A látás

A szem szerkezete
A szem szerkezete, felső nézet

A szem mint optikai rendszer

A szembe jutó fény négy határfelületen törik meg, amíg eljut a retinára. A határfelületek, és a hozzájuk tartozó törőerősségek (végtelenbe néző szem esetén) a következők:

levegő \(\xrightarrow{48}\) szaruhártya \(\xrightarrow{−5}\) csarnokvíz \(\xrightarrow{7}\) szemlencse \(\xrightarrow{12}\) üvegtest

A szem össz-törőereje tehát kb. 60 dioptria. A fény legnagyobb mértékben a levegő-szaruhártya határon törik meg. A lézeres szemműtétek során a szaruhártya felszínéről párologtatnak el egy réteget oly módon, hogy a szaruhártya feszínének görbületi sugara, így törőerőssége is épp a megfelelő mértékben változik meg.

Távolsági alkalmazkodás, akkomodáció
Távolsági alkalmazkodás, akkomodáció

Ahhoz, hogy a szem különböző távolságban lévő tárgyak képét egyaránt képes legyen a retinára fókuszálni, változtatnia kell törőerejét. Ezt a folyamatot hívják távolsági alkalmazkodásnak, vagy akkomodációnak.

Akkomodáció során a lencse törőereje változik meg. A lencsét körülvevő sugárizmok összehúzódásakor a lencsét kifeszítő rostok elernyednek, a lencse domborúbb lesz. Ekkor főleg a szemlencse elülső felületének görbülete változik (kb. 10 mm-ről 6 mm-ig), nő a szemlencse átlagos törésmutatója is, így a szem törőereje kb. 60-ról 70 dioptriára nő.

Az akkomodáció számítógépes animációs modellje

A redukált szem

Redukált szem
A redukált szem

A szem optikai szempontból közelítőleg helyettesíthető a redukált szemmel (ábra), amely csak egy törőfelülettel rendelkezik; ennek görbületi sugara 5,1 mm, tetőpontja 2,3 mm-re a szaruhártyáé (S) mögött van. E felület K görbületi középpontja a redukált szem csomópontja: a K felé tartó összes sugár K-n irányváltoztatás nélkül megy át.

A retinán keletkező valódi kép kicsinyített és fordított. A képet az agy látóközpontja „fordítja meg”.

Számítási feladat

A végtelenbe néző szem törőereje 60 dioptria.

  1. A retinától milyen távol helyezkedik el a redukált szem csomópontja?
  2. Mennyivel nő a szem törőereje ha egy 1 m-re lévő tárgyat nézünk?
  3. Mekkora a tárgy képe a retinán, ha a tárgy 10 cm magas?

Eredmény

 

Eredmény

  1. 17 mm
  2. 1 dioptria
  3. 1,7 mm

A látás jellemzése

A szem érzékenysége

A szem bámulatosan széles fényerősség tartományban képes fényérzékelésre: az átfogott tartomány tíz nagyságrendnyi, azaz a minimális és a maximális intenzitás közötti szorzó 10.000.000.000.

A szem érzékenységi tartománya
A szem érzékenységi tartománya

Képesek vagyunk látni ragyogó napfényben, de megfelelő körülmények között a szem akár 10 foton érzékelésére is képes. Ilyen nagyfokú érzékenységhez hozzászokásra, adaptációra van szükség. A teljes sötétadaptáció kb. 40 percet vesz igénybe. Adaptáció nélkül az érzékelt tartomány nagyjából 3 nagyságrendnyi.

Gyenge fényre nem a látógödör (fovea centralis), hanem a környezete a legérzékenyebb, mert itt található a legtöbb pálcika. Ezért könnyebb észrevenni egy halvány csillagot ha nem rá, hanem mellé nézünk. A csapsejtek színeket és finomabb részleteket érzékelnek.

