Физиология зрения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНИ

СУМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.С. МАКАРЕНКА

Естественно-географический факультет

Кафедра зоологии

ТАЧКИН ЯРОСЛАВ  ВАЛЕРИЕВИЧ

ФИЗИОЛОГИЯ ЗРЕНИЯ

Курсовая робота

Научный руководитель:

кандидат биол. наук,

доцент  Басанец

Лидия Михайловна

Сумы – 2012 г.

ПЛАН

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………3

Раздел 1.Строение глаза…………………………………………………...5

Раздел 2 Оптическая система………………………………………...…..10

Раздел 3.Фотохимические реакции зрения………………………...……15

Раздел 4.Патологии оптической системы……………………………….19

1. Дальнозоркость……………………………………………...…19

4.2 Близорукость……………………………………………..…....22

      4.3 Катаракта…………………………………………………….…24

ВЫВОДЫ…………………………………………………………………..27

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ  ЛИТЕРАТУРЫ……...............................28

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность  темы.

      Из всех органов чувств человека глаз всегда признавался наилучшим даром и чудеснейшим произведением творческой силы природы. Поэты воспевали его, ораторы восхваляли, философы прославляли его как мерило, указывающее на то, к чему способны органические силы, а физики пытались подражать ему как непостижимому образу оптических приборов. (сл. Г. Гельмгольц). Не глазом, а посредством глаза смотреть на мир умеет разум. (сл. Авиценн).

Некоторые ученые считают, что около 70% информации человек получает из окружающего мира с помощью зрения, другие полагают, что цифра должна быть увеличена до 90%. Недаром А. М. Горький, которому пришлось несколько дней во время болезни пробыть с повязкой на глазах, писал о своем состоянии так: «Ничто не может быть страшнее, как потерять зрение,— это невыразимая обида, она отнимает у человека девять десятых мира». Основная функция зрения состоит в различении яркости, цвета, формы, размеров наблюдаемых объектов. Наряду с другими анализаторами зрительный - играет большую роль в регуляции положения тела и в определении расстояния до объекта.

Глаз (глазное яблоко, Bulbus oculi) имеет почти правильную округлую форму, размер его передне-задней оси  примерно 24 мм, весит около 7 г и  анатомически состоит из трех оболочек (наружной - фиброзной, средней - сосудистой, внутренней - сетчатки) и трех прозрачных сред (внутриглазной жидкости, хрусталика и стекловидного тела).

Цель курсовой роботы: теоретически исследовать строение и функции оптической системы глаза, а также основные нарушения, связанные с ней.

Предмет курсовой роботы: особенности строения и функции зрительной системы человека.

Объект курсовой роботы: зрительная система.

Задания  курсовой роботы:

1. С помощью дополнительной, научной литературы исследовать строение глаза и оптической системы в целом;
2. Рассмотреть особенности фотохимического механизма восприятия света на рецепторах сетчатки глаза;
3. Провести теоретическое исследования самых распространенных патологий оптического аппарата глаза.

Раздел 1.

 Строение глаза

 Впервые анатомия глаза была исследована и записана в Александрии, Египет, в первом столетии нашей эры. Анатомист, Руфус из Ефеса, описал основные части глаза человека, которые включали куполообразную роговицу спереди, радужную оболочку, хрусталик и стекловидную жидкость (которая придает глазу блестящий вид). Сегодня же нам известно, что он представляет собою намного сложную структуру.(cм. рис 1.)

Рис.1

Глаз, oculus (от греч. ophthalamos, отсюда - офтальмология), состоит из глазного яблока, bulbus oculi, и окружающих вспомогательных  органов. Выделяют оптический и придаточный аппараты глаза. В свою очередь оптический аппарат глаза являет собой систему, которая воспринимает и кодирует полученную информацию в электрические импульсы. Придаточный аппарат – систему обслуживающею оптический. В этих системах выделяют следующие структуры.

