Sorry, this entry is only available in
Russian
На жаль, цей запис доступний тільки на
Russian.
К сожалению, эта запись доступна только на
Russian.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

С древнейших времен и до наших дней оптика и зре­ние как естественнонаучные проблемы неразрывно свя­заны.

На заре культуры человечества возникла геометриче­ская, или лучевая, оптика. Она была призвана объяс­нить законы распространения света и построения изоб­ражений при помощи приборов. Глаз — не что иное, как «живой» оптический прибор. В обычном оптическом приборе линза переворачивает изображение. Ошибка Леонардо да Винчи, пытавшегося понять, как работает глаз, была типичной и для его предшественников — считалось необходимым применить законы геометриче­ской оптики для объяснения неперевернутости изобра­жения. Гений Иоганна Кеплера позволил взглянуть на глаз как на оптический прибор, подобный любому дру­гому. И тогда, решив оптическую задачу известными до него способами, Кеплер пришел к единственно правиль­ному решению — изображение на сетчатке переверну­тое и уменьшенное. При этом он совершенно сознатель­но оставил в стороне вопрос, почему мир воспринимает­ся глазом неперевернутым: «Я оставил его натурфилосо­фии». Естественно, в стороне остались и многие другие вопросы, на которые невозможно было ответить в то время.

Глаз — действительно сложная оптическая система; состоит она из роговицы, влаги передней камеры глаза, хрусталика и стекловидного тела. В отличие от оптики фотоаппарата, микроскопа или телескопа биологическая оптическая система сама оказывается небезразличной к лучам света, которые через нее проходят и которые она фокусирует. На смену геометрической оптике здесь приходит физическая оптика, изучающая взаимодейст­вия света с веществом, приходит тесно связанная с физической оптикой фотохимия. Проблему коррекции опти­ческих дефектов глаза успешно разрешают с помощью различного рода очков. Но как предотвратить наруше­ния в глазе, вызываемые самим светом? В результате взаимодействия света, например, с белками хрусталика оптическая система глаза может иногда превратиться в неоптическую, т. е. непрозрачную.

Термин «физическая оптика» был предложен в на­чале XIX в. Томасом Юнгом — медиком по образова­нию, открывшем явление интерференции, создавшем теорию дифракции, волновую теорию света. Т. Юнг — первый в современном понимании биофизик, соединив­ший физику и физиологию, предложивший гипотезу о трехкомпонентности цветного зрения.

Итак, физическая оптика, природа света! Наши со­временные представления о механизмах первичных про­цессов зрения — о фоторецепции, наши надежды на создание эффективных оптических и химических средств защиты глаза от повреждающего действия света прямо связаны с фундаментальными знаниями в области фото­физики и фотохимии.

Глубокое проникновение во внутренний мир химиче­ских явлений стало возможным в начале нашего столе­тия благодаря новым идеям в области теоретической и экспериментальной физики, благодаря великим откры­тиям в области строения атома и природы химической связи в молекулах. Вполне закономерным можно счи­тать поэтому формирование более полувека назад новой области естествознания — химической физики. Как это обычно и бывает, новая научная область возникла и стала развиваться одновременно в различных странах мира. Первостепенен вклад советских ученых в станов­ление и развитие этой науки. Химическая физика в со­временном понимании представляет собой физические основы химии и включает теорию строения вещества и учение о химических превращениях (химическую кине­тику). Именно химическая кинетика — учение о хими­ческом процессе, его механизме и закономерностях про­текания во времени — оказывает в настоящее время ог­ромное влияние на развитие биологии.

Все большие права гражданства приобретает кине­тика биологических процессов, поскольку знание молекулярных механизмов и объективных количественных закономерностей развития биологических процессов во зремени — необходимое условие дальнейшего прогрес­са в биологии и медицине.

