12 месяцев назад
Нету коментариев

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».