Будова ока людини та його робота

Око (рис 2.1) відшукує об'єкти, фокусує зображення об'єкта на світлочутливому шаром (сітківці), захищає це зображення від розсіяного, не несущої інформації про об'єкт світла перетворять сформоване таким чином оптичне зображення в сукупність нервових імпульсів і передає закодоване в цих імпульсах оптичне зображення в мозок за спеціальним каналом (зоровий нерв).

Фокусуючи елементи. Промені від об'єкта попадають на рогову оболонку (роговицю) і при цьому майже повністю фокусується на сітківці. Фокусування завершується природною лінзою – хрусталик. При яркому світлі діафрагма в райдужній оболонці ока (ірисова діафрагма) звужується так, що її отвір (зіниця) стає малим і використовується тільки центральна ділянка хрусталика. Переважне використання саме цієї ділянки хрусталика забезпечує одержання найбільш різкого зображення на сітківці.

Роговиця. Роговиця являє собою проникне для світлових променів продовження білої склеротичної оболонки ока (білок ока). Передня її частина дуже близька за формою до ділянки сфери, а її зовнішня поверхня підтримується з точки зору оптики в доброму стані, постійно промиваючи солоною водою, що надходить через слізні протоки. Ця поверхня досить часто очищається при миготінні вік, що несуть забруднену пилом солону воду, заміняючи її чистою. Якщо сторонній предмет попадає на роговицю, то його наявність виявляється нервовими закінченнями у роговиці і на внутрішній поверхні вік. Нервові закінчення настільки чуттєві, що звичайно не довільно починаються негайні міри, що видаляють цей предмет і відновлюють таким чином нормальний оптичний стан поверхні роговиці.

Якщо між роговицею та хрусталиком накопичується велика кількість камерної вологи, роговиця стає сильно опуклою, так що її кривизна стає більше. При цьому зображення предметів фокусується не на сітківці, а перед нею – короткозорість. Якщо ж камерна рідина створює занадто малий тиск, то поверхня роговиці стає плоскою. При цьому зображення фокусують за сітківкою (далекозорість) або не фокусуються взагалі. Але в більшості людей кривизна роговиці нормальна, таким чином хрусталик забезпечує одержання сфальцьованого зображення.

Рис. 2.1. Схема будови ока: 1 – склера; 2 – роговиця; 3 – судинна оболонка; 4 – рісничне тіло; 5 – радужна оболонка; 6 – хрусталик;

7 – передня камера; 8 – скловидне тіло; 9 – ціннові зв’язки;

10 – сітківка; 11 – зоровий нерв; 12 – сліпе вапно; 13 – жовте вапно;

14 – центральна яма; 15 – зорова вісь; 16 – оптична вісь

Зіниця. Зіниця являє собою отвір (ірисову діафрагму) у райдужній оболонці ока, через яке проходить світло. Оскільки надзвичайно мала частка світла, що попадає в око, виходить з нього, зіниця звичайно виглядає чорною. Райдужна оболонка (радужка), що оточує зіницю, може бути чорною, коричневою, зеленою, або блакитною залежно від кількості коричневого пігменту (меланіну) або зовсім не містить його. Блакитне фарбування відповідає повній відсутності меланіну, обумовлена виборчим розсіюванням світла в тканинах радужки. Механізм цього розсіювання аналогічний механізму, що визначає блакитний колір неба.

При темновій адаптації ока радіальні стосовно центра зіниці м'яза розтягують радужку, тим самим збільшуючи площу зіниці. Зіниця ока, адаптованого до темряви, може досягати в діаметрі 8 мм. Якщо ж який-небудь із двох очей піддається раптовому різкому опроміненню більш яскравим світлом, зіниці обох очей автоматично звужуються. Це обумовлено скороченням кругових м'язів, розташованих за внутрішнім краєм отвору в радужці. При яскравому висвітленні використовують лише центральну частину оптичної системи ока. При цьому зображення на сітківці стає більш чітким (сферична аберація різко зменшується), пофарбовані смужки між темними і світлими ділянками зображення (хроматична аберація) майже зникають. При повному сонячному висвітленні людина максимально використовує оптичні властивості ока. М'язи автоматично скорочуються при надлишку світла. Людина має головний біль при максимально гострому зорі. Стан людини не супроводжується хворобливими наслідками при трохи гіршому зорі.

Хрусталик. Хрусталик утримується на місці радіальними розтягуючими м'язами, а також сфінктерним м'язом, розташованим навколо основи радіальних м'язів. Сфінктернаий м'яз знімає напругу з хрусталика, що являє собою напівтверде пружне тіло, і дозволяє йому повернуться у вихідний опуклий стан. Для того що б бачити прилеглі об'єкти з досить високою різкістю, сфинктерний м'яз при акомодації ока повинна скоротиться, дозволяючи хрусталику прийняти природну опуклу форму. При розгляданні вилучених об'єктів сфінктерний м'яз при акомодації ока розслаблюється і дозволяє радіальним м'язам зробити поверхню хрусталика майже плоскою. З віком речовина хрусталика поступово утрачає свою пружність, так що радіальні розтягуючи м'язи на нього не діють. При цьому людина має потребу в окулярах для роботи.