За последние четверть века эти положения стали на­столько очевидными, что сейчас во многих странах мира ученые различных специальностей — математики, фи­зики, химики, биологи и врачи — работают над реше­нием биологических и медицинских проблем. Зрение как биологическая и медицинская проблема — один из са­мых ярких тому примеров. Зрение и фотосинтез — два основных естественных биологических процесса, в ко­торых используется энергия поглощенного солнечного света. Сама природа этих фотобиологических явлений определяет научный подход к их изучению — это комп­лексность, междисциплинарность. Расшифровка цепочки: свет —» фотофизический процесс —» фотохимическая реакция —» биохимические и физиологические процес­сы (нормальные или патологические) с неизбежностью требует усилий триумвирата наук — физики, химии и биологии.

Рассмотрим с позиций современной химической фи­зики, с позиций кинетики фотохимических и фотобиоло­гических процессов эту цепочку, начинающуюся со света и заканчивающуюся зрением, а точнее, возникновением зрительного (нервного) возбуждения, или фоторецепторного сигнала. Иногда свет становится причиной разви­тия патологического процесса в глазу — фотоповреж­дения. Двойственная природа света (волновая и корпу­скулярная) — основное положение физической оптики. Видимый свет — это световые волны, которые пропу­скает оптическая система глаза и которые поглощаются молекулами зрительного пигмента в палочках и колбоч­ках сетчатки. Мир прекрасен, потому что колбочки трех типов — «синие», «зеленые», «красные» — позволяют нам воспринимать все многообразие цветов. В то же время свет можно рассматривать как поток частиц или световых квантов, несущих определенное количество энергии и обладающих определенной массой. Луч све­та — не волна и не поток частиц, это то и другое одно­временно. Как теперь твердо установлено, зрительная клетка в глазах позвоночных и беспозвоночных живот­ных, в том числе, естественно, и палочка (фоторецепторная клетка в сетчатке глаза человека), — это «живой» биологический счетчик единичных световых квантов (фотонов) (), Палочки обеспечивают наше ночное (сумереч­ное) зрение.

Заслуга в определении абсолютной световой чувст­вительности глаза принадлежит в основном С. И. Ва­вилову и американскому физиологу Селигу Хехту. Абсо­лютная световая чувствительность глаза, грамотнее ска­зать, зрительной системы (глаза и мозга), определяется тем наименьшим количеством световой энергии, которая вызывает ощущение света. Человеческий глаз в условиях полной темновой адаптации, т. е. достаточно долго находившийся в темноте, способен на темном ноч­ном небе видеть звезды шестой величины, а в некото­рых специально созданных ситуациях даже более сла­бые звезды — седьмой и восьмой величины. Их свет со­ставляет примерно 10-12—10-14 полного солнечного све­та. Иными словами, зрительная система способна рабо­тать в диапазоне освещенностей 10—12 логарифмиче­ских единиц. Это огромный диапазон!

Экспериментально определенный порог световой чув­ствительности составляет 4—7•10-10 эрг/с; это минималь­ный поток световой энергии от точечного источника, па­дающий на роговицу глаза и воспринимаемый Мозгом. В пересчете для длины волны 507 нм эта пороговая энергия соответствует 50—150 квантам. Около полови­ны этой энергии теряется на пути к сетчатке за счет отражения от роговицы и поглощения в оптических сре­дах глаза. Следовательно, до сетчатки доходит лишь 25—75 квантов. Из них фоторецепторными клетками эф­фективно поглощается около 15%. Остальные 85% — это «лишние» кванты, они проходят через сетчатку и поглощаются в черном пигментном эпителии — в тон­ком черном слое, подстилающем сетчатку на дне глаз­ного бокала. Итак, при пороговых интенсивностях всего 5—15 световых квантов при длине волны 307 нм погло­щаются молекулами зрительного пигмента в фоторецепторных клетках сетчатки — палочках.

