Исследование спектральных границ чувствительности сетчатки человеческого глаза

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«Исследование спектральных границ чувствительности сетчатки человеческого глаза»

Товмасян Ангелина Мелсиковна

Научные руководители:

Канзапетова Инна Григорьевна, учитель биологии,

Долгушин Александр Николаевич, учитель физики

Москва, 2019

Введение

Темой исследовательской работы является определение спектральных границ и максимума чувствительности человеческого глаза. Более 90% информации об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Зрительный анализатор включает в себя глаз, зрительный нерв и те структуры головного мозга, где создаётся зрительный образ (картинка, которую мы видим).

Глаз человека чувствителен к электромагнитному излучению в диапазоне длин волн (рис. 1) от 400 нм (фиолетовый участок) до 750 нм (красный участок).

Рис. 1. Видимый диапазон электромагнитного излучения

Сетчатка глаза чувствительна и к более коротковолновому излучению, но чувствительность глаза в этой области спектра ограничивается низкой прозрачностью хрусталика, защищающего сетчатку от разрушительного действия ультрафиолета.В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра.По чувствительности к свету с различными длинами волн различают три вида колбочек. Колбочки S-типа чувствительны в фиолетово-синей (S от англ. Short -- коротковолновый спектр), M-типа -- в зелено-желтой (M от англ. Medium -- средневолновый), и L-типа -- в желто-красной (L от англ. Long -- длинноволновый) частях спектра. Наличие этих трёх видов колбочек (и палочек, чувствительных в изумрудно-зелёной части спектра) даёт человеку цветное зрение. В таблице 1 представлены основные характеристики типов колбочекhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Зрение_человека.

Таблица 1

Рис. 2.

Нормализованные графики спектральной зависимости чувствительности к свету у человеческих клеток-колбочек различных видов -- коротковолновых, средневолновых и длинноволновых (синий, зелёный и красный графики) и клеток-палочек (чёрный график).

Если сравнивать спектральные зависимости относительной чувствительности человеческого глаза для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения (рис. 3) и тот факт, что большую часть визуальной информации человек получает, используя дневное зрение, то максимум чувствительности глаза при дневном зрении сдвинут в длинноволновую сторону и располагается на длине волны 555 нм (рис.).

Рис. 3

Актуальность исследовательской работы заключается в интеграции предметов естественнонаучного направления (биология и физика) при изучении свойств человеческого восприятия через систему зрительного анализатора.

Объектом исследования является сетчатка человеческого глаза. Предметом исследования являются биологические и физические особенности сетчатки человеческого глаза.

В ходе исследовательской работы, при изучении особенностей сетчатки человеческого глаза формулируются следующие гипотезы:

максимум чувствительности сетчатки человеческого глаза при дневном зрении приходится на участок видимого электромагнитного излучения, соответствующий желто-зеленому участку 555 нм;

половой признак, определяющий принадлежность организма, влияет на цветовое восприятие.

Целью исследовательской работы является изучение особенностей цветового восприятия сетчаткой глаза с позиций интеграции биологии и физики.

Для достижения цели мы ставим перед собой следующие задачи:

Изучить особенности цветового восприятия.

Определить спектральные границы и максимумы чувствительности сетчатки человеческого глаза для дневного зрения.

Определить максимумы чувствительности для трех видов колбочек сетчатки человеческого глаза.

Для решения поставленных задач мы будем использовать следующие методы:

методы эмпирического уровня: наблюдение, измерение, сравнение;

методы экспериментально-теоретического уровня: эксперимент, лабораторный опыт, анализ;

методы теоретического уровня: изучение и обобщение.

Общим итогом исследовательской работы является проверка предложенных гипотез, а не определение и диагностика недостатков сетчатки человеческого глаза на предмет цветового восприятия.

Биология исследования

Строение глаза. Орган зрения -- глаз -- состоит из глазного яблока и вспомогательного аппарата. К последнему относят веки, ресницы, мышцы глазного яблока и слёзные железы. Веки -- складки кожи, выстланные изнутри слизистой оболочкой. Слёзы, образующиеся в слёзных железах, омывают передний отдел глазного яблока и через носослёзный канал проходят в ротовую полость. У взрослого человека в сутки должно вырабатываться не менее 3-5 мл слёз, которые увлажняют поверхность глазного яблока, очищая его от пылинок и убивая бактерий.