Крім того, з віком хрусталик жовтіє, а іноді сильно змінюється, що зовсім утрачає свою прозорість – настає катаракта. Її поява може бути викликана і тривалим опроміненням при роботі в нагрівальних або інших печей. За мірою каламутності хрусталика усі предмети в полі зору людини сприймаються як крізь туман. Хірургічне видалення хрусталика повертає можливість розрізнення деталей, але для фокусування зображення на сітківці в цьому випадку необхідні дуже сильні окуляри або контактні лінзи. При цьому втрачається акомодація зору. Для оптичної системи хрусталика ока характерні два дефекти: сферична та хроматична аберації. Внаслідок хроматичної аберації сині та фіолетові промені фокусуються в точці, розташованій ближче до хрусталика, ніж точки, де збираються у фокус зелені, жовті та червоні промені.

Склоподібне тіло. Склоподібне тіло являє собою грузлу рідину, що заповнює внутрішній об’єм ока. Воно підтримує майже постійну відстань між хрусталиком і сіткою. Його оптичні властивості: звичайно в ньому вільно плавають пепелообразні і ниткообразні частки тканини, що частково збираються поблизу сітківки. Ці частки погіршують якість зображення на сітківці, особливо ті з них, що розташовуються біля неї. Вони відкидаю тіні, які можна побачити при розгляданні будь-якою яркої та однорідної пофарбованої поверхні. Його оптичні властивості, тому нагадують властивості повітря, у якому зважені пилові та утворюючі туман дрібні водяні частки. Оптична система ока може формувати дуже чітке зображення, обумовлене властивостями світлочутливого шару ока, тобто його сітківки.

Світлочутливі елементи. Світлочутлива частина ока являє собою мозаїку реагуючих на світло кліток (фоторецепторів) – паличок і колбочок сітківки. Палички і колбочки знаходяться в безпосередньому контакті із судинною оболонкою ока, що знаходиться за яблуком ока, а їх закінчення спрямовані убік, протилежно падаючому світлу. За допомогою паличок і колбочок зміни в оптичному зображенні на сітківці перетворюються у сукупність нервових імпульсів, що поширюють від рецепторних кліток у мозок. Колбочки розташовані в центральній частині сітківки і кожна їх група безпосередньо пов'язана з мозком через внутрішню поверхню сітківки і зоровий нерв. До цих прямих з'єднань у сітківці є незлічима кількість локальних провідних нервових шляхів. Світло, перетинаючи склоподібне тіло, спочатку проходить через шар нервової тканини сітківки, кровоносні судини, попадає на шар паличок і колбочок. Нервова тканина сітківці розташовується між падаючим світлом і шаром паличок і колбочок. Тому вона є прозорою, а кровоносні судини, що не прозорі, не видимі.

Палички – нічний зір. Палички можуть реагувати на малі кількості променистої енергії. Вони відповідають за здатність бачити при місячному світлі, світлі зоряного неба, і навіть у тих випадках, коли це зоряне небо сховане хмарами. Чутливість паличок максимальна при довжині хвилі падаючого світла 510 нм (зелена ділянка видимого спектра). Однак у нормальному оці палички не створюють відчуття червоного, жовтого, зеленого або синього кольорів. Вони забезпечують тільки ахроматичне сприйняття у вигляді білого, сірого та чорного кольорів. Більш того, кожна паличка не має безпосереднього зв'язку з мозком. Вони поєднуються в групи. Подібний пристрій пояснює високу чутливість паличкового зору, але перешкоджає розрізненню з його допомогою дрібних деталей. Ці факти пояснюють загальну безбарвність і нечіткість сутінкового зору і справедливість прислів'я: «Вночі усі кішки сірі».

У центральній ямці жовтої плями (діаметром ~1⁰) немає жодної палички. Їх немає й у більш великій центральній області жовтої плями ~2⁰. Але починаючи з границі цієї області, число паличок на одиницю площі сітківки зростає стосовно такого ж числа колбочок доти, поки на крайній периферії ділянки сітківки не можна знайти ні однієї колбочки. Щільність паличок максимальна на кутовому видаленні ~20⁰ від центра жовтої плями. Відсутність паличок у самому центрі сітківки, що забезпечує найбільшу гостроту денного зору, породило приказку: «Що б бачити дуже слабке світло, потрібно взагалі не дивитися».

