О зрении

I.
Введение:
Квантовая теория началась от гипотезы Планка, согласно которой атомы
и молекулы излучают и поглощают энергию не непрерывным потоком, а
отдельными порциями – квантами. Дальнейшее развитие этой теории связано
с именами Резерфорда и Бора. Понятие о квантах мало применяется при
объяснении явлений на уроках химии и биологии, да и на уроках физики
используется не часто – фотоэффект, давление света, фотография…
А квантовые представления являются основой объяснения многих
явлений в современной научной картине мира. Мы рассмотрим
использование квантовой теории при объяснении некоторых физических,
химических и биологических явлений.
II.
О зрении.
Посредством зрения мы получаем около 90% информации о мире.
Поэтому вопрос о механизме зрения интересовал человека всегда. Демокрит
учил: «Видим мы оттого, что в нас попадают и остаются там видности». Для
нас эти «видности» - кванты света. Атомисты под ними понимали другое.
Например, Эпикур считал, что от светящихся и освещенных тел постоянно
отделяются тончайшие пленки, «слепки», летящие во всех направлениях и
попадающие в глаза.
А в чем заключается процесс видения мира? Первая стадия этого
процесса – получение изображения предмета на сетчатке, что достигается
при помощи оптической системы глаза. (Слайд №3) При
более
внимательном рассмотрении этой системы мы увидим, что «объектив»
нашего глаза состоит из двух частей: роговицы 1, обладающей неизменным
фокусным расстоянием, и хрусталика 3, изменяющего свою кривизну –
автоматически
устанавливающегося
на
резкое
изображение
рассматриваемого предмета. Хрусталик выполняет также и роль
светофильтра: он не пропускает ультрафиолетовые лучи, которые могли бы
повредить сетчатку 4. Роль диафрагмы в глазу играет радужная оболочка 2 –
зрачок в зависимости от освещенности меняет диаметр от 2 до 8 мм.
Пигментный эпителий, расположенный за сетчаткой, поглощает свет, чтобы
уменьшить его рассеивание, что могло бы ухудшить резкость изображения.
Оптические приборы с этой же целью изнутри зачерняют. Глаз обладает
постоянным временем экспозиции – 0,1 с. Все фотоны, попавшие в глаз за
это время, воспринимаются им как одновременные. Оптическая часть глаза
дает четкое изображение рассматриваемого предмета на «фотопленке» сетчатке глаза. Как же оно «проявляется»? Как происходит вторая стадия
видения: преобразование энергии электромагнитных излучений в другие
виды энергии, перевод на «язык», дающий организму представление о мире?
Рассмотрим строение сетчатки. ( Слайд №4). Сетчатка состоит из слоя
рецепторов 1 и нескольких слоев других клеток. Рецепторы – это колбочки и
палочки, расположенные на стороне, прилегающей к глазному дну. Нижние
части колбочек и палочек имеют строение обычной клетки, фоторецептором
у них служит наружный сегмент. У колбочек наружная мембрана образует
складки, в палочках эти складки по мере развития разделяются от наружной
мембраны, образуя замкнутые мешочки – диски.
Колбочки – «инструмент» цветного зрения; они бывают трех сортов:
«синие» с максимумом спектра поглощения, приходящимся на длину волны
450 нм, «зеленые» (530 нм) и «желтые» (570 нм). Максимум спектра
поглощения у палочек приходится на длину волны 500 нм, палочки
обеспечивают черно-белое зрение. Палочки и колбочки содержат молекулы
зрительного пигмента, которые находятся в наружных сегментах.
Палочек в сетчатке находится больше, чем колбочек (120·106 и 6 – 7·106
соответственно). Распределение палочек и колбочек тоже не одинаково.
Тонкие, вытянутые палочки (размеры 50×3 мкм) равномерно распределены
по всей сетчатке, кроме центральной ямки, где преобладают удлиненные
конические колбочки (60×1,5 мкм). Так как в центральной ямке колбочки
очень плотно упакованы (15·104 на 1 мм2), этот участок отличается высокой
остротой зрения. В то же время палочки обладают большей
чувствительностью к свету и реагируют на более слабое освещение. Палочки
содержат только один зрительный пигмент, не способны различать цвета и
используются преимущественно в ночном зрении. Колбочки содержат три
зрительных пигмента, и это позволяет им воспринимать цвет; они
используются главным образом при дневном свете. Палочковое зрение
отличается меньшей остротой, так как палочки расположены менее плотно и
сигналы от них подвергаются конвергенции, но именно это обеспечивает
высокую чувствительность, необходимую для ночного зрения.
Палочки
содержат
светочувствительный
пигмент
родопсин,
находящийся на наружной поверхности мембранных дисков. Родопсин или
зрительный пурпур, представляет собой сложную молекулу, образующуюся в
результате обратимого связывания липопротеина скотопсина с небольшой
молекулой поглощающего свет каротиноида – ретиналя. Последний
представляет собой альдегидную форму витамина А и может существовать (в
зависимости от освещения) в виде двух изомеров (Слайд№5)
Установлено, что при воздействии света на родопсин один фотон
способен вызывать изомеризацию, показанную на рисунке. Ретиналь играет
роль простетической группы, и полагают, что он занимает определенный
участок на поверхности молекулы скотопсина и блокирует реактивные
группы, участвующие в генерации электрической активности в палочках.
Точный механизм фоторецепции пока неизвестен, но предполагается, что он
включает два процесса. Первый из них – это превращение 11-цис-ретинала в
полностью-транс-ретиналь под действием света, а второй – расщепление
родопсина через ряд промежуточных продуктов на ретиналь и скотопсин
(процесс, называемый выцветанием):
етание


 Ретиналь+Скотопсин.
Родопсин Выцв
После прекращения воздействия света родопсин тотчас же
ресинтезируется. Вначале полностью-транс-ретиналь при участии фермента
ретиналь-изомеразы превращается в 11-цис-ретиналь, а затем последний
соединяется со скотопсином. Этот процесс лежит в основе темновой
адаптации. В полной темноте требуется около 30 минут, чтобы все палочки
адаптировались и глаза приобрели максимальную чувствительность. Однако
во время этого процесса проницаемость мембраны наружного сигмента для
Na+ уменьшается, в то время как внутренний сегмент продолжает откачивать
ионы Na+ наружу, и в результате внутри палочки возрастает отрицательный
потенциал, т. е. происходит гиперполяризация (Слайд№6).Это прямо
противоположно тому, что обычно наблюдается в других рецепторных
клетках, где раздражение вызывает деполяризацию, а не гиперполяризацию.
Гиперполяризация замедляет высвобождение из палочек возбуждающего
медиатора, который в темноте выделяется в наибольшем количестве.
Биполярные клетки, связанные через синапсы с палочками, тоже отвечают
гиперполяризацией, но в ганглиозных клетках, аксоны которых образуют
зрительный нерв, в ответ на сигнал от биполярной клетки возникает
распространяющийся потенциал действия.