Роговица - прозрачная оболочка, покрывающая переднюю часть глаза. В ней отсутствуют кровеносные  сосуды, она имеет большую преломляющую силу. Входит в оптическую систему  глаза. Роговица граничит с непрозрачной внешней оболочкой глаза - склерой. Передняя камера глаза - это пространство между роговицей и радужкой. Она  заполнена внутриглазной жидкостью.

Радужка - по форме похожа на круг с отверстием внутри (зрачком). Радужка состоит из мышц, при сокращении и расслаблении которых размеры  зрачка меняются. Она входит в сосудистую оболочку глаза. Радужка отвечает за цвет глаз (если он голубой - значит, в  ней мало пигментных клеток, если карий - много). Выполняет ту же функцию, что  диафрагма в фотоаппарате, регулируя  светопоток.

Зрачок - отверстие в радужке. Его размеры обычно зависят от уровня освещенности. Чем больше света, тем меньше зрачок.

Хрусталик - "естественная линза" глаза. Он прозрачен, эластичен - может менять свою форму, почти  мгновенно "наводя фокус", за счет чего человек видит хорошо и вблизи, и вдали. Располагается в капсуле, удерживается ресничным пояском. Хрусталик, как и роговица, входит в оптическую систему глаза.

Стекловидное тело – это  прозрачный гель, состоящий из внеклеточной жидкости с коллагеном и гиалуроновой кислотой в коллоидном растворе. В  задней части глаза его внутренняя поверхность выстлана сетчаткой. Промежуток между сетчаткой и плотной  склерой, окружающей глазное яблоко, заполнен сетью кровеносных сосудов  – сосудистой оболочкой. У заднего  полюса глаза человека в сетчатке есть небольшое углубление – центральная  ямка – место, где острота зрения при дневном освещении максимальна.

Внешняя поверхность роговицы покрыта тонким слоем слезной  жидкости, за счет чего улучшаются оптические свойства этой поверхности. Слезная  жидкость, в малых количествах  постоянно вырабатывается слезными железами. За счет движения век она  равномерно распределяется по роговице и конъюнктиве. Часть её испаряется, а оставшаяся стекает по слезным  протокам в полость носа. Слезная  жидкость предотвращает высыхание  роговицы и конъюнктивы и одновременно выполняет роль смазки между глазным  яблоком и веками.

Сетчатка - состоит из фоторецепторов (они чувствительны к свету) и  нервных клеток. Клетки-рецепторы, расположенные  в сетчатке, делятся на два вида: колбочки и палочки. В этих клетках, вырабатывающих фермент родопсин, происходит преобразование энергии света (фотонов) в электрическую энергию нервной  ткани, т.е. фотохимическая реакция.

Палочки обладают высокой  светочувствительностью и позволяют  видеть при плохом освещении, также  они отвечают за периферическое зрение. Колбочки, наоборот, требуют для  своей работы большего количества света, но именно они позволяют разглядеть мелкие детали (отвечают за центральное  зрение), дают возможность различать  цвета. Наибольшее скопление колбочек находится в центральной ямке (макуле), отвечающей за самую высокую  остроту зрения. Сетчатка прилегает  к сосудистой оболочке, но на многих участках неплотно. Именно здесь она  и имеет тенденцию отслаиваться при различных заболеваниях сетчатки.

Склера - непрозрачная внешняя  оболочка глазного яблока, переходящая  в передней части глазного яблока в прозрачную роговицу. К склере крепятся 6 глазодвигательных мышц. В ней находится небольшое  количество нервных окончаний и  сосудов.

Сосудистая оболочка - выстилает  задний отдел склеры, к ней прилегает  сетчатка, с которой она тесно  связана. Сосудистая оболочка ответственна за кровоснабжение внутриглазных структур. При заболеваниях сетчатки очень часто вовлекается в патологический процесс. В сосудистой оболочке нет нервных окончаний, поэтому при ее заболевании не возникают боли, обычно сигнализирующие о каких-либо неполадках.

Зрительный нерв – посредством зрительного нерва сигналы от нервных окончаний передаются в головной мозг.

