Биофизика зрительного восприятия

Видимый свет

Зрительный аппарат представляет собой устройство, в котором световая энергия, получаемая светочувствительными элементами (фоторецепторными клетками), преобразуется в энергию электрических импульсов, распространяющихся по зрительному нерву от органа зрения к центральной нервной системе. Чувствительность фоторецепторных клеток настолько велика, что энергия воспринимаемого ими света оказывается значительно меньше энергии потенциала действия в нервном аксоне. Это говорит о том, что между поглощением света и образованием нервного импульса происходят процессы, которые усиливают световую энергию наподобие релейных систем в электрических цепях.

Исследование энергетики зрительного восприятия показало, что свет как бы включает определенную цепь биохимических реакций, энергия которых обеспечивает образование потенциала действия в рецепторных клетках (рецепторного потенциала). Глаза позвоночных и в особенности глаз человека – вершина эволюционного развития органа зрения. Глаз не только позволяет воспринимать электромагнитные волны как свет, но и различать отдельные длины волн как мельчайшие оттенки цветов, получать изображения предметов, удаленных на разные расстояния, может адаптироваться к меняющимся в широких пределах интенсивностям света, создавать объемное изображение.

Однако всего этого природа достигла не сразу. Даже у простейших одноклеточных, например у жгутиковых (рис.а), имеется капелька светочувствительного пигмента С и концентрирующая на них свет линза Л – крупинка крахмала или жировая капелька. Поскольку размеры линзы в данном случае составляют доли микрона, то на ней происходит сильная дифракция, и изображение получиться не может. Такое устройство в состоянии лишь определять направление, откуда действует источник света, и вызывать реакцию на изменение освещенности (фототаксис).

У дождевого червя (рис.б) уже имеются специализированные светочувствительные клетки, разбросанные по его наружным покровам, но отсутствуют какие-либо фокусирующие приспособления. Поэтому дождевой червь, так же как и одноклеточные, может лишь отличать свет от темноты. Более совершенным устройством обладают некоторые моллюски (рис.в), у которых на поверхности тела в эпидермисе имеются углубления, позволяющие в какой-то степени определять направление падающего света. Расширение внутренней полости и сужение входного отверстия привело к образованию своеобразной камеры – обскуры, примитивного «глаза» (рис.г), в котором на светочувствительном слое С получается, хотя и грубое, но все же изображение предмета. Такие глаза имеются у некоторых моллюсков и кольчатых червей. У скорпиона (рис.д) комбинация углубления в эпидермисе с линзой уже представляет собой прообраз глаза позвоночных. Линза, однако, слишком близко подходит к сетчатке и не может образовать четкого изображения. В глазу улитки расстояние между линзой и светочувствительным слоем увеличено и заполнено прозрачной жидкостью, способствующей фокусировке изображения (рис.е).

Особняком стоит фасеточный глаз насекомых и ракообразных (рис.ж). Фасеточный глаз (фр. facette – грань) состоит из большого количества тесно прилегающих друг к другу боковыми гранями пустотелых пирамидок – омматидиев (греч. омма – глаз), в вершине которых находятся светочувствительные элементы, 8–9 зрительных палочек, а в основании расположена двояковыпуклая роговичная линза, фокусирующая свет на зрительные палочки. Иногда одна линза приходится на несколько омматидиев, число которых в глазу различно: от 100 у рабочего муравья до 28 000 у стрекозы. Стенки омматидиев покрыты темным эпителиальным слоем для предотвращения многократного отражения света внутри пирамидки. В каждый омматидий попадает узкий пучок света, и в результате на сетчатке от нескольких омматидиев формируется мозаичное изображение предмета, по которому насекомое может оценить форму предмета, хотя и очень приблизительно, так как оптические оси омматидиев расходятся под углами от 1 до 8°. Преимущество фасеточного глаза в том, что два таких глаза обеспечивают практически круговой обзор, который не может осуществлять зрительная система других животных и птиц. Кроме того, такой глаз позволяет определять направление движения и оценивать скорость перемещения наблюдаемого предмета.

Анатомические подробности строения глаза позвоночных и геометрическая оптика глаза в данном пособии не приводятся, так как эти вопросы достаточно подробно рассматриваются в учебниках физики и физиологии.