Глазное яблоко имеет шарообразную форму и располагается в глазнице. При помощи глазодвигательных мышц оно может поворачиваться в глазнице. Глазное яблоко имеет три оболочки. Наружная оболочка (белочная) спереди глазного яблока переходит в прозрачную роговицу, её задний отдел называется склерой. Через среднюю оболочку (сосудистую) глазное яблоко снабжается кровью. Впереди в сосудистой оболочке имеется отверстие -- зрачок, позволяющий лучам попадать внутрь глазного яблока. Вокруг зрачка часть сосудистой оболочки окрашена и называется радужкой. Клетки радужки содержат всего один пигмент, и, если его мало, радужка окрашена в голубой или серый цвет, а если много -- в карий или чёрный. Мышцы зрачка сужают или расширяют его (от 2 до 8 мм в диаметре) в зависимости от яркости света, освещающего глаз. Между роговицей и радужкой расположена передняя камера глаза, заполненная жидкостью.

Позади радужки расположен прозрачный хрусталик -- двояковыпуклая линза, необходимая для фокусировки лучей света на внутренней поверхности глазного яблока. Хрусталик снабжён специальными мышцами, меняющими его кривизну. Процесс изменения кривизны хрусталика называют аккомодацией. Между радужкой и хрусталиком расположена задняя камера глаза. Бомльшая часть глазного яблока заполнена прозрачным стекловидным телом.

Механизм работы зрительного анализатора. Пройдя через хрусталик и стекловидное тело, лучи света попадают на внутреннюю оболочку глазного яблока -- сетчатку. Это многослойное образование содержит зрительные рецепторы --колбочки (около 7 млн) и палочки (около 130 млн). В палочках содержится зрительный пигмент родопсин, они более чувствительны, чем колбочки, и обеспечивают чёрно-белое зрение при плохом освещении. Колбочки содержат зрительный пигмент иодопсин и обеспечивают цветное зрение в условиях хорошей освещённости. Считается, что есть три вида колбочек, воспринимающих красный, зелёный и фиолетовый цвета соответственно. Все остальные оттенки определяются комбинацией возбуждения в этих трёх типах рецепторов. Под действием квантов света зрительные пигменты разрушаются, генерируя электрические сигналы, которые передаются от палочек и колбочек к зрительному нерву, и по его волокнам импульсы поступают в мозг. В месте выхода зрительного нерва из сетчатки отсутствуют и колбочки, и палочки. Это место называется слепым пятном.

Строение палочки сетчатки глаза (рис. 4): 1 -- наружный сегмент (содержит мембранные диски), 2 -- связующий отдел (ресничка), 3 -- внутренний отдел (содержит митохондрии), 4 -- основание с нервными окончаниями

Рис. 4

Палочки https://ru.wikipedia.org/wiki/Палочки_(сетчатка)(англ. rodcells) -- один из двух типов фоторецепторов, периферических отростков светочувствительных клеток сетчатки глаза, названный так за свою цилиндрическую форму. В сетчатке глаза человека содержится приблизительно около 120 миллионов палочек. Размеры их невелики: длина палочек 0,06 мм, диаметр 0,002 мм. Это высокоспециализированные клетки, преобразующие световые раздражения в нервное возбуждение. Палочки чувствительны к свету благодаря наличию в них специфического пигмента -- родопсина (или зрительный пурпур). Под действием света происходит ряд очень быстрых превращений и обесцвечивание зрительного пигмента. Плотность размещения палочек на различных участках сетчатки глаза неравномерна и может составлять от 20 до 200 тысяч на квадратный миллиметр. Причём на периферии сетчатки их плотность выше, чем к её середине, что определяет их участие в ночном и периферийном зрении. В центре сетчатки, в центральной ямке (жёлтом пятне), палочки практически отсутствуют.

Ночное зрение -https://ru.wikipedia.org/wiki/Ночное_зрениемеханизм восприятия света зрительной системой человека, действующий в условиях относительно низкой освещённости. Осуществляется с помощью палочек. Колбочки в этих условиях не функционируют, поскольку для их возбуждения не хватает интенсивности света. Спектральная зависимость относительной светочувствительности человеческого глаза для ночного зрения приведена на рисунке. Её максимум по сравнению с кривой чувствительности глаза при дневном зрении сдвинут в коротковолновую сторону и располагается на длине волны 507 нм. Особенности ночного зрения:

Высокая светочувствительность. Её величина примерно в сто раз выше, чем при дневном зрении. Обусловлена большей светочувствительностью палочек по сравнению со светочувствительностью колбочек.