Пороговое число квантов света, необходимых для возникновения светового ощущения, С. И. Вавилов и С. Хехт определяли различными способами. По Вавилову, оно равно 8, по Хехту — 5—8. Работы Хехта и его сотрудников до сих пор широко цитируются. К сожале­нию, классические, как мы теперь понимаем, результа­ты экспериментов Вавилова, опубликованные им в 1936г. в трудах I конференции по физиологической оптике, в организации которой он принимал самое деятельное участие, за рубежом практически не известны. Пытаясь донести до читателя представление о квантовой приро­де света и о квантовом пороге зрения, Вавилов писал: «…мгновенно глаз в состоянии зрительно почувствовать очень небольшое число квантов, т. е. близок по своим свойствам к идеальному прибору в смысле чув­ствительности. Пользуясь этим, можно глазом обнару­жить прерывистое, квантовое строение света…», и далее: «…глаз, таким образом, действительно «воочию» позво­ляет убедиться в квантовой, прерывистой структуре све­та. Замечательно, что таким способом определяется не чувствительность глаза как целого, а чувствительность только последних клеток (палочек), ответственных за зрительное возбуждение… Отдельные кванты стали в буквальном смысле слова видимыми» (Вавилов С, И. Глаз и Солнце. М., Изд-во АН СССР, 1950, с. 99).

Вавилов подчеркнул важнейшее обстоятельство: ве­личины порогов для возникновения светового ощуще­ния (т. е. для работы зрительной системы) и для воз­буждения отдельной фоторецепторной клетки сущест­венно различаются. Для возникновения нервного (ре­цепторного) сигнала палочке достаточно одного кванта. Квант в палочке поглощается одной из 109 молекул ро­допсина. Это значит, что палочка должна каким-то об­разом «узнать» одну обесцвеченную молекулу родопси­на из 109 необеспеченных и ответить на это единичное фотособытие возникновением электрического (рецепторного, нервного) сигнала. В современных электрофизиоло­гических исследованиях при введении тончайшего мик­роэлектрода внутрь палочки или «надевании» микропи­петки на палочку удалось непосредственно зарегистри­ровать электрический сигнал, возникающий при погло­щении одного кванта видимого света.

Как сейчас становится ясно, в зрительной клетке су­ществует сложный механизм усиления слабого светового стимула, точнее, даже не усиления, а размножения, который можно уподобить цепной лавине. В результате в рецепторной клетке возникает вполне измеримый элек­трический потенциал — около 25 мкВ. Это и есть фоторецепторный (нервный) сигнал, который передается за­тем через синапс (место контакта двух нервных кле­ток) к следующей (биполярной) нервной клетке сетчат­ки. Сигналы от нескольких палочек, суммируясь на би­полярной клетке, способны пройти дальше, к ганглиоз­ной клетке сетчатки, а по ее длинному отростку — ак­сону, или волокну зрительного нерва, в мозг. Вот тогда и возникает субъективное ощущение слабой световой вспышки, которая была предметом психофизиологиче­ских наблюдений Вавилова и Хехта.

Один квант — одна молекула родопсина — одна па­лочка. В ходе биологической эволюции зрительная клет­ка достигла, таким образом, предела световой чувстви­тельности, допускаемого квантовой теорией. Каковы фи­зические характеристики светового кванта видимой об­ласти спектра?

Макс Планк пришел к открытию квантовой теории в 1900 г., анализируя экспериментальные кривые распре­деления лучистой энергии в зависимости от волны излу­чения. Одна из этих кривых представляла собой излу­чение поверхности Солнца. Наибольшая энергия на этой кривой излучения твердого тела при температуре 6000 К приходится на излучение как раз в видимой области спектра. Объективный физический факт — 6000 К на поверхности Солнца — объясняет «солнечность» глаза. В ходе эволюции глаза живущих на поверхности Зем­ли (именно на суше, а не в воде) позвоночных и беспо­звоночных животных в зрительных клетках сформиро­вались зрительные пигменты, молекулы которых эффек­тивно поглощают свет в видимой области спектра. Ина­че и быть не могло. Солнце «создало» зрительные пи­гменты согласно своему спектру испускания. Их хими­ческая структура могла бы стать и иной, не такой, какой она возникла на самых ранних этапах биохимической эволюции животного мира. Важно, что для достижения максимальной, предельной световой чувствительности глазу необходимо было иметь окрашенное вещество, эф­фективно поглощающее те фотоны, наибольшее количе­ство которых испускается Солнцем. Поэтому именно эта .часть шкалы электромагнитных излучений «видимая».