Свет, попадающий в глаз, фокусируется оптической системой глаза на сетчатке, покрывающей внутреннюю полусферу глазного яблока. Поглощение света и образование нервных импульсов, формирующих в ЦНС ощущение света, происходит в сетчатке, представляющей собой многослойную клеточную систему (рис.), светочувствительные элементы которой – палочки и колбочки – получили название в связи с их специфической формой. Палочки находятся на всей поверхности сетчатки и служат рецепторами черно-белого зрения, а колбочки в основном сконцентрированы в центральной части сетчатки в области желтого пятна и ответственны за цветное зрение. Колбочки сосредоточены в центре сетчатки потому, что цветовое зрение осуществляется в условиях яркого освещения при суженном зрачке, пропускающем пучок света в основном на центральную часть сетчатки. Наличие их на периферии сетчатки было бы нецелесообразным.

Чувствительность палочек значительно выше, чем колбочек, которые функционируют лишь при освещенностях выше 10^–2 лк, тогда как палочки реагируют на свет даже при освещенности до 10^–6 лк. В этом легко убедиться в сумерках, когда нам кажется, что все предметы теряют свою окраску. Восприятие света, так же как и восприятие звука, подчиняется закону Вебера – Фехнера, согласно которому при не очень малых и не слишком сильных интенсивностях света прирост силы светового ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых световых потоков.

Строение палочек и колбочек у всех позвоночных сходно, и они различаются в основном размерами. Так, диаметр и длина палочек у человека 2 и 60 мкм, у лягушки – 6 и бО мкм, у быка – 2 и 10 мкм. Диаметр и длина колбочек у человека 6 и 30 мкм. Количество палочек в сетчатке человека 125–130 млн, колбочек – 6–7 млн. К сетчатке подходит зрительный нерв сечением примерно 4 мм², который разветвляется приблизительно на миллион нервных волокон. Импульсы, генерируемые некоторым количеством фоторецепторных клеток, суммируются ганглиозными клетками, которые служат непосредственным источником импульсов, поступающих в аксоны зрительного нерва, передающими их в закодированном виде в ЦНС. Таким образом, в сетчатке происходит интегрирующее взаимодействие огромного количества импульсов, сходное с тем, что имеет место в ЭВМ, однако механизм этого процесса нам пока что неизвестен.

Всего в сетчатке человеческого глаза 10 слоев. Фоторецепторные клетки находятся в заднем слое сетчатки, упираясь своими светочувствительными сегментами в поглощающий фотоны слой окрашенных темным пигментом эпителиальных клеток, примыкающих к сосудистой оболочке. Именно на поверхности эпителиального слоя формируется оптическое изображение. Казалось бы более естественным направление палочек и колбочек к источнику света, т. е. к зрачку, однако подобное их расположение, очевидно, лучше охраняет самые чувствительные в организме клетки от возможных внешних воздействий и, кроме того, предотвращает попадание в них фотонов, отраженных и рассеянных другими участками глаза, а это улучшает остроту зрения. Для того чтобы попасть в фоторецепторы, свету приходится предварительно проходить через слои нервных клеток, что, однако, не снижает чувствительности глаза, так как эти клетки прозрачны для видимого света.

Фоторецепторы представляют собой своеобразные трансформаторы, преобразующие световую энергию в электрическую с коэффициентом усиления 10⁵–10⁶. Такое большое усиление позволяет даже единичным фотонам создавать нервный импульс и соответственно световое ощущение. Возможность восприятия глазом квантовых флуктуации при очень малых (пороговых) интенсивностях света была продемонстрирована в 1933 г. С. И. Вавиловым. Последующие исследования показали, что минимальное количество света, которое должно падать на поверхность глаза для создания светового ощущения, составляет от 60 до 150 фотонов сине-зеленого света. До сетчатки доходит еще меньше фотонов. Примерно 4% их отражается от роговицы, около 50% поглощается хрусталиком, стекловидным телом, слоями нервных клеток в сетчатке, еще около 40% проходит сквозь сетчатку и поглощается в пигментном эпителии. Таким образом, на долю фоторецепторов остается всего несколько процентов от числа фотонов, падающих на роговицу. Сравнительно недавние измерения показали, что порог чувствительности глаза, адаптированного к темноте, для длины волны 491 нм составляет всего 2–3 фотона. Таким образом, глаз можно считать одним из чувствительнейших приборов, работающих вблизи физического предела измерений.