Глазное яблоко – имеет  шаровидную форму и состоит из трех оболочек. Первая, самая наружная - фиброзная оболочка (иначе называется капсулой глаза), разделяется на две  неравные части: непрозрачную белую  склеру (т.н. белочная оболочка) и переднюю выпуклую, прозрачную – роговицу. К  склере прикрепляются глазодвигательные  мышцы, обеспечивающие движения глаз. Благодаря своей выпуклости роговица обладает высокой преломляющей способностью –более 40,0 диоптрий, т.е. наибольшей по сравнению со всеми другими преломляющими  средами глазного яблока, вместе взятыми. Кроме того, роговица имеет высокую  чувствительность.

Вторая оболочка глазного яблока, расположенная под капсулой, - сосудистая. Она выстилает всю  внутреннюю поверхность склеры, а  в переднем отрезке глаза, отделяясь  от белочной оболочки, образует своеобразную перегородку – радужную оболочку, разделяющую глазное яблоко на передний и задний отрезки. В центре радужки  располагается круглое отверстие  – зрачок, который (под воздействием света, эмоций, при переводе взгляда  вдаль и пр.) меняет свою величину, играя роль диафрагмы, как в фотоаппарате. У основания радужной оболочки изнутри  находится цилиарное тело - своеобразное утолщение сосудистой оболочки кольцевидной формы с отростками, выступающими в полость глаза. От этих отростков  тянутся тонкие связки, которые удерживают хрусталик глаза - двояковыпуклую прозрачную эластичную линзу с преломляющей силой около 20,0 диоптрий, расположенную  непосредственно за зрачком. Цилиарное тело осуществляет две важные функции: продуцирует внутриглазную жидкость (благодаря этому поддерживается определенный тонус глаза, омываются и получают питание внутренние структуры глаза), а также обеспечивает фокусировку глаза (вследствие изменения степени натяжения вышеуказанных связок хрусталика).

Третья, самая внутренняя, самая сложная по строению и наиболее физиологически важная оболочка –  это сетчатка. Она состоит из 10 слоев. Внутренняя поверхность глазного яблока, выстланная оптически деятельной частью сетчатки (т.е. до цилиарного тела), получила название глазного дна. На глазном  дне есть желтое пятно (восприятие предметов  областью желтого пятна определяет остроту зрения) и диск зрительного  нерва (начавшись на глазном дне  в виде диска, зрительный нерв покидает глазное яблоко, затем глазницу, далее, перекрестившись в головном мозге с нервом второго глаза, волокна нерва направляются к  коре головного мозга – конечному  пункту анализа зрительного образа).

Очевидно, что хорошее  зрение возможно лишь при условии  четкого и нормального функционирования всех структур столь сложно устроенного  органа чувств, т.е., с одной стороны  предъявляются требования к четкости строения глаза как оптического  прибора, с другой стороны – к  «органической дееспособности»  всех составляющих цепочки от глазного яблока до коры головного мозга. Глаз можно назвать сложным оптическим прибором. Его основная задача – «передать» правильное изображение зрительному нерву [1;6;7].

Раздел 2.

Оптическая система  глаза 

Оптическая система глаза  представляет собой неточно центрированную сложную систему линз, формирующую  на сетчатке перевёрнутое и уменьшенное  изображение внешнего мира. Диоптрический  аппарат состоит из прозрачной роговицы, передней и задней камер, заполненных  водянистой влагой, радужной оболочки, окружающей зрачок, хрусталика, окруженного  прозрачной сумкой, и стекловидного  тела, занимающего большую часть  глазного яблока.

Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через  оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза  – сетчатой оболочке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело . Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Вследствие этого фокусные расстояния оптической системы глаза во внешнем пространстве (переднее фокусное расстояние) и внутри глаза (заднее фокусное расстояние) неодинаковы.

Преломление света в глазе  происходит главным образом на его  внешней поверхности – роговой  оболочке, или роговице, а также  на поверхностях хрусталика. Радужная оболочка определяет диаметр зрачка, величина которого может изменяться непроизвольным мышечным усилием от 1 до 8 мм. 