Низкая разрешающая способность (острота зрения). Причиной является то, что плотность расположения палочек на сетчатке глаза существенно ниже, чем плотность расположения колбочек.

Отсутствие способности различать цвета.

Строение колбочки (сетчатка) (рис. 5). 1 -- мембранные полудиски; 2 -- митохондрия; 3 -- ядро; 4 -- синаптическая область; 5 -- связующий отдел (перетяжка); 6 -- наружный сегмент; 7 -- внутренний сегмент.

Рис. 5

Колбочкиhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Колбочки -- (англ. cone) один из двух типов фоторецепторов, периферических отростков светочувствительных клеток сетчатки глаза, названный так за свою коническую форму. Это высокоспециализированные клетки, преобразующие световые раздражения в нервное возбуждение. Колбочки чувствительны к свету благодаря наличию в них специфического пигмента -- йодопсина. В свою очередь йодопсин состоит из нескольких зрительных пигментов. На сегодняшний день хорошо известны и исследованы два пигмента: хлоролаб (чувствительный к жёлто-зелёной области спектра) и эритролаб (чувствительный к жёлто-красной части спектра). В сетчатке глаза у взрослого человека со 100 % зрением насчитывается около 6-7 млн колбочек. Размеры их очень невелики: длина около 50 мкм, диаметр -- от 1 до 4 мкм.

Колбочки приблизительно в 100 раз менее чувствительны к свету, чем палочки (другой тип клеток сетчатки), но гораздо лучше воспринимают быстрые движения.

Дневное зрениеhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Дневное_зрение - механизм восприятия света зрительной системой человека, действующий в условиях относительно высокой освещённости. Осуществляется с помощью колбочек. Палочки в этих условиях не функционируют. Спектральная зависимость относительной светочувствительности человеческого глаза для дневного зрения приведена на рисунке. Её максимум по сравнению с кривой чувствительности глаза при ночном зрении сдвинут в длинноволновую сторону и располагается на длине волны 555 нм. Впрочем, у конкретных людей значения относительной спектральной световой эффективности, как и положения максимума, могут отличаться. У пожилых людей с нормальным цветовым зрением хрусталик с возрастом может несколько пожелтеть и слегка помутнеть, что также сдвигает максимум в длинноволновую часть спектра. Особенности дневного зрения:

Низкая светочувствительность. Её величина примерно в сто раз ниже, чем при ночном зрении. Обусловлена меньшей светочувствительностью колбочек по сравнению с палочками.

Высокая разрешающая способность (острота зрения). Достигается за счет того, что плотность расположения колбочек на сетчатке глаза существенно выше, чем плотность расположения палочек.

Способность воспринимать цвета. Осуществляется вследствие того, что на сетчатке имеются колбочки трех типов, при этом колбочки каждого из типов воспринимают свет только из одной свойственной для данного типа части спектра.

Физика исследования. Теория экспериментальной проверки гипотез и методика обработки результатов

Для экспериментальной проверки гипотез будем использовать дифракционную решетку - оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Дифракционная решетка позволяет разложить белый свет в спектр и провести количественный анализ, т.е. вычислить длину световой волны определенного участка видимого электромагнитного излучения, воспринимаемое сетчаткой человеческого глаза.

Если расположить источник света (лампу накаливания, свечу и т.п.) против узкой щели прибора для определения длины световой волны, то при рассматривании щели через дифракционную решетку мы увидим симметрично расположенные по обе стороны от щели сплошные разноцветные полосы - дифракционные спектры 1-го, 2-го и т.д. порядков (рис. 6).

Рис. 6

Возникновение этих спектров объясняется явлением дифракции света на системе прозрачных полос - щелей дифракционной решетки. При таком способе наблюдения спектра роль линзы, собирающей в одну точку параллельный пучок световых лучей, идущих под углом ??от дифракционной решетки, выполняет оптическая система глаза человека, а роль экрана, на котором получается спектр, сетчатка глаза. Один из возможных графиков зависимости чувствительности сетчатки человеческого глаза от длины световой волны представлен на рисунке 7:

Рис. 7

Формула дифракционной решётки имеет вид .

Рис. 8

Т.к. углы дифракции очень малы, то . Окончательно формула дифракционной решётки с учетом рисунка 8 принимает вид . Расчётные формулы для определения длин световых волн, соответствующих красному, желтому (зеленому), фиолетовому участкам видимого спектра и определяющих спектральные границы чувствительности человеческого глаза имеют вид , , .