На рис. показаны в разрезе схемы палочки и колбочки. Внешняя часть их, или внешний сегмент, содержит стопку плавающих в цитоплазме внутриклеточных органелл – светочувствительных дисков, в которых локализованы зрительные пигменты. Поскольку фотохимическая реакция начинается с поглощения света, очевидно, что эти диски должны быть непрозрачными для света. Молекулы зрительных пигментов имеют такое строение и такое расположение энергетических уровней, которые позволяют им наиболее эффективно поглощать фотоны в видимом участке спектра. В то же время молекулы пигментов входят в состав мембран палочек и колбочек, что обеспечивает превращение энергии света в энергию рецепторного потенциала, возникающего в этих клетках.

Каждый диск толщиной примерно 20 нм состоит из бислойных липидных мембран с пронизывающими их молекулами белков (рис.). Например, мембраны палочек коровы содержат 60% белка и 40% липидов, причем на долю зрительного пигмента приходится около 80% от общего количества белка. Белки в фоторецепторах непрерывно обновляются, испытывают конформационные перестройки и могут легко диффундировать в липидном слое мембраны, вязкость которого очень мала (менее 0,1 Па·с). Имеется несколько моделей строения фоторецепторных мембран, детали которых мы не рассматриваем. Количество дисков в каждом фоторецепторе различно (у быка–200, у лягушки– 1000–1500), и располагаются они во внешнем сегменте клетки, а в основном ее теле находятся остальные органеллы – ядро, митохондрии и др. Внешний сегмент соединен с основным телом клетки тонкой перемычкой: внутри нее проходят соединительные жгутики, по которым •осуществляется обмен веществ между сегментом и основной частью клетки. Большое количество дисков в стопке увеличивает общую светочувствительную поверхность фоторецепторной клетки, что повышает вероятность поглощения ею фотона.

Зрительные диски образуются на протяжении всей жизни организма. Они постепенно перемещаются по сегменту и на самом конце отделяются, после чего поглощаются клетками пигментного эпителия и разрушаются. Так, у крыс вся стопка дисков полностью обновляется за 2–3 нед.

Механизм возникновения фоторецепторного потенциала сходен с описанным в главе IV механизмом образования потенциала действия в нервном аксоне, однако в данном случае роль ионов, участвующих в образовании потенциала действия, несколько иная. В отсутствии светового раздражителя проницаемость мембраны для ионов натрия значительно превышает величины проницаемости для других ионов, а концентрация ионов натрия внутри диска выше, чем его концентрация в окружающей диски цитоплазме. Причина этого в том, что диски образованы вдавливанием внутрь внешнего сегмента его клеточной мембраны, в результате чего внутренние объемы дисков являются как бы замкнутыми и отделенными от нее участками внешней среды с большой концентрацией ионов натрия. Напротив, внешней по отношению к внутридисковой среде оказывается цитоплазма клетки, богатая калием. И иными словами, в зрительном диске имеет место обращенное по сравнению с аксонами соотношение между концентрациями ионов калия и натрия. Поскольку проницаемость для ионов натрия дисковой мембраны мала, то из диска в цитоплазму клетки по электрохимическому градиенту идет поток ионов натрия, которые затем пассивно диффундируют через соединительную перемычку в основное тело клетки. Отсюда ионы натрия перекачиваются во внешнюю среду с помощью фермента АТФ-азы за счет энергии АТФ, вырабатываемой митохондриями, скопление которых имеется как раз рядом с перемычкой.

Когда под действием света происходит распад светочувствительных пигментов, проницаемость дисковой мембраны для натрия резко падает, тогда как проницаемость ее для других ионов остается прежней. В этих условиях основную роль начинают играть ионы калия, полярность цитоплазмы меняется и возникает потенциал действия. Опыты показывают, что палочка может быть возбуждена одним единственным фотоном. Согласно законам фотохимии, один фотон может вызвать энергетический переход только одного электрона и соответственно перестройку только одной молекулы (в данном случае, молекулы светочувствительного пигмента), а таких молекул в палочке находится около 10⁹. Таким образом, светочувствительность палочки необычайно велика.

