Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5 | Следующая страница реферата

Свет состоит из частиц, называемых фотонами, каждую из которых можно рассматривать как пакет электромагнитных волн. Будет ли луч электромаг­нитной энергии именно светом, а не рентгеновскими лучами или радиоволна­ми, определяется длиной волны — расстоянием от одного гребня волны до сле­дующего: в случае света это расстояние составляет приблизительно 0,0000001 (10-7) метра, или 0,0005 миллиметра, или 0.5 микрометра, или 500 нанометров (нм).

Свет — это по определению то, что мы можем видеть. Наши глаза могут воспринимать электромагнитные волны длиной от 400 до 700 нм. Обычно попа­дающий в наши глаза свет состоит из сравнительно однородной смеси лучей с различными длинами волн; такую смесь называют белым светом (хотя это весьма нестрогое понятие). Для оценки волнового состава световых лучей измеряют световую энергию, заключенную в каждом из последовательных небольших интервалов, например от 400 до 410 нм, от 410 до 420 нм и т. д., после чего рисуют график распределения энергии по длинам волн. Для света, приходящего от Солнца, этот график похож на левую кривую на рис. 1. Это кривая без резких подъемов и спадов с пологим максимумом в области 600 нм. Такая кривая типична для излучения раскаленного объекта. Положение макси­мума зависит от температуры источника: для Солнца это будет область около 600 нм, а для звезды более горячей, чем наше Солнце, максимум сдвинется к более коротким волнам — к голубому концу спектра, т. е. на нашем гра­фике — влево. (Представление художников о том, что красные, оранжевые и желтые цвета — теплые, а синие и зеленые — холодные, связано только с нашими эмоциями и ассоциациями и не имеет никакого отношения к спектраль­ному составу света от раскаленного тела, зависящему от его температуры, — к тому, что физики называют цветовой температурой.)

Если мы будем каким-то способом фильтровать белый свет, удаляя все, кроме узкой спектральной полосы, то получим свет, который называют моно­хроматическим (см. график на рис. 1 справа).

Рис. 1. Слева: энергия света (например, солнечного) распределена в широком диапазоне длин волн — примерно от 400 до 700 нанометров. Слабо выраженный пик определяется температурой источника: чем горячее источник, тем больше смещение пика к синему (коротковолновому) концу. Справа: монохроматический свет — это свет, энергия которого сосредоточена в основном в области какой-то одной длины волны. Его можно создать при помощи разнообразных фильтров, лазера или спект­роскопа с призмой или дифракционной решеткой.

Зрение основано на обнаружении элек­тромагнитного излучения. Электромаг­нитный спектр имеет широкий диапазон, и видимая часть составляет лишь очень малую долю.

Энергия электромагнитного излучения обратно пропорциональна длине волны. Длинные волны несут слишком мало энергии, чтобы активировать фотохими­ческие реакции, лежащие в основе фоторе­цепции. Энергия коротких волн так вели­ка, что они повреждают живую ткань.

Большая часть коротковолнового излуче­ния солнца поглощается озоновым слоем атмосферы (в узком участке спектра – от 250 до 270 нм): если бы этого не было, жизнь на Земле вряд ли могла возникнуть. Все фотобиологические реакции ограничены узким участком спектра между двумя эти­ми областями.

ФОТОРЕЦЕПТОРЫ

Фоторецепторы – это один из видов сенсорных органов (систем), отвечающие за зрение. Именно возможностями фоторецепторов определяется оптическая ориентация животных в пространстве.

Фоторецепторные клетки содержат пиг­мент (обычно это родопсин), который под действием света обес­цвечивается. При этом изменяется форма молекул пигмента, причем в отличие от выцветания, с каким мы встречаемся в повседневной жизни, такой процесс обра­тим. Он ведет к еще не совсем понятным электрическим изменениям в рецепторной мембране (Prosser, 1973).

Рис. 2а. Глаз с точечным отверстием у морского моллюска Nautilus.

Фоторецепторные клетки могут быть рассеяны по поверхности тела, как у дож­девого червя (Lumhricus), однако обычно они образуют скопления. Глаз самого примитивного типа состоит из группы ре­цепторов, лежащих на дне углубления или ямки в коже. Такой глаз в общих чертах различает направление падающего света. Из-за теней, отбрасываемых стенками ям­ки, свет, падающий сбоку, освещает лишь одну ее часть, а остальная остается срав­нительно темной. Такие различия в осве­щенности могут регистрироваться набо­ром фоторецепторов в основании ямки, образующих зачаточную сетчатку. Глаз моллюска Nautilus с точечным отверстием (рис. 2а) развился из глаза-ямки, внеш­ние края которого сошлись к центру, а слой фоторецепторов образовал сетчатку. Такой глаз работает точно гак же, как фотокамера с точечным отверстием: свет от каждой точки попадает только на очень малую область сетчатки, в ре­зультате возникает перевернутое изобра­жение.

Эволюцию глаза можно проследить у ныне живущих моллюсков, как показано на рис. 2б. Из глаза Nautilus с точечным отверстием развился глаз с защитным слоем, вероятно, для предохранения от грязи. Внутри глаза образовался прими­тивный хрусталик, как у улитки Helix. Глаз такого типа обнаружен также у пау­ков. Встречаются и некоторые его разно­видности, например глаз у гребешка Pecten (рис. 2г), который имеет инвертированную сет­чатку и зеркальную выстилку – тапетум.

Глаз каракатицы Sepia (рис. 2в) очень похож на глаз позвоночных. В нем находятся ресничные мышцы, кото­рые могут менять форму хрусталика, и радужка, регулирующая, как диафрагма, количество падающего на сетчатку света.

Глаза позвоночных, хорошим приме­ром которых служит глаз человека, по­строены по единому плану, хотя и у них отмечается некоторая экологическая адаптация. На рис. 3 показан горизонтальный разрез человеческого глаза. Он окружен плотной оболочкой – склерой. прозрачной в перед­ней части глаза, где она называется рого­вицей. Непосредственно изнутри роговица покрыта черной выстилкой – сосудистой оболочкой, которая снижает пропускаю­щую и отражающую способность боко­вых частей глаза. Сосудистая оболочка выстлана изнутри светочувствительной сетчаткой, которую мы более детально рассмотрим позднее. Спереди сосудистая оболочка и сетчатка отсутствуют. Здесь находится крупный хрусталик, делящий глаз на переднюю и заднюю камеры, запол­ненные соответственно водянистой влагой и стекловидным телом. Перед хрустали­ком расположена радужка – мышечная диафрагма с отверстием, называемым зрачком. Радужка регулирует размеры зрачка и тем самым количество света, попадающее в глаз. Хрусталик окружен ресничной мышцей, которая изменяет его форму. При сокращении мышцы хруста­лик становится более выпуклым, фокуси­руя на сетчатке изображение предметов, рассматриваемых вблизи. При расслабле­нии мышцы хрусталик уплощается и в фокус попадают более отдаленные пред­меты.

Рис. 2б. Заполненный хрусталиком глаз наземной улитки Helix