§7.4 Біофізика зору

Око являє собою центровану оптичну систему, яка складається з де­кількох заломлювальних середовищ, кожне з яких заломлює світлові промені так само, як і тонка збиральна лінза. Розглянемо їхні оптичні властивості.

Рогівка має форму опукло-вгнутої лінзи товщиною 1 мм, радіу­сом кривизни 7—8 мм і показником заломлення п = 1,38. Кришталик — це "жива" двоопукла лінза, яка має різні радіуси кривизни. Радіус кривизни його передньої поверхні дорівнює 10 мм, а задньої ≈ 6 мм, показник заломлення кришталика п = 1,44.

Між рогівкою й кришталиком міститься передня камера ока, яка заповнена прозорою для світла рідиною. Позаду кришталика розташоване склоподібне тіло — прозора драглиста маса, яка заповнює всю решту порожнини очного яблука. Рідина передньої камери ока і склисте тіло за своїми оптичними властивостями близькі до води: показники заломлення в них однакові.

Судинна оболонка очного яблука в передній частині ока переходить у рай­дужну оболонку (у різних людей вона має різну пігментацію). У центрі райдуж­ної оболонки є круглий отвір — зіниця, яка виконує роль апертурної діафрагми. Діаметр зіниці змінюється від 2 до 8 мм залежно від світлового потоку, що падає на сітківку ока.

Рогівка, рідина передньої камери ока, кришталик і склисте тіло утворюють центровану оптичну систему. її головна оп­тична вісь проходить через вершину (геометричний центр) рогівки й оптичний центр кришталика.

Чітке та яскраве зображення предметів на сітківці ока виникає лише в разі дотримання трьох умов, які називають умовами нормального зору:

1. зображення різновіддалених предметів завжди повинно бути на сітківці ока;

2. кут зору повинен бути не меншим від 1' (однієї кутової мінути);

3. розглядуваний предмет повинен бути оптимально освітлений.

Якщо оптична система ока створює зображення предмета трохи далі або ближче від сітківки, то воно "розпливається" перед очима і стає нечітким. При побудові зображень, створюваних лінзою, ми бачили, що коли змінюється відстань а від предмета до оптичного центра лінзи, то при цьому змінюється й відстань від її оптичного центра до зображення. На цьому принципі побудований орган зору в риб: у них кришталик за допомогою м'язів переміщується між передньою й зад­ньою стінками ока.

Це усереднені параметри для нормального ока.

Рисунок 3.10

У людини при зміні відстані а до розглядуваного предмета відстань b від оптичного центра ока до сітківки (глибина очного яблука) залишається сталою, а змінюється оптична сила ока. Коли ми розглядаємо близько розташовані предме­ти, кришталик стає більш випуклим, радіуси кривизни його поверхонь зменшу­ються, тоді, згідно з формулою, його оптична сила збільшується. І навпаки, коли ми розглядаємо віддалені предмети, кришталик стає більш плоским, радіуси кривизни його поверхонь збільшуються, а оптична сила ока зменшується доти, поки зображення предметів, які ми розглядаємо, не опиняться на сітківці ока. Це досягається за рахунок рефлекторного напруження м'язів, які утримують криш­талик усередині очного яблука. Здатність оптичної системи ока створювати на сітківці різке зображення різновіддалених предметів називається акомодацією ока.

За відсутності м'язового зусилля око звичайно акомодоване на нескінченність. Із наближенням предмета акомодація ока поступово збільшується, поки не до­сягне деякого оптимального значення, при якому м'яз, який регулює акомодацію ока, досягає найбільш вигідного енергетичного стану. Відстань до предмета при оптимальній акомодації ока називається відстанню найкращого зору. Для нормаль­ного ока відстань найкращого зору L = 25 см. Запам'ятайте цей важливий пара­метр оптичної системи ока.

Оптична система ока може мати ряд недоліків: астигматизм, короткозорість, далекозорість.

Астигматизм є наслідком неоднакового заломлення променів у вертикальній і горизонтальній площинах рогівки і кришталика. Якщо різниця оптичних сил у відпо­відних площинах перевищує 0,5 дптр, то астигматизм коректується лінзами. Най­простіша така лінза має одну поверхню циліндричну, іншу - сферичну. У нормаль­ному оці при відсутності акомодації зображення предметів формуються на сітківці.

а б

Рисунок 3.11

При короткозорості (міопії) промені, які попадають в око, формують зобра­ження перед сітківкою (рис. 3.11 а). Цей недолік зору корегується розсіювальними (увігнутими) лінзами з оптичною силою D<0 (рис.3.11 б).

При далекозорості зображення лежить поза сітківкою (рис. 3.12 а). Для ко­рекції далекозорого ока застосовують лінзи з оптичною силою D > 0 (рис. 3.12 б).

Може статися так, що в сітківці ока послаблюється чи зовсім випадає сприй­няття одного з основних кольорів, тоді людина перестає розрізняти кольори. Такий недолік ока називається дальтонізмом і тому дальтоніків не допускають до водін­ня транспортом.

Світло, що потрапило в око, фокусується за кришталиком на шар світлочутли­вих клітин сітківки-паличок і колбочок. Палички, їх близько 125-130 млн, знадяться на всій поверхні сітківки і є рецепторами чорно-

білого зору, а колбочки, число яких сягає 6-7 млн, в основному

зосереджені у центральній частині сітківки, в ділянці центральної ямки, і

Рисунок 3.12

реагують на забарвлення предметів.

Чутливість паличок, довжина і діаметр яких відповідно рівні 2 і 60 нм, значно вища, ніж у колбочок, що мають довжину і діаметр відповідно 2 і 10 нм. Палички реагують на світло при освітленості Е 10^-6 Лк, а колбочки - лише при Е >10^-2 Лк. Тому у сутінках навколишній світ сприймається чорно-білим.

Вважають, що для того, щоб спалах точкового червоного джерела світла був сприйнятий оком, молекули сітківки повинні поглинати від 5 до 10 фотонів світла.

Палички і колбочки містять світлочутливі пігменти іодопсин та родопсин, у яких при поглинанні світла виникають і розвиваються фотохімічні реакції, які обу­мовлюють подальшу передачу інформації у мозок.

Зоровий пігмент паличок родопсин (білковий комплекс червоного забарвлен­ня) (рис. 3.13) вмонтований у зовнішні сегменти паличок, які містять стопку пла­ваючих у цитоплазмі органел - світлочутливих дисків.

ретиналь

Рисунок 3.13

Кожен диск завтовшки 20 нм складається з бішаровихліпідних мембран із молекулами білків, які їх пронизують. Світло з різною довжиною хвиль послаблюється неоднаково при проходженні через стопку дисків кожної палички і колбочки.

, %

1 00

80

60

40

20-

510 550 , нм

Рисунок 3.14

Із видимої частини спектра електромагнітних хвиль (3 80-760 нм) око найчутливіше до зеленого світла ( = 555нм).

На рис. 3.14 показані криві чутливості ока до денного А та сутінкового В світла