В зрительных дисках позвоночных обнаружены четыре светочувствительных пигмента: родопсин (у человека, сухопутных и морских животных) и порфиропсин (у пресноводных позвоночных) – в палочках; йодопсин и цианопсин – в колбочках. В настоящее время наиболее изучен родопсин. Это белковый комплекс с относительной молекулярной массой около 40 000, красного цвета, выцветающий при освещении. Йодопсин – аналогичный комплекс, имеющий фиолетовую окраску. Скорость распада йодопсина на свету значительно меньше, чем скорость распада родопсина, в связи с чем чувствительность колбочек к свету меньше, чем у палочек. Максимум поглощения света родопсином приходится на длину волны 500 нм, а йодопсина – на 562 нм. Все светочувствительные пигменты являются хромопротеидами, состоят из хромофора ретиналя и одной из разновидностей белка опсина, содержащего от 235 до 400 аминокислот; отличаются они друг от друга своей белковой частью.

В 1933 г. Уолд обнаружил в зрительном пигменте витамин A₁, или ретиноль.

Эта молекула представляет собой почти не измененную половину молекулы каротина, а каротиноиды служат источником витамина А. Если с пищей в организм поступает недостаточное количество витамина А, то нарушается процесс синтеза зрительных пигментов, что проявляется ухудшением зрения, сумеречной, так называемой «куриной слепотой».

Ретинол – это спирт. В фоторецепторах на ретинол действует алкогольдегидрогеназа (АДГ), в результате чего ретинол превращается в ретинальальдегид, или ретиналь_ь в котором молекула заканчивается не группой СН₂ОН, а группой СН = О .

Ретиналь может находиться в двух изомерных конфигурациях: цис- или транс-конфигурации. Поворот группы атомов происходит относительно оси молекулы и начинается с 11-го атома углерода, поэтому изомер называют 11-цис-ретиналем. Изомер, изображенный в предыдущей формуле, называют транс-ретиналем. Структурная формула 11-цис-ретиналя имеет следующий вид. В темноте 11-цис-ретиналь образует комплекс с опсином, однако при освещении он переходит в более устойчивую транс-форму, которая отщепляется от опсина. Разрыв связи между опсином и ретиналем в молекуле родопсина и приводит к его обесцвечиванию.

Как было показано выше, молекулы зрительных пигментов; вкраплены в липидный слой мембраны зрительных дисков. На поверхности каждого диска в зрительной палочке содержится .до 30 000 молекул родопсина. Вероятность поглощения фотона молекулой родопсина пропорциональна косинусу угла между вектором напряженности электрического поля фотона Е и электрической осью молекулы. Вероятность поглощения максимальна в том случае, когда вектор напряженности Е совпадает по направлению с электрической осью родопсина. Напротив, если они взаимно перпендикулярны, то фотон не поглощается молекулой даже при прямом их соударении. Поскольку естественный свет неполяризован, т. е. электрические векторы падающих на диск фотонов имеют любые направления, то для восприятия света необходимо, чтобы молекулы родопсина были разбросаны по поверхности диска так, чтобы их электрические оси находились друг по отношению к другу под любыми углами в пределах от 0 до 2p. Если бы электрические оси молекул были параллельны друг другу, то они, наподобие поляроида, выделяли бы из естественного света в соответствии с законом Малюса лишь половину интенсивности падающего света. Кроме того, электрические оси молекул родопсина, расположенных на поверхности зрительного диска, находятся всегда в плоскости, перпендикулярной направлению света, падающего от зрачка на сетчатку, т.е. в плоскости, в которой колеблется вектор Е, а это также увеличивает вероятность поглощения фотонов. Интересно, что некоторые люди мо гут в небольшой степени отличать поляризованный свет от неполяризованного. Возможно, у них на поверхности зрительных дисков имеется некоторая упорядоченность молекул родопсина.

Каким же образом распад молекул родопсина и других зрительных пигментов приводит к появлению рецепторного потенциала? К сожалению, механизм этого явления в настоящее время еще не выяснен до конца, и в частности, потому, что структура молекулы опсина, а следовательно, и всех хромопротеидов и их превращения изучены пока недостаточно. Одна из теорий предполагает, что отщепившийся от опсина транс-ретиналь вступает в реакцию с положительно заряженными аминогруппами фосфолипидов мембраны зрительных дисков, что и приводит к изменению их проницаемости для ионов натрия и калия. Переход ретиналя в цисформу и воссоединение его с опсином приводит к восстановлению бывших до освещения ионных градиентов. Не исключено, что изменение проницаемости мембраны может быть обусловлено конформационными изменениями вкрапленных в нее молекул опсина после отщепления от них ретиналя. Все эти вопросы, возможно, найдут свое разрешение, когда будет разработана, квантовая химия хромопротеидов. Механизм возникновения рецепторных потенциалов является в настоящее время предметом тщательного изучения в биофизике органов чувств.

Полихроматическое зрение обусловлено деятельностью колбочек. Согласно теории цветного зрения Юнга – Гельмгольца, существуют три типа колбочек с различными кривыми спектральной чувствительности. Каждый тип колбочек создает ощущение только одного цвета – красного, зеленого или синего. При одновременном возбуждении рецепторов в мозг поступают сигналы различной интенсивности, которые создают ощущение промежуточных цветов. Все многообразие цветовых ощущений определяется соотношением между числом импульсов, посылаемых возбужденными колбочками. Морфологических различий между тремя видами колбочек не обнаружено, но наличие в одной сетчатке разных по цветочувствительности колбочек у позвоночных, птиц и насекомых было экспериментально доказано. Поскольку структура и свойства ретиналя остаются неизменными, очевидно, что цветочувствительность разных пигментов связана с изменениями структуры опсина. Родопсины человека имеют максимумы чувствительности для длин волн 440, 540 и 590 нм.

Помимо человека, цветным зрением обладают и другие позвоночные, но спектральные характеристики глаз животных и человека, как правило, не совпадают. Так, лошади, овцы и свиньи различают лишь красный и зеленый цвета. Животные, ведущие сумеречный и ночной образ жизни (волки, кошки), не нуждаются в аппарате цветного зрения, и поэтому в их глазах колбочки отсутствуют.

Рассмотрим причины, по которым большинство животных не воспринимают ультрафиолетовый и инфракрасный участки спектра. Солнечное ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 290 нм поглощается верхними слоями атмосферы и до поверхности Земли не доходит. Следовательно, существование глаза, чувствительного к коротким ультрафиолетовым лучам, было бы биологически неоправданным. Однако и более длинноволновое ультрафиолетовое излучение также не воспринимается глазом, очевидно в связи с тем, что кванты этого излучения, обладая большой энергией, разрушают светочувствительные пигменты. Поэтому хрусталик и стекловидное тело почти полностью поглощают не только ультрафиолет, но даже частично фиолетовые и синие лучи с длинами волн менее 400 нм. Если же интенсивность этого излучения велика и оно не поглощается полностью внутри глаза, то оно вызывает ожог сетчатки.

Что касается инфракрасного излучения, то оно испускается телами самих животных. При 37°С максимум излучения приходится на область длин волн от 9 до 10 мкм. При этом 1 см² поверхности тела животного, в том числе и внутренней поверхности глаза, излучает примерно 50 мВт, что значительно превышает энергию, которая попадает в глаз при ярком солнечном свете. Поэтому, как писал С. И. Вавилов, «если бы инфракрасное излучение воспринималось сетчаткой, то глаз внутри засветился бы миллионами свечей. По сравнению с этим внутренним светом потухло бы Солнце и все окружающее. Человек видел бы только внутренность своего глаза и ничего больше, а это равносильно слепоте».

Не следует, однако, думать, что глаз абсолютно нечувствителен к излучениям, лежащим за пределами диапазона 380– 760 нм. Так, показано, что человек может воспринимать ультрафиолетовое излучение с длинами волн до 300 нм и инфракрасное излучение до 950 нм, но чувствительность глаза к этим граничным длинам волн в миллиарды раз меньше, чем для длины волны 555 нм. Интересно отметить, что при удалении хрусталика чувствительность глаза к ультрафиолетовым лучам значительно возрастает.