A színérzékenységi görbe

A szem színérzékenységi görbéje
A szem színérzékenységi görbéje

Normális megvilágítás mellett az emberi szem kb. a 400–700 nm közötti hullámhosszakat érzékeli, ekkor az 555 nm-es sárgászöld fényre a legérzékenyebb. Gyenge megvilágításnál az érzékelt tartomány kb. 380-tól 650 nm-ig terjed, 507 nm-nél található maximummal. Az alábbi ábra a színérzékenységi görbét ábrázolja, ahol \( V_\lambda \) a normális, \( V_\lambda '\) a gyenge megvilágításhoz tartozik.

Mivel az UV tartományt főleg a lencse szűri ki, a lencse műtéti eltávolítása után az ember képes az UV tartomány egy részét látni.

A szem színi felbontása 500 nm-nél 1 nm, a látható spektrum alsó részén kb. 6 nm.

A szem felbontóképessége (látásélesség)

Két pont különállónak látszik, ha a pontokból kiinduló, K-n áthaladó sugarak szöge kisebb mint a látásélesség határszöge amely 1’ (1 ívperc). Ekkor 1 m távolságból szemmel „felbontható” két egymástól 0,3 mm-re lévő pont.

Kiszámítható, hogy ekkor a két kép a retinán mintegy 5 um-re van egymástól. Összevetve ezt a kb. 2 um-es receptorok közötti átlagos távolsággal, kiderül, hogy két pont akkor bontható fel, ha képük két olyan receptorra esik, amelyek között van egy harmadik, amely nem jön ingerületbe. A felbontóképesség ily módon függ a receptorok közötti távolságtól: legnagyobb a látógödörben (fovea centralis), mert itt maximális a receptorsűrűség.

A térbeli látás

Mindkét retinán alkotott kép sík! De mivel más perspektívájúak, az agy látóközpontja térhatású képpé egyesíti azokat. Fél szemmel a távolságok nehezen becsülhetők.

Ezt alkalmazzák a sztereomikroszkóp esetén.

Térbeli hatás érhető el sík képekkel is, ha a képet a két szem nézőpontjának megfelelő két képből állítják össze, és megfelelő szűrőn át nézve mindegyik szem csak a neki szánt képet látja. A szűrőpár lehet vörös és zöld üveg, vagy két merőlegesen elhelyezett polarizátorból, ez utóbbit használják a 3D mozikban.

Szemhibák, szemüvegek

A helyes látású szem akkomodáció nélkül a főtengellyel párhuzamos sugarakat a sárgafoltra fókuszálja. Tehát a legtávolabbi élesen látható pont, a távolponta végtelenben van.

Ha a távolpont közeledik, azaz adott pontnál messzebb nem látunk élesen, rövidlátásról, myopiáról beszélünk. A rövidlátó szem a retina elé fókuszálja a képet.

A legerősebb alkalmazkodás mellett élesen látható legközelebbi pont, a közelpont10 éves korban kb. 7 cm, 30 éves korra kb. 15 cm, 60 éves korra kb. 80 cm. Ha a közelpont távolodik, távollátásról beszélünk. A távollátó szem a retina mögé fókuszálja a képet.

Öregkori látás (presbiopia) során a közelpont távolodik, főleg azért, mert a lencse rugalmassága csökken. Ha a távolpont eközben közeledik, bifokális szemüveget használnak.

A tiszta látás távolsága amelynél nem megerőltető alkalmazkodás mellett lehet olvasni, írni, 25 cm.

Asztigmatizmus

Asztigmatizmus esetén a szem az egymásra merőleges vonalakat nem látja egyszerre élesen. Az ok hogy a szem két egymásra merőleges síkban vett gyújtótávolsága különbözik. Hengerlencsés szemüveggel korrigálható.

Kromatikus aberráció esetén a különböző színű fénysugarak más pontba fókuszálódnak.

Szférikus abberráció esetén a főtengelytől különböző távolságban érkező sugarakra vett fókusztávolság különbözik.

Kromatikus és szférikus aberráció
A szem szerkezete
Kancsalság. A két szem más pontot lát élesen.

A kancsalság hibás szemállás. A két szem látóvonala nem ugyanabban a pontban metszi egymást, más pontokat látnak élesen.

A receptorsejtek

A szem működése szempontjából az első lépés az, hogy a szem, mint optikai eszköz a tárgy képét a retinára vetíti. A második lépésben a retinát alkotó receptorsejtek a rájuk eső fényjelet átalakítják idegi impulzusokká.

A csapok és pálcikák eloszlása

A csapok és pálcikák eloszlása

A csapok és pálcikák felépítése

A csapok és pálcikák felépítése
A csapok és pálcikák felépítése

A külső szegmentumban zajlik a fényérzékelés folyamata, a belsőben leginkább ATP és fehérjék szintetizálódnak.

A receptorsejtek tulajdonságai

  • Nappali látás – csapok,
  • Sötétben látás – pálcikák,
  • Szürkületi látás – csapok és pálcikák.

Pálcika

Csap

Kis fényintenzitást képes érzékelni
(optimális esetben akár 1 fotont!)

Kevésbé érzékeny, de nagy intenzitástartományban érzékel

Közepes fényerősségnél válasza telítődik

Nincs telítődés

Főleg a retina perifériáján található

Foveaban, főleg fovea centralis

Egy ganglionnak több pálcika adja át az igerületet (nagyobb érzékenység, kisebb térbeli felbontás)

Kevésbé konvergáló idegi kapcsolatok
(jobb térbeli felbontás)

Nem érzékel színeket

Színérzékeny

A fényérzékelés mechanizmusa

A csapok és pálcikák működési elve azonos. Mindkettő alapvetően ugyanúgy alakítja át a beérkező fényingert az idegrendszer számára is használható kémiai ingerré.

A fényérzékelés első lépésében a beérkező fotont a fotopigment (rodopszin, magyarul látóbíbor) elnyeli. A rodopszin molekula a korongok membránjába épül be. Két részből áll:

  1. egy fehérjéből, 7 transzmembrán alfa-hélix szakasszal = opszin,
  2. és egy kromofórból (az A vitamin aldehidje) = retinál.

A kromofór a fehérjeláncok között foglal helyet, kovalensen kötődik egy aminosavhoz.

A rodopszin molekulamodellje (PDB azonosító: 1GUE). Egérrel megfogva forgatható, görgetéssel zoomolható.

A fényt a kromofór nyeli el, és ennek hatására izomerizálódik: 11-cisz formából csupa-transz formába alakul:

A retinál izomerizációja
A retinál izomerizációja

Az izomerizáció nyomán a retinál leválik az opszinról. Sötétadaptációhoz azért kell kb. 40 perc, mert az erősebb fény hatására nagy mennyiségben lebomlott rodopszin újratermelése viszonylag lassú.

A csupa-transz-retinál leválása után hátramarad egy aktív opszin molekula. Ez a molekula egy G-fehérje jelátviteli utat aktivál, amely cGMP hidrolízishez vezet. A szereplők és a folyamat vázlata így fest:

A fényérzékelés folyamata
A fényérzékelés folyamata

O = opszin,
R = retinál,
T = transzducin (G-fehérje, a görög betűk alegységeket jelölnek)
FDÉ = foszfodiészteráz.

A sejtben alapállapotban magas koncentrációjú cGMP közvetlenül kötődve hozzájuk nyitott állapotban tartja a külső szegmentum Na+-csatornáit. Így a sötétben lévő sejtben a membrán magas Na+ permeabilitása miatt a membránpotenciál lecsökken (ld. Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet): a sejt depolarizált állapotban van (-40 mV). Fény hatására lecsökken a cGMP szint, a Na+-csatornák bezáródnak: a sejt hiperpolarizálódik (-70 mV). A hiperpolarizáció hatására csökken a kibocsátott transzmitterek mennyisége.