Экспериментальная установка (фото 1, фото 2) для исследований и проверки гипотез состоит из штатива (1), муфты (2) и лапки (3) для крепления оптической скамьи (4), на которой размещается дифракционная решетка (5) с известным числом штрихов на 1 мм и экрана (6) с линейкой. Дифракционная решетка, экран крепятся на держателях (7), размещённых на оптической скамье. Расстояние от дифракционной решетки до экрана отсчитывается по линейке (8), расположенной на оптической скамье. Расстояние от центрального дифракционного максимума до первого (второго) - по линейке (9), размещенной на экране.

Фото 1

Фото 2

Наблюдения через экспериментальную установку для исследований и проверки гипотез представлены на фотографиях 3, 4, 5.

Фото 3.

Наблюдение дифракции света лампы дневного освещения.

Фото 4.

чувствительность сетчатка глаз спектральный

Наблюдение дифракции света лампы дневного освещения.

Фото 5.

Наблюдение дифракции естественного дневного света.

Обработку экспериментальных измерений и вычислений, количественный анализ полученных результатов, оценку экспериментальных значений длин волн в сравнении с эталонными будем осуществлять в MicrosoftExcel.

Таблица измерений и вычислений

длины световой волны, соответствующей максимуму чувствительности сетчатки человеческого глаза при дневном зрении (желто-зеленая линия)

Таблица измерений и вычислений

длины световой волны, соответствующей максимуму чувствительности колбочки S-типа сетчатки человеческого глаза при дневном зрении

(синий цвет)

Таблица измерений и вычислений

длины световой волны, соответствующей максимуму чувствительности колбочки M-типа сетчатки человеческого глаза при дневном зрении

(зеленый цвет)

Таблица измерений и вычислений

длины световой волны, соответствующей максимуму чувствительности колбочки L-типа сетчатки человеческого глаза при дневном зрении

(красный цвет)

Таблица расчета погрешностей

Итоговые таблицы результатов

Пример результатов измерений и вычислений одного из испытуемых

Результаты проверки гипотез

Максимум чувствительности сетчатки человеческого глаза при дневном зрении приходится на участок видимого электромагнитного излучения, соответствующий желто-зеленому участку 555 нм.

Половой признак, определяющий принадлежность организма, влияет на цветовое восприятие.

В проверке гипотезы приняли участие 4 человека.

Сводная таблица результатов участников исследования по определению длин световых волн, соответствующих максимумов чувствительности колбочек трех типов для сетчатки человеческого глаза при дневном зрении

Выводы

С позиций физики на предмет допустимости относительной погрешности (не более 10%) измерения длины световой волны участка видимого спектра методом среднего арифметического, результаты100% испытуемых подтвердили гипотезу о том, что максимум чувствительности сетчатки человеческого глаза при дневном зрении приходится на участок видимого электромагнитного излучения, соответствующий желто-зеленому участку 555 нм.

С позиций биологии подтвердилась гипотеза о том, что половой признак, определяющий принадлежность организма, влияет на цветовое восприятие. Результаты относительной погрешности измерения длины световой волны участка видимого спектрасоответствующего желто-зеленому участку для максимума чувствительности сетчатки человеческого глаза при дневном зрении в сравнении с эталонным значением одной из участниц исследования составили 0,5% и являются минимальными среди остальных результатов.

С позиций физики на предмет допустимости относительной погрешности (не более 10%) измерения длин световых волн, соответствующих максимумов чувствительности колбочек трех типов для сетчатки человеческого глаза при дневном зрении методом среднего арифметического, результаты 100% испытуемых соответствуют средним максимумам чувствительности.

С позиций биологии подтвердилась гипотеза о том, что половой признак, определяющий принадлежность организма, влияет на цветовое восприятие. Дважды в каждой паре испытуемых, колбочки сетчаток девушек ближе всего воспринимают соответствующие максимумы чувствительности. Причем это колбочки M-типа (зеленый цвет), который также расположен в средней части видимого спектра.

Анализ средних значений длин световых волн, соответствующих максимумов чувствительности колбочек трех типов для сетчатки человеческого глаза при дневном зрении с учетом результатов всех участников исследования показывает, что наилучший результат получен для колбочек S-типа, чувствительных к синему участку видимого спектра. Следует отметить, что сетчатка каждого человека индивидуальна и данный результат не может быть обобщен на группу участников исследования.

Список источников

Новосельцева Г. Д. Анатомия и физиология человека: Пособие для поступающих в высшие учебные заведения. - М.: Московский институт медико-социальной реабилитологии, Российский государственный медицинский университет, 2004. - 336 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru