Глаз как оптическая система

Устройство глаза человека – самой совершенной системы, созданной в ходе эволюции, – показано на рисунке 101. Наружную оболочку глазного яблока образует склера 1, она защищает внутреннее содержание глаза и обеспечивает его жесткость. На передней поверхности склера переходит в тонкую прозрачную роговицу 2, через которую в глаз проникает свет. За роговицей расположена радужная оболочка 3 с отверстием – зрачком 4. Радужная оболочка представляет собой мышечное кольцо, окрашенное пигментом. Это кольцо, сжимаясь или растягиваясь, меняет размеры зрачка и тем самым световой поток, попадающий в глаз, т.е. действует как диафрагма.

За радужной оболочкой находится хрусталик 5 – эластичное линзоподобное тело. С помощью циллиарной связки 6, которая может менять свое натяжение, изменяются радиусы кривизны поверхности хрусталика и тем самым его оптическая сила (явление аккомодации). Полость между роговицей и хрусталиком заполнена водянистой влагой; за хрусталиком находится стекловидное тело 7. Роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело образуют оптическую систему, аналогичную линзе с оптической силой около 58,5 дптр.

Сетчатка 9 представляет собой полусферу, состоящую из рецепторных клеток, имеющих форму колбочек и палочек. Всего в глазу 125 млн. палочек и 6,5 млн. колбочек. В центре сетчатки, на оптической оси, находится центральная ямка 10 – область наибольшей остроты зрения. Здесь сосредоточены колбочки, с помощью которых глаз ощущает цвета. В остальных участках сетчатки расположены в основном палочки.

Под действием света в палочках происходит перестройка особого вещества – зрительного пурпура (родопсина). Родопсин – это соединение одной из форм витамина А (ретинена) с белком сетчатки (оксином). Под действием света ретинен переходит из одной формы в другую (из цис- в транс-форму). Это вызывает генерацию в клетке нервного импульса, который через зрительный нерв 11 передается в мозг.

Палочки осуществляют так называемое сумеречное зрение, с помощью которого различаются размеры и форма предметов, но не их цвета. Цветовое зрение осуществляется с помощью колбочек, что возможно, если изображение предмета попадает на центральную ямку. Теория цветового зрения еще недостаточно разработана. Предполагают, что есть три типа колбочек, которые различно реагируют на разные участки спектра. В зависимости от степени раздражения каждого из этих типов колбочек мозг получает различные серии нервных импульсов и интерпретирует это как разные цвета.

Самые распространенные дефекты глаза – близорукость и дальнозоркость. Если оптическая система глаза дает изображение далеких предметов за сетчаткой, то человек страдает дальнозоркостью. Для исправления этого дефекта применяются очки с собирающими линзами (рис. 102, а). При близорукости глаза изображение получается перед сетчаткой. Для исправления этого дефекта применяются очки с рассеивающими линзами (рис. 102, б).

Рассматривая предмет двумя глазами, мы получаем на сетчатке каждого из них несколько различные изображения. В то же время мы воспринимаем один предмет, но видим его стереоскопически, т.е. объемно (бинокулярное зрение). Представление о глубине пространства возникает благодаря тому, что, направляя оба глаза на один объект, мы усилием глазных мышц поворачиваем их так, чтобы их оптические оси пересекались на предмете.

Глаз характеризуется разрешающей способностью, оцениваемой по минимальному углу зрения под которым две точки еще видны раздельно. Опыт показывает, что данный угол ≈1΄. Две точки изображения воспринимаются раздельно, если попадают на две разные светочувствительные клетки сетчатки.

Перечислим основные отличительные черты в строении глаз у различных представителей животного мира. Большинство членистоногих имеют много глаз, ориентированных по всем направлениям. Каждый такой глаз, имеющий форму очень узкой и глубокой воронки, в которой воспринимающий аппарат расположен глубоко на дне, видит только в одном определенном направлении; недостаток такого глаза – его ничтожная светосила: к воспринимающему аппарату поступит лишь чрезвычайно узкий поток света. Поэтому животные, снабженные сложными фасеточными глазами (насекомые, раки), не отличаются остротой зрения. Однако благодаря тому, что отдельные глаза направлены в разные стороны и весь глаз велик по сравнению с размерами насекомого, поле зрения насекомых оказывается значительным.

У рыб глаза отличаются плоской роговицей и шаровидным хрусталиком. Аккомодация глаза у рыб достигается перемещением хрусталика. Среди глубоководных встречаются рыбы с огромными телескопическими глазами, способными улавливать очень слабый свет. Глазное яблоко у этих рыб принимает удлиненную форму, роговица выпуклая, хрусталик и зрачок имеют большие размеры.

У земноводных роговица глаза очень выпуклая. Аккомодация глаз осуществляется, как и у рыб, перемещением хрусталика.

Аккомодация у пресмыкающихся происходит не только за счет перемещения хрусталика, но и путем изменения его формы.

Птицы обладают очень острым зрением, превосходящим зрение других животных. Глазное яблоко очень больших размеров и своеобразного строения, благодаря которому увеличивается поле зрения. У птиц, имеющих особенно острое зрение (грифы, орлы), глазное яблоко удлиненной «телескопической» формы.

Глаза млекопитающих, обитающих в воде (например, китов), по выпуклости роговицы и по большому показателю преломления напоминают глаза глубоководных рыб.

Глаза высокоорганизованных животных по строению подобны глазу человека, только обладают большей светосилой. Однако поле зрения оказывается меньшим. В ряде случаев этот недостаток компенсируется большей подвижностью глаз: животные могут ими вращать (хамелеон). В других случаях (например, у зайца) они расположены по бокам головы, что дает обзор свыше 180⁰.