Для оценки преломляющей способности  любой оптической системы используют условную единицу - диоптрию (сокращенно - дптр). За 1 дптр принята сила линзы  с главным фокусным расстоянием  в 1 м. Диоптрия (D) - величина, обратная фокусному  расстоянию (F):

D=1/F

Оптическая система глаза  чрезвычайно сложна, поэтому при  расчетах хода лучей обычно пользуются упрощенными, эквивалентными истинному  глазу «схематическими глазами». В таблице 1. приведены данные для аккомодированного и не аккомодированного глаза.

Таблица 1.

Для проведения расчетов, связанных  с оптической системой глаза, предложены упрощенные схемы этой системы, основанные на средних величинах оптических констант, полученных при измерении большого количества глаз. Наиболее удачным является схематический редуцированный глаз, предложенный В. К. Вербицким в 1928 г. Его основные характеристики: главная плоскость касается вершины роговицы; радиус кривизны последней 6,82 мм; длина переднее – задней оси 23,4 мм; радиус кривизны сетчатки 10,2 мм; показатель преломления внутриглазной среды 1,4; общая преломляющая сила 58,82 дптр.

Как и другим оптическим системам, глазу свойственны различные  аберрации (от лат. aberratio - отклонение) - дефекты оптической системы глаза, приводящие к снижению качества изображения  объекта на сетчатке. Вследствие сферической  аберрации лучи, исходящие из точечного  источника света, собираются не в  точке, а в некоторой зоне на оптической оси глаза. В результате этого  на сетчатке образуется круг светорассеяния. Глубина этой зоны для "нормального" человеческого глаза колеблется от 0,5 до 1,0 дптр.

В результате хроматической  аберрации лучи коротковолновой  части спектра (сине-зеленые) пересекаются в глазу на меньшем расстоянии от роговицы, чем лучи длинноволновой части спектра (красные). Интервал между  фокусами этих лучей в глазу может  достигать 1,0 дптр.

Практически во всех глазах имеется еще одна аберрация, обусловленная  отсутствием идеальной сферичности  преломляющих поверхностей роговицы и  хрусталика. Асферичность роговицы, например, может быть устранена с помощью  гипотетической пластинки, которая, будучи наложена на роговицу, превращает глаз в идеальную сферическую систему. Отсутствие же сферичности приводит к неравномерному распределению  света на сетчатке: светящаяся точка  образует на сетчатке сложное изображение, на котором могут выделяться участки  максимальной освещенности. В последние  годы активно изучается влияние  указанной аберрации на максимальную остроту зрения даже в "нормальных" глазах с целью ее коррекции и  достижения так называемого суперзрения (например, с помощью лазера).

Рассмотрение органа зрения различных животных в экологическом  аспекте свидетельствует о приспособительном  характере рефракции, т. е. о таком  формировании глаза как оптической системы, которое обеспечивает данному  виду животного оптимальную зрительную ориентировку в соответствии с особенностями  его жизнедеятельности и среды  обитания. По-видимому, не случайным, а  исторически и экологически обусловленным  является тот факт, что у человека отмечается преимущественно рефракция, близкая к эмметропии, наилучшим образом обеспечивающая отчетливое видение и далеко, и близко расположенных предметов в соответствии с многообразием его деятельности.

Наблюдающееся у большинства  взрослых людей закономерное приближение  рефракции к эмметропии находит  выражение в высокой обратной корреляции между анатомическим  и оптическим компонентами глаза: в  процессе его роста проявляется  тенденция к сочетанию более  значительной преломляющей силы оптического  аппарата с более короткой переднезадней  осью и, наоборот, более низкой преломляющей силы с более длинной осью. Следовательно, рост глаза - это регулируемый процесс. Под ростом глаза следует понимать не простое увеличение его размеров, а направленное формирование глазного яблока как сложной оптической системы  под влиянием условий внешней  среды и наследственного фактора  с его видовой и индивидуальной характеристикой.

Из двух компонентов - анатомического и оптического, сочетанием которых  определяется рефракция глаза, значительно  более "подвижным" является анатомический (в частности, величина переднезадней  оси). Через него главным образом  и реализуются /регулирующие влияния  организма на формирование рефракции  глаза.

Установлено, что у новорожденных  глаза, как правило, имеют слабую рефракцию. По мере развития детей происходит усиление рефракции: степень гиперметропии  уменьшается, слабая гиперметропии  переходит в эмметропию и даже в миопию, эмметропические глаза  в части случаев становится близорукими.

В первые 3 гола жизни ребенка  происходят интенсивный рост глаза, а также увеличение рефракции  роговицы и длины переднезадней  оси, которая к 5-7 годам достигает 22 мм, т. е. составляет примерно 95 % от размера  глаза взрослого человека. Рост глазного яблока продолжается до 14-15 лет. К этому возрасту длина оси глаза приближается к 23 мм, а преломляющая сила роговицы - к 43,0 дптр.

По мере роста глаза  вариабельность его клинической  рефракции уменьшается: она медленно усиливается, т. е. смещается в сторону  эмметропии.

В первые годы жизни ребенка  преобладающим видом рефракции  является дальнозоркость. По мере увеличения возраста распространенность дальнозоркости уменьшается, а эмметропической  рефракции и близорукости увеличивается. Частота близорукости особенно заметно  повышается, начиная с 11 - 14 лет, достигая в возрасте 19-25 лет примерно 30 %. На долю дальнозоркости и эмметропии в  этом возрасте приходится примерно 30 и 40 % соответственно.

Хотя количественные показатели распространенности отдельных видов  рефракции глаз у детей, приводимые разными авторами, заметно варьируют, отмеченная выше общая закономерность изменения рефракции глаз по мере увеличения возраста сохраняется [1;5;7].

                      Раздел 3.

                                           Фотохимические реакции зрения

Кванты света поглощаются  в рецепторах специализированными  молекулами, принадлежащими к классу так называемых каротиноидов, - хромолипопротеинами. Однако спектр поглощения молекулы обусловливается  не всей молекулой в целом, а группой  атомов, называемой хромофором. В качестве хромофора, определяющего максимум и интенсивность поглощения света  в зрительных пигментах, выступают  альдегиды спиртов витамина А, или  ретинола. Во всех зрительных пигментах  ретиналь всегда находится в 11-цисформе, у которой длинная часть цепочки  изогнута и скручена в весьма нестабильную конфигурацию и называется 11-цисретиналем. В норме 11-цисретиналь связан с  бесцветным белком опсином, образуя  зрительный пигмент родопсин с максимумом поглощения 500 им. Последний в той  или иной модификации служит универсальным  молекулярным медиатором фоторецепции у животных. При поглощении фотона совершается реакция цистрансизомеризации ретиналя, которая через ряд промежуточных  стадий приводит к отщеплению ретиналя от опсина с выделением свободной  энергии. При этом молекула теряет цвет и этот эффект называют выцветанием  или обесцвечиванием. Схема превращения  молекулы родопсина при выцветании представлена на рисунке.

Цистранспревращение ретиналя - это первая ступень выцветания зрительного пурпура - родопсина, приводящая к образованию интенсивно окрашенного  прелюмиродопсина. При дальнейших превращениях образуются люмиродопсин и темно-оранжевый  метародопсин I. Последний переходит в светло-желтый метародопсин II в результате обратимой реакции, связанной с потерей иона водорода (протона) на месте связи между ретиналем и опсином (см. рис.2).

Рис.2.

 Превращение метародопсина  I в метародопсин II происходит очень  быстро при температуре тела  и требует существенных изменений  в конфигурации белка, которые  приводят к значительному развертыванию его молекулы.

После изомеризации трансретиналь  остается связанным с опсином, во всяком случае на тех стадиях процесса выцветания родопсина, которые завершаются  образованием метародопсина II. У позвоночных  метародопсин II затем гидролизуется, превращаясь в трансретиналь  и опсин.

Процесс зрительного возбуждения  запускается в период между образованием люми- и метародопсина II. Восстановление родопсина у позвоночных осуществляется путем ферментативного ресинтеза, требующего биохимической энергии.

В отличие от позвоночных  метародопсин членистоногих не подвергается выцветанию, а представляет собой  устойчивое соединение, обладающее собственной окраской. Это позволяет возобновлять запас родопсина за счет фотоизомеризации метародопсина обратно в родопсин. Такой способ более экономичен, чем ферментативный ресинтез у позвоночных, и объясняется тем, что членистоногие построили свою фоторецепторную мембрану так, что в ней невозможна свободная диффузия молекул родопсина. Следовательно, по сравнению с "жидкой" фоторецепторной мембраной позвоночных у членистоногих она обладает большей жесткостью.

Функция кванта света в  фоторецепции является не столько энергетической, сколько информационной. Для ЦНС  имеет значение лишь факт прибытия кванта, но не его количественные параметры (хотя для цветового зрения важна  и энергия кванта). Поглощение одиночного фотона приводит к резкому изменению  числа включенных ионных каналов, что, в свою очередь, вызывает изменение  числа носителей заряда, т. е. ионов, проходящих через плазматическую мембрану клетки, и выражается в изменении  трансмембранного тока и мембранного  потенциала фоторецептора.

Таким образом, основной задачей  внутриклеточного медиатора фоторецептора  является преобразование одиночного сигнала  о поглощении кванта света в одновременное  изменение состояния большого числа  ионных каналов. При этом за мембраной, включающей в себя зрительный пигмент, сохраняется только чисто фоторецепторная  функция, а функция изменения  ионной проницаемости передана наружной плазматической мембране клетки. Такое  пространственное разделение начального и конечного звеньев фоторецепторного акта является одним из важных достижений функциональной эволюции фоторецепторов.

При освещении светом фоторецептора  позвоночных регистрируется РП в  виде волны гиперполяризации. Такие  фоторецепторы позвоночных отличаются от всех других рецепторов, генерирующих в ответ на стимул РП в виде деполяризации. Это объясняется тем, что наружная плазматическая мембрана рецептора в темноте обладает большой проницаемостью для ионов Na+, а свет снижает ее и. тем самым уменьшает величину мембранного тока.

Таким образом, потенциал  мембраны смещается в сторону  калиевого равновесного потенциала, что и регистрируется как гиперполяризация. Возникает несколько необычная  ситуация - стимулом для рецептора  является не свет, а темнота. В темноте  у фоторецептора происходит непрерывное  выделение медиатора из-за исходной деполяризации мембраны, тогда как  свет, вызывая ее гиперполяризацию, прекращает выделение медиатора [6;9;11].

Раздел 4.

Патологии оптической системы

Среди многочисленной патологии  органа зрения, насчитывающей, согласно Международной классификации болезней (МКБ-10), более 200 наименований патологических поражений глаза и его придаточного аппарата.

Патология оптической системы  глаза имеет своим следствием потерю или ухудшение одной из ведущих составляющих зрительного восприятия рефракции, обеспечивающей фокусировку изображения на сетчатке. Нарушения рефракции проявляются в дальнозоркости, близорукости и астигматизме [2;4].

4.1Дальнозоркость

Дальнозоркость (hypermetropia - гиперметропия)-аномалия рефракции глаза, при которой главный фокус его оптической системы находится позади сетчатки.

Дальнозоркость возникает  в результате слабости преломляющего  аппарата глаза, например при уплощении  роговицы, отсутствии хрусталика (рефракционная  Дальнозоркость.) или вследствие укорочения переднезадней оси глаза (осевая Дальнозоркость.), которое, как правило, имеет врожденный характер. В большинстве случаев отмечается так называемая комбинационная Д., при которой наблюдаются относительное укорочение переднезадней оси глаза и относительная недостаточность рефракции глаза. При этом истинные величины оси глаза и преломляющей силы его оптического аппарата не выходят за пределы нормы, однако соотношение, в котором они находятся, приводит к комбинационной гиперметропии. Комбинационная Д. не сопровождается какими-либо патологическими изменениями в глазу, острота зрения остается нормальной. При абсолютном укорочении переднезадней оси глаза отмечается гиперметропия высоких степеней. На рисунке показана схема хода лучей при дальнозоркости.