A fényérzékelés folyamata
A fényérzékelés folyamata

A sejt tehát egy fényjelet alakít át idegrendszeri kémiai jelzéssé. Paradox módon a fény hatására leadott kémiai jel, a jel megszűnése.

A folyamat összefoglalása még egyszer, utalva a mennyiségekre is:

1 rodopszin elnyel 1 fotont

500 transzducin molekula aktiválódik

500 foszfodiészteráz molekula aktiválódik, és

105 cGMP molekulát hidrolizál

250 Na+ csatorna bezáródik

másodpercenként 106-107 Na+ ion beáramlása gátlódik 1 s ideig

a sejt hiperpolarizálódik (1 mV)

a transzmitterleadás csökken.

Színlátás

Fontos: a szín az idegrendszer által létrehozott érzet és nem fizikai tulajdonság!

A látható spektrum és az adott hullámhosszakhoz rendelhető színérzetek
A látható spektrum és az adott hullámhosszakhoz rendelhető színérzetek

Adott hullámhosszakhoz rendelhető színérzetek hozzávetőlegesen a következők:

430 nm – ibolya

460 nm – kék

520 nm – zöld

575 nm – sárga

600 nm – narancs

650 nm – vörös

A színlátás elmélete

Thomas Young, 1801: “igen valószínűtlen, hogy végtelen típusú színérzékelő sejt létezzen, amelyek közül mindegyik más színt érzékel, valószínűbb véges számú, pl. 3 sejttípus létezése.”

Valóban kimutatták, hogy 3 féle csapsejt létezik, és mindegyik már spektrális tartományt érzékel. A 3 típus maximális érzékenységű a következő hullámhosszakon:

"kék" csap – 420 nm,
"zöld" csap – 530 nm,
"vörös" csap – 560 nm.

A háromféle csapsejt fényelnyelési görbéje
A háromféle csapsejt fényelnyelési görbéje

A 3 féle sejttípus csupán a bennük található rodopszinban különbözik. Adott típusú csapsejtben csak egyféle rodopszin található.

Molekuláris háttér: a rodopszinban a kromofór mindhárom esetben a 11-cisz-retinal, különbözik viszont a fehérjerész, amely így megváltoztatja a hozzá kötődött kromofór elnyelési tulajdonságait.

Az ember egyes színek keverékét új színként érzékeli. Így pl. a vörös és zöld keveréke sárgát ad, a kék és sárga keveréke zöldet. Ezért mondjuk, hogy a szín érzet. A színek “kikeverését” valószínűleg a látóközpont végzi.

A színkeverési elmélet

A színkeverés elméletével már Isaac Newton is foglalkozott.

Maxwell és Helmholtz állapította meg, hogy megfelelően megválasztott 3 szín adott arányú összegzésével bármilyen mintaszín kikeverhető:

Szín = a*V + b*Z + c*K ,

A leggyakrabban használt 3 szín a vörös, a zöld és a kék, ezek arányát jelzik a, b, cegyütthatók.

A fenti képlet az additívszínkeverést írja le, amelyben 3 különböző színű fény összege adja a mintaszínt, amely lehet tetszőleges szín, vagy akár fehér is. Ilyen elven működik a színes televízió, amely a vörös, zöld, kék (RGB = Red, Green, Blue) színrendszert használja. A nyomdaiparban és a színes nyomtatóknál használják még a ciánkék, sárga, bíbor, fekete (CYMK = Cyan, Yellow, Magenta) színrendszert.

Additív és szubtraktív színkeverés (bal illetve jobb oldalon)
Additív és szubtraktív színkeverés (bal illetve jobb oldalon)

Szubtraktív színkeverés esetén az előállítandó színt úgy kapják, hogy általában fehér színű fényből adott komponenseket vonnak ki (pl. színszűrőkkel). Példa erre fényképek előhívása színes negatívról.