Видимый участок спектра позвоночных примерно тот же, что и у человека, хотя у отдельных групп (птицы, рептилии) он сдвинут на несколько десятков нанометров в область более длинных волн. Напротив, у большинства насекомых видимый диапазон захватывает ультрафиолетовую часть спектра до 300 нм.

Основная роль глаза, как и остальных органов чувств – доставлять мозгу информацию об окружающем нас мире. По количеству воспринимаемой информации около 90% приходится на долю зрения, примерно 9%–на долю слуха, тогда как на остальные органы чувств остается не более 1%. Таким образом, значение зрения в жизни человека исключительно велико. Попробуем ориентировочно оценить пропускную способность глаза, т. е. количество воспринимаемой им информации за единицу времени.

Наличие или отсутствие импульса от фоторецепторной клетки соответствует одному биту информации. В сетчатке, как было показано выше, находится примерно 130 млн палочек и колбочек, однако они, очевидно, не рассчитаны на одновременную работу, так как число волокон в зрительном нерве значительно меньше, т. е. около 1 млн. Таким образом, один аксон принимает сигналы от 130 фоторецепторов. Каждый аксон может передавать в секунду до 300 импульсов. Поэтому общее количество информации, передаваемой зрительным нервом в секунду, может достигать 3·10⁸ бит. Для сравнения можно указать, что телевизионные каналы могут переносить информационные потоки ~ 10⁷ бит/с, т. е. в 30 раз меньше. В слуховом нерве содержится 30 000 аксонов, и поэтому его пропускная способность примерно в 30 раз меньше пропускной способности зрительного нерва. Этот расчет более чем приблизителен, так как мы почти ничего не знаем о свойствах таких кабельных систем, как зрительный или слуховой нерв, и поэтому реальные пропускные способности могут быть на один или даже на несколько порядков иными. Однако ясно, что эти потоки очень велики и во много раз превышают предел информационной восприимчивости человеческого мозга, равный примерно 50 бит/с от всех органов чувств.

Видимый свет. Важная регуляторная роль принадлежит видимому свету. Известно, что в пасмурные осенние дни у многих людей возникает синдром «осенней грусти», сопровождающийся психической депрессией и даже приводящей к самоубийствам. Экспериментально доказано, что подобную депрессию можно снять, если человека помещать на несколько часов в течение ряда дней в ярко освещенную комнату.

Оптические параметры кожи в области видимого света. На использовании законов взаимодействия света с веществом основаны некоторые диагностические методы в медицине. Так, например, по характеру взаимодействия видимого света с кожей можно оценить ее состояние. В процессе такого исследования регистрируются значения коэффициентов отражения, поглощения, рассеяния. Эти оптические параметры зависят от топических, возрастных и половых особенностей. По отклонению оптических параметров измененной кожи от нормы разработаны критерии для диагностики некоторых заболеваний кожи. Так, у больных с базальноклеточным и плоскоклеточным раком кожи в очагах поражения имеет место большая клеточная плотность опухолевых пролифератов. Это приводит к возрастанию коэффициента поглощения патологически измененной кожей. Данный метод позволяет объективизировать диагностику многих злокачественных новообразований кожного покрова.

Красный свет. Используются терапевтические эффекты красного света. Так, установлено, что красный свет ускоряет заживление ран. Издавна замечено, что лечение «рожи» улучшается, если на очаг воспаления наложить повязку из красной ткани.

Синий свет. Синий свет используется в родильных домах для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание является следствием резкого повышения в организме концентрации билирубина, придающего коже желтоватый оттенок. Билирубин образуется из геминовой группы гемоглобина постоянно у всех людей, из крови он выводится при участии печени. У новорожденных содержание билирубина в крови примерно в 20 раз больше, чем у взрослых. Билирубин плохо растворяется в воде и хорошо – в жире. Поэтому он в больших количествах откладывается в тканях мозга. Это при желтухе новорожденных приводит к необратимым изменениям в ЦНС, делающим человека умственно отсталым. Билирубин имеет максимум поглощения в синей области спектра. Он очень легко фотоизомеризуется, и продукты его изомеризации не токсичны. Если новорожденных детей освещать синим светом, то фотоизомеризация билирубина с образованием водорастворимых фотопродуктов происходит прямо в кровеносных сосудах.