Колбочки – денний зір. Реакція колбочок більш складна, ніж у паличок. Замість простого розрізнення світла і темряви, а також сприйняття ниизки різних сірих кольрів, колбочки забезпечують сприйняття хроматичних кольорів (жовтий і синій, червоний і зелений кольори). Паличковий зір порівнянні з колбочковим більш чутливий до випромінювань короткохвильової (синьої) ділянки видимого спектра, а чутливість до випромінювань довгохвильової (червоної) ділянки спектра приблизно така ж, як у колбочок. Однак колбочки реагують на малі збільшення інтенсивності падаючого світла (формуючі зображення на сітківці) навіть коли щільність його потоку на якийсь час стає настільки велика, що палички вже не реагують на них – вони насичені. Тобто, усі палички в такому випадку дають максимально можливу кількість нервових сигналів. Таким чином, наш денний зір забезпечується майже цілком колбочками. Порушення чутливості до впливу світла за оссю довжин хвиль від колбочкового (денного) зору до паличкового (нічного) зору має назву ефект Пуркінье (Пуркіне). В 1823 р. Чеський вчений Пуркіне, обумовлює той факт, що об'єкт, червоний при денному світлі, сприймається людиною як чорний при нічному або сутінковому висвітленні, у те час як об'єкт, сприйманий вдень як блакитний, вночі здається світло-сірим.

Чутливість паличок викликане поглинанням енергії випромінювання світлочутливим пігментом – родопсином. Їх нечутливість у денний час пояснюється тим, що при адаптації ока до денного зору майже весь родопсин реагує під дією світла (відбілюється). Це відбілювання відбувається так швидко, що адаптація ока до денного висвітлення завершується протягом декількох хвилин. Єдиний спосіб відновлення чутливості паличок, полягає у відновленні в оці нормальної концентрації родопсину в паличках за рахунок внутрішніх процесів обміну. Ці процеси тривають біля 30 хвилин. Наявність у одному оці двох типів світлочутливих приймачів (паличок і колбочок) є великою перевагою.

Колбочки (загальне число яких ~7 млн.) розподілені по всій сітківці, за винятком так називаної сліпої плями – місця, де нервові волокна поєднуються і виходять з ока, утворюючі зоровий нерв. Найбільш щільно вони розташовані в центральній ямці жовтої плями, де немає паличок. Їх досить багато в області, що оточує центральну ямку, з кутовим діаметром до 5⁰ (парафовельна область), де паличок ще дуже небагато. Невелика кількість колбочок є серед переважних паличок і на крайніх ділянках периферії сітківки, використовуємих тільки для погляду скоса. Поперечний переріз сітківки в області, де співвідношення числа паличок до числа колбочок дорівнює приблизно 4:1. На кінцях колбочок знаходяться щітки нервових закінчень, що дають багато можливостей для бічних з'єднань. Така будівля відповідає їх складним функціям. У центрі сітківки колбочки розташовані дуже близько одна до іншої, що дозволяє розрізняти при сприйнятті дуже дрібні деталі об'єкта. Фактично оптична система ока така, що ще більш щільне упакування колбочок навряд чи поліпшить наші зорові можливості. Не утримуючих паличок область (кутовим розміром у 2⁰ має площу ~1мм² і містить ~50000 колбочок. Стиснуті колбочки втратили характерну для них форму. Деякі колбочки мають щітки нервових закінчень. Таким чином, колбочки забезпечують людині гострий чорно-білий зір та менш гострий кольоровий зір. Зменшення гостроти кольорового зору пояснюють наступним чином: для адекватної реакції на колір необхідно використовувати дві або більш колбочок. Нервові закінчення, що ідуть убік, утворюють навколо самого центра найтонший з можливих шарів нервової тканини, у якому до того ж немає кровоносних судин. Тонкий шар нервової тканини формує центральну ямку жовтої плями.

Палички і колбочки – сутінковий зір. Сутінковий зір залежить від паличок і колбочок. Сумерки – це діапазон висвітлення, що простирається від висвітлення, створюваного випромінюванням від неба при сонці, що опустилося більше, ніж на кілька градусів за обрій, до висвітленні місяця, що піднявся високо в ясне небо у половинній фазі. До сутінкового зору належить і видимість у слабко освітленому (наприклад, свічами) приміщенні. Оскільки в таких умовах відносна участь паличкового і колбочкового зору в загальному зоровому сприйнятті безупинно змінюється, судження про колір відрізняються надійністю, але іноді люди, відповідальні за випуск продукції, дозволяють робити оцінку кольору при тьмяному висвітленні. Проте є низка продуктів, колірну оцінку яких необхідно здійснювати за допомогою змішаного зору, що пов’язано з споживанням продукції при тьмяному світлі. Матеріали, люмінесцентне вивчення яких має різні кольори, можуть бути дуже корисні людям, зобов'язаним працювати при тьмяному світлі у воєнний час або у фотографічній темній кімнаті. Однак вимірювання таких кольорів вимагає вирішення низки спеціальних технічних проблем.

Пігменти ока. Енергія випромінювання, що проникає через роговицю, не тільки фокусується роговицею і хрусталиком, але й змінюється за своїм спектральним складом за рахунок виборчого поглинання пігментами (хрусталика, жовтої плями) перетвориться в нервові імпульси за допомогою пігментів паличок і колбочок, а невелика її частина поглинається пігментом судинної оболонки.