружкой на производстве или песчинкой при вождении машины без предохранительных очков). Эти оптические дефекты могут быть скомпенсированы с помощью искусственных линз - очков. Очки исправляют дефекты аккомодации, изменяя силу хрусталика; они корригируют астигматизм, добавляя несферический компонент. Обычные очки не могут исправить дефекты поверхности роговицы, однако, новые роговичные линзы, установленные на самом глазу, образуют новую поверхность роговицы.

Очки удлиняют нашу активную жизнь. С их помощью мы можем читать и выполнять сложную работу в старости. До их изобретения работники умственного и физического труда становились беспомощными вследствие недостатков зрения, хотя они были еще сильны разумом.

Используемая литература: Р. Л. Грегори
Глаз и мозг. Психология зрительного восприятия: Л.Р. Грегори
под ред. Э. Пчелкина, С. Елинсон.-м. 1970 г.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.